/
Tags: электротехника электроэнергетика
ISBN: 5-7046-0779-9
Text
Э.И.Басс, В.Г.Дорогунцев
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Под редакцией чл.-корр. РАН.
докт. техн. наук, проф. А.Ф. Дьякова
Допущено Учебно-методическим объединением вузов России
по образованию в области энергетики и электротехники
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по направлению 551700 "Электроэнергетика"
по дисциплине "Релейная защита электроэнергетических систем"
Москва Издательство МЭИ 2002
УДК 621.311-621.316.9(075 8)
ББК 31.27-05я73
Б 276
Резензентьг кафедра «Автоматическое управление электроэнергетическими системами»
Ивановского государственного энергетического университета (зав кафедрой доктор техн
наук, проф Шуин В А ),
главный инженер проекта ОАО «Институт «Энергосеть проект» С Я Петров,
главный специалист отдела релейной защиты и устойчивости ОАО «Институт
«Энергосетьпроект» Рибель Н Е
Басс Э.И., Дорогунцев В.Г.
Б 276 Релейная защита электроэнергетических систем: Учебное пособие/
Под ред. А.Ф. Дьякова — М.: Издательство МЭИ, 2002.— 296 с, ил.
ISBN 5-7046-0779-9
Изложены принципы действия автоматических устройств защитного
отключения — релейной защиты электрических станций и электроэнергетических систем с
иллюстрацией их действия структурами алгоритмов функционирования
Приведены краткие сведения о способах их технической реализации, включая
микропроцессорную технику
Для студентов вузов, обучающихся по направлению 551700 «Электроэнергетика»,
и эксплуатационного персонала электроэнергетических систем
УДК 621.311: 621.316.9(075.8)
ББК31.27-05я73
ISBN 5-7046-0779-9
О Басе Э И , Дорогунцев В Г, 2002
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга является впервые издаваемым учебным пособием по общему
курсу «Релейная защита электроэнергетических систем»,
предназначенным для студентов всех электроэнергетических специальностей. Ранее
изданная одноименная литература представляет собой учебные пособия и
учебники по специальному курсу, изучаемому студентами специальности
«Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем».
При этом содержание пособия соответствует общему курсу,
изучаемому студентами указанной специальности на стадии подготовки бакалавров.
Таким образом ее издание восполняет пробел, существовавший в
учебной литературе по технике релейной защиты, знание которой необходимо
бакалаврам и инженерам любой электроэнергетической специальности.
Учебное пособие написано доцентами кафедры «Релейной защиты и
автоматизации энергосистем» Московского энергетического института
(технического университета) Э.И. Басе и В.Г. Дорогунцевым на основе
многолетнего опыта преподавательской деятельности по материалам
лекций, которые они читали студентам электроэнергетического факультета
МЭИ(ТУ). Хотя авторам и не удалось удержаться от увлеченности
некоторыми подробностями, книга отличается общностью и единым стилем
изложения сложного учебного материала.
При подготовке к изданию пособие было дополнено последними
сведениями о многопроцессорной технике сотрудниками кафедры релейной
защиты и автоматизации энергосистем доктором техн. наук, проф. Н.И. Ов-
чаренко и канд. техн. наук, доц. В.В. Бабыкиным.
Чл.-корр. РАН, зав. каф. РЗиА МЭИ(ТУ),
докт. техн. наук, проф. Л.Ф. Дьяков
ВВЕДЕНИЕ
В электроэнергосистемах одновременно эксплуатируются устройства
релейной защиты (РЗ) и автоматики (УРЗА) на различной элементной базе:
электромеханические реле, блоки реле, шкафы и панели на интегральных
микросхемах (ИМС) малой и средней степени интеграции (операционные
усилители и логические элементы). Разрабатываются и внедряются
устройства с использованием цифровых универсальных и специализированных
микропроцессорных систем (программные устройства РЗА).
Для описания устройств РЗА, пояснения состава и функционального
назначения элементов используются различные способы изображения
схем: структурные, функциональные и монтажные. Для решения задач
схемотехники при проектировании и изучении РЗА применяются
принципиальные разнесенные схемы.
В настоящее время в электронике оказалось возможным размещать
большое количество законченных блоков функциональных элементов в одном
корпусе. Поэтому разнесенные принципиальные схемы, составленные для
таких корпусов и их соединений, становятся мало доступными для
пояснения принципов действия и процессов в отдельных функциональных
элементах РЗА. При изучении принципов действия и анализе
функционирования программных УРЗА принципиальные схемы практически теряют
смысл. Структурные схемы требуют подробного математического описания
функций РЗА и процессов их реализации.
Процессы функционирования устройств РЗ могут быть представлены
в виде последовательности действий, в результате выполнения которых
после поступления входных воздействующих величин должно быть
принято одно из двух возможных решений — отключить или не отключить
присоединение. Такие процессы относятся к категории алгоритмических.
Поэтому в учебном пособии при систематизированном изложении
принципов действия автоматических устройств РЗ используется способ
представления алгоритмов в виде их структурных схем. Для изображения
структурной схемы алгоритма основных функциональных частей РЗ —
измерительно-преобразовательной и логической — применяются
обобщенный алгоритм измерительных органов релейной защиты и известные
логические операции И, ИЛИ, НЕ, их производные логические функции и
временные задержки.
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ФУНКЦИИ И СВОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Назначение и типы защит. На рис. 1.1 показана схема части
электроэнергетической системы. Условно изображены: электростанция (ЭС) с
генераторами G и трансформаторами Г, электроэнергетическая система
(ЭЭС), связывающие их транзитные линии электропередачи с
двухсторонним питанием Wl—W3, их автоматические выключатели Q и линии
потребителей электроэнергии с односторонним питанием, отходящие от
шин А, Б, В, Г подстанций. Каждый выключатель снабжен приводом,
представляющим собой механическое или электромеханическое
устройство, имеющее электромагниты включения YAC и отключения YAT. При
подаче напряжения на электромагнит включения происходит включение
выключателя (срабатывает YAC)\ при подаче напряжения на электромагнит
отключения — его отключение (срабатывает YAT). При номинальных
напряжениях UH0M < 220 кВ применяются трехфазные приводы,
производящие включение или отключение одновременно всех трех фаз.
При функционировании ЭЭС возможны различные ее состояния:
нормальный режим работы, утяжеленный (ненормальный), аварийный и по-
слеаварийный режимы.
К утяжеленному относится режим, сопровождающийся сверхтоками
перегрузок, сниженными амплитудой и (или) частотой напряжения,
качаниями синхронных генераторов, однофазным замыканием на землю в сети
с изолированной (компенсированной) нейтралью.
Аварийный режим наступает при возникновении короткого замыкания
(КЗ). При КЗ в точке К1 на W2 токи /к1 и /к2 проходят по линиям W1—W3.
Для линии W2 указанные КЗ — это ее внутреннее повреждение, а для Wl и
W3 — внешнее, проходящие по ним токи называются внешними (сквозны-
эс
:вн=нД)!п-го
YAC
В
Wl
Q2
лк\
■oto
Q8
Q3
W2 Q4
О-Ю
Q5 ™ Q6
Q9
ЭЭС
-CtfbQ)
Гк2 Q10
^i
Рис. 1.1. Схема электроэнергетической системы
ми) токами. Для ликвидации повреждения защиты 3 и 4 (номера защит и
выключателей совпадают) должны воздействовать на отключение
выключателей Q3 и Q4. При отказе защиты 5 или выключателя Q3 ликвидация
повреждения возможна отключением Q1 и Q2.
Основное назначение релейной защиты — выявление повреждения
и действие на отключение выключателей для отделения поврежденного
электроэнергетического объекта.
Дополнительное назначение релейной защиты — выявление
утяжеленного режима работы и выдача информации о нем — действие на сигнал.
На каждом из указанных на схеме рис. 1.1 элементов ЭЭС в общем
случае должны быть установлены основная и резервная защиты.
Основной называют защиту, которая должна действовать ранее других
при внутренних повреждениях — при КЗ на защищаемом элементе.
Резервная защита предусматривается для действия вместо основной
и вместо защит смежных элементов при их отказе или отказе их
выключателей.
Функции и свойства релейной защиты. Включенная в работу защита
выполняет ряд функций (функционирует) [2]:
не срабатывает в нормальном и утяжеленном режимах при отсутствии
повреждений — отсутствии требований к срабатыванию;
не срабатывает при внешних КЗ, если работают защиты и
выключатели поврежденного элемента;
срабатывает при внутренних повреждениях.
В процессе эксплуатации возможны отказы функционирования, к
которым относятся:
ложное срабатывание — срабатывание при отсутствии повреждений;
излишнее срабатывание — срабатывание при внешних КЗ и отсутствии
требований к срабатыванию (когда на смежных элементах сработают
защиты и отключат соответствующие выключатели);
отказ срабатывания — несрабатывание при требовании к
срабатыванию (или повреждении на защищаемом элементе, или внешних
повреждениях и отказе защит или выключателей этих элементов).
Для выполнения перечисленных функций защита должна обладать
определенными свойствами: селективностью и устойчивостью
функционирования, составляющими техническое совершенство, а также надежностью
функционирования.
Селективность — избирательность действия защиты. Защита
селективна, если она не срабатывает без КЗ, при внешних КЗ (когда там
работают свои защиты и выключатели) и срабатывает при КЗ на
защищаемом элементе.
По принципу обеспечения селективного действия различают защиты
абсолютно селективные и относительно селективные.
6
Абсолютно селективные («абсолютная» селективность) — это защиты,
которые по принципу действия реагируют на повреждения только на
защищаемом элементе, т.е. имеют ограниченную защищаемую зону, и не
требуют при этом выдержки времени, так как при КЗ на «чужих» участках они
не приходят в действие.
Быстродействие — главное достоинство основных защит с абсолютной
селективностью. Однако абсолютно селективные защиты не могут
выполнять функции резервных защит при отказе защит или выключателей
смежных элементов. Поэтому такие защиты не могут использоваться как
единственные на защищаемом элементе. Для этого необходима защита, которая
могла бы выполнять все функции резервной.
Относительно селективными («относительная» селективность)
называются защиты, селективность действия которых обеспечивается
ступенчатым выбором параметров срабатывания защит нескольких элементов
(например, выдержек времени). Такие защиты могут срабатывать и при
внешних КЗ, если отказали защиты или выключатели поврежденного элемента.
Однако, для того чтобы защита поврежденного элемента имела
возможность сработать, нужно конечное время. Поэтому, в общем случае,
относительно селективные защиты медленнодействующие. Возможны сочетания
функций основных и резервных защит.
Селективность срабатывания при внутренних КЗ оценивается защито-
способностью и быстротой срабатывания.
Защитоспособность — способность устройства обеспечивать заданную
полноту защиты элемента при учитываемых внутренних металлических КЗ.
В настоящее время 100 %-ная полнота охвата витков обмоток
требуется и обычно обеспечивается при выполнении защиты линии. При защите
машин и аппаратов допускаются основные защиты с пониженной защи-
тоспособностью, т.е. не обеспечивающие 100 %-ной полноты охвата
витков обмоток.
Быстрота срабатывания. В общем случае желательно иметь основную
защиту с возможно меньшей выдержкой времени /3, так как при этом
уменьшается время отключения КЗ: t0T = t3 +^ов,где/ов— время
отключения выключателя. Снижение /от уменьшает размеры повреждений,
повышает запас устойчивости, надежность работы потребителей. Вместе с тем
выполнение быстродействующей защиты, как правило, требует более
сложных решений, например установки одновременно абсолютно селективной
защиты как основной и относительно селективной в качестве резервной.
Необходимое быстродействие выбирается таким, чтобы время t0T не
превосходило максимально допустимое [2]. Например, увеличение /от
может потребовать увеличения числа параллельно работающих линий и
снижения передаваемой мощности по каждой из них, что связано с
дополнительными капитальными вложениями. Рост мощности синхронных
генераторов происходит за счет более интенсивного использования активных ма-
7
эс
6KS>Q
Рис. 1.2. Использование критерия С/
(3)
териалов (увеличение плотности тока, индукции, снижение постоянных
времени) и требует уменьшения /от. Допустимые времена отключения
определяются расчетом устойчивости.
Для линий электропередачи напряжением £/ном < 220 кВ допустимое
/от определяется в соответствии с ПУЭ критерием остаточного
напряжения: трехфазные КЗ в точках системы, при которых остаточное
напряжение С/ост на шинах, через которые осуществляется параллельная работа
синхронных генераторов, меньше 0,6£/ном, должны отключаться без
выдержки времени. Использование критерия поясняет рис. 1.2. От шин ЭС
(или от ЭЭС) с внутренним результирующим сопротивлением Zc отходит
линия, удельное сопротивление которой равно Z . Если / — расстояние от
шин до точки трехфазного КЗ, то ток /( ' и остаточное напряжение (/ост
являются функциями ЭДС электростанции, ее сопротивления Zc,
удельного сопротивления линии Z и тока:
г(3)
Zc + V
[у(3)= (3)
Как следует из приведенного графика, на линии должна быть
установлена защита, отключающая КЗ на участке /3 без выдержки времени.
Устойчивость функционирования должна быть обеспечена прежде всего
при отсутствии КЗ и при внешних КЗ (отстроенность от них). Устойчивость
несрабатывания обеспечивается выбором параметров срабатывания защит.
Параметры срабатывания защиты (например, токи срабатывания,
выдержки времени) выбираются так, чтобы защита не срабатывала без КЗ и
при внешних КЗ (если там срабатывают свои защиты и отключают свои
выключатели).
После этого проверяется устойчивость функционирования при
внутренних КЗ, оцениваемая чувствительностью.
Чувствительность характеризует способность защиты реагировать на
заданные виды повреждений (и утяжеленные режимы работы), т.е.
выполнять функции срабатывания.
При параметрах срабатывания, выбранных из условий устойчивости
несрабатывания в режимах без КЗ и при внешних КЗ, не всегда удается
выполнить защиту с требуемой по ПУЭ чувствительностью. Последнее
обусловлено отсутствием четкого разграничения областей режимов без КЗ,
внешних КЗ и КЗ в защищаемом элементе. Например, на длинных, сильно
нагруженных линиях рабочие токи / б могут быть соизмеримы с токами
при КЗ на удаленном конце линии в минимальном режиме работы системы.
Чувствительность оценивается коэффициентом чувствительности кц.
Для максимальных токовых защит, срабатывающих при возрастании
воздействующей входной величины, коэффициент чувствительности
оценивается при повреждении в расчетной точке отношением минимального
тока в измерительном органе — реле тока защиты /р min к его току
срабатывания Ус :
к = 1 .11
Лч л р mm' 'с р *
Значения кч, требуемые для разных типов защит различных элементов
системы, устанавливаются ПУЭ в пределах 1,2—2.
Значения кч > 1 учитывают возможность коротких замыканий через
переходные сопротивления Rn и снижения тока КЗ относительно расчетного.
Под надежностью рекомендуется понимать способность объекта
(системы, устройства) выполнять заданные функции в заданном объеме при
определенных условиях функционирования [3].
Применительно к релейной защите заданный объем функций
определяется их перечнем и ограничивается техническим совершенством
устройства. Для оценки уровня надежности устройств релейной защиты
обычно используются частные показатели (в отличие от комплексных):
коэффициент неготовности к срабатыванию, характеризующий
надежность срабатывания, т.е. выполнение функций при внутренних и внешних
КЗ с требованиями к срабатыванию;
коэффициент неготовности к несрабатыванию при внешних КЗ,
характеризующий надежность выполнения функции несрабатывания при
внешних КЗ без требования к срабатыванию;
параметр потока ложных срабатываний, характеризующий надежность
несрабатывания в режимах без КЗ.
9
1.2. СПОСОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Совмещенные, разнесенные и структурные схемы цепей РЗ. В
настоящее время в энергосистемах в эксплуатации одновременно находятся
разные устройства релейной защиты и автоматики: электромеханические
реле, блоки реле, шкафы и панели на интегральных микросхемах малой и
средней степени интеграции (операционные усилители и логические
элементы), разрабатываются и внедряются устройства с использованием
универсальных и специализированных микропроцессорных систем
(программные устройства защиты и автоматики, см. гл. 12).
Для описания устройства РЗА, пояснения состава элементов, их
назначения и функциональных связей используются различные схемы:
структурные, функциональные, принципиальные, монтажные и др. Простые
электромеханические реле и устройства РЗА на их основе в течение
длительного времени позволяли ограничиваться совмещенными
принципиальными схемами, содержащими все реле, которые изображались в виде
единого аппарата, другие элементы и их соединения. В совмещенных схемах
одновременно изображались цепи переменных тока и напряжения
(измерительные) и оперативного тока (логические).
С усложнением УРЗА для пояснения принципов действия шире стали
применяться функциональные схемы, а для решения вопросов
схемотехники и при проектировании — разнесенные принципиальные схемы. В
разнесенных схемах отдельно изображаются цепи переменного тока,
содержащие вторичные обмотки трансформаторов тока и обмотки реле тока; цепи
переменного напряжения от трансформаторов напряжения с обмотками
реле напряжения; оперативные цепи, содержащие контакты измерительных и
пусковых реле, обмотки и контакты логических и исполнительных органов
защиты, электромагнитов привода выключателя. В ряде случаев
используются поясняющие рисунки, содержащие элементы как первичной схемы,
так и релейной защиты.
Для выполнения монтажных работ используются монтажные схемы.
При изображении схем пользуются условными графическими и
позиционными обозначениями, которые должны соответствовать действующим
ГОСТ [табл. 1.1 и рис. 1.3 (обозначения в схемах микропроцессорных
устройств приведены в гл. 12)].
Состав и функциональное взаимодействие основных частей устройства
релейной защиты отдельного присоединения условно в совмещенном виде
приведено на рис. 1.4, где штриховой линией показан вал выключателя, а
также связанные с ним главный (силовой) контакт Q, коммутирующий
линию W, замыкающий вспомогательный (сигнальный) контакт Q.1 и
обмотка электромагнита отключения YAT От трансформатора тока ТА,
установленного на линии, и трансформатора напряжения TV, установленного на
10
Таблица 1 1
Условные буквенные обозначения
Наименование
Генератор
Трансформатор (автотрансформатор)
Измерительные трансформаторы:
тока (первичный, вторичный)
с насыщающимся магнитопрово-
дом
напряжения (первичный,
вторичный)
Согласующий (промежуточный)
трансформатор
Трансреактор
Выключатель
Отделитель
Короткозамыкатель
Электромагниты:
включения
отключения
Контактор
Линия
Реле:
блокировки
от многократных включений
команды «Включить»
«Отключить»
положения выключателя:
«Включено»
«Отключено»
контроля
Переключатель цепей управления
Переключатель режима
Кнопка управления
Предохранитель
Выпрямительный мост
Обо- I
значение
^ 1
Т
ТА,
TAL
TALT
ТУ;
TVL
TL
TAV
Q
QR
QN
YAC
YAT
КМ
W
KB
KBS
ксс
кет
KQC
KQT
KS
SA
SAC
SB
F
VS
Наименование
Транзистор
Резистор
Конденсатор
Диод (тиристор)
Реле.
тока
напряжения
мощности
тока с насыщающимся
трансформатором
тока с торможением
сопротивления
времени
промежуточное
указательное
газовое
контроля цепи напряжения
фиксации команды включения
фиксации положения выключателя
частоты
Комплект реле защиты
Устройство:
АПВ
блокировки от качаний
Фильтр-реле:
напряжения
мощности
тока
Лампа сигнальная
красная
зеленая
Секундомер
значение
VT
R
С
VD
(VT)
КА
KV
KW
КАТ
KAW
KZ
КТ
KL
КН
KSG
KSV
KQQ
KQ
KF
АК
AKS
АКВ
KVZ
KWZ
KAZ
HL
HLR
HLG
1 РТ
11
Выключатель Обмогка реле, Контакты:
электромагнита замыкающий переключающий
L -■«■
Гй
размыкающий
при замыкании
2,5
Контакты, имеющие замедление:
при размыкании
—Ц^ ^_
Контакты неэлектрического
устройства:
при замыкании
и размыкании
JL
-X-
Кнопка управления:
замыкающий
О
размыкающий
О
с замыкающим
контактом
ja
с размыкающим
контактом
-Ц-
Резистор
10
Конденсатор
м
Предохранитель
10
Контакт замыкающий
импульсный
Контакты с ручным возвратом:
замыкающий размыкающий
"Т
Рис. 1.3. Условное «графическое изображение» элементов электрических схем
шинах, входные воздействующие величины подводятся к комплекту
релейной защиты ЛК. Условно показано, что его контакт замыкается с
выдержкой времени. Источником оперативного тока является аккумуляторная
батарея, работающая на шины управления ШУ. Цепи отдельных
присоединений подключены к шинам управления через плавкие предохранители F1 и
F2 или автоматы, защищающие эти цепи. Промежуточное реле KL
контролирует исправность цепи отключения и плавких предохранителей.
12
w
fv\ YAT
От аккумуляторной
батареи
[ U+ШУ
-ШУ
Рис. 1.4. Взаимодействие РЗ с приводом
выключателя
В нормальном режиме работы
линии при включенном
выключателе его сигнальный контакт Q1
замкнут, в обмотках реле KL и
обмотке электромагнита YAT
проходят токи, реле KL находится в
состоянии после срабатывания и его
размыкающий контакт разомкнут.
Балластный резистор R6
ограничивает ток в цепи и исключает
возможность срабатывания
электромагнита отключения YAT даже при
случайном шунтировании обмотки
реле KL. При разрыве цепи и
исчезновении тока реле KL возвращается в состояние до срабатывания, его
контакт замыкается, что при включенном выключателе вызывает появление
сигнала неисправности.
При повреждении на линии W срабатывает релейная защита: с
выдержкой времени замыкается контакт АК и выключатель отключается. При
отключении выключателя цепь YAТ размыкается контактом Q.I, а не
контактом АК, так как разрывная мощность контактов реле защиты недостаточна.
Принципиальные разнесенные схемы защиты в нормальном режиме
в соответствии с действующим ГОСТ представлены на рис. 1.5.
Все функции взаимодействия РЗ с приводом выключателя могут быть
представлены также в виде функциональной схемы, как, например, на
рис. 1.6. В элементе 1 контролируется уровень напряжения источника
оперативного тока Uon, а в элементе 2 — наличие ограниченного тока /откл,
свидетельствующее, как и выше, об исправности цепей электромагнита
отключения. При нормальном напряжении и отсутствии повреждений в
цепях на выходе логического элемента И1 имеет место сигнал,
соответствующий исправному состоянию схемы. В случае срабатывания защиты АК и
ТА
АК
а (
1 (
; АК
П
и
и
От7У
б)
А
+ШУ
АК
1_а_
1-ЧН
KL
I
-ШУ
F2
цепи тока, 6
Рис. 1.5. Разнесенные схемы цепей РЗ:
цепи напряжения, в — оперативные цепи, г
цепи сигнализации
13
От ТА J
0T7rJ
4m
^
опт
АК
1 1
\ 2
^
кт
И1
&
►
И2
&
КК4Г
►
Рис. 1.6. Функциональная схема взаимодействия релейной защиты с приводом
выключателя
появления сигнала на ее выходе с выдержкой времени КТ на выходе
логического элемента И2 появляется сигнал на отключение выключателя.
С увеличением интеграции в электронике оказалось возможным
реализовать большее количество законченных функциональных элементов
в одной микросхеме или корпусе. Поэтому разнесенные принципиальные
схемы, составленные из таких корпусов и их соединений, становятся
малодоступными для пояснения принципов действия и процессов в отдельных
функциональных частях устройств РЗА. Более того, при реализации
функций РЗА средствами цифровой вычислительной техники использование
принципиальных схем для изучения способов выполнения или анализа
функционирования программных УРЗА практически теряет смысл.
Главные функциональные части, составляющие структуру устройства
релейной защиты от коротких замыканий, приведены на рис. 1.7. На выходе
измерительной преобразовательной части ИПЧ по совокупности входных
'•(/)
u{t)
:
ио
ио
:
\
ип
лч
t
^
ич
i
у
сч
KYAT
Сигналы
информации
Рис. 1.7. Функциональная схема релейной защиты
14
токов /(/) и напряжений u(t) формируются комбинации сигналов,
характеризующие работу в нормальном режиме, при внешних КЗ или при КЗ в
защищаемой зоне. Указанное формирование комбинаций сигналов в ИПЧ
выполняется измерительными органами ИО различных типов и назначения.
В логической части ЛЧ по совокупности сигналов, поступающих от
ИО, по заданным алгоритмам принимается одно из двух возможных
решений — отключить или не отключить выключатель Q.
Исполнительная часть ИЧ необходима для усиления сигналов —
превращения их в управляющее воздействие непосредственно на
электромагнит отключения привода выключателя.
Сигнальная информационная часть СЧ выдает информацию о действии
защиты, когда проходит управляющее воздействие на отключение
выключателя. Источник оперативного тока ИП обеспечивает напряжением
питания все цепи защиты, автоматики и управления приводами выключателей,
независимо от режима работы присоединения.
Функциональные схемы, как видно из приведенного примера,
недостаточны для изучения принципов работы РЗА и требуют
дополнительного описания всех функций и процессов.
При изображении схем РЗА до последнего времени не возникали
требования инвариантности изображения и описания функции РЗ относительно
элементной базы. Инвариантность представления стала особенно
актуальной, и прежде всего в учебной и методической литературе, в связи с
широким внедрением средств вычислительной техники для реализации
программных устройств РЗА (ПРЗА).
Процессы функционирования устройств РЗ всегда могут быть
представлены в виде последовательности (цепи) действий (шагов), в результате
выполнения которых после поступления входных воздействующих величин
(исходных данных) всегда должно быть получено одно из двух возможных
решений — отключить или не отключить присоединение (выключатель).
Такие процессы, как известно, относятся к алгоритмическим процессам.
Алгоритмические процессы могут быть представлены алгоритмом
функционирования. Алгоритм может описывать все части процесса
независимо, или абстрагированно, от элементов базы реализации, т.е.
представлять только принцип действия измерительной и логической частей
устройств РЗА.
Далее при систематизированном изложении принципов действия
устройств РЗ используются хорошо известные способы представления
алгоритмов в виде их структурных схем, элементы и правила изображения
которых регламентированы ГОСТ.
Логическая часть устройств РЗ содержит известные комбинационные
логические элементы И, ИЛИ, НЕ и различного вида временные задерж-
15
ки, представление которых структурой алгоритма не требует
дополнительных пояснений.
Для изображения структурных схем алгоритма устройства РЗ в целом,
включая и измерительную часть, необходимо иметь обобщенный алгоритм
измерительных органов защиты.
1.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Измерительная часть УРЗ обычно содержит несколько измерительных
органов, воспринимающих от первичных измерительных трансформаторов
сигналы и обрабатывающих их по различным алгоритмам.
Напряжения u(t) и токи /(/) — входные сигналы
измерительно-преобразовательной части — в соответствии с ГОСТ 16022-83 называются
входными воздействующими величинами. Принято различать ИО с
одной, двумя или более входными воздействующими величинами.
Например, ИО тока или напряжения являются органами с одной входной
воздействующей величиной. В таких органах зависимость выходной
величины полностью определяется изменением одной входной величины и
отображается точками вещественной оси.
Измерительные органы направления мощности или сопротивления —
ИО с двумя входными воздействующими величинами (напряжением и
током) и выходной величиной — функцией двух вещественных (или одного
комплексного) аргументов. Зона действия такого ИО отображается
областью в комплексной плоскости.
Входные воздействующие величины ИО, поступающие от
измерительных трансформаторов, — это непрерывные функции времени /(0 и u(t).
На рис. 1.8 представлены ИО и его проходная характеристика ^выхС^вх).
Под воздействием входного сигнала Хвх происходит возбуждение ИО и
переход его из начального состояния Гнач в конечное Укон, т.е. имеет
место действие ИО. При снижении или снятии возбуждения ИО переходит из
конечного состояния Ккон в начальное, и происходит отпускание ИО. Ве-
ио
а)
Явр Яср
б)
г _
кон
нач
Y
вых
1
*
i
к
вх
Яср Явр
Рис. 1.8. Измерительный орган ИО (а) и релейные проходные характеристики
максимального (б) и минимального органа (в)
16
личина на выходе, обычно напряжение, Квых имеет только два различных
значения и изменяется скачком при переходе ИО от одного устойчивого
состояния к другому. Скачкообразное изменение выходного сигнала УВЬ1Х
при непрерывном изменении входного Хвх обусловлено релейной
проходной характеристикой устройства УВЫХ(ХВХ).
Отношением к0 = Х0/Хд принято определять коэффициент отпускания
устройства.
Поскольку общим признаком для всех ИО релейной защиты является
релейный характер действия, то можно независимо от элементной базы и
методов получения релейной характеристики все ИО, по аналогии с
электромеханическими, называть электрическими измерительными реле,
которые предназначены при заданных значениях входных воздействующих
величин, характеризующих внешние явления, автоматически производить
скачкообразные изменения в цепях управления или сигнализации [5].
В общем случае величиной, характеризующей режим работы
электроэнергетического объекта, является функция Я [/(/)> "(01 входных
воздействующих величин. Функция Я, в отношении которой и нормируется
точность действия измерительного органа, называется характеристической
величиной. Вид характеристической величины определяется
функциональным назначением ИО.
В измерительных органах тока и напряжения входные воздействующие
ток или напряжение одновременно являются их характеристическими
величинами. В измерительном органе сдвига фаз характеристическая
величина — угол сдвига фаз между двумя входными воздействующими
электрическими величинами переменного тока. В частном случае, когда
определяется угол сдвига фаз между входным напряжением и током,
измерительный орган угла сдвига фаз выполняет функцию измерительного органа
направления мощности.
Для измерительных органов сопротивления характеристической
величиной является комплексное сопротивление Z = U/ / = ZtJ . Аналогично
могут быть определены воздействующие и характеристические величины
некоторых других измерительных органов релейного действия [2, 5].
К измерительным электрическим органам релейного действия, или
измерительным реле, относятся только те, которые должны срабатывать с
определенной точностью при заданных значениях характеристической
величины. Под срабатыванием понимается выполнение измерительным органом
релейного действия предназначенной функции в процессе изменения своего
состояния — действия или отпускания, а заданное значение
характеристической величины Яс называется уставкой реле.
17
Различают максимальные измерительные органы, срабатывание
которых происходит при возрастании характеристической величины, когда
Н > Я (рис. 1.8, б), и минимальные, срабатывающие при ее снижении,
когда Н < Нс (рис. 1.8, в). Очевидно, исходное состояние, из которого
измерительное реле выходит при срабатывании, и состояние завершенного
срабатывания (после срабатывания) для максимальных и минимальных
реле будут различными в зависимости от действия или отпускания реле
в процессе срабатывания. Если имеет место, например, максимальное реле
тока (рис. 1.8, б), срабатывание измерительного органа при Я > #
совпадает с действием реле, а минимальный измерительный орган, например
напряжения, срабатывает при его отпускании, когда Я< Я (рис. 1.8, в).
Соответственно и возврат измерительного органа в первом случае
происходит при отпускании реле, а во втором — при его действии.
Для измерительных органов, в отличие от коэффициента отпускания
реле к0, определяется коэффициент возврата, равный отношению значения
характеристической величины при возврате к ее значению при
срабатывании кв = Явр/Яср.
Для максимальных измерительных органов коэффициент возврата
совпадает с коэффициентом отпускания кв = к0 < 1 и всегда меньше единицы,
а для минимальных определяется обратным отношением кв = \/ к0 > 1 и
всегда больше единицы.
К измерительным органам релейного действия могут предъявляться
как общие требования, так и определяемые назначением и условиями их
работы [2, 5]. По определению все измерительные органы релейного
действия должны обладать необходимой точностью по параметрам
срабатывания и возврата, что достигается ограничением результирующих
погрешностей характеристик срабатывания. При этом часто требуются
значения коэффициента возврата, близкие к единице. Однако устойчивые
срабатывание и возврат обычно достигаются за счет конечной ширины
релейной проходной характеристики, когда кв Ф 1. Предельные значения
коэффициента возврата также могут ограничиваться технической
реализацией измерительного органа.
Работа измерительных органов не должна нарушаться при искажениях
формы входных воздействующих величин и отклонениях частоты.
Уровень мощности, потребляемой входными цепями измерительных
органов, как правило, ограничивается допустимыми режимами работы
первичных измерительных трансформаторов тока и напряжения
электроэнергетических объектов.
Все современные измерительные органы преимущественно
выполняются на интегральной микроэлектронной базе. Их разработка оказалась воз-
18
можной только с появлением высококачественных операционных
усилителей, которые позволили выполнить активными не только элементы
сравнения, но и необходимые функциональные линейные и нелинейные
преобразователи. Выполнение измерительных органов полностью активными
позволило улучшить информационные и функциональные характеристики и
существенно снизить потребление мощности от первичных измерительных
трансформаторов тока и напряжения.
Несмотря на множество различных измерительных органов как с одной,
так и с несколькими входными воздействующими величинами, в общем
случае они реализуют специфический алгоритм, позволяющий
сопоставлять значения величин, характеризующих текущий режим
электроэнергетического объекта, с заданными значениями этих же величин,
моделируемыми обычно в запоминающих элементах измерительного органа. По
результатам сопоставления дается заключение о состоянии объекта или его
режиме и формируется необходимый сигнал для логического блока защиты.
Таким образом, как и при измерениях, основными операциями
алгоритма являются восприятие воздействующих величин, преобразование в
форму, удобную для обработки, формирование характеристической величины
и сравнение ее опытным путем с заданными параметрами однородной
величины, хранящейся в запоминающем элементе. Заключительной
операцией измерительного органа, в отличие от процесса измерения, должно быть
формирование сигнала для логической части защиты.
В алгоритмах измерительных органов релейной защиты независимо от
функционального назначения и элементной базы обычно используются
известные способы измерений — непосредственное сравнение с эталонной
величиной (мерой или нормой) и компенсационный метод. Если принятый
алгоритм измерительного органа основан на использовании операций
только с синусоидальными величинами промышленной частоты, то все
составляющие воздействующих величин других частот являются помехами,
для устранения которых предусматриваются частотные фильтры.
Упрощенный алгоритм измерительного органа релейного действия с
указанием только тех операторов, которые обусловливают дискретное
изменение выходного сигнала при переходе органа от состояния до срабатывания
к состоянию после срабатывания и наоборот, представлен на рис. 1.9.
После ввода входных воздействующих величин, поступающих от
первичных измерительных трансформаторов тока и напряжения в виде
функций времени /(О и м(/), в соответствии с функциональным
назначением измерительного органа формируются текущие значения
характеристических величин Я: ток или напряжение, угол сдвига фаз \\f или
сопротивление Z = U/1.
В зависимости от принципа действия измерительного органа и способа
технической реализации (элементной базы) для формирования характери-
19
Нет
/7 *--^
Состояние
после
Не
Начало
1
u(t), /(0
1
ZF
►
mat), urn
i
Яс.р'Явр
Состояние
после
срабатипяниа
Ввод входных воздействующих
величин
Частотный фильтр
Формирование
характеристических величин U, I,y,Z
Ввод условий срабатывания
возврата
Анализ выполнения условий
срабатывания и возврата
(для максимальных
измерительных органов)
Рис. 1.9. Общий алгоритм функционирования измерительного органа релейного
действия
стических величин могут использоваться амплитудные, в частности
действующие, значения и фазы или ортогональные составляющие, а также
мгновенные значения w(f) и /(f) входных воздействующих величин.
Все измерительные органы, выполняемые на основе интегральных
микросхем, можно условно разделить на аналоговые и цифровые.
Цифровые, в отличие от аналоговых, содержат АЦП и все операции
выполняют в цифровых кодах.
В настоящее время в автоматических устройствах
электроэнергетических систем продолжают широко использоваться и измерительные реле
на основе электромеханических систем, которые также относятся к
аналоговым [5].
Параметры срабатывания и согласование характеристик релейной
защиты определяются только непосредственно для первичных токов и
напряжений электрической сети и, в отличие от величин на входе реле,
обозначаются Нсз при срабатывании защиты иЯвз при ее возврате.
Значения параметров срабатывания Ясз и возврата Явз независимо от
способа преобразования амплитуд и выполнения измерительного органа
для удобства эксплуатации всегда нормируются действующими
значениями напряжения U и тока реле / .
Вводятся или формируются условия срабатывания #с и возврата #в
измерительного органа в виде значений уставок характеристической
величины, например тока /с , или параметры характеристики срабатывания
в плоскости комплексного переменного Z .
20
Для определения уставок Я и Яв и ввода в измерительный орган
первичные параметры защиты Яс 3 иЯвз приводятся к вторичным с
использованием номинальных коэффициентов трансформации первичных
измерительных трансформаторов тока и напряжения. Однако при
подключении измерительных органов к вторичным обмоткам трансформаторов,
действительные коэффициенты отличаются от номинальных и появляются
погрешности тока и напряжения. Характер погрешности случаен,
поскольку случайны момент возникновения короткого замыкания в пределах
периода и кратность изменения первичной величины.
Для первичных трансформаторов тока, используемых для релейной
защиты, нагрузки ограничиваются предельными значениями полной
погрешности, которая не превышает 10 % в соответствии с ПУЭ. В цепях
напряжения защиты и измерительных приборов используются общие
трансформаторы напряжения, обычно удовлетворяющие классу точности.
В цепях измерительного органа также под влиянием случайных
факторов возникают погрешности, которые приводят к разбросу значений при
срабатывании и возврате реле.
Результирующая погрешность приводит к потере однозначной
функциональной зависимости между выполнением условия срабатывания
защиты Я = Яс з и условием срабатывания на входе реле Я = Яс р.
Результирующая погрешность измерительных трансформаторов и реле,
как правило, не превышает 10—20 % и при расчетах параметров и
согласовании характеристик срабатывания релейной защиты учитывается
введением коэффициентов отстройки котс, значения которых нормированы [2,
5]. После ввода уставок срабатывания Яср и возврата Я реле
проверяется на выполнение условия срабатывания Н > НС[) и условия возврата
Я <Явр (максимальное реле); при выполнении одного из них
измерительный орган переходит в состояние после срабатывания или возврата.
1.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ С ДВУМЯ ВХОДНЫМИ
ВОЗДЕЙСТВУЮЩИМИ ВЕЛИЧИНАМИ
Применение простых токовых защит с одной входной воздействующей
величиной ограничивается простыми схемами и режимами работы
электрических сетей и аппаратов.
В общем случае для защиты электрических систем необходимы
технически более совершенные типы релейной защиты. В измерительной части
этих защит используются органы направления мощности и реле
сопротивления, к которым подводятся уже две электрические входные
воздействующие величины: напряжение U и ток /
21
Характеристики срабатывания в данном случае — функции двух
вещественных или одного комплексного переменного, они могут
соответственно изображаться в плоскости комплексного переменного
сопротивления Z или мощности S, а также в полярных или прямоугольных
координатах двух вещественных переменных. Здесь, как и ранее, исключены
вопросы аппаратной реализации, а рассматриваются только
специфические особенности ИО с двумя подводимыми величинами, знание
которых позволит правильно понимать проблемы выполнения
дистанционных и направленных защит.
К реле сопротивления KZ (рис. 1.10, а) от первичных измерительных
трансформаторов тока и напряжения (на рис. 1.10 не показаны) подводятся
синусоидальные напряжение U и ток / . Характеристическая величина
ИО определяется отношением Z = U / [ = Z е"
J%
, которое
называется сопротивлением на зажимах (входе) и в общем случае
пропорционально сопротивлению первичной цепи, например линии электропередач АБ.
Обычно используются минимальные измерительные органы
сопротивления (ИОС) с характеристиками срабатывания в комплексной плоскости
сопротивления Z в виде замкнутых линий, ограничивающих область
значений Z, при которых ИОС должен срабатывать.
KZ
м
а)
-О U
А
\
и-:
,
Z"I
и
1
0
1
Z"
$
1 г
М 1
/ 6
■ i
к
'• 1
К' ,Б
• \
/ Z
)
Рис. 1.10. Условные обозначения измерительного органа минимального
сопротивления релейного действия (а), схема линии электропередачи и зависимости
компенсированного напряжения от места КЗ (б), область характеристики срабатывания
измерительного органа (в)
22
На рис. 1.10, в, где место установки защиты совмещено с началом
координат, под углом фл указано направление сопротивления линии
УФ
Z^ = ZnQ л и обозначено сопротивление уставки Z , определяющее
зону срабатывания ИОС.
Из определения функций и характеристик ИОС очевидна возможность
их осуществления как путем непосредственного вычисления
составляющих R wjX отношения Z = U /1 и последующего определения их
расположения относительно заданной характеристики срабатывания, так и
с использованием компенсационного метода.
Алгоритм компенсационного метода основан на понятии
компенсированного напряжения. Компенсированное напряжение U' — остаточное
напряжение в точке, соответствующей сопротивлению уставки Z , при КЗ
в произвольной точке линии:
U' = Up-Zylp = lp(Zp-Zy), (1.1)
где U = lvZ — остаточное напряжение в месте включения
измерительного органа на шинах А (рис. 1.10, 6) при коротком замыкании за
сопротивлением Z , / — ток в линии, подведенный от вторичных
зажимов измерительных трансформаторов напряжения и тока; Z = ZQ —
сопротивление срабатывания, установленное в измерительном органе.
При перемещении точки КЗ через границу зоны {К' — в зоне
срабатывания, К" — вне зоны срабатывания), определяемой сопротивлением Z
(точка /Q, компенсированное напряжение U' меняет фазу на угол тг, а при
Z - Z становится равным нулю. Эта особенность обычно и
используется в алгоритмах функционирования измерительных органов
сопротивления компенсационного типа.
Измерительный орган полного сопротивления (ИОПС). Наиболее
простым является непосредственное сравнение абсолютных значений
слагаемых в компенсированном напряжении \У [см. (1.1)], когда для
срабатывания минимального ИО сопротивления достаточно выполнения условия
(рис. 1.11, а)
При этом получается минимальный ИОПС с граничной
характеристикой (характеристикой срабатывания идеального реле) Z = Zc (ф ),
определяемой уравнением
Zcp=(|tfp|/|/p|)cp=Zy. (1.3)
23
TVL
^
k«,
TAL(TAV)
Л
к
hh
VSl
ЭСРД
EA
f~U
VS2
un
6)
Рис. 1.11. Алгоритм (а), функциональная схема (б) и
характеристика срабатывания (в) минимального
измерительного органа полного сопротивления
Характеристика Z (ф ) в плоскости Z — окружность с центром в
начале координат (рис. 1.11, в).
При реализации алгоритма (1.2) к элементу сравнения релейного
действия ЭСРД, в частности состоящему из выпрямителей VSl, VS2 и релейного
компаратора ЕЛ (рис. 1.11, б), от зторичкых измерительных
преобразователей должны подводиться две однородные величины £.
*.^Р
i?2 = -2-D ' где -1 и -2 — коэффициенты преобразования вторичных
измерительных преобразователей.
Если к j обычно не имеет размерности (коэффициент трансформации
Ки трансформатора или автотрансформатора напряжения TVL), то к2
должен иметь размерность сопротивления. В качестве преобразователя
применяются вторичные измерительные трансформаторы тока TAL, нагруженные
балластным резистором Лб, или трансреакторы ТАУ[5, 6].
При срабатывании идеального ИОС, если потери в элементах схемы
отсутствуют, \кхЦ I = U2iD| и> следовательно, сопротивление Z на его
входе равно уставке Z :
Zn = Zrn = \U /I I = kj/k} = Zv. (1.4)
P cp j-p -p|cp 2 1 у ^ j
Таким образом, в ИОС компенсационного типа сопротивление уставки
задается отношением коэффициентов к2/к{ преобразования вторичных
измерительных преобразователей амплитуд напряжения и тока.
Направленный измерительный орган сопротивлений (НИОС).
Измерительный орган сопротивления направленный, если его характеристика
срабатывания ZQ (ф ) расположена в комплексной плоскости Z так, что
24
исключается возможность срабатывания при расположении Z в третьем
квадранте плоскости.
Сопротивление срабатывания Zc НИОС в отличие от ИОПС зависит
от угла фр и, например, при характеристике в виде одной полной
окружности, проходящей через начало координат (рис. 1.12, а, б), определяется
выражением
ZcP =ZyC0S(<PM4-<PP)- (1-5)
Наибольшее значение Zc = Z получается при ф = фм ч — при угле
максимальной чувствительности, который задается параметрами
характеристики.
На рис. 1.12, а приведена векторная диаграмма, иллюстрирующая
изменение компенсированного напряжения Ц -Z I и угла сдвига фаз между
напряжениями £/ h(/-Z/ при размещении точки короткого
замыкания вне окружности К", на окружности К и внутри К' при ф Ф фм ч.
Характеристическая величина ИО сопротивления определяется
отношением Z = U /I , которое при пропорциональном снижении обеих вели-
#v
0
^м.ч
12/
-у
-"р-^р
к
Л/п
К"
Рис. 1.12. Характеристики срабатывания
направленного измерительного органа
сопротивления в комплексной плоскости (а и
б), зависимость сопротивления
срабатывания от тока (в)
25
чин не нарушается, но при их приближении к нулевым значениям
становится неопределенным. Поэтому, с учетом согласования защит, в общем случае
схемными решениями всегда обеспечивается несрабатывание ИО
сопротивления при нулевых значениях напряжения и тока на его входе. При этом
конечная чувствительность не позволяет срабатывать и вблизи нулевых
значений тока / и напряжения U независимо от значения Z = U /1 .
-р г -р -р-р-р
При малых токах характеристика срабатывания сокращается относительно
идеальной (рис. 1.12, в), приближаясь к ней только с увеличением тока.
При КЗ, при котором ф = фм ч, компенсированное напряжение
определяется разностью абсолютных значений Up и Z I (см. рис. 1.10, а)\
U' = Zlp-Zylp = Ip(Z-Zy). (1.6)
При смещении точки короткого замыкания Z извне в область
срабатывания абсолютного значения U' уменьшается и при Z= Z становится
равным нулю. Однако срабатывание измерительного органа при конечной
чувствительности релейного элемента ЕЛ (см. рис. 1.11, б), определяемого
напряжением его действия Цд, возможно, если
U' = Up-ZyIp = Un/kn. (1.7)
Здесь кп — коэффициент преобразования напряжения £/д к входным
зажимам схемы ИО. Из последнего равенства с учетом того, что Z = к2/к^
(1.4), в условиях срабатывания получается:
zcp=(£yVcp=zy-*V*nMp-
Таким образом, характеристика срабатывания Z (ф ) отличается от
граничной линии, иприф =ФМЧ сокращение зоны составляет AZ = UR/knк{1
и увеличивается при снижении тока (рис. 1.12, в).
Качество измерительных органов сопротивления принято
характеризовать значением тока точной работы /т , при котором сокращение зоны не
превышает AZ= 0,1 Z. Тогда 0,1Z = Цд/кпк11т,откула
Если умножить обе части на Z = k2lkx, то получится напряжение точной
работы
l/Tp=/TpZy = 10£/fl/*n*,, (1.9)
которое равно компенсированному напряжению на зажимах ИО, когда Z =
= 0,9Z . Напряжение UT при изменении уставки Z остается неизменным.
26
Коэффициенты чувствительности по току точной работы так же, как и
относительно сопротивления срабатывания, нормированы ПУЭ.
При смещении Z = U /£ к началу координат величина U -* О
и становится недостаточной для срабатывания релейного элемента: имеет
место «мертвая» зона ZM3 (см. рис. 1.12, б) направленного ИОС, которая не
зависит от тока реле и устраняется специальными схемными решениями.
Измерительный орган направления мощности (ИОНМ)
функционирует по алгоритму и имеет функциональную схему, аналогичную
приведенной на рис. 1.11 для ИОПС, с той разницей, что производится
сравнение не абсолютных значений двух синусоидальных величин кхЦ , к21
(см. рис. 1.11, а), а сравнение по фазе
<p = (*,t/p лА2/р)<срф, (1.10)
где ф — установленный граничный угол сдвига фаз.
В функциональной схеме вместо элемента сравнения амплитуд,
содержащего два выпрямителя VS1 и VS2 (см. рис. 1.11, б), применяется элемент
сравнения фаз, в частности управляемый выпрямитель: постоянная
составляющая выпрямленного напряжения пропорциональна coscp [6].
Характеристика срабатывания идеального ИОНМ в комплексной
плоскости представляет собой прямую линию, проходящую через начало
координат аналогично окружности, показанной на рис. 1.11, в для ИОПС.
Характеристики, параметры и схемы включения реального ИОНМ
приведены ниже (см. гл. 5).
Поскольку в последующих главах, при изложении принципов
действия защиты всех элементов электрических систем, измерительные
органы представлены только структурой обобщенного алгоритма (см.
рис. 1.8), а современные измерительные органы выполняются из
типовых функционально законченных элементов, подробно рассматриваемых
в [5, 6], здесь можно ограничиться приведением только общих
функциональных схем (рис. 1.13) аналогового (а) и цифрового (б) измерительных
органов релейного действия.
В соответствии с обобщенным алгоритмом функционирования (см.
рис. 1.9) для выполнения необходимых операций над сигналами в
аналоговых измерительных органах релейной защиты (рис. 1.13, а) должны
содержаться:
входные измерительные преобразователи ИП1, ИП2 в виде вторичных
измерительных трансформаторов напряжения и тока или трансреакторов,
обычно снижающие амплитуды Um и 1т и гальванически разделяющие
вторичные цепи первичных измерительных трансформаторов и цепи
измерительного органа;
27
u(t)\
ИП1
АФ1И
M
u(t)
ИП2
АФ2
ОПЦ
IE
ЗЭ
IT
ПФ1 h
ОП2
ПФ2
ЭСРД
J ЭС [
J рэ
(НИ)
1 y
a)
ИП1
АФ1
ФС1
m
ИП2М
АФ2
ФС2
мпл И АЦП
H Wih
ЦФ2 H
б)
Рис. 1.13. Функциональные схемы аналогового (а) и цифрового (б) измерительных
органов с двумя входными воздействующими величинами
аналоговые частотные фильтры или фильтры симметричных
составляющих АФ1 и АФ2;
операционные преобразователи ОП1, ОП2, формирующие
промежуточные электрические сигналы, обычно в виде ЭДС е{, е2, являющиеся
функциями напряжения w(f) и тока /(f), необходимыми для получения
характеристических величин Я; запоминающий элемент ЗЭ, в котором в
простейшем случае фиксируются уставки, а в общем случае — параметры
характеристик срабатывания измерительного органа;
измерительные преобразователи сигналов ПФ1, ПФ2 в форму, удобную
для последующего выполнения операций сравнения информационных
параметров;
элемент сравнения релейного действия ЭСРД, содержащий релейный
компаратор — реагирующий элемент РЭ (нуль-индикатор НИ);
усилитель мощности выходного сигнала У.
Цифровые измерительные органы (рис. 1.13,6), как и аналоговые,
содержат входные измерительные преобразователи (трансформаторы)
напряжения ИП1 и тока ИП2 и входные аналоговые частотные фильтры АФ1,
АФ2 обычно нижних частот, необходимые в связи с периодичностью АЧХ
цифровых фильтров.
28
В функциональную схему входят:
аналого-цифровой преобразователь АЦП с мультиплексором МПЛ —
переключателем цепей преобразуемых в цифровые дискретизованных
мгновенных значений напряжения и тока;
цифровые частотные фильтры или фильтры симметричных
составляющих ЦФ1,ЦФ2;
комплект функционально взаимодействующих микропроцессорных
больших интегральных схем МПК, образующих специализированную мик-
роЭВМ, которая может выполнять функции ЦФ1, ЦФ2;
элементы формирования дискретных сигналов ФС1, ФС2 управления
АЦП и мультиплексором и прерываний функционирования микроЭВМ.
Формирование сравниваемых и характеристических величин,
запоминание их установленных значений, сравнение, формирование выходных
сигналов в двоичных кодах С/цвых в виде только двух двоичных чисел,
соответствующих срабатыванию или возврату измерительного органа,
выполняются микроЭВМ. Выполнение алгоритма функционирования
измерительного органа в целом регламентируется командами программ, а
формирование выходных цифровых сигналов — параметрами срабатывания и
возврата или заданными значениями характеристики срабатывания,
размещающимися в ячейках памяти МПК.
Рассмотренные функциональные схемы иллюстрируют общие
принципы выполнения измерительных органов релейной защиты, которые
практически остаются неизменными, тогда как способы технической
реализации функциональных элементов могут существенно изменяться.
2
ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИИ И НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При выполнении релейной защиты, действующей на отключение, в
сетях с глухозаземленными нейтралями (110 кВ и выше) учитываются
трехфазные К^ \ двухфазные К^ ' (между двумя фазами), двухфазные на
землю 1С ' ' и однофазные К^ ' короткие замыкания. В этих сетях защита
выполняется двумя комплектами: комплектом от междуфазных КЗ,
включенным на полные токи и напряжения фаз, и комплектом от КЗ на землю,
включенным на токи и напряжения нулевой последовательности.
В сетях с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными
через дугогасящие реакторы, при выполнении релейной защиты,
действующей на отключение, учитываются # , /Г и двойные КЗ на землю
£дВ . При однофазных замыканиях на землю К^ (не КЗ!) защита, как
правило, выполняется действующей на сигнал, за исключением тех
случаев, когда по условиям техники безопасности требуется отключение К^ •
В этих сетях выполняют защиту от всех видов КЗ, включенной на полные
токи и напряжения, либо при л.дВ , переключаемой на слагающие
нулевой последовательности.
На трансформаторах (автотрансформаторах) принято выполнять
защиту, действующую на отключение при всех видах многофазных и
однофазных КЗ на выводах и в обмотках, а также при витковых КЗ и
возникновении «пожара» железа (см. ниже).
Работа релейной защиты определяется подводимыми токами,
напряжениями и фазными соотношениями между ними. Поэтому для анализа
работы релейной защиты необходимо рассчитать токи в защите, напряжения
в месте установки защиты, а также построить векторные диаграммы этих
величин. При построении векторных диаграмм задаются условными
положительными направлениями токов к месту КЗ, напряжений — к
нейтральным, а ЭДС — от нейтральных точек системы.
30
В целях упрощения в расчетах величин при КЗ не учитывают ток
нагрузки и расчеты производят для начального момента времени без учета
переходного сопротивления в месте КЗ.
При определении модуля тока в схемах с UH0M > 35 кВ принимается
Z = Х\ аргумент тока определяется ф = arctg XIR.
Далее приводятся известные методы анализа режимов КЗ [2].
2.2. МЕЖДУФАЗНЫЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В ОДНОЙ ТОЧКЕ
Трехфазные КЗ (JP ') рассматриваются для неразветвленной сети
(рис. 2.1). Исходными при построении векторной диаграммы являются
ЭДС системы ЕА, Ев и EQ. Ток в месте КЗ и в защите одинаков, и его
модуль, например, для фазы А равен lA = EA/(ZQ + Zfl), а аргумент (угол
сдвига относительно ЕА) фс = arctg[(Xc + Xn)/(RC + Rn)]. В месте КЗ
VАК = ^вк = ^СК = 0 • Модуль остаточного напряжения в месте
установки защиты UAp- = 1А2Л, а аргумент фл = arctgXn/Rn.
Короткое замыкание между фазами В и С {Кв^). Для всех элементов
(рис. 2.1) принимается равенство сопротивлений прямой и обратной
последовательностей Zj = Z2 = Z. Исходными при построении являются век-
(2)
торы ЭДС системы. Ток в неповрежденной фазе 1А = 0, а так как сумма
(2) (2)
токов трех фаз равна 0, то £в = -/^ (рис. 2.2, а). Токи в поврежденных
фазах определяются эквивалентной ЭДС Евс = Ев- Ес и суммой сопро-
ЕАХс* Rc
(3)
У-AF
Vbf
J-CF
ABCiT^
г(3)
r(3)
a)
6)
Рис. 2.1. Схема замещения сети (я) и векторная диаграмма токов и напряжений
при К{3) (б)
31
&i
*c
Ubcf
?BC
J-CF
ut
BF $B
6)
Рис. 2.2. Векторные диаграммы при К
* —Фс >ФЛ^-Фс =ФЛ
(2).
тивлений в контуре короткого замыкания. С учетом принятого выше
допущения (Zj = Z2) ток /^ = л/3 £^/ 2| Zc + Zl и сдвинут относительно
£дС на угол фс = фс. В месте КЗ напряжение между поврежденными
фазами UBcK = 0, а фазные напряжения UBK = U^ = -0,5ЕА.
Напряжение в месте установки защиты равно сумме напряжения в месте КЗ и
падения напряжения в линии: UBF = UBfS + lB Zn\ U^F = Uck ^ -с -л'
-£CF = ^-5 -с '-л = ^-в -л* Лектор междуфазного напряжения
в месте установки защиты Ubcf сДвинУт относительно тока 1В на угол
фл в сторону опережения. Для определения напряжений поврежденных
(2) (2)
фаз в месте установки защиты UBF и U^F можно воспользоваться
следующим построением. Через точку К диаграммы провести прямую О'—0",
(2)
параллельную направлению UBCF (показано штриховой линией),
отложить на прямой в обе стороны от точки К отрезки 1В 2Л = Ic ZJ1
и соединить концы отрезков с точкой Я. Как следует из диаграммы,
напряжение опережающей фазы В больше по абсолютному значению на-
(2) (2)
пряжения отстающей фазы С: UBF > U^F . В частном случае, когда
фс = фл (рис. 2.2, б), UBF = U^F , и при удаленных КЗ напряжения
стремятся к фазным ЭДС.
32
2.3. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
Однофазное КЗ на землю фазы А (КА ), в отличие от междуфазных
повреждений, характеризуется появлением токов и напряжений нулевой
последовательности. Сопротивление нулевой последовательности одно-
цепной линии не равно сопротивлению прямой последовательности, и
всегда Z0jl > Zj л (рис. 2.3).
В месте КЗ напряжение поврежденной фазы UA\ - О. Ток в
поврежденной фазе равен геометрической сумме токов прямой, обратной и нулевой
последовательностей 1А = /j + /2+ /Q, или 1А = 3 £^/(2^+Z2£+Z02:),
(1)
и сдвинут относительно ЭДС на угол ф^ = arctg
Напряжение поврежденной фазы в месте установки защиты (в начале
линии)равно
и, поскольку UAK = 0,
и^ = ixzu+i2z2n +i0z0n.
Напряжение U^F опережает ток /] на угол
-О)
Ф^ = arctg[(Xln + X2n + X0n)/(Ru + R2n + R0!l)}.
*ф F h
(1)
ен
М)
j
*1с'Л2с'*0с *1л'Л2л'Л0л
в)
Рис. 2.3. Схема сети (л),
ее схема замещения (6),
векторная диаграмма («)
при /С
(1)
33
G A
Г\ I Л.ТА1
7II Б
4D
^7
Ф 7 7
,r<L Zlc z2c
У1
*)
Рис. 2.4. Распределение токов при заземлении нейтрали Т при А4 ; в сети
О)
Напряжения неповрежденных фаз в месте короткого замыкания V^J и
гО)
(Л-, „ не остаются неизменными и равными ЭДС Ев и Ес. Вследствие
взаимоиндуктивной связи с поврежденной фазой в неповрежденных
индуцируются ЭДС AEm = L{AX)Zm.
На рис. 2.4, а представлен участок сети, на промежуточной подстанции Б
которого заземлена нейтраль трансформатора Т, а на рис. 2.4, б — схемы
замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей при К^ '
в точках К J или К2. Результирующее сопротивление нулевой
последовательности Zos = Z0c(Z0ji+Zt)/(Z0c+Z0ji + Zt). Токи в месте КЗ /]к =
= 12к = /0к = E,/(Zlc+Z2c + Z0I). При КЗ в точке К1 в защите
выключателя Q1 в поврежденной фазе проходит ток /j = /j + /2 +
+ /0k(Z0ji + ZT)/(Z0c + ZQji + ZT), а при КЗ в точке К2 в поврежденной
фазе в защите Q1 проходит ток /п = i0KZ0c/(Z0c + ZQji + ZT),
обусловленный заземленной нейтралью трансформатора Т.
Двухфазное КЗ на землю в сети с глухозаземленными нейтралями
(JP ' ') также характеризуется появлением слагающих нулевой
последовательности. В месте металлического КЗ ток прямой, обратной и нулевой
последовательностей при условии Zj^ = Z2I определяется как
-Лк
(и)
%(211+10£)/^.х^1х+2ад];
-2к
- £ф~оЕ'i-ix(—is -oiy-l >
4l-l)=E,/(Zll + 2Z0Z).
-1IV-1I
■ II*
34
При КЗ на землю защита включается на слагающие нулевой
последовательности. Поэтому для выбора параметров срабатывания защиты
достаточно определить значение, например, токов /0 при К^ ' и К^ ' \ В
соответствии с приведенными выше соотношениями при КЗ в одной и той же
точке и условии Zls = Z2%:
lo^/Io!'0 = (Z,i + 2Z02.)/(2Z11:+Z0L).
-(1,1)-
(2.1)
Двойные короткие замыкания на землю (К^'"') учитываются в
сетях с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через
дугогасящие реакторы. Например, на линии (рис. 2.5, а) фаза В замкнулась
в точке Кв, а фаза С — в точке Кс. Токи нулевой последовательности
проходят лишь в части линии между точками Кв и Кс, так как вне этого
участка нет контура для их замыкания. При К^ между фазами В и С ток
в фазе Л отсутствует, в начале линии до точки Кс токи проходят в повреж-
л. fO.1) fO.1) тт is is
денных фазах \ъВ = -/дВ с , а сумма их равна нулю. На участке Кс—Кв
ток проходит лишь в фазе В, появляется ток нулевой последовательности
^дв'о = " (дв'я • ^а Рис* 2-5, б показаны линии W1 и W2, отходящие от
шин подстанции, на одной из которых произошло замыкание фазы В в точ-
(1,1)
ке Кв, а на другой — фазы С в точке Кс—К^ . Если при этом защита
отключит W2, то на W1 останется однофазное замыкание на землю К.
(1)
не являющееся КЗ. Поэтому целесообразно отключать лишь одно место
повреждения при К^в , а оставшееся л3 может быть ликвидировано
ремонтным персоналом при получении сигнала о нем.
ABC
ЛВС
евд
г-я^Тк
t-ttst
wi
£S
W2
<"%-
б)
Рис. 2.5. Двойные замыкания на землю в сети
35
2.4. СООТНОШЕНИЯ ТОКОВ ПРИ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
(АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫХ) СВЯЗЯХ В СЕТЯХ
Соотношения рассматриваются для наиболее распространенной группы
соединения обмоток Y/Д-11. При анализе работы защит необходимо знать
соотношения электрических величин как на стороне, где произошло
повреждение, так и на других сторонах трансформатора.
На рис. 2.6, а приведена электрическая схема такого трансформатора,
указаны начала (Л, В, С, а, Ьу с) и концы (X, У, Z, х, у, z) обмоток, а также
условные положительные направления токов в подводящих проводах обмоток,
соединенных треугольником (£А д ; £ВА ; /сд), в фазах этих же обмоток
(ia> ifl» /) и в фазах обмоток, соединенных звездой (/^ у, 1ву , Icy^'
Для трансформатора с коэффициентом трансформации п = UAB/Uab
равным единице, числа витков обмоток соотносятся как и>д = Jlwy . Без
учета намагничивающего тока из равенства магнитодвижущих сил (МДС)
обмоток (/awA = I^Ywy) следуют соотношения 1а = 1А у /*/3 ; /« = 1ву/*/3 ;
/ = 1Су/*/з . Соотношения для токов /д и /Y можно получить, исходя из
первого закона Кирхгофа для узлов а, Ь, с:
-А А = -а~-(3; -В А = -р~-у; -С А = -у " -а'
или
1аа
-AY -BY
^BY~ ^CY
-CY -AY
4г
-BA
Л
-CA
Д
(2.2)
Векторная диаграмма токов в симметричном режиме приведена на
рис. 2.6, в. Определение токов на стороне звезды при известных токах на
±АА
i*A
^СА Ь
+Г>Г>Л /ft
лг
Y
[Z
►
hv
r^^>
IСУ
гуу>
л
5
Г
я)
Рис. 2.6. Трансформатор со схемой соединения обмоток Y/A-11 (а) и векторная
диаграмма токов в симметричном режиме (б)
36
стороне треугольника может быть получено при отсутствии токов нулевой
последовательности, когда /а + /« + L = 0. При этом
-А А -С А
-В А'
I
АА
-СА -ВА
'-AY
l-BY
l-CY
(2.3)
Уз "т Уз "ст Уз
При двухфазном КЗ, например, между фазами ВС на стороне звезды
токи 1Ау = 0; /а = 0; 1ву = -Icy В соответствии с (2.2) /^д = -/5У
/УЗ;
/DA =2/ду/УЗ; / А =-/,
г/Уз.
-ЯД ~" -£Y' * J ' ^СА " -£Y'
При двух других видах двухфазных КЗ вид векторной диаграммы
остается неизменным и лишь циклически изменяются фазы (рис. 2.7).
При двухфазном КЗ между фазами ВС на стороне треугольника также
справедливо соотношение / + /«+ / = 0. Для этого вида повреждения
на рис. 2.8 приведена в удобном виде схема трансформатора. При равных
сопротивлениях каждой фазы обмотки токи / = 2/а; / = /«.
Уравнение токов для узла b имеет вид 1а = / - 1ВА = 0 или /а + 2/а = £ВА .
С учетом рассмотренных выше соотношений £Ау = 7^Д/Уз ; 7^у =
= /BA/V3;ICY =-2/вд/Уз.
При двух других двухфазных КЗ вид векторной диаграммы остается
неизменным и лишь циклически изменяются фазы.
При однофазном КЗ, например, фазы А на стороне звезды токи равны
1Ву = 1Су = 0 и /о = / = 0. На стороне треугольника в соответствии с (2.2)
1-АА = ^AY/^ ; UА = 0; tCA = ~IaY//^ • ПРИ ДВУХ ДРУГИХ ВИДах
однофазных КЗ вид векторной диаграммы остается неизменным и лишь
циклически изменяются фазы (рис. 2.9).
1ау 1а а
/by /яа
/ /СА /*Д г /лА /СА г
^Y iCY i,4Y
IСУ IС A
n
/дД /,4Д
Рис. 2.7. Векторные диаграммы токов при К^ на
стороне звезды
Рис. 2.8. Распределение токов при Jf( ' на стороне
треугольника трансформатора со схемой
соединения обмоток Y/A-11
37
±AY
!л&
/сд
-'Лд
Iaa
ley /сл
Лд
Рис. 2.9. Векторные диаграммы токов при
/Г ' на стороне звезды трансформатора
На основании приведенных соотношений и векторных диаграмм
следуют общие выводы для трансформаторов со схемой соединений Y/A-11
при КЗ на разных сторонах трансформатора.
1. В симметричном режиме токи на стороне треугольника /д
сдвинутся относительно токов на стороне звезды /у на угол тс/6 против часовой
стрелки.
2. При двухфазных КЗ на стороне, где произошло повреждение, в двух
поврежденных фазах проходят равные и противоположно направленные
токи. На другой стороне трансформатора при этом проходят в двух фазах
равные токи и в л/3 меньшие, чем на поврежденной стороне, а в третьей —
вдвое больший (2*/3 ) и противоположно направленный.
3. При однофазных КЗ на стороне звезды проходит ток в поврежденной
фазе; на стороне треугольника при этом проходят в двух фазах токи
одинаковые и в Jb раз меньшие, чем ток на стороне звезды.
Короткие замыкания внутри обмоток трансформатора
рассматриваются при соединении обмоток по схеме Y/Y (рис. 2.10, а) и п = 1. При доле
замкнувшихся витков а = wa/w токи в замкнувшихся витках 1к2 могут
быть значительными. Со стороны источника питания, где установлена
защита, токи повреждения /к j определяются условием равенства МДС
обмоток /к1 w = /k2(Xw, т.е. /к1 = сс/к2 может быть мал (при малых а).
Следовательно, и защита может оказаться нечувствительной к этому
виду повреждения. Аналогичные соотношения имеют место при витковых
КЗ в обмотках трансформатора (рис. 2.10, б).
«Пожар» железа сердечника трансформатора вызывается
вихревыми токами при нарушении изоляции между пластинами шихтованного
'" \\ \\ и
л=1
'"fFP
а)
Рис. 2.10. Внутренние КЗ в трансформаторе
38
магнитопровода. Это опасный вид повреждения, который может
привести к выплавлению стали сердечника. Повреждение сопровождается
горением дуги и выделением газов в результате разложения масла и других
изолирующих материалов.
2.5. ОДНОФАЗНЫЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ. НЕНОРМАЛЬНЫЕ
РЕЖИМЫ РАБОТЫ
Однофазные замыкания на землю К^ являются частыми в сетях
с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через дуго-
гасящие реакторы. Ток замыкания при /С3 определяется достаточно
большим емкостным сопротивлением фаз относительно земли, поэтому
допустимо пренебрегать всеми остальными индуктивными и емкостными
сопротивлениями в контуре замыкания.
Для общего анализа электрических величин распределенные емкости
элементов относительно земли заменяют сосредоточенными. В
нормальном режиме работы (рис. 2.11) под действием ЭДС проходят емкостные
токи lA =ja>CEA; lB =ju>CEB; £с =уо)С£с = 0, опережающие
соответствующие ЭДС на 7i/2. Так как £А + /^ + /с = 0, то в сети отсутствуют
слагающие нулевой последовательности. Ввиду сравнительно малого
значения этих токов можно пренебречь падением напряжения от них в линии.
Поэтому фазное напряжение (Л = £ф. Обойдя контур одной из фаз,
можно определить напряжение нейтрали относительно земли из условия
ЪЕ = J1U. При указанных на рисунке условных положительных
направлениях ЕА = С/ф-С/н>т.е.1/н=0.
О)
При замыкании на землю в точке КА (рис. 2.12, а) напряжение
замкнувшейся фазы UA = 0, ток /3 = 3/0. Если пренебречь, как и выше,
Рис. 2.11. Схема сети с изолированной нейтралью (а) и векторная диаграмма
нормального режима (б)
39
Г0
Ел ЛВС
Le
ic
м
.(1)
м
Jc
-г It t
e)
3Л(сг, сз> ^
fa
•)
Рис. 2.12. Металлическое A*3 в сети (a),
векторная диаграмма токов (б) и распределение токов
в сети (в)
падением напряжения от емкостных токов, то напряжение в любой точке
замкнувшейся фазы UA = О, напряжение нейтрали Цн =
При построении векторной диаграммы (рис. 2.12, б) целесообразно
принять за исходную точку (К Напряжение неповрежденных фаз Цв
= U^+EB; U™ ш Л£ф; £/<'> = и'» + Ес; </<»> = У3£ф.
Сумма напряжений ЦА + ЦВ +ЦС = -3 ЕА, напряжение нулевой
последовательности £/0 = - ЕА .
Поскольку нейтраль источника питания изолирована, то 1А + 1В +
+ /£ = 0 • В неповрежденных фазах проходят токи, определяемые
напряжением этих фаз: I™ =усоСС/^1); 4° = УЗсоС£ф; /^ =усоС£/^1);
/^ = д/ЗсоС£ф, в поврежденной фазе /^ = -(/^ + /с ); /^
= За)С£А.
В случае, когда от питающих шин отходят несколько линий
(рис. 2.12, в), через защиту поврежденной линии W1 проходит сумма токов
40
нулевой последовательности 3/0/С2 С3\ неповрежденных линий,
определяемых емкостями С2 и СЗ, а через защиты неповрежденных линий —
токи 3/0(С2) > 310(СЗ\, определяемые только их емкостями. При К3
треугольник междуфазных напряжений не искажается, поэтому не нарушается
работа потребителей, включенных на эти напряжения, а емкостные токи фаз
увеличиваются лишь Уз раз в неповрежденных фазах и в 3 раза в
поврежденной фазе, оставаясь по-прежнему малыми, определяемыми
значительными емкостными сопротивлениями. Учитывая это, а также отсутствие
в ряде случаев резерва у потребителей, защиту от К2 выполняют
действующей на сигнал (если отключение не диктуется требованиями техники
безопасности).
Ненормальными режимами работы, которые учитываются при
выполнении релейной защиты, являются сверхтоки внешних КЗ, сверхтоки
перегрузок, качания или нарушение синхронизма параллельно работающих машин,
а для маслонаполненных трансформаторов также понижение уровня масла.
Термическое воздействие сверхтоков может привести к
преждевременному износу и повреждениям изоляции. От сверхтоков внешних КЗ
используется защита, выполняющая функции резервной при отказе защит
или выключателей смежных поврежденных элементов.
От сверхтоков перегрузки защита на воздушных линиях не
устанавливается, и работа контролируется приборами.
На трансформаторах (автотрансформаторах) защита от сверхтоков
устанавливается, выполняется с выдержками времени и действует на сигнал,
автоматическую разгрузку или отключение.
Прочие ненормальные режимы работы в настоящем пособии не
рассматриваются.
3
ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ —
ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
В УСТРОЙСТВАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
3.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТА),
являются наиболее распространенным видом первичных измерительных
преобразователей как источников информации УРЗА о КЗ. Трансформаторы тока в
релейной защите позволяют: изолировать цепи защиты от высокого
напряжения первичной цепи, получить стандартные номинальные вторичные
токи 5 или 1 А, создать различные схемы соединений вторичных обмоток ТА
и обмоток реле тока.
Зажимы обмоток трансформаторов тока ТА маркируются (рис. 3.1, я),
так как важно знать одноименные их выводы. Приняв произвольно за
начало Н первичной обмотки любой зажим, за начало н вторичной обмотки
принимают зажим, из которого мгновенный вторичный ток /2
направляется во внешнюю цепь в тот момент времени, когда первичный ток /j
направлен от начала Н к концу К. Однако в схемах релейной защиты
маркировка отсутствует; предполагается, что одноименные зажимы
располагаются всегда рядом (с одной и той же стороны).
Для построения векторных диаграмм задаются условными
положительными направлениями. В релейной защите принято для трансформаторов
(силовых, измерительных) принимать положительные направления
первичных и вторичных токов в обмотках противоположными: 1Х — от начала Н к
концу К, /2 — от конца к к началу н. В этом случае, обходя по замкнутому
контуру магнитопровода и пренебрегая намагничивающим током, получаем
1\W\~ l2w2 = О или Li = l\(w\/wi) = Г\>
где /[ — первичный ток, приведенный к
числу витков w2. На упрощенной векторной диа-
г/ грамме (рис. 3.1, б) приведенный первичный и
1 вторичный токи совпадают. Векторная
диаграмма трансформатора тока, подключаемого
к источнику тока J' = /j (рис. 3.2, я),
построена на основании его схемы замещения
Рис. 3.1. Обозначение ТА (а) и (рис. 3.2, б). За ИСХОДНЫЙ вектор принят /2 .
упрощенная векторная дна- эдс индуцируемая в перВИЧНОЙ И вторичной
грамма \0)
42
ТА
и
J2j(X2+XH)
1г
а) *
Л
М-1
б)
Рис. 3.2. Векторная диаграмма ТА (а) и его схема замещения (б):
Z[, Z2, Zq — расчетные сопротивления первичной и вторичной обмоток и ветви намагни-
обмотках Е2 = /2[(^2 + ^н) +У(^2 + ^н^ ' а соответствующий магнитный
поток Ф = £2/(4,44/w2) отстает от Е2 на угол я/2. По кривой
намагничивания Ф(/ф) для данного значения Ф определяется приведенный
намагничивающий ток /q, смещенный относительно потока Ф на угол у,
определяемый потерями в стали. Приведенный первичный ток 1\ = /2 + Г0 — сумма
приведенного намагничивающего и вторичного токов.
Значение вторичного тока зависит от кратности первичного тока К =
= Л^Л ном (Л ном — номинальный первичный ток ТА) и сопротивления
нагрузки ZH (рис. 3.3). С увеличением К и ZH вторичный ток уменьшается по
сравнению со значением I[ = I\/Kj, определяемым коэффициентом
трансформации трансформатора тока Kl = w21 wj .
Погрешность трансформаторов тока. В соответствии с ГОСТ
различают токовую, полную и угловую погрешности.
Токовой погрешностью /} называется арифметическая разность между
действительным вторичным током /2 и приведенным ко вторичной цепи
действительным первичным током, %:
f, = -7 100 = — 100 .
7 V*/ Л
(3.1)
Рис. 3.3. Зависимость вторичного тока ТА от
кратности К первичного тока при сопротивлениях
нагрузки Z'H> Z^
h=W\
^~Л/Аном
43
Полной погрешностью трансформатора тока £ называется
действующее значение разности произведения коэффициента трансформации на
мгновенное значение вторичного тока и мгновенного значения
первичного тока, %:
e=f Jrbi2'/,)2,,/' а2)
где Т— длительность периода первичного тока (0,02 с).
Полная погрешность в установившемся режиме представляет собой
относительный намагничивающий ток
е = /<>//,. (3.3)
Токовая погрешность зависит от угла сопротивления вторичной цепи ТА
и максимальна при реактивном его характере; но во всех случаях fl < е.
Угловой погрешностью 5 трансформатора тока считается угол между
векторами первичного и вторичного тока.
Для трансформаторов тока, работающих в цепях релейной защиты,
допускается полная погрешность е < 10 % при токах, соответствующих
параметрам срабатывания. При таком ограничении токовая погрешность/}
также не превосходит 10 %.
Для оценки точности работы ТА в схемах для абсолютно селективных
защит важна полная погрешность (повышенная погрешность может
привести к излишним срабатываниям), а для относительно селективных — токовая
(повышенная погрешность может привести к отказу срабатывания).
При этом угловая погрешность 8 не превышает нескольких
электрических градусов, что считается приемлемым.
Предельной кратностью К1 0 называется кратность, при которой е =
= 10 % при заданной нагрузке. Заводы-изготовители трансформаторов
тока приводят кривые предельной кратности Кх q(Zh) (рис. 3.4), которые
используются для расчета допустимой нагрузки ZHROn. В схемах
расчетная нагрузка ТА определяется как
^нрасч ~ г > v*-4)
где U2 — напряжение на зажимах
вторичной обмотки ТА, равно напряжению на
нагрузке UH в цепи тока этого ТА\ 12 —
вторичный ток ТА, нагрузка которого
рассчитывается.
Расчетная нагрузка не должна
превышать допустимую 2НД0П, определяемую по
кривым предельной кратности при заданном
ее значении.
Мо
ЧОзад
Рис. 3.4. Кривая предельной
кратности Kl0 (ZH)
44
Расчетная нагрузка трансформаторов тока ZH ч в схемах защит
определяется схемой соединения ТА и реле, сопротивлениями реле,
соединительных проводов и переходными сопротивлениями в контактных
соединениях. Сопротивления отдельных элементов для упрощения расчетов
складываются арифметически, переходное сопротивление принимается
равным 0,05 Ом.
3.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
К измерительным органам воздействующая величина — напряжение —
подводится от первичных измерительных преобразователей напряжения.
Они, как и первичные измерительные преобразователи тока, обеспечивают
изоляцию цепей напряжения измерительных органов от высокого
напряжения и позволяют независимо от номинального первичного напряжения
получить стандартное значение номинального вторичного напряжения U2hom =
= 100 В. Распространенный вид первичного измерительного
преобразователя напряжения — измерительный трансформатор напряжения TV
Особенностью измерительного трансформатора напряжения,
подключаемого к источнику ЭДС Е', является режим холостого хода (близкий к
холостому ходу) его вторичной цепи (рис. 3.5, а). Первичная обмотка
трансформатора TV с числом витков wx включается на напряжение сети
Цх. Под воздействием напряжения по обмотке w{ проходит ток
намагничивания / нам, создающий в магнитопроводе магнитный поток Ф .
Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной wx и вторичной w2
х б) х в)
Рис. 3.5. Однофазный измерительный трансформатор напряжения (а), схема
замещения (б) и векторная диаграмма (в)
45
обмотках ЭДС с действующими значениями соответственно Е{ = 4,44/>VjO, £2 =
= 4,44 /м>2Ф. Поэтому
Ех/Е2 == Wj/>v2. (^.5)
Отношение vvt /w2 называется коэффициентом трансформации и
обозначается Ки. В режиме холостого хода ток 12 = 0, а ток в первичной
обмотке /j = /нам . При этом U2 = Е2 и напряжение Цх незначительно
отличается от ЭДС £j. Следовательно,
Ки =wl/w2 = UX/U2. (3.6)
Работа трансформатора с нагрузкой Z н (в виде, например, реле
напряжения KV) сопровождается прохождением тока /2 и увеличением (по
сравнению с холостым ходом) тока 1\ (рис. 3.5, б). Эти токи создают
падение напряжения AU в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего
Ц2 = U[- AU. Из векторной диаграммы (рис. 3.5, в) следует, что
вторичное напряжение Ц2 отличается от приведенного первичного Ц[ по
значению на А (У и по фазе на угол 8. Поэтому трансформатор имеет две
погрешности: погрешность напряжения /и = (AU/U{)\009 или вследствие
незначительного угла 8
fv={(Kvu2-ux)iux}m, (3.7)
и угловую погрешность, которая определяется углом 8 между векторами
напряжений Ц[ и Ц2.
Значения погрешностей трансформатора напряжения определяются
падением напряжения AU, которое увеличивается с ростом вторичной
нагрузки (тока /2). Вместе с ним возрастают и погрешности, поэтому
нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим,
близкий к холостому ходу.
В условиях эксплуатации трансформатор напряжения может работать
с различными погрешностями. В зависимости от погрешностей
установлены четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3 соответственно погрешностям
напряжения /и в процентах. Номинальная мощность трансформатора
отнесена к определенному классу точности. Однако по условию нагрева он
может допускать перегрузки в несколько раз, выходя при этом из заданного
класса точности. Начала и концы обмоток трансформатора напряжения TV
маркируются в соответствии с правилом, изложенным при рассмотрении
трансформаторов тока (см. § 3.1). При этом напряжения Цх и Ц2,
направленные одинаково от одноименных концов обмоток (см. рис. 3.5, а, б), сов-
46
падают по фазе, если пренебречь падениями напряжения в обмотках
трансформатора напряжения. Принято обозначать: А — начало первичной
обмотки, а — начало вторичной обмотки; X— конец первичной обмотки, х —
конец вторичной обмотки. Для трансформаторов напряжения, как и для
трансформаторов тока, в зависимости от принятого положительного направления
тока и напряжения можно построить векторные диаграммы с
совпадающими или противоположно направленными векторами вторичного U2 и
приведенного первичного U[ напряжений. При этом погрешности не
учитываются. Для анализа действий релейной защиты и автоматики более удобна
векторная диаграмма с совпадающими векторами Ц2 и Ц[.
Рассмотренные соотношения и векторная диаграмма характерны и для
вторичных измерительных трансформаторов напряжения, которые, как
правило, входят в измерительную часть устройств защиты и автоматики.
Измерительные органы, в частности измерительные реле напряжения,
включаются на фазные и междуфазные напряжения, а также на
напряжения нулевой и обратной последовательностей. Для получения этих
напряжений используются однофазные или трехфазные трансформаторы
напряжения и фильтры напряжения обратной последовательности.
Трансформаторы в этом случае имеют различные схемы соединения обмоток, при
выполнении которых придерживаются следующих правил: в случае
включения первичных обмоток на фазные напряжения их начала присоединяются
к соответствующим фазам, а концы объединяются и соединяются с землей;
при включении первичных обмоток на междуфазные напряжения их
начала присоединяются к предыдущим, а концы — к последующим фазам в
порядке их электрического чередования.
Включение однофазного трансформатора напряжения (рис. 3.6, а).
Первичная обмотка трансформатора включается на напряжение двух
любых фаз. Такая схема применяется в тех случаях, когда достаточно иметь
одно междуфазное напряжение, например напряжение Цвс.
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в
открытый (неполный) треугольник (рис. 3.6, б). Первичные обмотки двух
однофазных трансформаторов напряжения включаются на два любых
междуфазных напряжения. Вторичные обмотки соединяются последовательно.
Такая схема дает возможность включать реле на все междуфазные
напряжения (реле KV1—KV3) и на напряжения фаз по отношению к
искусственной нейтральной точке системы междуфазных напряжений. В последнем
случае включение можно выполнить тремя реле, обмотки которых имеют
равные сопротивления и соединены звездой (реле KV4—KV6). Схема
соединения двух однофазных трансформаторов в открытый треугольник
является наиболее распространенной. Она не может применяться в тех
случаях, когда необходимо иметь фазные напряжения относительно земли.
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения звездой
(рис. 3.6, в), как и рассмотренная схема соединения обмоток в открытый тре-
47
Рис. 3.6. Схемы соединения обмоток
измерительных трансформаторов
напряжения и реле
угольник, дает возможность включать реле на любые междуфазные
напряжения (реле KV1—KV3) и на напряжения фаз относительно искусственной
нейтрали и системы междуфазных напряжений (реле KV4—KV6), а также по
отношению к земле, т.е. на любые фазные напряжения (реле KV7—КУЯ).
Рассматриваемую схему можно выполнить посредством трех
однофазных трансформаторов напряжения или одного трехфазного пятистержнево-
го. Применение трехфазных трехстержневых трансформаторов
напряжения в данном случае не допускается в связи с тем, что при замыкании на
землю в сети по первичным обмоткам трансформатора через его
заземленную нейтраль проходят токи намагничивания нулевой последовательности
и трансформатор перегревается.
48
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в
фильтр напряжения нулевой последовательности (рис. 3.6, г).
Напряжения отдельных последовательностей можно выделить из полных
фазных напряжений посредством фильтров напряжений симметричных
составляющих. Так, для получения напряжения нулевой
последовательности Lf0 первичные обмотки трансформаторов должны соединяться
звездой с заземленной нейтралью. Полученные при этом вторичные фазные
напряжения суммируются путем соединения вторичных обмоток в
разомкнутый треугольник, к которому подключается реле (рис. 3.6, г).
Напряжение на обмотке реле
Up = ША + UB + Ыс)/Ки = 2У0/Ки- (3-8>
При отсутствии в полных фазных напряжениях составляющих
нулевой последовательности напряжение на выходе разомкнутого
треугольника близко к нулю. В связи с погрешностью трансформаторов
напряжения, наличием в первичных напряжениях гармонических, кратных трем,
и по другим причинам на зажимах разомкнутого треугольника в
нормальном режиме возникает напряжение небаланса, которое обычно не
превышает Uнб = 3—4 В (при замыкании на землю максимальное
напряжение на зажимах фильтра 3(/0тах = 100 В). Опыт эксплуатации
свидетельствует, что трансформаторы напряжения с заземленной первичной
обмоткой в сетях с изолированной нейтралью при замыканиях на землю
часто повреждаются. Причинами повреждений являются феррорезонанс-
ные явления, вследствие которых через обмотки высшего напряжения
трансформатора проходят токи, многократно превышающие
номинальные значения, и трансформатор напряжения нуждается в защите.
Трансформаторы напряжения изготовляют с двумя вторичными
обмотками, одну из которых можно использовать в схеме соединения звезды, а
другую — разомкнутого треугольника (рис. 3.6, д). В системах с
заземленной нейтралью напряжение на зажимах разомкнутого треугольника при
замыкании на землю не превышает фазное (/ф,ав системах с
изолированной нейтралью оно может достигать 3£/ф, поэтому номинальное вторичное
фазное напряжение обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник,
принимается равным U2ном = 100 В, если трансформатор устанавливается
в системе с заземленной нейтралью, и равным U2hom = 100/3 В, если
трансформатор устанавливается в системе с изолированной или с заземленной
через дугогасящий реактор нейтралью.
Выполнение вторичных цепей трансформаторов напряжения и
контроль за их состоянием. Исходя из требований техники безопасности
вторичные обмотки трансформаторов напряжения в установках
напряжением 500 В и выше должны быть обязательно заземлены. Предохранители
с первичной стороны трансформаторов напряжения не защищают их от
перегрузок и коротких замыканий в их вторичных цепях. Поэтому все неза-
земленные провода, подключаемые к вторичным обмоткам трансформато-
49
ров напряжения, соединяются с ними через низковольтные плавкие
предохранители или малогабаритные автоматические выключатели, которые
являются более быстродействующими; они надежнее и удобнее
предохранителей. Перегорание предохранителей или срабатывание автоматических
выключателей и возможные обрывы в цепях напряжения могут повлечь за
собой неправильное действие некоторых устройств защиты и автоматики.
Они должны снабжаться специальными устройствами, автоматически
выводящими их из действия при нарушениях цепей напряжения. В тех
случаях, когда указанные нарушения непосредственно не приводят к
неправильной работе устройств защиты и автоматики, достаточно сигнализации об
исчезновении напряжения.
3.3. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
И ЦЕПЕЙ ТОКА ЗАЩИТЫ
При выполнении защиты схемы цепей тока строятся так, чтобы была
обеспечена необходимая ее чувствительность при использовании
наименьшего количества оборудования. По числу фаз, в которые включены
используемые в схеме ТА, различают: трехфазные схемы (ТА включены в три
фазы) и двухфазные (ТА включены в две фазы), которые могут
использоваться лишь от многофазных КЗ (при /Г ' в сети, где установлена защита,
на фазе без ТА схема не работает).
По числу измерительных органов различают однорелейные (односистем-
ные), двухрелейные (двухсистемные), трехрелейные (трехсистемные) и
реже четырехрелейные схемы. Здесь рассматриваются относительно и
абсолютно селективные токовые защиты, основным измерительным органом
которых является орган тока. Входная воздействующая величина — ток
измерительных ТА. Параметр срабатывания — ток срабатывания реле /с р —
наименьшее значение тока в органе, при котором он устойчиво срабатывает.
Для оценки чувствительности защиты при известном / необходимо
определить расчетный ток в ее измерительном органе (ток реле) / при
заданных видах КЗ.
При аппаратном выполнении защиты с несколькими измерительными
органами они объединяются в логической части по схеме ИЛИ (рис. 3.7, а).
+ И01 /~\i TA1 i
1И02 б)
Рис. 3.7. Фрагмент логической части релейной защиты (а), к определению
коэффициента чувствительности защиты при КЗ в различных точках сети {б) и (в)
50
Для расчета коэффициента чувствительности схемы с несколькими
измерительными органами, имеющими ток срабатывания реле 1С , следует
при каждом из заданных видов КЗ определить ИО с наибольшим током /
найти вид КЗ, при котором этот ток имеет наименьшее значение /ррасч
и вычислить расчетный коэффициент чувствительности кч = / расч//с р.
Пример. Для схемы (рис. 3.7, а) с заданным током срабатывания
измерительных органов / = 1,5 А определить коэффициент чувствительно-
(2)
сти. Токи в измерительных органах при К^в-/pj =3 А;/ 2 = 1,5 Аи при
квс "'pi =/р2=1.5А.
Решение. При К^в наибольший ток I х = 3 А; при К^ наибольший
ток / = 1,5 А. Значение /ррасч = 1,5 А. Следовательно, схема имеет кч =
= 1,5/1,5= 1.
Абсолютный коэффициент чувствительности кч рассчитывается по
токам /р, определенным по реальным токам КЗ в первичной сети.
Относительный коэффициент чувствительности кно используется для
сравнения различных схем соединения трансформаторов тока и
измерительных органов при искусственном условии равенства первичных токов
в месте КЗ при их различных видах г -г -г \ Коэффициент кч 0
определяется схемой соединений.
При и-м виде КЗ этот коэффициент равен
Лп) (л) (3) (я)
С = —=^'^=-*-> (3.9)
к? 'сР /Ср /<3>
где /р , /р — токи в ИО при К^ и К^ и условии равенства гп' = /( .
Относительный коэффициент чувствительности при л-м виде КЗ равен
отношению тока /' в измерительном органе к току в нем при Кк , т.е.
току /р , если первичные токи в месте КЗ при разных видах КЗ
считаются одинаковыми.
Ниже дается краткая характеристика используемых схем, определяется
расчетная нагрузка при некоторых видах КЗ (для остальных видов ее
можно найти самостоятельно). Относительные коэффициенты
чувствительности определяются при КЗ в сети, где установлена защита (рис. 3.7, б), и
при КЗ на стороне треугольника трансформатора Т со схемой соединений
обмоток Y/Д-И (рис. 3.7, в, табл. 3.1).
51
vo
CO
x
ее
S
н
о
X
ее
а
ее
>
и
я
о
о.
о
ев
<
>
о
а.
о
2
о.
о
•е-
о
я
ев
а.
н
СО
m
СП
Я
а
с
о
эг
р
Я
~Т
со
со
ее
Я
и
ч
а
о
я
12
о
>>
U
я'
Н
U
и
со
го
я
р.
с
о
т
V
S3
го
30Q
*
V
S3
Г1 х
S
a
К
ее
С
Я
QJ
з
3
S
о
^ 1
ЦП
\ 1
(го ЦО (ГО (ГО —
г-. (N 1^ — - |
\
гч ifo
\
(N
\
\ \ \
CN — СЧ
42 42
— ^* ^ О О О
[СО (ГО
<N <N
42 42
~ \ \ """ *""
CN — 42
^ [СП (ГО _ _ Ц*"*
Полная звезда
(трехрелейная)
Полный
треугольник (трехрелейная)
Полный
треугольник (двухрелейная)
Неполная звезда
(двухрелейная)
Неполная звезда
(трехрелейная)
Неполный
треугольник
52
Кроме относительных коэффициентов чувствительности различные схемы
соединения обмоток реле и вторичных обмоток трансформаторов тока могут
характеризоваться коэффициентом схемы ксх = I /12, представляющим
отношение тока в обмотке (в реле) к вторичному току трансформатора тока.
Схема полной звезды — трехфазная, трехрелейная (рис. 3.8, а) —
может быть использована от всех видов многофазных и однофазных КЗ.
Измерительные органы включены на вторичные токи фаз, в обратном
проводе проходит ток / об = 12А + 12В + 12с > Равныи 3/0 ПРИ КЗ на землю.
j»
4}
И01
42
И02
с"£Ь-пИОЗ
4_ы5]
|И01 |И02 |ИОЗ [И|
«)
-р', г—I ИО!
б)
в)
РП—[И01
l£|—]И02
л\ 2»Й~И
г)
"uJ—
Щ
.,] ИО 1
д)
е)
Рис. 3.8. Схемы соединений трансформаторов тока и реле:
а — полной звездой; б — полным треугольником с тремя реле, в — полным
треугольником с двумя реле; г — неполной звездой; д — неполной звездой с тремя реле, е —
неполным треугольником; ж — фильтром тока нулевой последовательности, з — полной
звездой с фильтром тока нулевой последовательности, и — неполной звездой с фильтром тока
нулевой последовательности
53
Коэффициент схемы в симметричном режиме ксх = 1^ /12 равен
единице.
Относительные коэффициенты чувствительности одинаковы при всех
многофазных и однофазных КЗ в сети, где установлена защита (табл. 3.1).
При К^ ' за трансформатором коэффициент кц 0 снижен относительно его
значений при многофазных КЗ в той же точке.
Пример. Определяются кч0 при КЗ за трансформатором. Принято, что
в месте КЗ на стороне звезды /у = /у = ' у • Токи на стороне
треугольника 7^} = 43); 7^} = 43)/УЗ в двух фазах, 7^} = 21^ / JI — в
третьей фазе (см. рис. 2.7) и /д = /у /л/3 (см. рис. 2.9).
Решение. Вторичные токи и токи в измерительных органах при этом
Р ' Р ^ ' Р
нагрузка на трансформатор тока фазы ZH расч = U2/I2 = 72 ZH /I2 = ZH.
равны /р = 1 ; /р = 2/л/з ; / = 1/л/З и определяют £чо. Расчетная
Соединение ТА полным треугольником и ИО полной звездой —
трехфазная трехрелейная схема (рис. 3.8, б). Она может быть использована
от всех многофазных и однофазных КЗ. Измерительные органы схемы
включены на разность токов фаз:
-pi = -2Л~-2Я' -р2=^2Я~-2С' - рЗ = -2С~~ -2А ' (3*10)
При КЗ в сети, где установлена защита, схема имеет сниженный кчо
при однофазных КЗ на землю и примерно одинаковые кч 0 при всех видах
КЗ за трансформатором. Действительно, при найденных выше (см. п. 2.4)
токах /д , /д и /д токи в ИО в соответствии с (3.10) I ~ л/3 ;
/J2) ~ 2/7з - (-1/УЗ) ~ З/л/З = УЗ ; 7^1)~1/УЗ-(-1/УЗ) = 2/л/з,
что и определяет £ч 0.
Расчетная нагрузка на ТА фазы А в симметричном режиме
= [(/2^-i2B)-(/2C-/2,)]zH//2y< = 3ZH.
Схема обладает тем свойством, что при КЗ на землю в питающей сети
(рис. 3.9, б) токи нулевой последовательности /0т, обусловленные
заземленной нейтралью трансформатора Г, замыкаются в треугольнике ТА и
отсутствуют в ИО. Это позволяет не отстраивать защиты трансформатора от
этих токов при внешних КЗ.
54
J2A=1PI
a)
Рис. 3.9. Векторные диаграммы токов при А( ' в схемах на рис. 3.8,6 (а) и 3.8, д (в)
и распределение токов нулевой последовательности (б)
Соединение ТА в полный треугольник и ИО в неполную звезду —
трехфазная двухрелейная схема (см. рис. 3.8, в) — может быть
использовано от всех многофазных и однофазных КЗ. Измерительные органы схемы
включены на разность токов фаз / { = L2A~ L2g\ -d2 = -2С~ -2А' ^е"
достатком схемы по сравнению с предыдущей является вдвое сниженный
кч 0 при одном из видов 1С ' в сети, где установлена защита, и при одном
из видов 1С ' при КЗ за трансформатором.
Неполная звезда — двухфазная двухрелейная схема (см. рис. 3.8, г) —
используется от всех многофазных КЗ (срабатывает и при 1С ' за
трансформатором). Измерительные органы включены на токи фаз /р1 = 12А\ I 2 =
= 12с1 в обратном проводе проходит ток /об = 12А + 12 с Двухфазная
схема имеет преимущества по сравнению с трехфазной в сети с
изолированной нейтралью при К^в' (см. рис. 2.5, б), так как при двух из них
будет отключаться только одно место повреждения (если ТА установлен в фа-
зах Л и С, то при К^в АВ и К^в вс). Схема имеет одинаковый кчо при всех
многофазных КЗ в сети, где она установлена и не может быть использована
при 1С ' в этой сети, так как отказывает при одном из них. Существенным
недостатком схемы является вдвое сниженный кно при одном из КК за
трансформатором. Снижены и значения k4 0 при 1С ' за трансформатором.
Расчетная нагрузка ZH при любом виде КЗ равна нагрузке ZH.
Неполная звезда — двухфазная трехрелейная схема (см. рис. 3.8, д) —
используется вместо предыдущей для повышения чувствительности к
одному из видов К^ ' за трансформатором. В отличие от предыдущей, в
схеме имеется ИОЗ, включенный на сумму токов / 3 = 12А + 12С. При всех
55
видах /l ' за трансформатором К^0 = 2,/з . Расчетная нагрузка при К^ '
на ТА фазы A: ZHpaC4 = [l/p| + Ур3]//2л = [i2>, + (22у, + ^c^V^ =
= л/3 ZH (см. рис. 3.9, б).
Неполный треугольник — двухфазная однорелейная схема (см.
рис. 3.8, е) — используется от многофазных КЗ (может срабатывать при
К^ ' за трансформатором). В схеме ИО включен на разность токов
/ = 12А - 12С • При двух видах К^ ' в сети, где установлена защита, k4 0
вдвое меньше, чем при третьем. При 1С ' в этих же точках схема не может
использоваться, так как отказывает при одном из них. Существенный
недостаток схемы — невозможность ее использования от многофазных КЗ за
трансформатором, так как она отказывает при одном из них.
Расчетная нагрузка на ТА фазы А при КЗ в сети: при К^ ' ^Нрасч =
= V^/l1A = J~3I2AZH/I2A =J3ZH; при К™ ZHpac4 = 2I2AZH/I2A =
(2) (2)
= 2ZH; при KAB и KgQ ^нрасч = Zh- Расчетная нагрузка схемы,
определяющая допустимые кратности первичного тока: ZH = 2ZH.
Трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности
(см. рис. 3.8, ж) используется в сетях с глухозаземленными нейтралями при
напряжении UH0M > 110 кВ в защитах от КЗ на землю. Мгновенное
значение тока в измерительном органе равно сумме вторичных токов / = i1A +
+ i2B + '2С- Вторичный ток равен разности приведенных значений
первичного тока /J и намагничивающего тока i' (ранее он был назван /0, но
здесь этот индекс используется для токов нулевой последовательности):
'р "('Ы +*\В + *\сУК1 ~ (*А нам + *В нам + 'Снам)/К1 •
При наличии в первичном токе составляющих нулевой
последовательности они также присутствуют и в намагничивающем.
Вторичным током небаланса
'нб2 принято называть сумму
намагничивающих токов прямой и обратной последовательностей, не превышающих
обычно в установившемся режиме допустимых значений (е < 10 %). Тогда
с учетом того, что /ы + ilB + /1С = 3/0, ток /р = 3(/0 - iq^J/Kj - /нб2, где
'онам — слагающая нулевой последовательности в намагничивающем
токе. Первичным действующим значением тока небаланса /нб1 назван ток
3/0, компенсирующий значение /нб2. С допустимой точностью первичный
ток в измерительном органе нулевой последовательности принято опреде-
56
лять I3 = 3/0 - /H6i« Для расчетов релейной защиты
'нб1 *одн*ап£'к>
тнп
1?°
Т
Рис. ЗЛО. Однотранс-
форматорный фильтр
тока нулевой
последовательности
определяется первичный ток небаланса
(3.11)
где кодн — коэффициент однотипности,
принимаемый равным 0,5 при однотипных ТА и 1 — при
разнотипных; клп — коэффициент апериодичности,
учитывающий повышенные значения
намагничивающих токов переходного режима КЗ и
принимаемый для защит, работающих без выдержки времени,
равным 2; е = 0,1 — полная допустимая погрешность трансформаторов
тока; /к — ток КЗ, при котором определяется небаланс.
При КЗ на землю ток в защите /3 = 3/0.
Комбинированные схемы полной или неполной звезды и трехтранс-
форматорного фильтра нулевой последовательности (см. рис. 3.8, з, и)
используются в сетях с глухозаземленными нейтралями для защиты от
всех видов КЗ. Ток в И04 (см. рис. 3.8, з)ив ИОЗ (см. рис. 3.8, и) равен
-р = -2А + -1В + -1С
Однотрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности
(рис. 3.10), называемый трансформатором нулевой последовательности
(ТНП), используется для защиты от К^ в сетях с изолированными
нейтралями или нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы.
Сердечник ТНП охватывает три фазы защищаемого элемента (они являются его
первичной обмоткой), и на нем расположена вторичная обмотка. ТНП
выполняются для установки на кабелях и шинах генераторного напряжения.
Ток в ИО защиты пропорционален сумме магнитных потоков трех фаз
ID~ (®A + ®B + Ёс)- ПРИ отсутствии токов нулевой последовательности
магнитный поток, равный Ф нб = Ф А + Фв + Фс и определяющий ток
небаланса, вызванный несимметричным расположением фаз в окне магнитопро-
вода, практически равен нулю. Ток небаланса на выходе однотрансформа-
торного фильтра значительно меньше, чем трехтрансформаторного, так как
отсутствует его составляющая, обусловленная намагничивающими токами.
4
ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ СО СТУПЕНЧАТЫМИ
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
4.1. ТОК СРАБАТЫВАНИЯ И АЛГОРИТМ ЗАЩИТЫ
Токовой называется защита, реагирующая на ток, проходящий по
защищаемому элементу.
Током срабатывания защиты /с 3 называется наименьший первичный
ток, при котором срабатывает измерительный орган защиты. Током
срабатывания измерительного органа /с р называется наименьший ток, при
котором ИО срабатывает. Так как параметры срабатывания обычно
определяются в симметричном режиме, то при известном значении /с 3 ток /с р
'ср=^-3' (4Л)
Током возврата защиты ИО /в 3 (/в ) называется наибольшее значение
тока, при котором сработавший ИО возвращается в исходное положение:
А,р=Мср> (4-2)
где къ — коэффициент возврата ИО.
Токовые ступенчатые защиты относятся к относительно селективным.
Так как относительно селективные защиты предназначены срабатывать при
КЗ на смежных элементах, если там отказали свои защиты или
выключатели, то они должны выполняться с выдержками времени (чтобы дать
возможность подействовать защитам поврежденного элемента). Однако при КЗ
на защищаемом элементе желательно иметь защиту без выдержки времени
или с малой выдержкой. Для удовлетворения этих двух требований
относительно селективные защиты выполняют ступенчатыми — состоящими из
отдельных ступеней, часто трех (иногда четырех). При этом первая I и
вторая II ступени предназначены для ликвидации повреждений на
защищаемом элементе, третья ступень III — резервирует ступени I и II (ближнее
резервирование), а также отказы защит или выключателей смежных
элементов (дальнее резервирование). На рис. 4.1 приведена структурная схема
алгоритма токовой трехступенчатой защиты для одной фазы.
58
От ТА
Нет
-г
Отключение выключателя
Останов и обнуление ОВ п и ОВ1Н
Рис. 4.1. Структурная схема алгоритма токовой ступенчатой защиты (для одной фазы)
В общем случае из вторичных токов /2ф ТА в элементах Ф1, Ф2, ФЗ
формируются токи /р1, /р2, /рз измерительных органов ИО1, ИОпиИОш
соответственно ступеней I, II, III. В ИО сравниваются токи / 1? I 2 и Къ
~ „л л\ ли
с заданными токами срабатывания ступеней / , / и / , причем
/ > / > / . Ступень I выполняется без выдержки времени, ступень II —
с небольшой выдержкой времени f , а III — с большой выдержкой
времени / . Если ток в ИО / . > /с
повреждение произошло в зоне ступе-
59
ни I и подается сигнал на отключение выключателя Q поврежденного
элемента. Если /р2-^ср> то пУскается орган выдержки времени ОВ и
набирается выдержка времени этой ступени (время срабатывания) / Если по
истечении этой выдержки времени ток в ИО по-прежнему превышает его
ток срабатывания, то подается сигнал на отключение выключателя,
останов ОВ и возврат его в начальное положение. Если при наборе выдержки
/ вернется ИО (/р < /в), то произойдет сброс этой выдержки времени.
Аналогично работает ступень III при повреждении в ее зоне и наборе
выдержки времени.
4.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ТРЕХСТУПЕНЧАТОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ, ВКЛЮЧЕННОЙ НА ПОЛНЫЕ ТОКИ ФАЗ
Параметры срабатывания определяются для радиальной сети,
состоящей из трех участков (рис. 4.2): последующей называют защиту,
расположенную ближе к источнику питания, а предыдущей — дальше (для защиты
2 защита 1 — последующая, а защита 3 — предыдущая).
Первая ступень называется отсечкой без выдержки времени.
Селективность при внешних КЗ обеспечивается выбором тока срабатывания.
Ее время срабатывания принимается для защит всех участков
одинаковым и равным /с р^О. Практически для отстройки от работы трубчатых
разрядников, создающих кратковременное КЗ, вводится некоторое
замедление / <0,1 с.
Для исключения излишних отключений линии WI при внешних КЗ ток
срабатывания измерительного органа HOt /сз1 защиты выбирается
большим максимального тока внешнего короткого замыкания /квнтах при КЗ
в начале предыдущего участка (точка KJ). Практически IK вн тах
определяется при КЗ на шинах подстанции, противоположной месту установки
защиты (точка KI'):
'с.з1 = отс' к вн max ' v*.3)
где kQJC — коэффициент отстройки, учитывающий возможную
апериодическую составляющую в токе, неточность расчетов при КЗ, погрешности
ТА и ИО, принимается 1,2—1,3.
60
ТА1
©tw%—
2 ТЛ2
W2
3 ТАЗ W3
К"^ШЧ^М9®
vHDfb
о)
в)
<)
Рис. 4.2. Выбор параметров срабатывания токовой ступенчатой защиты от
междуфазных КЗ:
а — схема сети, б — /к(/), /Сз№> « — характеристики выдержек времени
Для защит / и 2: /сз, = *отс/'к1; 1сз2 = ^отс'кг- Защитоспособность
ступени I оценивается длиной зоны 1{ и /2 : ступень I охватывает ту часть
участка, где /к>/сз. Рассчитанную ступень всегда целесообразно
использовать, если она срабатывает на части линии, где необходимо отключение
без выдержки времени. В ряде случаев даже считается полезным
использовать ступень I, если / > 0.
Вторая ступень называется отсечкой с выдержкой времени и
предназначена в основном для защиты части участка, где не работает первая
ступень, так как /к < /с 3, и для защиты шин противоположной подстанции.
Селективность без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором времени
срабатывании tC3 и тока срабатывания /сз. Предлагается выбирать /сз
61
всех защит одинаковыми и на ступень выдержки времени Д/ = 0,5 с
большими выдержек времени первых ступеней или быстродействующих защит
предыд)щих элементов (например, защиты трансформатора с /с 31).
'1л = wA'"(°'5-°'6)c- (4-4)
Для рассматриваемого примера /сз1 >/сз2 + Дг и /сз2 >/сзт +Д/;
выбирается большее из полученных значений.
При таком выборе выдержек времени (времени срабатывания) можно
разрешить срабатывать измерительному органу второй ступени защиты /
(MOj ) на части линии W2 (и в трансформаторе Г), где еще работает
ступень I защиты 2 (или быстродействующая защита Т) — выключатель 2
будет отключен своей ступенью I (или защитой 7), прежде чем наберет
выдержку времени орган выдержки времени ступени II защиты / (OBj ).
Следовательно, ток срабатывания ступени II защиты / должен быть
отстроен (выбран большим) от тока короткого замыкания в конце зоны,
защищаемой ступенью I защиты 2, чему соответствует точка КЗ, когда 1К =
= /с з2, и от тока при КЗ за трансформатором (К4), где уже не работает
быстродействующая защита трансформатора:
'с"з1^оТс'с.з2; (4-5)
'с"з1^отЛ4- (4-6)
где kQJQ = 1,1—1,2 — коэффициент отстройки ступени II. Принимается
большее значение /с 3, полученное из условий (4.5) и (4.6).
Целесообразность использования рассчитанной ступени II оценивается
значением коэффициента чувствительности при КЗ в конце линии
kn =Wn5 (4<7)
уср1
где / min — минимальный ток в MOj при КЗ в КГ.
При недостаточном коэффициенте чувствительности, если
определяющим при выборе тока срабатывания явилось условие (4.5), вторая ступень
защиты / может быть отстроена от второй ступени защиты 2 по времени
62
(т.е. вторые ступени отдельных защит будут иметь разные выдержки
времени) и току:
t\] = 41 + Л/ ~ о—и) с;
/п >ки /и •
усз1 ~\)тсусз2'
усз1 -лотс/к4-
(4.8)
Третья ступень называется максимальной токовой защитой (иногда ее
называют чувствительной ступенью). Селективность без КЗ
обеспечивается выбором тока срабатывания, а при внешних КЗ — выдержкой времени.
Выдержки времени выбираются по ступенчатому принципу, начиная от
наиболее удаленной от источника питания защиты. При этом каждая
последующая защита в направлении к источнику питания должна иметь
выдержку времени гпосл на ступень выдержки времени At большей выдержки
времени предыдущей защиты / д:
Ш IH А tA пч
'поел ='пред + А'' <4'9)
Г» Ш >. I" A. JH ^ Ш А.
В рассматриваемом случае /сз1 >/сз2 + Af; /сз1 > 'сзт+ А'; из двух
значений выбирается большее.
Ступень А / определяется в настоящее время с учетом худших условий,
когда защита / может сработать с временем меньшим расчетного, а защита
2 — большим расчетного. Тогда
А' = 'о пред + 'п пред +'п поел + 'и п + 'зап > (410)
где /0 д — время отключения выключателя предыдущего участка; tn д
и tn посл — абсолютные значения положительной погрешности
предыдущей защиты (увеличивает время) и отрицательной погрешности
последующей защиты (уменьшает время); /ип — время инерционной ошибки
рассматриваемой защиты (возможность действия элементов защиты после
отключения КЗ) и /зап — время запаса. Стремясь снизить время
срабатывания защит в сети, всегда выбирают А/ минимально допустимым, и, как
правило, А/ = 0,5 с.
Выбор тока срабатывания третьей ступени защиты производится из
нескольких условий.
1. Для исключения срабатывания защиты при прохождении рабочего
максимального тока / б тах необходимо, чтобы
^Wax- (4И)
2. Измерительный орган третьей ступени, сработавший при КЗ на
смежном участке, должен вернуться в исходное положение после отклю-
63
чения КЗ выключателем поврежденного участка. Принимается, что
защиты / и 2 содержат лишь одни третьи ступени (отсутствуют I и II). При КЗ
на W2 (например, К5) в защитах / и 2 проходит ток /к (рис. 4.2, я); изме-
рительные органы ИО| и И02 этих защит срабатывают, и каждый
запускает свой орган выдержки времени третьей ступени (OBj и ОВ2 ),
которые начинают набирать выдержки времени. Так как выше было выбра-
но ^С31 >/сз2' срабатывает ОВ2 , отключает Q2, и ток в защите /
снижается до тока Г3> /раб тах, проходящего к потребителям подстанции. Ток Г3
обусловлен самозапуском двигателей потребителей, заторможенных при
снижении напряжения в режиме с КЗ, сопровождающимся снижением
вращающего момента М (рис. 4.3, б), увеличением скольжения до s' и
уменьшением сопротивления двигателей до Z' = R/s*' +jX. После
отключения Q2 напряжение увеличится до UH0M, а ток до Г3 = ^Н0м/2дВ.
Обычно Г3 оценивается коэффициентом запуска к3 как Г3= к'31 бтах • Для
возврата HOj в исходное положение необходимо иметь /вз >Г3 или
С учеТОМ Коэффициента ОТСТрОЙКИ /вз1 = /0тс*з^рабтах' Значение ^отс =
= 1,1—1,2. С учетом (4.2)
/1П -kXUk'I /к
'с з ~ *отс *з 'раб max7 *в '
Ток срабатывания измерительного органа с учетом (4.1)
(4.12)
III
СР
i
К 7к
1 ^
! ; h.
~! F\ /'
i pa6maxi ^N.
Возн. Откл. t
КЗ Q2
а)
-кШк'к0)1 /к к
~ *отс*з*сх 'рабmax в*/
м\
^^"врV НОМ' i
jk^conp
/i /С ^^«*».
1 ' / ' X.
/1 / ' X
/1/1
1 ' / •
1 '/ '
/1 1
/ 1 1
1 1 2 »^
*ном S' s
б)
i
1 w
| 'з*
1 I I
Возн. Откл. Вкл.
КЗ Ql Q1
е)
1
Рис. 4.3. Ток в защите / при внешнем КЗ (а); характеристики моментов асинхронных
двигателей (б) и ток в защите / в цикле АПВ (в)
64
3. Измерительный орган третьей ступени не должен срабатывать после
успешного АПВ на защищаемой линии. При КЗ на W1 срабатывает защита
/, отключает Q1 и ток снижается до нуля (рис. 4.3, в). После включения от
АПВ выключателя Q1 ток возрастает до тока запуска Г3' > 1'у так как
перерыв питания потребителей был более длительным. Для того чтобы
вернувшийся в исходное положение HOj не сработал от тока Г3' - ^з'Любтах»
необходимо, чтобы /сз >1\'\
К з = *отс *з ^раб max • (4-* 3)
Значения к'3 и к3 могут изменяться в широких пределах (1,2—4).
Из рассмотренных верным является условие, дающее большее значение
/с з • Иногда в учебных и некоторых инженерных расчетах выбор /с 3
производится лишь по (4.12), которое и является определяющим.
Коэффициент чувствительности третьей ступени проверяется в
соответствии с ее назначением: как основной — в конце своего участка
С=1ртЩКГ)> 1,5-2, (4.14)
.III
ус.р1
и как резервной — в конце смежных участков
ктш!222У®ъ\Л-, ^=7-ЕН=р>1,2. (4.15)
4.pl А:р1
Токовые ступенчатые защиты могут выполняться трехступенчатыми,
содержащими ступени I, II и III, двухступенчатыми, содержащими ступени
I и II, одноступенчатыми, содержащими одну третью ступень.
Токовая ступенчатая защита не может выполняться без третьей ступени
(максимальной токовой защиты), так как она обеспечивает выполнение
функций основной и резервной.
Токовая ступенчатая защита, содержащая третью ступень,
обеспечивает селективность при внешних КЗ лишь в радиальных сетях с
односторонним питанием (только в этих сетях можно выбрать выдержки
времени максимальной токовой защиты по ступенчатому принципу).
Отдельные части защиты — токовые отсечки — могут обеспечить
селективность в сетях любой конфигурации при соответствующем выборе
параметров срабатывания.
Токовые ступенчатые защиты являются медленнодействующими. Без
выдержки времени КЗ отключается лишь на части линии в зоне первой
ступени (если она используется).
65
I Ql TAJ
©fQnr
Зона первой ступени / значительно
изменяется при разных режимах работы
системы (рис 4.4) и, в частности, может
отсутствовать. При этом коэффициент
чувствительности второй ступени может
оказаться недостаточным. С учетом усло-
вии выбора для третьей ступени 7СЗ ~
~ (3~4)/рабтах- ПРИ ЭТ0М ее
Коэффициент чувствительности, достаточный при
КЗ в конце смежных участков линий, при
КЗ за трансформаторами понижающих
подстанций в ряде случаев мал.
Ввиду простоты схемы защита
является одной из наиболее надежных.
Защита применяется в
распределительных сетях, на линиях, отходящих от
шин станции, напряжением 6—10 кВ.
Широко используется одна ступень — максимальная токовая защита.
Трехступенчатая и двухступенчатая защиты используются в сетях 35 кВ,
на понижающих трансформаторах 35 кВ, реже в сетях с односторонним
питанием^ 110 кВ от междуфазных КЗ. Токовая отсечка без выдержки
времени в ряде случаев является дополнительной к более сложным защитам.
Рис. 4.4. Определение / в разных
режимах
4.3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ НУЛЕВОЙ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СО СТУПЕНЧАТЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
Такие защиты широко используются в сетях с глухозаземленными
нейтралями при UH0M > ПО кВ от однофазных и двухфазных КЗ на землю
(в сетях с двухсторонним питанием и кольцевых защиты выполняются как
токовые направленные нулевой последовательности). Измерительный
орган тока включается на трехтрансформаторный фильтр тока нулевой
последовательности. Защита также выполняется трехступенчатой и содержит
первую ступень — отсечку без выдержки времени, вторую ступень —
отсечку с выдержкой времени и третью — чувствительную ступень. При КЗ
на землю токовая защита нулевой последовательности имеет ряд
преимуществ по сравнению с токовой, включенной на полные токи фаз, которые
рассмотрены ниже при выборе параметров срабатывания. Приведенная на
рис. 4.5 схема сети состоит из двух участков линий W1 и W2 и
понижающих трансформаторов со схемой соединений обмоток Y/A-ll: 77 с
заземленной нейтралью и Т2 — с изолированной. В защите / при КЗ на Wl, W2
и в 77, 72 проходит ток 3/01 . В защитах 2(3) при КЗ на W2 (в 77) проходит
66
Q1 ТА I
Wl
Kl
Q2 TA2 W2
В Г
xQ3 ТАЗ T2
tt^W ^Q^
Рис. 4.5. Выбор параметров срабатывания токовой ступенчатой защиты нулевой
последовательности:
а — схема сети; б — /к(/), /СзО» в — '<
III
ток 370к, равный току в месте КЗ и отличающийся от тока в защите / на
значение 3/0т, который обусловлен заземленной нейтралью Т2.
Ток срабатывания первой ступени выбирается большим из полученных
в рассмотренных ниже условиях.
1. Ток /с 3 должен быть отстроен от максимальных токов 3/0з >
проходящих в защите при К^1' или А^1' ^ в начале смежного участка:
(4.16)
71 =*! 3/
сз отс*^ Оз вн max •
Для защит сети: /с'з1 = *отс3/01(КЛ ; 7сз2 = *отС3/0к(^2')-
67
2. Ток /сз должен быть отстроен от броска тока намагничивания 7б
трансформатора 77 при возрастании (восстановлении) напряжения на нем
(только для защиты 7):
'с, =С'бр=(3-4>/ном77- С4-17)
3. Ток 7сз1 должен быть отстроен от тока 37ог, проходящего в защите
/ и обусловленного заземленной нейтралью 77, при КЗ у шин подстанции
(КЗ), где установлена защита:
'сз. =*otc3W3)- <4-18>
Часто определяющим является (4.16), что и принято далее (рис. 4.5).
На рисунке отмечены зоны /ф и /01 для сравнения первой ступени
нулевой последовательности и первой ступени, включенной на фазные токи,
там же приведена зависимость тока трехфазного КЗ /^ (/), имеющая
меньший наклон, чем 370 (/), так как удельное сопротивление прямой
последовательности линии ZlyR меньше ее удельного сопротивления нулевой
последовательности. Поэтому зона первой ступени отсечки нулевой
последовательности /01 больше отсечки, включенной на полные токи фаз 1± .
Так как значение 70 слабо зависит от режима работы системы и
определяется в основном достаточно стабильным режимом заземления нейтрали,
то длина защищаемой зоны /0 оказывается и более стабильной.
Выдержка времени ступени II принимается, как для защиты,
включенной на полные токи фаз (4.4).
При выборе тока срабатывания второй ступени учитываются также
несколько условий.
1. Если при выборе 7СЗ условие (4.18) не явилось определяющим, то по
этому условию выбирается ток 7С 3, а /с 3 ~ 0,5 .
2. Ток 7С 3 отстраивается от тока в защите 7 при КЗ в конце зоны
первой ступени защиты 2 (согласуется с током срабатывания первой ступени
защиты 2 с учетом коэффициента токораспределения кт).
Так как при КЗ в конце зоны первой ступени защиты 2 (К4) в защите 7
проходит ток 37qj , то
'«1-Сз/01. <419>
и ток срабатывания второй ступени определяется графически.
68
Отношение токов в защите /3 и в месте короткого замыкания /к равно
коэффициенту токораспределения
кт=12/1к, (4-20)
например, при КЗ на шинах подстанции В. С учетом этого
3. Ток /с 3 отстраивается от тока небаланса при К^ ' за
трансформаторами подстанций [К5, см. рис. 4.2, (4.3)]
£ = С*«иЛп*4?. (4-22>
где кап = 1 для ступеней с выдержками времени; кодн = 0,5 для
однотипных ТА.
Из полученных значений выбирается большее.
Если определяющим явилось условие (4.18) и при этом коэффициент
чувствительности при КЗ в конце защищаемого участка кч < 1,5, то ступень
может быть выполнена направленной, и тогда это условие не учитывается
(при коротком замыкании в КЗ защите не разрешит срабатывать орган
направления мощности). Если определяющим явилось условие (4.22), то эта
ступень одновременно выполняет функции чувствительной, поэтому
необходимо проверять ее коэффициент чувствительности в конце смежного
участка (см. далее). Однако во многих случаях определяющим является
условие (4.21), и тогда может оказаться целесообразной установка ступени III.
Выдержка времени третьей ступени защиты нулевой
последовательности также выбирается по ступенчатому принципу. Однако выдержки
времени этой чувствительной ступени оказываются меньше максимальной
токовой, включенной на токи фаз, так как не требуется их согласовывать
по времени с защитами потребителей (tn[) на стороне треугольника
трансформатора со схемой соединения Y/Л-Н (tn2 < /п1). При
повреждениях на стороне треугольника отсутствуют токи нулевой последователь-
ности в рассматриваемой защите, поэтому 'сзз(0) = ^' 'сз2(0) = °'5 с>
'сзЦО) = 1»0 с. На графике заштрихован возможный выигрыш во времени
ступени III нулевой последовательности по сравнению с максимальной
токовой (/с 3 ф на рис. 4.5, в).
Ток срабатывания третьей (чувствительной) ступени отстраивается от
тока небаланса по (4.22) и оказывается меньше, чем у максимальной
токовой защиты, отстраиваемой от максимальных рабочих токов. Поэтому
чувствительная ступень нулевой последовательности имеет более высокие
значения кц , чем максимальная токовая.
69
При определении кц защиты 1 при КЗ в конце W2 следует учесть
неравенство токов 3/0 на этих участках. Так, коэффициент чувствительности
защиты У в точке К2 равен кц{ = ^pi(л:2)//^ср 1' где ^pi — ток в измеРи*
тельном органе защиты 7 при А^ ' или К^ ' ' в точке К2 (меньший из них).
4.4. СХЕМЫ ТОКОВЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАЩИТ
Функциональная схема трехступенчатой защиты (условно на одну
фазу) приведена на рис. 4.6. При токе / >/ срабатывает реле первой
ступени КА и напряжение подается на выходное промежуточное реле KL,
которое через последовательно включенное с ним указательное реле КН
действует на электромагнит отключения YAT привода выключателя Q (см.
рис. 1.4). При токах, больших тока срабатывания реле ступени II (ступени
III), срабатывают реле КА {КА ) и запускают реле времени этих
ступеней КТ {КТ ). Набрав выдержку времени f (/с ), эти реле далее
действуют на выходное реле KL.
Цепи тока токовых ступенчатых защит выполняются в соответствии
с приведенными на рис. 3.8; их оценка производится с учетом данных
табл. 3.1.
В сетях с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через
дугогасящие реакторы, схемы
выполняем уЛГ ются двухфазными, так как должны сра-
. Г3""] батывать на отключение только при мно-
I МИГ гофазных КЗ, кроме того, двухфазное вы-
U i полнение позволяет целесообразнее от-
Ц_ I I к/ I ключать только одно место повреждения
,0,1)
при двойном £дВ замыкании на землю
I ^iij (см- Рис# ^> б)-
При использовании в такой сети одной
ступени — максимальной токовой
защиты и отсутствии трансформаторов со
схемой соединения обмоток Y/Д-И (защиту
которых резервирует защита сети) может
быть использована однорелейная схема
неполного треугольника, если она обеспе-
Рис. 4.6. Функциональная схема то- ЧИвает необходимый коэффициент чувст-
ковой защиты со ступенчатой ха- ,~\
рактеристикой выдержки времени ВИТеЛЬНОСТИ при всех ВИДах К
70
KL
КТ1'
КА1
КА1
\КА
III
Если кч < &чдоп, то в рассматриваемом случае следует использовать
двухрелейную схему неполной звезды, что дает повышение кц по
сравнению с предыдущей схемой.
Двухрелейная схема неполной звезды может использоваться при
наличии трансформаторов со схемой соединения обмоток У/Л-11, если ее
минимальный коэффициент чувствительности при К^ ' за трансформатором
оказывается допустимым. В противном случае следует использовать трех-
релейную схему неполной звезды, что вдвое повысит коэффициент
чувствительности.
При выполнении в рассматриваемых сетях многоступенчатых защит,
содержащих отсечки, используются обычно двух- и трехрелейные схемы
неполной звезды. Использование схемы неполного треугольника
нежелательно, поскольку зона отсечки / при двух видах К^ ' оказывается
сниженной. Действительно, если был рассчитан ток срабатывания защиты /с 3, то
в схеме неполного треугольника ток / в */3 раз больше, чем в схеме
неполной звезды, а ток в реле г при 1С ' между фазами ЛВ и ВС одинаков.
Для многоступенчатых защит ступени I и II выполняются обычно как двух-
релейные схемы неполной звезды, а ступень III — как трехрелейная схема
неполной звезды для повышения кч к 1С ' за трансформатором.
Использование трехфазных схем (см. рис. 3.8) не приводит к
повышению чувствительности к многофазным КЗ.
В сетях с глухозаземленными нейтралями используются только
трехфазные схемы, необходимость которых обусловлена однофазными КЗ. Как
правило, для действия защиты при КЗ на землю используются токи
нулевой последовательности. В соответствии с этим применяются
комбинированные схемы неполной и полной звезды от междуфазных КЗ в сочетании
с фильтром токов нулевой последовательности.
На понижающих трансформаторах с заземленной нейтралью часто
используются двух-, трехрелейные схемы полного треугольника для
исключения токов 3/0 в защите
трансформатора при КЗ в сети высшего на- A QJ Б Q2 ТА2 в
пряжения (см. рис. 3.9, в). Qfoj-p^ ^t^^ zJ
В качестве примера оассматои- K1 г j2£ T^l К2?
HD-P°i
В качестве примера
рассматривается схема участка сети с глухо-
заземленной нейтралью (рис. 4.7).
Защита 1 выполняется
трехступенчатой от междуфазных КЗ с
включением реле на полные токи фаз и
двухступенчатой нулевой последо- Рис 4 7 Схема сети
вательности от КЗ на землю, включенной на токи 3/0 . На рис. 4.8, а
приведена принципиальная разнесенная схема цепей тока, а на рис. 4.8, б —
разнесенная схема оперативных цепей постоянного тока. Реле тока ступеней
защиты I и II от междуфазных КЗ KAJ, КА2 и КАЗ, КА4 соответственно
включены на токи 12А и /2С- по схеме неполной звезды. Реле тока третьей
ступени защиты от междуфазных КЗ КА5, КА6, КА7 (максимальной
токовой) включены по схеме полной звезды для повышения чувствительности
КЛ1 КАЗ КЛ5
КА6
Ъ{и JhB fel
КЛ2 КА4 КА7
КЛ8 КАЯ
-ШУ
I ст. и выходное
реле комплекта
от м.ф. КЗ
II ст. комплекта
от м.ф. КЗ
III ст. комплекта
от м.ф. КЗ
I ст. и выходное
.J реле комплекта
от КЗ на землю
III ст. комплекта
от КЗ на землю
Выходные цепи
защит
Рис. 4.8. Принципиальные разнесенные схемы защиты:
а — цепи переменного тока, б — цепи оперативного постоянного тока
72
при Л4 ' на стороне треугольника (КЗ). Реле первой КА8 и третьей КАЯ
ступеней защиты от КЗ на землю включены на ток 3/0 (ступень I —
отсечка, ступень III — чувствительная).
Вторичные обмотки ТА подключены к защитному заземлению, что
исключает появление высокого напряжения в цепях защиты при нарушении
изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока.
В оперативных цепях реле тока первой ступени КЛ1, КА2 работают на
выходное реле KL1 защиты от междуфазных КЗ, а реле КА8 — на выходное
реле комплекта от КЗ на землю KL2. Реле KL1 и KL2 имеют небольшое
замедление на срабатывание (около 0,1 с), исключающее работу первых
ступеней на отключение при действии разрядников. Размыкающие контакты
KL1.1 и KL2.1 исключают срабатывание указательных реле первых
ступеней КН1 и КН4 при действии разрядников и кратковременном замыкании
контактов КА1, КА2, КА8. Ступени с выдержками времени комплекта от
междуфазных КЗ (А77, КТ2) и комплекта от замыканий на землю КТЗ
имеют отдельные реле времени, так как выдержки времени этих комплектов
в общем случае могут различаться. Указательные реле КН2, КНЗ
сигнализируют о срабатывании ступеней II и III комплекта от междуфазных КЗ
и КН4, КНЗ — ступеней I и III комплекта нулевой последовательности;
КН6 и КН7 — срабатывание на отключение комплекта от междуфазных КЗ
и комплекта от КЗ на землю.
При замыкании контактов выходных реле KL1.2 или KL2.2 через
замыкающий сигнальный контакт выключателя Q (замкнут при включенном
выключателе) будет подано напряжение на электромагнит отключения YAT.
При его срабатывании выключатель отключается и контакт Q размыкается
несколько раньше главных контактов, что исключает разрыв цепи YAT
контактами реле защиты при ее возврате, не рассчитанными на эту операцию.
4.5. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ С ПУСКОМ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
Простые токовые защиты при включении на полные токи фаз не всегда
могут обеспечить достаточную чувствительность во всех режимах работы
электрической сети. При выборе тока срабатывания третьей ступени по
(4.12) и (4.13) он часто бывает значительным /сз = (3—4)/ном. При этом
трудно получить достаточную чувствительность третьей ступени —
единственной, выполняющей функции ближнего и дальнего резервирования.
Одним из способов повышения чувствительности третьей ступени —
максимальной токовой защиты (МТЗ) — является дополнение ее
измерительным органом напряжения (ИОН), который разрешает действовать защите
только в случае возникновения КЗ.
73
Пуск OB
Откл. Q
Возвр. OB
Рис. 4.9. Структурная схема алгоритма третьей ступени токовой защиты с пуском
по напряжению
Структурная схема алгоритма третьей ступени токовой защиты с
пуском по напряжению (условно для одной фазы) приведена на рис. 4.9.
Алгоритм содержит операторы ввода напряжения u(t) и /(0 от
измерительных трансформаторов, определения текущих значений напряжения U и
тока / . Для пусковых органов (ПО) напряжения оператором введены
значения С/с и иъ р, а для МТЗ фиксированы /с р, IB р и tc р.
При выполнении условия срабатывания ИО напряжения и ИО тока,
фиксируемых метками К и N соответственно, запускается орган
выдержки времени ОВ и обеспечиваются отключение выключателя Q, возврат
органа выдержки в исходное положение и возврат пускового и
измерительного органов.
При невыполнении одного из условий срабатывания циклы повторяются.
Пуск защиты осуществляется или от реле минимального междуфазного
напряжения, или от фильтра-реле напряжения обратной последовательности.
Функциональная схема МТЗ с дополнительным органом напряжения
показана на рис. 4.10, а. Измерительный орган напряжения выполняется
при помощи реле минимального напряжения KV и действует совместно с
74
*Ъ ™Ьс ™сс
^№у^
ь 1
с 1
б)
Рис. 4.10. Функциональная схема (а) и
схемы цепей переменного напряжения
(б) и оперативного тока (в)
SQ
КТ КН р YAT
■МНЕН
KL.2
Сигнал
реле КА измерительного органа тока (ИОТ) по логической схеме И на пуск
реле времени КТ.
Во время КЗ, когда возрастает ток и уменьшается напряжение,
срабатывают оба измерительных органа ИОН и ИОТ и с заданной выдержкой
времени МТЗ действует на отключение. Если же в результате перегрузки
защищаемого элемента токовое реле КА срабатывает, ИОН блокирует
действие МТЗ, поскольку реле напряжения KV не срабатывает. Недействие ИОН
при перегрузке обеспечивается выбором уставки реле KV такой, чтобы оно
не срабатывало при минимальном рабочем напряжении £/раб mjn.
Благодаря этому ток срабатывания КА отстраивается не от /раб тах, а от тока
нагрузки нормального режима /р но м:
/
р.норм '
(4.23)
Сравнив выражения (4.12) и (4.23), можно убедиться, что
чувствительность токовых реле МТЗ с пуском по напряжению выше чувствительности
реле без пуска по напряжению.
Измерительный орган напряжения выполнен с тремя реле, включенными
на междуфазные напряжения (рис. 4.10, б). Такая схема обеспечивает
надежное срабатывание ИОН при любом виде междуфазных КЗ, поскольку при
этом значительно снижается хотя бы одно из междуфазных напряжений.
75
Поскольку в случае обрыва цепи напряжения одно из реле KVсработает
и МТЗ может подействовать ложно, если токовые реле КА придут в
действие от тока перегрузки, в схеме предусмотрена сигнализация при
замыкании контакта реле KL.2 (рис. 4.10, в).
Напряжение срабатывания ИОН определяется
.. _ раб min
с 3 ~ "Т Т~'
^ср =
раб min
*отс*в^{/
(4.24)
где кв = 1,1—1,25; котс = 1,1—1,2; Up2i6mm — остаточное напряжение при
самозапуске электродвигателей; Ки — коэффициент трансформации
трансформатора напряжения.
При этом обеспечивается возврат реле минимального напряжения
(размыкание контактов KVab~~KVca) после восстановления минимального
рабочего напряжения в сети после отключения внешнего КЗ.
Чувствительность ИОН при КЗ определяется коэффициентом кч =
= ^Сз^ктах' где ^к max — максимальное значение остаточного
напряжения при КЗ в конце второго (резервируемого) участка МТЗ; при этом
допустимо, чтобы кч > 1,2.
Во втором варианте (рис. 4.11, а) ИОН выполняется комбинированным
из двух реле напряжения KV1, KV2. Реле максимального напряжения KV2,
включенное через фильтр напряжения обратной последовательности ZV2
(ОП), служит для пуска МТЗ при несимметричных КЗ. Реле минимального
напряжения AT/, включенное через размыкающий контакт KV2,
предназначено для действия ИОН при трехфазных КЗ. Такая схема ИОН по
сравнению с первым вариантом (см. рис. 4.10) обеспечивает более высокую
чувствительность как при несимметричных, так и при симметричных КЗ.
При несимметричных КЗ появляется напряжение ОП, реле KV2
срабатывает, обусловливая отпускание KV1, последнее замыкает контакт KV1,
разрешая действовать МТЗ.
KV2
От TV
а)
KL.2
б)
Сигнал
Рис. 4.11. Схемы комбинированного пуска от реле минимального напряжения и реле
напряжения обратной последовательности (а) и цепей оперативного тока (б)
76
Напряжение ОП срабатывания реле KV2 отстраивается от напряжения
небаланса £/нб фильтра ZV2:
^2сз=*оТСЧ,б=0.06£/рабном. (4.25)
При трехфазном КЗ в первый момент его возникновения
кратковременно (в течение 0,02—0,05 с) возникает несимметрия напряжений,
сопровождающаяся появлением напряжения обратной последовательности U2.
В результате в первый момент КЗ срабатывает реле KV2 и затем после
размыкания его контакта реле KV1. После исчезновения несимметрии контакт
KV2 снова замыкается и на реле KV1 подается напряжение UK , равное
остаточному напряжению в месте установки МТЗ. Реле KV1 остается в
corn
стоянии после срабатывания, если напряжение возврата UB 3 > UK
5
ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
СО СТУПЕНЧАТЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЛГОРИТМА
Токовыми направленными называются защиты, реагирующие на ток,
проходящий в защищаемом элементе, и фазу (направление) тока
относительно напряжения в месте установки защиты. Условные положительные
направления указанных токов приняты от шин, где установлена защита,
в глубь защищаемой зоны.
Для реализации защиты необходимы измерительные органы тока,
аналогичные используемым в токовых защитах, и измерительные органы
направления (фазы) ИОНТ, разрешающие защите действовать лишь при
направлении тока, совпадающем с принятым положительным направлением.
Принцип действия направленной защиты иллюстрируется
соотношениями при КЗ на линии с двухсторонним питанием (рис. 5.1, а).
Следует напомнить, что в рассматриваемой сети максимальная токовая
направленная защита не может обеспечить селективное отключение КЗ.
Действительно, при КЗ в точке К] через защиты 2 и 3 проходит ток / к1 , и
для селективного отключения выключателя 3 необходимо иметь выдержку
времени защиты 3 меньше выдержки защиты 2. Однако при КЗ в К2 через
С1А l К2 2* 3 К, 4*5
Г С2
Ota-^ajo-^-DiP—9t©
^Kl
^к2
а)
Рис. 5.1. Схема сети (а) и
векторная диаграмма электрических
величин при КЗ в К1 и К2 (б)
78
эти же защиты проходит ток 1к2 , и для селективного отключения
выключателя 2, наоборот, t2 < /3 •
При КЗ в точке К1 ток / к1 (рис. 5.1, б) смещен относительно ЭДС £С1
на угол фС1, и напряжение на шинах подстанции Б опережает ток / к1 на
угол фл. Это напряжение подводится к ИОНТ защит 2 и 3 в качестве
опорной величины.
Поскольку ток / j в защите 3 совпадает с принятым для нее
положительным направлением, ток в ИОНТ этой защиты положителен и отстает
относительно ЦБ на угол ф3 = фл. Относительно условного
положительного направления в защите выключателя 2 ток / t отрицателен: на
диаграмме ток -/ j откладывается в противоположном направлении; при этом
угол ф2 = Фз + л. Если угловая характеристика ИОНТ такова, что он
срабатывает при ф = ф3 и не срабатывает при ф = ф3 + 71, то при КЗ в К1 защита 2
срабатывать не будет. Обычно угловые характеристики ИОНТ с
граничными участками Фгр1, Ф^ выполняются с диапазоном углов срабатывания,
составляющим п (фгр2 = Фгр1 + л)> как отмечено штрихами на рис. 5.1, б.
Токовые направленные, как и ранее рассмотренные простые токовые,
относятся к защитам с относительной селективностью. Как и все
относительно селективные защиты, токовые направленные выполняются
ступенчатыми — состоящими из отдельных ступеней, часто трех (иногда
четырех). При выполнении трехступенчатой защиты ступени I и II
предназначены для ликвидации повреждений на защищаемом элементе, ступень III
резервирует ступени I и II (ближнее резервирование), а также отказы защит
или выключателей смежных элементов (дальнее резервирование).
Как и в рассмотренных ранее токовых защитах самым грубым является
ИОТ , а самым чувствительным — ИОТ , т.е. 1ср> 1ср> 1ср • ПРИ этом
ступень I выполняется без выдержки времени, ступень II — с небольшой
выдержкой времени, а ступень III — со значительно большими, как
правило, выдержками времени.
Структурная схема алгоритма трехступенчатой токовой защиты
(условно на одну фазу) приведена на рис. 5.2. Из токов /(/) и напряжений u(t),
подводимых от измерительных трансформаторов, после обработки в
блоках Ф получаются текущие значения характеристических величин — тока
/ для ИОТ всех ступеней, а также напряжения U , тока / и угла фр для
реализации ИОНТ.
79
80
Фиксируются заданные значения параметров срабатывания каждой сту-
пени по току /с , Ус и /с , а также токи возврата второй и третьей сту-
пеней / „ и / „ .
в.р в р
Диапазон изменения углов ф в пределах которого допускается
срабатывание ИОНТ и защиты в целом, обычно составляет тс и
ограничивается условием ф < (р < ф +71, где значение ф задается. Там же
приведены допустимые по условиями работы ИОНТ минимальные значения
'с р min и ^с р min *
Если условия срабатывания по I , (/ и ф выполняются (рис. 5.2, а),
направление тока в защите от шин в сторону линии фиксируется меткой
К= \ и следует проверка условий срабатывания ИОТ отдельных
ступеней (рис. 5.2, б).
Если / > / , то при К > О фиксируется повреждение в пределах зоны
ступени I и подается сигнал на отключение выключателя.
Алгоритм ступени II имеет особенности, обусловленные выдержкой
времени и условиями возврата ИОТ при /в < /с , поскольку всегда кв < 1.
При / > /с срабатывание ИОТ фиксируется меткой L + 1, и при К > О
запускается 05 . В процессе набора выдержки времени производится
проверка выполнения условия срабатывания (метка L > 1). При выполне-
,п II
нии условии по току и времени t > tQ происходит отключение
выключателя и обеспечивается возврат ОБ .
Если в процессе набора выдержки времени после отключения внешнего
КЗ окажется / < / , то проверяется условие возврата ИОТ / < /в . При
его выполнении происходит возврат ИОТ (L = 0) и ОБ . При / > /в
набор выдержки времени продолжается. Функции третьей ступени защиты
выполняются аналогично.
При работе ступени I с выдержкой времени схема не отличается от
приведенных для ступеней II и III (рис. 5.2, б).
5.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ТРЕХСТУПЕНЧАТОЙ
НАПРАВЛЕННОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
Первая ступень — отсечка без выдержки времени. Селективность в
режимах без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором тока
срабатывания ИОТ. Время срабатывания принимается для первой ступени защит
81
CI
&
*K2
i„ Г
1к2 I
^
4 1
'c.al"7^ N^
'«2
7сз2н , ^*^"^
nl
"*—^—H
4 -1
C2
Kl
T
Рис. 5.3. Выбор параметров срабатывания ступени
всех участков одинаковым и равным /с 3 = 0 . Практически, когда это
требуется, для отстройки от работы трубчатых разрядников, создающих
кратковременное КЗ, вводится некоторое замедление tQ 3 < 0,1 с.
Ток срабатывания ступени I на линиях с двухсторонним питанием
выбирается следующим образом (рис. 5.3).
1. Ток срабатывания НОТ ступени I должен быть выбран больше
уравнительного тока / в линии при качаниях или выходе генераторов из
синхронизма, так как измерительные органы направления в этих режимах
могут срабатывать, а действие защит на отключение в указанных режимах не
допускается.
Наибольшее значение тока / упрощенно определяется в
предположении равенства модулей ЭДС Ех = Е2 = Е и при расположении их в проти-
вофазе друг относительно друга:
/yp = 2£/Zs, (5.1)
где Z^ — сумма сопротивлений систем Zj, Z2 и линий Zn .
Ток срабатывания первых ступеней защит / и 2:
I = к I
сз отс ур'
(5.2)
где*отс = 1,3—1,5.
2. Для предотвращения излишних отключений линии при внешних КЗ
ток срабатывания должен быть принят большим максимального тока
в ИОТ при внешних КЗ. В сети любой конфигурации первые ступени
токовых защит могут быть выполнены ненаправленными, если будут одно-
82
временно выполнены условия отстройки от токов внешних КЗ, как при
направлении тока от шин в линию, так и в случае направления его к шинам,
т.е. при коротких замыканиях в точках К1 или К2 (рис. 5.3).
Если мощность одной из систем, например С1, существенно больше
мощности другой системы и /к1 > /к2, то определяющим для выбора /сз
защит обеих сторон будет ток при КЗ в точке К1:
7сз1 = 7сз2 = *отс/к1 ' (5-3)
Из (5.2) и (5.3) выбирается большее значение.
Если определяющим явилось (5.3), то зона /2, защищаемая защитой 2,
установленной со стороны системы малой мощности, может оказаться
существенно меньше зоны 1{ или вообще исчезнуть.
3. Для повышения защитной способности первой ступени защиту со
стороны маломощной системы целесообразно выполнять направленной.
При внешних КЗ в точке К1 срабатывание защиты 2 будет исключаться
ИОНТ. Поэтому ее ток 1сз2н следует вместо (5.3) выбирать только по
условию отстройки от тока в защите при КЗ в точке К2:
Очевидно, что зона /2н увеличивается.
Если при выборе /сз1 определяющим явилось условие (5.2), то
выполнение первой ступени защит направленными не имеет смысла. Таким
образом оказывается, что в сетях сложной конфигурации первые ступени
целесообразно выполнять направленными, только когда при этом
повышается их защитоспособность.
Вторая ступень — направленная отсечка с выдержкой времени —
основная защита части участка, где уже не работает ступень I, поскольку /к < /с 3.
Селективность без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором
времени срабатывания (выдержки времени) /с 3 и тока срабатывания /с 3.
Обычно выбирается /с всех защит одинаковым (как и для простых
токовых) и на ступень выдержки времени At = 0,5 с большим выдержек
времени первых ступеней или быстродействующих защит предыдущих
элементов, например защит трансформаторов:
г11 =tl + А/= (0,5—0,6) с.
83
CI
(Z
©to
/ w 'al-'xl 2 ъ. 3 /„ m In 4* «
о /
Рис. 5.4. Выбор параметров срабатывания второй ступени
Особенности выбора /сз в общем случае рассматриваются
применительно к защите сети с питанием на промежуточной подстанции (рис. 5.4).
,. Все защиты предварительно приняты направленными и действующими
в направлениях, обозначенных стрелками. В этом случае выбор /сз может
производиться независимо для группы защит только одного направления,
например защит 1 и 3.
При принятых выдержках времени t может быть допущено
срабатывание измерительного органа тока второй ступени защиты / (HOTj ) при
КЗ на части предыдущего участка линии W2 или в трансформатор Г, где
еще гарантируется срабатывание первой ступени защиты 3 или
быстродействующей защиты трансформатора Г, действующих на отключение
выключателей 3 и 5 соответственно, прежде чем будет набрана выдержка
времени органом выдержки времени второй ступени защиты / (OBj ).
Следовательно, ток срабатывания второй ступени должен быть выбран
большим тока в защите / при коротком замыкании в конце зоны,
защищаемой первой ступенью защиты 3, чему соответствует точка К2, когда
/з3 = ^сзЗ' а также большим тока при КЗ за трансформатором (КЗ), где
уже не работает быстродействующая защита трансформатора.
84
При КЗ в точке К2 /з1 = Гз] (рис. 5.4), поэтому
'". = «.• (5-5)
Ток срабатывания второй ступени может быть определен графически или
аналитически.
Отношение тока в рассматриваемой защите / к току в защите 3 можно
определить коэффициентом токораспределения
*тл='з."зЗ> (5-6)
который равен отношению токов 1К\1{1К\ + ^кз) и остается неизменным
при КЗ в произвольной точке поврежденного участка. Аналогично при КЗ
за трансформатором ктт = 13\/1з5 . С учетом этого
U^!L*,./m,; (5-7)
с з1 ~~ отс т л с зЗ '
Чз1 -"W4t'k3
*L*k"k„IKi, (5-8)
где kQTC — коэффициент отстройки вторых ступеней.
Из (5.7) и (5.8) принимается большее значение.
Целесообразность использования второй ступени с принятым
значением /сз оценивается коэффициентом чувствительности при КЗ в конце
защищаемого участка при минимально возможном токе короткого
замыкания кц1 = /Kmjn//C3i • Для устойчивого срабатывания
принимается к" > 1,3—1,5 [1].
При недостаточном коэффициенте чувствительности, если
определяющим явилось условие (5,7), для повышения чувствительности второй
ступени ток /с з1 может быть выбран по условию отстройки от КЗ в конце
зоны второй ступени предыдущей защиты (не первой ступени) при
одновременном увеличении выдержки времени:
'сз1 = ^отАл^сзЗ' (5-9)
Условие (5.8) остается неизменным. Следовательно, вторые ступени
отдельных защит в сети могут иметь в общем случае различные выдержки
времени. Аналогично определяются параметры срабатывания защит
противоположного направления — 2 и 4.
85
Wl 2 . 3 W2 4 . 5 W3 6
CZbkZ] DJQ
Kl
fa ^1
0
W3 б ^-^
i p T i 7M
Г5
Рис. 5.5. Определение выдержек времени максимальной токовой направленной
защиты третьей ступени
Если выдержки времени вторых ступеней защит с двух сторон одного
участка (например, защит 7 и 2) оказались одинаковыми, то ИОНТ
необходим лишь в защите с меньшим /с 3: защита с большим Ic 3 уже
оказывается согласованной с первой ступенью защиты другого направления,
находящейся сзади.
Третья ступень — максимальная токовая направленная защита.
Селективность в режимах без КЗ обеспечивается выбором тока
срабатывания, а при внешних КЗ — выдержкой времени.
Выбор параметров срабатывания рассматривается применительно к
сети с двухсторонним питанием (рис. 5.5). Предварительно принимаются все
защиты направленными. Выдержки времени в этом случае выбираются по
встречно-ступенчатому принципу, в соответствии с которым в группе
защит каждого направления выдержки времени выбираются независимо по
ступенчатому принципу (как для ненаправленных токовых), начиная с
защиты, наиболее удаленной от источника питания, обусловливающего
прохождение тока заданного направления.
Для приведенной схемы: одна группа защит (начиная от наиболее
удаленной) — 5, 5, 7, вторая — 2, 4, 6. Тогда:
/5=f10+Af; t3>t5+At, t3>t9+At; /j>/3+A/, f^/g+Д/;
*2=*7+Д/; t4>t2+kt, /4>/8+Д/; *6>/4+Д/, te>t9+M.
Выдержка времени каждой защиты принимается большей из
полученных для нее значений.
Анализ полученных значений выдержек времени позволяет определить
защиты в сети, которые можно выполнить ненаправленными. Например,
если Г4 > /3 > то защиту 4 можно выполнить ненаправленной: при коротком
86
замыкании на W3 защита 5 отключит выключатель 5 прежде, чем наберет
выдержку времени защита 4, так как /5 < /3 •
Следовательно, на каждом участке сети третья ступень выполняется
направленной лишь с той стороны, где выдержка времени меньше; если
с обеих сторон выдержки времени одинаковы, то обе защиты выполняются
ненаправленными.
Третьи ступени токовых защит выполняются направленными лишь
в том случае, когда не удается обеспечить селективность их действия при
внешних КЗ только выдержками времени.
Выбор тока срабатывания третьей ступени производится с учетом
нескольких условий.
1. Для исключения срабатывания защиты в режиме, когда проходит
максимальный рабочий ток / б тах, необходимо, чтобы
'с'з'Чабтах- (5-И)
Поскольку при нарушении цепей напряжения ИОНТ может срабатывать
излишне, при определении /рабтах следует учитывать также и токи,
направленные в нагрузочных режимах к шинам.
2. Измерительный орган тока третьей ступени после срабатывания при
КЗ на смежном участке должен вернуться после отключения КЗ
выключателем поврежденного участка. С учетом этого ток срабатывания защиты
'с з = ^отс^з^раб max расч^в ; (5.12)
ток срабатывания измерительного органа
^ср = ^отс^рабтахрасч^в^/' (5.13)
где котс = 1,1—1,2 — коэффициент отстройки; к'3 — коэффициент
запуска; кв — коэффициент возврата ИОТ; К1 — коэффициент трансформации
трансформатора тока.
3. Для исключения срабатывания ИО после успешного АПВ на
защищаемой линии ток /с 3 должен быть выбран большим токов самозапуска
электродвигателей в этом режиме, учитываемых коэффициентом запуска £3':
К з = ^отс* з^раб max ' (5-14)
Значения к'3 и к\' изменяются в пределах 1,2—4.
Учитывая кратковременность режимов, в некоторых случаях принима-
ют^рабтах расч в (5-12) и (5.13) только направленными от шин, когда
срабатывают ИОНТ.
87
4. Ток срабатывания третьей ступени защиты должен быть отстроен от
тока в неповрежденных фазах при КЗ на землю.
При наложении тока нагрузки и тока повреждения (аварийной
составляющей) и неблагоприятной фазе между результирующим током в
неповрежденной фазе /неповр и напряжением, подводимым к ИОНТ, последний
может срабатывать неправильно. Для исключения срабатывания ступени
А^'неповр- (5-15)
5. Третьи ступени защит одного направления должны быть согласованы
по чувствительности, т.е. защита, расположенная ближе к источнику
питания должна иметь больший ток срабатывания.
п ЛИ .III ЛИ _ -
В нашем случае /сз1 >/сзз >4з5 • ^то Условие необходимо, так как
обеспечивает несрабатывание защиты последующего участка в случаях,
когда защита предыдущего не срабатывает из-за недостаточной
чувствительности. Из рассмотренных определяющим является условие, дающее
большее значение / 3 . Иногда в учебных и некоторых инженерных
расчетах ток /с 3 выбирается только по условиям (5.12) и (5.15).
Коэффициент чувствительности третьей ступени в соответствии с ее
назначением определяется:
как основной в конце своего участка
С =/pmin(^)//cIIpI (5Л6)
и как резервной в конце смежных участков
,Ш _ т /ЛИ ,111 _ /III
Кч\ ~ yplmin(/:2) ср ' ч1 " yplmin(/^)/ycpl • \?Л1)
В сетях с глухозаземленными нейтралями напряжением UH0M > ПО кВ
широко используются от однофазных и двухфазных КЗ на землю токовые
направленные защиты нулевой последовательности со ступенчатыми
характеристиками выдержек времени.
Измерительный орган тока и цепи тока измерительного органа
направления включаются на трехтрансформаторный фильтр тока нулевой
последовательности, а цепи напряжения подключаются к обмоткам
трансформатора напряжения, соединенным в разомкнутый треугольник — фильтр
напряжения нулевой последовательности.
При КЗ на землю токовая направленная защита нулевой
последовательности имеет ряд преимуществ по сравнению с направленной токовой,
включенной на полные токи фаз:
зоны первой ступени защиты нулевой последовательности обычно
больше зоны первой ступени, включенной на полные токи фаз, и меньше
зависят от режима работы системы;
выдержки времени чувствительной ступени защиты нулевой
последовательности в ряде случаев оказываются ниже максимальной токовой защиты;
чувствительная ступень защиты нулевой последовательности имеет
более высокие коэффициенты чувствительности, чем максимальная
токовая защита.
Кроме того, при КЗ на землю, когда приходит в действие токовая
направленная защита нулевой последовательности, выводится из действия
токовая направленная защита, включенная на полные токи фаз. Поэтому
в последней ИОТ может не отстраиваться от тока в неповрежденных
фазах, что в ряде случаев повышает ее чувствительность.
Параметры срабатывания ступеней токовой направленной защиты
нулевой последовательности выбираются аналогично в соответствии с
основными положениями, применительно к токовой направленной защите на
полных фазных токах и с учетом специфических особенностей,
обусловленных заземлением нейтралей трансформаторов промежуточных
подстанций, бросками намагничивающего тока трансформаторов с
заземленными нейтралями, а также взаимоиндукцией параллельных линий [2, 4].
В нормальном режиме работы кольцевой сети (рис. 5.6), когда все
выключатели включены, в линиях проходят токи /раб норм- ПРИ размыкании
кольца, например выключателями / или б, рабочие токи увеличиваются
Д° 'раб max *
1. Выдержки времени защит 2 и 5 приемных сторон головных участков
W1 и W3 могут быть приняты равными нулю
/"' = /1"
= 0,
так как при внешних КЗ, например в К1, через защиты кольца токи /к не
проходят и не срабатывает ИОТ, а при КЗ в точках К2 или КЗ не
срабатывает ИОНТ.
2. Для защит 2 и 5 приемных сторон головных участков можно принять
/С32 = /С35 = 0, т.е. можно исключить ИОТ,
так как во всех режимах нагрузки, а также и
при внешних КЗ в кольце, но за пределами
головных участков токи в защитах 2 и 5
всегда направлены к шинам и ИОНТ не
срабатывают.
Практически возможно неправильное
срабатывание ИОНТ в нагрузочном режиме
при перегорании предохранителя в цепях
напряжения (рис. 5.7). Если, например, ИОНТ2
включен на напряжение U-, и ток ~12а
Ч^
s
5
W3
W2
'раб
а
"I
4
W1
\2
Рис. 5.6. Кольцевая сеть с одним
источником питания
89
И0НТ1 И0НТ2
ионтз
Oi
а
о-
Ь
о-
с
о-
-Q-
НВ-
п-
а)
Рис. 5.7. Цепи напряжения ИОНТ (а) и векторная диаграмма при перегорании
предохранителя в фазе С (б)
(знак минус учитывает направление к шинам), то в нагрузочном режиме
при угле ф ' между напряжением и током он не срабатывает.
Однако при перегорании предохранителя, например в фазе С, к ИОНТ2
подводится напряжение 0,5Uiba* Угол изменяется до ф" и ИОН2 может
сработать. Для исключения срабатывания защит 2 и 5 при перегорании
предохранителя их выполняют с ИОТ, но при этом токи /сз2 5 выбирают
по рабочему току нормального режима / б м и коэффициент запуска
принимают &з = 1 (маловероятны совпадения режимов перегорания
предохранителей и внешних КЗ):
/ = / = i ] /I
ic32 1сз5 лотс1раб норм' лв*
3. Для правильной работы при КЗ в зоне каскадного действия защиты
каждого направления должны согласовываться по чувствительности
(токам срабатывания): защиты, расположенные ближе к источнику питания,
должны иметь больший ток срабатывания
С1 А
2 \ з И
III III III
Усз1 >УсзЗ>7с.з5
ЛИ III .III
Усз6>Усз4>Усз2'
(5.18)
Рис. 5.8. Каскадная работа
максимальной токовой направленной
защиты в кольцевой сети
(см. рис. 5.6)
Каскадным называется такое действие
защит одного участка, когда защита одной
из сторон начинает действовать лишь
после отключения выключателя с другой
стороны.
При перемещении точки КЗ на
головном участке кольцевой сети (рис. 5.8) от
шин подстанции Б к шинам подстанции А
составляющая тока КЗ /з2 в защите 2 при
90
замкнутом кольце может снижаться до нуля. На участке, в пределах
которого при КЗ /з2 < /с 32 > защита 2 не срабатывает. Однако, поскольку КЗ
расположено вблизи питающей подстанции, составляющая тока /з1 в защите /
значительна, и ее ИОТ срабатывает и пускает орган выдержки времени, по
истечении которой отключается выключатель /. После отключения
выключателя 1 увеличивается ток в защите 2 до Гз2 > /С32 и последняя
срабатывает, отключая выключатель 2.
Часть участка, где КЗ отключается защитами только поочередно или
каскадно, называется зоной каскадного действия.
При каскадной работе повреждение отключается селективно, однако
увеличивается время его отключения.
При отсутствии согласования защит по чувствительности, например
при 1С з4 < /с з2 и /4 < /j при КЗ в зоне каскадного действия защита 4
могла бы сработать прежде или одновременно с защитой /, т.е. излишне
отключить W2.
5.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПАРАМЕТРЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОРГАНА НАПРАВЛЕНИЯ
По определению токовой направленной защиты ИОНТ должны
различать изменение фазы между напряжением U и током / при КЗ в
направлении от шин, когда защита должна срабатывать, и при КЗ в
противоположном направлении, когда защита срабатывать не должна. Как
показано выше (см. рис. 5.1, б), при перемещении точки КЗ через место
установки защиты в любом направлении фаза тока короткого замыкания
изменяется на 71. Поэтому для определения направления к месту КЗ достаточно
фиксировать значение фазы тока КЗ относительно какой-либо мало
изменяющейся по фазе электрической величины, например остаточного
напряжения на шинах подстанции.
Поскольку функцией ИОНТ является только правильное определение
направления к месту КЗ (не измерение мощности), этой электрической
величиной может быть как напряжение контура короткого замыкания, так и
любые другие из имеющихся фазных или междуфазных напряжений
(иногда токи) трехфазной системы*.
В общем случае ИОНТ выполняются на основе известных элементов
сравнения фаз электрических величин с ограниченной чувствительностью
как по току /с min, так и по напряжению Uc р min [5, 6]. Чувствительность
ИОНТ по току не должна быть ниже чувствительности ИОТ наиболее
чувствительной, например третьей, ступени, чтобы не ограничивалась
чувствительность защиты по току в целом.
* Во всех случаях, кроме первого, сочетание тока КЗ и напряжения других контуров не
отражает никакой реальной мощности, и поэтому правомернее говорить о направлении тока
91
Высокая чувствительность ИОНТ по напряжению необходима,
поскольку срабатывание ИОНТ возможно, если U > £/cpmjn, а при близком
трехфазном КЗ все фазные и междуфазные напряжения могут
приближаться к нулю. Если при трехфазном коротком замыкании ИОНТ не
срабатывает, поскольку U < Uc min, то данное повреждение находится в пределах
«мертвой» зоны защиты. Напряжения нулевой и обратной
последовательностей имеют наибольшие значения в месте КЗ, а с удалением последнего
снижаются и могут быть также меньше Uc min.
Схема включения ИОНТ, т.е. сочетание полных фазных токов и
напряжений или их симметричных составляющих на его входах, должна
позволять срабатывать ИОНТ во всем диапазоне изменения сдвига по фазе
между подведенными величинами во всех возможных случаях КЗ на
защищаемом присоединении (виды КЗ, внутреннее сопротивление системы,
переходные сопротивления) и не допускать срабатывания при
противоположном направлении тока.
Схемы включения выбираются также с учетом необходимости
подведения возможно больших напряжений при всех условиях, когда защита
должна срабатывать.
В защите от междуфазных КЗ при использовании в качестве
поляризующего напряжение контура короткого замыкания возможны отказы при
всех близких КЗ.
При пофазном включении ИОНТ лучше использовать фазные или
междуфазные напряжения, не принадлежащие контуру КЗ. В защите от
междуфазных КЗ обычно применяется девяностоградусная схема, когда к
каждому измерительному органу, включенному на один из фазных
токов, подводится напряжение между двумя другими (чужими) фазами:
— р —а' —р — ос' — р —0' —р — са' — р —С —р —ао v '
Для приведенной схемы включения ИОНТ необходимо оценить
возможные пределы изменения угла (рр между током / и напряжением U при
КЗ как в области срабатывания, так и в обратном направлении. Это
позволит определить требуемую угловую характеристику срабатывания ИОНТ.
(3)
При трехфазных КЗ (рис. 5.9) за пределами «мертвой» зоны угол фк
изменяется от ф^ = я/2 при отсутствии переходного сопротивления до
ф^ = 0 , когда в месте повреждения имеется значительное активное
переходное сопротивление Rn. Из диаграммы видно, что при положительном
токе I = 1а угол ф относительно напряжения U изменяется в пре-
92
Рис. 5.9. Изменение ф при /Г ' и
девяностоградусной схеме включения ИОНТ
\-°
г\/
-^
/4 =Х,(3)
г -р -с
vfi»
£f.
fi3)
-а
делах -я/2<ф'<0. При КЗ в противоположном направлении, когда
/ = ~1 и ИОНТ не должен срабатывать, я > ф" > я/2 (углы
положительные от напряжения к току по часовой стрелке).
При замыкании между двумя фазами пределы изменения угла ф
зависят как от значения /?п, так и от удаленности повреждения от места
включения ИОНТ.
В результате анализа векторных диаграмм при двухфазных КЗ с учетом
всех возможных условий и при положительном токе / изменение угла
оказывается ограниченным пределами -2я/3 < фр < я/6. При
противоположном направлении тока / при этих же условиях я + я/6>фр>я/3.
В неповрежденной фазе ток нагрузки может быть направлен как к шинам,
так и в противоположном направлении. Поэтому работа ИОНТ обычно
контролируется ИОТ, отстроенным от наибольших токов нагрузки. Отсюда
следует, что диапазон изменения сдвига фаз при К^ ' входит в диапазон при
Кг ' и, следовательно, необходимо учитывать пределы -2я/3 < фр < я/6.
На рис. 5.10, а в полярных координатах лучами 1—Г ограничен
диапазон изменения фр при положительном / , соответствующем
направлению срабатывания ИОНТ, а лучами 2—2'— при отрицательном / или в
направлении несрабатывания. В этих условиях оптимальной является
угловая характеристика срабатывания ИОНТ в виде прямой 0—0'
равноотстоящей от границ областей срабатывания и несрабатывания. При этом
достигаются лучшие условия для срабатывания при положительном / и фр,
близких к граничным, а также максимально возможная отстроенность при
противоположном направлении тока.
Угловая характеристика идеального ИОНТ с неограниченной
чувствительностью представляет собой прямую, проходящую через начало
координат, область срабатывания которой полностью определяется условием
-(я/2 + Фмч)<фр<я/2-фмч. (5.20)
93
-(к + п/6)
б)
г(2)
Рис. 5.10. Изменение <рр при Кк ' и угловые характеристики идеальных (а) и
реальных (б) ИОНТ
Здесь фмч — угол максимальной чувствительности, образуемый
перпендикуляром к угловой характеристике 0—0' в начале координат. Угловая
характеристика реальных ИОНТ проходит не через начало координат, а на
расстоянии, определяемом чувствительностью ИО по напряжению Uc min
(рис. 5.10, б).
В этом случае при / > /cpmjn напряжение срабатывания при
произвольном ф
р*
U,
ср
^сртт/с05(фр+Фмч)>
(5.21)
и только при (р = -фмч орган срабатывает при минимально возможном
и,
t/.
ср ~c.pmin#
Для девяностоградусной схемы включения оптимальным является угол
Фмч = -71/4.
В общем случае, независимо от элементной базы и способа выполнения
ИОНТ, его угловую характеристику срабатывания в соответствии с (5.21)
можно представить зависимостью:
^срсо8(фр + фмч)=^/срт|п, (5.22)
где фм ч — алгебраическая величина.
Получение заданного угла максимальной чувствительности
обеспечивается только при определенном включении цепей тока и напряжения,
для чего обычно начала (концы) этих цепей маркируются. За начало
одной из цепей принимается произвольно любой, а за начало второй при
принятом начале первой, принимается тот ее конец, при котором
обеспечивается заданный фмч. Принятые начала (концы) могут обозначаться,
например, звездочками.
94
KXi
-^ih-iox
^Oriox
0
Рис. 5.11. Короткое замыкание на землю
(а), векторная диаграмма (б) и угловая
характеристика (в) ИОНТ при
использовании нулевой последовательности
Параметры угловой характеристики ИОНТ при включении на
составляющие токов и напряжений нулевой последовательности должны
определяться из соотношений при КЗ на землю в сети с глухозаземленной
нейтралью (рис. 5.11). Напряжение нулевой последовательности
максимально в месте КЗ и равно нулю в нейтрали трансформатора. При
выбранном положительном направлении /Q к месту КЗ напряжение UQ ш
на шинах подстанции (в месте установки защиты), подводимое к ИОНТ,
У0ш = 0 - ZqtIq т • Так как сопротивление ZQt близко к индуктивному, а
переходное сопротивление Rn не может влиять на фазу уо ш , то фр всегда
близок к -я/2. Практически, так как ток /0 может замыкаться через
нейтрали трансформаторов и линии других подстанций, угол фр отличается от
указанного и составляет ф 0 = -(71/2 + 8) ~ -2я/3. Тогда для получения
наибольшей чувствительности при включении ИОНТ на составляющие
нулевой последовательности, как и ранее, желательно иметь фмч = -фро =
= я/2 + 5.При ф =-2я/3 значение £/ =^Cpmin положительное и
минимальное, что соответствует Фмч. При граничных углах ф = -71/6 и
ф = -(71 + 71/6) значение Uc —► со, т.е. ИОНТ не срабатывает. Как
следует из рис. 5.11, в, вектор /Q находится вне зоны срабатывания. Поэто-
95
му при подключении ИОНТ к ТА и TV необходимо изменить полярность
подключения цепей тока. Возможно изменение полярности цепей
напряжения. Тогда часть нижней полуплоскости (рис. 5.11, в) будет зоной
срабатывания, а фм ч = -(те/2 -5). Угловая характеристика при этом
описывается выражением
В этом случае при 5 = 71/6иф=я/3 значение Uc = Uc min
положительное и минимальное, что соответствует ф м ч.
При практической реализации ИОНТ предусматривается изменение
характеристики: для девяностоградусной схемы фмч = -(я/6 - п/4), при
включении на слагающие нулевой последовательности 8 < л/6.
В направленных защитах обратной последовательности к ИОНТ
подводятся напряжение U2, ток /2 и используются фильтры обратной
последовательности различных типов. Напряжение U2 от наибольшего в месте КЗ
снижается до нулевого значения в нейтралях генераторов и нагрузок.
Поэтому напряжение U2, подводимое к защите, можно определить падением
напряжения на сопротивлении от ближайшей нейтрали до места установки
защиты. Угол между напряжением Ц2 и током /- определяется только
сопротивлением до нейтрали и не зависит от изменения Rn в месте КЗ.
Поэтому, как и в случае нулевой последовательности, комплекс Ц2
расположен в третьем квадранте, а угол ф2 = -(я/2 +8).
При определении угла максимальной чувствительности необходимо
учесть комплексные коэффициенты преобразования используемых
фильтров тока и напряжения обратной последовательности.
Возможно выполнение ИОНТ с угловыми характеристиками
срабатывания различного типа. На рис. 5.12, а представлены угловые
характеристики ИОНТ косинусного при фм ч =0 — линия 7, синусного при фм ч =
.=71/2 — линия 2 и смешанного типа — линия 3. На рис. 5.12, б показана
угловая характеристика смешанного типа, представляющая зависимость
UG р =/(ф) при неизменном токе / = /ном.
Вольт-амперная характеристика устанавливает зависимость между
входными напряжением и током в условиях срабатывания Uc р = /(/р) при
фр = фмч. Из угловой характеристики определено, что при фр = фмч
напряжение срабатывания равно минимальному Uc р min. Практически
Uc min не остается постоянным при изменении входного тока вследствие
изменений режимов работы нелинейных элементов и потерь.
96
tft/tt/f/Y<
/Ц/(Ж/Г//
w
z
-*/4
c.pmin
*/4
H 1-
a)
6)
Рис. 5.12. Угловые характеристики ИОНТ в полярной (а) и прямоугольной (б)
системах координат
Вольт-амперная характеристика (/ср =
= /(/р) при фр = фм ч для ИОНТ на основе
аналоговых интегральных элементов
приведена на рис. 5.13.
На основании изложенного основными
характеристиками ИОНТ являются: угловая
характеристика Ucp =Дфр) при /р = /ном,
минимальные напряжение срабатывания Uc р min
и ток срабатывания Ic р min при ф р = ф м ч.
«Мертвая» зона /м 3 токовых направленных Рис 5ЛЗ Вольт-.мпеРная х.-
защит при /i ' вблизи места установки защи- рактеристика
ты и включении ИОНТ по девяностоградусной схеме определяется
напряжением в конце этой зоны:
V
0
/
Ар min
1
'
и
, у ср ПШ1
/
\ с
(/p(3> = 73/r(3)z,/,
\'мз/Ки>
(5.23)
где 1^ — ток при К^ ' на шинах подстанции, где установлена защита
(определение 1^ при Кг ' на шинах, а не в конце зоны на расстоянии /м 3
от шин дает допустимые погрешности); Ки — коэффициент
трансформации TV, к которому подключен ИОНТ.
Длина «мертвой» зоны определяется из условий (5.21) и (5.23):
'мл» "с, «ш*с//[ Л /K(3)Z, cos(cpp -<рм ч)]. (5.24)
Современные ИОНТ имеют относительно небольшие Ucpmin (доли
вольта) и незначительные /м 3. При необходимости эти зоны должны быть
защищены ненаправленными отсечками.
97
Для ИОНТ, включенного на слагающие нулевой последовательности,
проверяются его коэффициенты чувствительности в зоне резервирования
чувствительной ступени. Так как на работу этого органа не оказывает
влияние переходное сопротивление в месте КЗ, то он работает всегда
вблизи угла максимальной чувствительности. Поэтому его коэффициенты
чувствительности по току и напряжению:
К
ч/
J/03min/A7 'с р mm :
гле 3/0згшп> 3U0
(5.25)
(5.26)
минимальный ток и напряжение в защите при КЗ
КчЦ "З^Озтт^С/^сртт
J3min' -'^Озтт
в конце зоны резервирования.
Возможность использования ИОНТ в этом случае оценивается
требованием Кц > 1,2.
При недостаточной чувствительности в некоторых случаях может быть
использован блокирующий ИОНТ: при направлении /к к шинам он
запрещает защите действовать, а при направлении /к от шин его срабатывания
для действия защиты на отключение не требуется. Возможность
использования такого органа определяется требованием его срабатывания при КЗ с
направлением тока к шинам подстанции и значением тока, равным току
срабатывания чувствительной ступени.
TV
ВЭ
ов11
И1
т
ИОНТ
овш
5.4. СХЕМЫ ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ. ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТ
Функциональная схема трехступенчатой токовой направленной защиты
(условно на одну фазу) приведена на рис. 5.14.
При КЗ в пределах зоны первой ступени в направлении действия ИОНТ
возникает сигнал на выходе элемента И1 и через выходной элемент (ВЭ)
защита действует на отключение
выключателя.
При КЗ в зоне ступени II при
действии ИОНТ сигнал с выхода И2
приводит к запуску органа выдержки
времени ОВ и после набора выдержки
II
времени /сз защита также действует
на отключение выключателя Q.
Аналогично действует ступень III.
Если какая-то из ступеней не
контролируется ИОНТ, из схемы
исключается соответствующий элемент И.
Цепи тока в схемах токовых
направленных защит, как и в токовых,
И2
йот1
из
ТТ ТГ 1
йот1
ZT~T
йот
III
Рис. 5.14. Функциональная схема
трехступенчатой направленной токовой
защиты (условно на одну фазу)
98
в сетях с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через ду-
гогасящий реактор, выполняются двухфазными (от всех видов КЗ).
Наиболее часто используется схема неполной звезды. При недостаточной
чувствительности к КЗ за трансформатором Y/A-11 применяется трехрелейная
схема неполной звезды.
В сетях с глухозаземленными нейтралями используются только
трехфазные схемы, необходимость которых обусловлена однофазными КЗ.
Как правило, для действия при КЗ на землю используются слагающие
нулевой последовательности. В соответствии с этим применяются
комбинированные схемы неполной или полной звезды от междуфазных КЗ в
сочетании с фильтрами токов нулевой последовательности.
Цепи напряжения подключаются к вторичным обмоткам TV комплекта
от междуфазных КЗ на междуфазные напряжения, а комплект нулевой
последовательности — к вторичным обмоткам, соединенным по схеме
разомкнутого треугольника.
В качестве примера рассматривается схема защиты для сети с глухоза-
земленной нейтралью. Защита выполняется трехступенчатой от
междуфазных КЗ с включением ее измерительных органов на полные токи и
напряжения фаз и двухступенчатой нулевой последовательности от КЗ на
землю, включенной на токи 3/0 и напряжения 3£/0. В качестве
измерительных органов направления используется реле направления KW,
измерительных органов тока — реле тока КА, органов выдержки времени —
реле времени КТ\ промежуточные реле KL применяются для размножения
контактов измерительных органов и в качестве выходных элементов,
действующих на электромагнит отключения выключателя, указательные
реле КН сигнализируют о срабатывании отдельных частей защиты.
Принципиальные разнесенные схемы цепей тока и цепей напряжения
защиты приведены на рис. 5.15, а, б.
Защита от междуфазных КЗ содержит реле направления KW1 и KW2,
реле тока первой ступени КА1 и КА2, второй ступени — КАЗ и КА4 и
третьей ступени — КАЗ иКАб.
KW1 КА1 КАЗ КА5 Q b с ъ„
\-
А
1
В
\ С
1
J
/
I
<W.
I
2
3
KA
KA
2
7
KA
4
KA6
KA8
KW1
KW2
UU
KW3
ГТЫдгк
a) 6)
Рис. 5.15. Схемы цепей тока (а) и напряжения (б) токовой направленной защиты
99
Защита от КЗ на землю содержит реле направления KW3, реле тока КА 7
и КА8 соответственно первой и третьей ступеней и реле напряжения KV.
Токовые цепи защиты от междуфазных КЗ выполнены по схеме
неполной звезды с включением реле на токи фаз А и С. Реле направления
включены по девяностоградусной схеме: KW1 — / = /~ ; U = Ц1Ь ,
KW2 — / = /0 и U = U~ ,. Токовые цепи защиты от КЗ на землю
— р —2с — р —lab
включены на ток 3/0, а цепи напряжения KW3 и KV— на напряжение 3U0.
Вторичные обмотки TV и ТА подключены к защитному заземлению, что
исключает появление высокого напряжения в цепях защиты при
нарушении изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Защита выполнена на оперативном постоянном токе (рис. 5.16).
При КЗ на землю на контактах KA8.J и KV выводится из работы
комплект от междуфазных КЗ, что позволяет ток срабатывания реле тока не
KA8.J *м
1 KV
гчп
KWI.
KL1.1
KL2.2
L>.
КТ2
KW3
KL4.2
KL1
КА1
KL2
KL2.1 КА2
KL1.2 КАЗ
KL3
КН1
КА4
КН2,
КА5
КА6
КНЗ
KL4.1 КА7
KL4
KL3
КТ1
И КТ2
КН4
КА8.2
1 KL5.1
>.
ктз
КН5 .
KL3.2
^JTi
KL3
КН6
KL5
КТЗ
YAT
KL5.2 ^
ни
KL5
КН7
->-
Рис. 5.16. Схема цепей оперативного тока
100
отстраивать от тока в неповрежденных фазах. Реле напряжения KV
исключает вывод комплекта при срабатывании КА8 от тока небаланса при
междуфазных КЗ. Реле КА8 исключает вывод комплекта от
междуфазных КЗ при двухфазном КЗ на землю, если чувствительность КА8 при
этом виде КЗ недостаточна.
Контакты KW1 и KW2 «размножаются» промежуточными реле KL1 и
KL2, а контакт KW3 — реле KL4.
В защите от междуфазных КЗ ступени I и II выполнены направленными
(контакты KL1.1, KL1.2, KL2.1 и KL2.2), а ступень III — ненаправленной.
В схеме оперативных цепей направленных ступеней осуществляется
пофазное управление реле KL (КТ) последовательно соединенными
контактами реле KL1 (KL2) и КА, включенными на ток одной и той же фазы.
Это исключает возможность излишних срабатываний защиты при КЗ на
чужих участках от токов нагрузки в неповрежденных фазах. При КЗ на W1
(рис. 5.17) в защите 3 могут, например, сработать КА4 (проходит ток /к) и
реле KW1 (замкнется контакт KLL2), так как /н направлен от шин, но
«+» к реле КТ1 подан не будет.
В оперативных цепях реле тока первой ступени КА1 и КА2 работают на
выходное реле защиты от междуфазных КЗ — KL3, а реле первой ступени
КА 7 комплекта нулевой последовательности — на выходное реле KL5.
Реле KL3 и KL5 имеют небольшое замедление на срабатывание (-0,1 с),
исключающее работу первых ступеней на отключение при действии
разрядников. Размыкающие контакты KL3.1 и KL5.1 предотвращают
срабатывание указательных реле ступеней КН1 и КН4 при действии разрядников и
замыкании контактов реле тока и направления.
При замыкании контактов KL1.2 (KL2.2) и КАЗ (КА4) пускается реле
времени AT/, и при замыкании его контакта через указательное реле КН2
ступень II от междуфазных КЗ действует на выходное реле KL.
При замыкании контактов реле КА5 (КА6) пускается реле времени КТ2
и при замыкании его контакта через указательное реле КНЗ ступень III от
междуфазных КЗ действует на выходное реле KL3.
При замыкании контактов KL4.2 и КА8.2 пускается реле времени КТЗ, и
при его срабатывании через указательное реле КНЗ вторая ступень защиты
нулевой последовательности действует на выходное реле KL5.
У
1 ,
В (
: 1
W1
ь
К1
2
А i
В С
: 3
>-
+А
+J*
4
A i
1
В
lai
С
рузка
Рис. 5.17. Распределение токов с учетом тока нагрузки
101
Каждый комплект защиты имеет отдельные реле времени (как и в
токовых защитах), так как их выдержки времени могут быть различны.
При замыкании контакта выходного реле KL3.2 через удерживающую
обмотку II реле KL3, обмотку указательного реле КН6 и замкнутый
сигнальный контакт выключателя Q (замкнут при включенном выключателе)
будет подано напряжение на электромагнит отключения YAT. При его
срабатывании выключатель отключится, а контакт Q разомкнётся несколько
раньше главных контактов, что исключит разрыв цепи YAТ контактами
реле защит при их возврате, не рассчитанными на такую работу.
Указательное реле КН6 сигнализирует о работе комплекта от междуфазных КЗ на
отключение выключателя. Аналогично работает на отключение комплект
от КЗ на землю KL5.2, КН7 (см. рис. 5.16).
Токовые направленные защиты от междуфазных КЗ могут выполняться
трехступенчатыми, содержащими ступени I, II и III, двухступенчатыми,
содержащими ступени I и III или ступени II и III, или одноступенчатыми,
содержащими одну ступень III.
Токовая направленная защита от междуфазных КЗ не может
выполняться без третьей ступени (максимальной токовой направленной или
ненаправленной защиты), так как она, единственная, может обеспечить выполнение
основной и резервной функций. Ступень, обеспечивающая резервирование
смежного участка, обязательна в защите нулевой последовательности.
Токовая направленная защита, содержащая направленную третью
ступень, обеспечивает селективность при внешних КЗ в сетях такой
конфигурации, где можно обеспечить выбор выдержек времени по
встречно-ступенчатому принципу: в радиальной сети с любым числом источников
питания и в кольцевой сети с одним источником питания. Отдельные
ступени защиты — токовые отсечки (направленные и ненаправленные) — могут
обеспечить селективность при внешних КЗ в сетях любой конфигурации
при соответствующем выборе параметров срабатывания.
Токовые направленные защиты со ступенчатыми характеристиками
выдержек времени являются медленнодействующими защитами. Без
выдержки времени КЗ отключается лишь на части линии в зоне первой ступени.
Исключением является максимальная токовая направленная защита,
работающая без выдержки времени, на приемных сторонах головных участков
кольцевой сети с одним источником питания.
Зона первой ступени / значительно изменяется при разных режимах
работы системы и сети и может быть равной нулю.
Первая ступень, направленная со стороны маломощной системы,
позволяет увеличивать защищаемую ею зону. Однако необходимость отстройки
от уравнительных токов при качаниях существенно снижает защитоспо-
собность. При этом коэффициент чувствительности второй ступени может
оказаться недостаточным. Третьи ступени (максимально направленные
токовые защиты) иногда оказываются нечувствительными, так как по лини-
102
ям с двухсторонним питанием могут передаваться значительные мощности
и могут быть значительными перегрузки при изменении конфигурации
сети (кольцевые сети). Чувствительные ступени токовых направленных
защит нулевой последовательности во многих случаях обеспечивают
необходимую чувствительность в зоне резервирования. Следует учитывать
ограничения чувствительности измерительных органов направления:
«мертвые» зоны защит, включенных по девяностоградусной схеме,
недостаточные коэффициенты чувствительности в зоне резервирования ИОНТ,
включенных на слагающие нулевой последовательности.
Наличие цепей напряжения, требующих учета возможного их
нарушения, существенно усложняет защиту по сравнению с токовой и снижает ее
функциональную надежность.
Защита используется как резервная и основная в сетях 35 кВ. В
некоторых случаях максимальная токовая направленная защита используется в
качестве третьей ступени в сетях 110 кВ, если удовлетворяет требованиям
быстроты срабатывания и чувствительности.
Токовая направленная защита нулевой последовательности со
ступенчатыми характеристиками выдержек времени в сетях различной
конфигурации напряжением ПО кВ и выше выполняет функции основной и
резервной.
6
ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ СО СТУПЕНЧАТЫМИ
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
6.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Дистанционной называется защита, измерительным органом которой
является орган сопротивления (ИОС). Характеристической величиной, на
которую он реагирует, является заданная функция выраженного в
комплексной форме отношения входного напряжения U к входному току / .
Далее (если специально не оговаривается) рассматриваются
однофазные ИОС. Их характеристической величиной является отношение
подводимых напряжения U и тока / . Это отношение принято называть
сопротивлением на входе измерительного органа Z .
В принятых схемах включения ИОС при определенных условиях
сопротивление Zp оказывается пропорциональным расстоянию (дистанции)
/к от места установки защиты до места КЗ, что и определило название
защиты как дистанционной.
ИОС выполняется минимальным и срабатывает при снижении
характеристической величины Zp до сопротивления срабатывания Zc р, а
возвращается при возрастании Zp до сопротивления возврата ZB р. Коэффициент
возврата минимального ИОС:
*.=z..p/zcp>i. (6.1)
Выполнение ИОС минимальным определяется изменением
характеристической величины при изменении режима от рабочего к режиму КЗ.
В рабочем режиме Up = £/2раб, /р = /2раб, a Zp = и2раб/12ргб —
значительно больше, чем при КЗ, когда напряжение снижается до Up = U2oCT
(в ряде случаев до нуля), а ток возрастает до /р = /2к. При этом Zp =
= ^2ост^2к <^р.раб*
Следует отметить, что из двух ИОС более чувствительным является
тот, который имеет большее Zc р (так как необходимо меньшее снижение
Zp до срабатывания).
104
Сопротивление Z может быть определено по первичным напряжению
U и току /на входе измерительных TV и ТА:
£р = Шрв/Ки)/ирп/К,) = (KI/Ku)Zpn = {KI/Ku)Z3, (6.2)
где Z3-Z — первичное сопротивление или сопротивление защиты,
т.е. сопротивление на входе ИОС, приведенное к первичным величинам.
Дистанционные, как и токовые (ненаправленные и направленные)
относятся к защитам с относительной селективностью. Они выполняются со
ступенчатыми характеристиками выдержки времени и состоят из
отдельных ступеней, часто трех. При этом ступени I и II предназначены для
ликвидации повреждений на защищаемом элементе электроэнергетической
системы, а ступень III резервирует свои ступени I и II (ближнее
резервирование) и отказы защит и выключателей смежных элементов (дальнее
резервирование). С учетом этого самым грубым являются ИОС , а самым
чувствительным — ИОС , т.е. Zc <ZC <ZC . Как и в ранее
рассмотренных относительно селективных защитах, ступень I обычно
выполняется без выдержки времени, ступень II — с небольшой выдержкой времени,
ступень III — со значительной выдержкой, выбираемой по
встречно-ступенчатому принципу.
Дистанционные защиты на элементах с двухсторонним питанием
выполняются направленными: действуют при направлении тока от шин, где
установлена защита, к линии. В большинстве случаев направленными
являются ИОС, однако в некоторых случаях могут использоваться
ненаправленные ИОС, а направленность обеспечивается отдельным органом
направления мощности КЗ.
На рис. 6.1 приведена структурная схема алгоритма трехступенчатой
дистанционной защиты для одной фазы. В общем случае в блоках Ф, к
которым подведены вторичные фазные ток /(f) и напряжение w(f),
выполняются функции формирования Z для ИОС , ИОС и ИОС . Задаются
параметры срабатывания и возврата ступеней. Если Z < Z , то срабатывает
ИОС . При отсутствии блокирующих сигналов защита действует на
отключение выключателя. Блокирующие сигналы запрещают действовать
защите, например, при качаниях и неисправностях в цепях напряжения (см.
ниже). Срабатывание ИОС при отсутствии блокирующих сигналов
фиксируется меткой К. При этом пускается орган выдержки времени второй
ступени ОВ , набирающий заданное время срабатывания fc . Если
к моменту набора этого времени ИОС по-прежнему находится в состоя-
105
к=о
1
Возврат OB П
Нет
1 = 0
1
Возврат ОВ ш
Нет
Отключение выключателя, возврат ОВ и ОВ1"
Рис. 6.1. Структурная схема алгоритма трехступенчатой дистанционной защиты
(условно на одну фазу)
нии после срабатывания и отсутствует блокирующий сигнал, то защита
действует на отключение выключателя и возврат ОВ . При увеличении
значены „и - „и ^ „II
ния Z > Z в процессе набора выдержки времени, но при Z < Z
набор /с продолжается, ИОС еще не возвращается. При возврате ИОС
(например, за счет отключений внешних КЗ) присваивается значение метке
К = О и ОВ возвращается.
Аналогично работает ступень III при срабатывании ИОС и наборе / .
Если ступень I выполняется с выдержкой времени, то схема аналогична
приведенным для ступеней II и III.
Метка К исключает излишние запуски ОВ , если анализ работы ИОС
производится при значении Z отвечающем условию Z < Z < ZB .
106
6.2. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
СОПРОТИВЛЕНИЯ
Под схемами включения ИОС, как и ИОН, принято понимать схемы,
обеспечивающие определенное сочетание подводимых к ним полных
фазных токов и напряжений или их симметричных составляющих.
Основными требованиями, предъявляемыми к схемам включения,
являются следующие.
Сопротивление на входе ИОС Z желательно иметь
пропорциональным расстоянию /к от места установки защиты до места КЗ: Z = KZ^ /к,
где Zj — удельное сопротивление защищаемого элемента (на единицу
длины) для токов прямой и обратной последовательностей. Это требование
позволяет выполнить защиту с четким ограничением зоны для каждой ступени.
При разных видах металлических КЗ в заданной точке, на которые
должен реагировать ИОС, сопротивление на его входе Z должно быть
одинаково.
Для действия при многофазных КЗ в сетях с глухозаземленными
нейтралями и междуфазных КЗ в сетях с изолированными или
резонансно-заземленными нейтралями ИОС включаются на междуфазные напряжения
одноименных фазных токов:
ИОС1£/р1=^; IpX = I2a-i2b;
иос2ир2 = и2Ьс- /р2 = /2,-/2с;
HOC3Up3 = U2ca; 1р3=12с-12а-
(6.3)
При К^ ' на входе любого ИОС первичные U = J3^Z{1K, I =
= л/З/ф, Zp п = Up п //р п = Zj /к. При £(2), например, между фазами ВС на
петлю КЗ включен ИОС2: Upn = 21 ^Zx /к, /рп =2/ф, Zpn = Zx /к.
Следовательно, сопротивления Z п на входе ИОС при рассмотренных
видах КЗ равны и пропорциональны расстоянию до места КЗ.
Сопротивления Z п на входах двух других ИОС (ИОС1 и ИОСЗ) будут
больше, поскольку ток 1А неповрежденной фазы небольшой, а напряжения
UAB и UCA большие. Поскольку ИОС минимальные, то ИОС1 и ИОСЗ, не
включенные на петлю КЗ, не могут сработать излишне.
107
При двухфазном КЗ на землю в токах и напряжениях, кроме слагающих
прямой и обратной последовательностей, имеются слагающие нулевой
последовательности, для которых удельное сопротивление отлично от Zj.
Однако поскольку к ИОС подводятся междуфазное напряжение и разность
фазных токов, то Z п будет определяться только сопротивлением Zx.
Поведение ИОС при Ю ' ' будет аналогичным их поведению при Кг ' и АГ .
При однофазных КЗ сопротивление Z п на входе ИОС больше, чем при
многофазных КЗ в той же точке. Поэтому при рассматриваемом включении
ИОС не могут сработать излишне.
Для защиты от всех видов многофазных КЗ при «жестком» включении
(без переключений) ИОС необходимо трехрелейное выполнение каждой
ступени, поскольку при всех этих КЗ необходимо иметь ИОС, включенный
на петлю КЗ. Для действия при однофазных и двойных КЗ на землю ИОС
включается на фазное напряжение Ц2,, сумму фазного тока 12. и тока
компенсации К[0 . При К^ ' напряжение петли КЗ:
U(l) = U(l)+Z I /(1)+£/(1)+Z / /(1)+I/(1)+ Z / /(1)
где U 1 +U~ + [/ n —сумма напряжений прямой, обратной и нулевой
К 1 KZ. к и
последовательностей в месте КЗ; Zj, Z2 , ZQ — удельные сопротивления
линии прямой, обратной и нулевой последовательностей, причем Z2 = Zx ;
rd) ,0) f(l) ~ с-
1\ > ±2 > ±о — токи в линии прямой, обратной и нулевой
последовательностей. Добавляя в выражение для f/j слагаемые ±Zj/K/q , груп-
пируя их с учетом Ц + /2 + /0 = 1А , получаем Ц^ = Zj/K £А +
+ (l0Z{)lKl^\ Сопротивление z[l) = ц\Х)/1^ = /к [ZX{ZQ-ZX) х
х Iq /1л не пропорционально /к и зависит от отношения /0 и /ф.
Увеличение напряжения петли КЗ обусловлено дополнительным
падением напряжения от токов /0 в междуфазных сопротивлениях
взаимоиндукции. Для удовлетворения требования пропорциональности Z3 (Z )
расстоянию /к к ИОС подводят ток, равный сумме фазного и тока
компенсации: / = / . + kIQ, где К = (Z0 - Zj )IZX, при этом Z3 = Zx /к.
108
6.3. ВИДЫ ХАРАКТЕРИСТИК
Анализ работы однофазных ИОС принято
проводить в комплексной плоскости сопротивлений R,
jX (рис. 6.2, а). При этом сопротивление на входе
ИОС определяется модулем Z и аргументом ф
или активной R и реактивной X составляющими.
На этой же плоскости в другом масштабе можно
расположить сопротивление Z защищаемой
линии: модуль Zn и аргумент фл (рис. 6.2, б). Для
линий UH0M > 35 кВ угол фл = 7i/3. Начало координат
целесообразно совмещать с местом установки
анализируемой защиты.
Как и для любого ИО с двумя подведенными
величинами, для ИОС необходимо выделить на
плоскости область, в пределах которой разрешается его
срабатывание, т.е. характеристику срабатывания,
зависимость Zc = /(фр). Для определения вида
требуемой характеристики срабатывания следует
проанализировать возможные положения Z на ком-
Рис. 6.2. Изображение
сопротивлений Z и
Z в комплексной
плоскости
плекснои плоскости в разных режимах.
1. При металлических КЗ на защищаемой линии W2 (рис. 6.3)
сопротивление будет определяться некоторой долей длины защищаемой
линии. В этом случае необходимая область срабатывания ИОС могла бы
быть ограничена узкой полосой, расположенной вдоль вектора Zn2 .
2. При КЗ через переходное сопротивление Rn (на рисунке не показано) в
той же точке и определении Z с учетом двухстороннего питания, например,
-О)
•/<*/
при/^(рис.6.4)£/з1 =Z1/K/Kl+^n/K илиГз1 =^/к + ЯпеУ V'kI
I 1 TAl W1 ТА2 2 ? 3 ТАЗ W7 ТА4 4 Р jX
Чага z_, рчр|п га \ raof-
Ди
К§У
а)
Рис. 6.3. Схема сети и возможная характеристика
срабатывания
109
§&>
?А
iri
к\ LU
о)
02
^к2
б) в)
Рис. 6.4. КЗ через Rn (а), положение вектора Z3 при а * 0(6) и при а = 0 (в)
В зависимости от значения угла а сопротивление Z'2\ может оказаться
больше или меньше сопротивления Z'3l. При а = 0 (совпадают / к1 и / к2)
падение напряжения в Rn оказывается чисто активным и Z'3'
увеличивается. Так как почти все КЗ происходят через Rn Ф О, следует обеспечить
область срабатывания ИОС, охватывающую Z3 при этих КЗ.
Для обеспечения срабатывания ИОС при КЗ через Rn необходимо
иметь большую область срабатывания, чем изображенную на рис. 6.3, так
как желательно, чтобы в эту область входили и сопротивления Z'3.
3. В нагрузочных режимах первичное сопротивление на входе ИОС
определяется как Z аб = ^/раб^раб- ПРИ передаче больших активных
мощностей от шин в сторону линии аргумент ф б сопротивления Z б
небольшой (фраб < тх/6), модуль может быть близок к Zn .
Для исключения срабатывания ИОС в нагрузочных режимах
желательно, чтобы область его срабатывания, соответствующая этим углам,
ограничивалась малыми значениями сопротивлений срабатывания ZC3,
т.е. была узкой.
4. При качаниях в линиях возникают уравнительные токи / , а
напряжения в отдельных точках системы снижаются. Ниже рассматриваются
соотношения между электрическими величинами для одной фазы линии с
двухсторонним питанием, поскольку качания являются симметричным
режимом (рис. 6.5).
ПО
GH-n % си-©
О тс 2tc 3k 4tc 5'
« г)
Рис. 6.5. Качания (асинхронный ход) в системе с двумя источниками питания:
схема сети (я), векторная диаграмма (б), зависимости /ур(§) (в) и (7(5) (г)
Уравнительный ток можно определить:
/yp = £A(l-e-J,e£A/£B)/Z1, (6.4)
где Z£ = ZQl + Zn+ ZC2 — суммарное сопротивление, определяемое
сопротивлениями систем ZC1 и ZC2 и линии Z ; 8 — угол между
эквивалентными ЭДС систем.
Напряжение на шинах А и Б, где установлены защиты: UA = EA-
~ /yp^ci и -б = -^Б + ~ур~С2 (знаки падений напряжений
соответствуют приведенным условным положительным направлениям). Минимальное
напряжение С/ц будет в электрическом центре качаний, определяемом
перпендикуляром, опущенным из точки нулевого потенциала 0 (начало
координат) на отрезок £/АБ падений напряжения в линии.
При изменении угла 8 токи и напряжения изменяются в соответствии
с диаграммой на рис. 6.5, в, г. При 8 = п ток /уртах и напряжение (Уц могут
быть равными нулю.
111
Для определения сопротивлений положения вектора Z при качаниях
строится вспомогательная потенциальная диаграмма ЭДС, тока и падений
напряжений для простейшего случая равенства модулей ЕА = ЕБ.
Построение диаграммы основано на том, что при изменении угла 5 сохраняется
пропорциональность между / и разностью ( £д - ЕБ), а также остаются
неизменными углы между падениями напряжений, так как последние
также пропорциональны / . Но при изменении 8 необходимо изменять
положение точки нулевого потенциала и масштаб диаграммы, так как значение
/ур зависит от 5. Геометрическим местом точек нулевого потенциала
является прямая, перпендикулярная отрезку, определяемому разностью ЭДС
£д - £g = £ДБ, и делящая его пополам.
Поэтому на вспомогательной диаграмме (рис. 6.6, а) углам 8 и 6'
соответствует положение точек нулевого потенциала 0 и 0'. Падения
напряжений и направление / на диаграмме остаются неизменными. Разная
длина отрезков ЕА и ЕА (£Б и £Б) при неизменных значениях ЭДС есть
следствие изменения масштаба диаграммы при углах 8 и 8'.
Вектор напряжения в любой точке линии определяется расстоянием от
точки нулевого потенциала до соответствующей точки на отрезке (7АБ
(например, векторы t/A и ЦБ).
Переход к диаграмме сопротивлений (рис. 6.6, б) выполняется
делением всех слагающих предыдущей диаграммы на ток / , что не меняет ее
вид. Теперь составляющие представляют сопротивления ZC1, Zn, ZC2,
Z2, а векторы ЕА/1 и J^// по-прежнему определяют направления
ЭДС и угол между ними.
Сопротивление на входе ИОС защиты у подстанции А определяется как
Z3 = UA/I ур и с учетом (6.4) и ЕА = ЕБ
Z3 = Z2/(l-V6) = ZC1 (6.5)
представляет собой уравнение прямой, проходящей перпендикулярно век-
Т0РУ Z.Y, чеРез его середину. Следовательно, концы векторов Z3
располагаются на прямой, перпендикулярной вектору суммарного сопротивления
и делящей его пополам.
Диаграмму сопротивлений удобно перестроить, расположив начало
координат комплексной плоскости сопротивлений в месте установки
защиты, например, у шин подстанции А (рис. 6.6, а).
112
а) 6)
Рис. 6.6. Вспомогательные потенциальные диаграммы напряжений и ЭДС при
качаниях (а) и сопротивлений (6), определение сопротивления Zp при качаниях (в)
Последовательность построения этой векторной диаграммы: в первом
квадранте откладываются сопротивления в направлении действия
защиты — Zn и ZC2, в третьем — сопротивления противоположного
направления — ZC1; строится вектор Zz = ZQl + Zfl + ZC2; через середину
вектора Z£ перпендикулярно ему проводится прямая 0'—0" —
геометрическое место концов вектора Z при качаниях.
113
На этой прямой указаны точки нулевого потенциала Oj, 0{, 02, 0'2 при
углах 8], 8 \, 82 и 82 между £д и ЕБ . При изменении угла от 8 J до 8]
(угол увеличивается) Z уменьшается, далее при изменении угла от 82 до
8 2 (угол увеличивается) Z увеличивается.
Чем больше в направлении прямой 0'—0" область срабатывания
ИОС, тем в большем диапазоне углов 8 возможно срабатывание ИОС
при качаниях. При качаниях вектор Z может располагаться в той же
области комплексной плоскости, что и при КЗ: не удается их различать
ни по значению модуля Z , ни по значению аргумента ф .
Выбором области срабатывания во многих случаях не исключается
возможность срабатывания ИОС при качаниях.
Так как при качаниях токи и напряжения изменяются в функции
времени и угла 8, то сопротивление Z находится в области срабатывания лишь
время, определяемое периодом качаний. Поэтому ступени с большим tc
(например, третьи ступени) могут быть отстроены от качаний по времени.
Для исключения срабатывания при качаниях ступеней дистанционной
защиты, работающих без выдержек времени или с малыми tc (ступени I
и И), они снабжаются специальными устройствами, алгоритмы
функционирования которых позволяют различать качания и КЗ блокировками при
качаниях (см. ниже).
Требования к характеристикам срабатывания ИОС противоречивы:
для надежного срабатывания при КЗ через Rn желательна достаточно
широкая область, охватываемая характеристикой при углах близких к (рл, а
для снижения вероятности срабатывания при качаниях — более узкая, для
отстройки от нагрузочных режимов область срабатывания вблизи ф б
должна быть небольшой.
Измерительные органы сопротивления могут выполняться как
аналоговыми, так и цифровыми (как ИОНТ).
При аналоговом выполнении ИОС широко используются схемы
сравнения электрических величин, формируемых из подводимых токов и
напряжений. Схемы сравнения могут быть применены и для цифровых ИОС.
Однако при цифровой реализации используются расчетное построение
характеристики срабатывания и определение местоположения Z
относительно построенной характеристики.
До настоящего времени ИОС удавалось выполнять с характеристиками
срабатывания в виде окружностей (рис. 6.7, я, б), расположенных в
комплексной плоскости сопротивлений, сочетания окружности и прямой,
эллипса (рис. 6.7, г). Ограничения в получении характеристик определялись
114
Рис. 6.7. Виды характеристик срабатывания ИО сопротивления
доступной элементной базой — электромеханическими и пассивными
полупроводниковыми схемами сравнения.
При аналоговой реализации с использованием интегральных микросхем
оказалась практически возможной реализация ИОС с характеристиками
срабатывания в виде нескольких окружностей (рис. 6.7, д),
четырехугольников (рис. 6.7, ж), треугольников (рис. 6.7, з).
При цифровой (программной) реализации возможно получение
прямой (рис. 6.7, и) характеристики срабатывания практически любого
заданного вида.
ИОС могут выполняться направленными и ненаправленными.
Ненаправленный ИОС, так называемый орган полного
сопротивления, имеет характеристику срабатывания в виде окружности с центром
в начале координат (рис. 6.7, а). Зона срабатывания, как и для всех мини-
115
Рис. 6.8. Влияние Rn на работу ИОС с
разными характеристиками срабатывания
Рис. 6.9. Влияние угла расхождения ЭДС систем на работу ИОС
мальных ИОС, находится внутри окружности. Сопротивление
срабатывания не зависит от угла ф . По сравнению с другими, рассматриваемый
ИОС срабатывает при КЗ через большие R'n (рис. 6.8, а).
Ненаправленный ИОС с широкой областью срабатывания 1 наиболее
подвержен влиянию качаний — ложная работа при качаниях возможна при
меньших углах 5j расхождения векторов ЭДС систем (рис. 6.9).
При отстройке этого ИОС от нагрузочных режимов (т.е. выборе Zc р <
< Z аб min) не обеспечивается необходимая чувствительность при КЗ в зоне
резервирования, так как Zc р одинаково при фра6 и фл (рис. 6.10).
116
При необходимости
выполнения дистанционной защиты
направленной, дополнительно
применяют рассмотренные выше ИОНТ.
Ненаправленные ИОС широко
используются в сетях
напряжением £/ном < 35 кВ, так как
обеспечивают более четкую, чем
направленные, работу при двойных КЗ на
землю [2].
Направленный ИОС с
характеристикой в виде окружности,
проходящей через начало
координат (см. рис. 6.7, б), имеет
зависимое от аргумента Z =
= Zc.pmaxC0S(<Pp - Фмч)> W
~ максимальное значение
JX-
X ^
/ в
-—7чср
Г%\
г^^\
/1
*с
max
2
ртах
к3
?рлб.
Лаб
R
Рис. 6.10. Чувствительность ИОС при их
отстройке от Z б
~с.р max
сопротивления срабатывания,
соответствующее углу
максимальной чувствительности <рмч. Обычно фмч выбирается равным аргументу
сопротивления защищаемого элемента.
Этот ИОС обладает направленностью — не срабатывает при
направлении /,, к шинам, когда Z располагается в третьем квадранте ком-
к р
плексной плоскости. Имея более узкую характеристику срабатывания,
этот ИОС может отказать при КЗ через меньшее сопротивление R'^ (см.
рис. 6.8, а). Однако он меньше подвержен влиянию качаний — его
срабатывание возможно при больших углах 82 (см. рис. 6.9). Отстроенный
от нагрузочных режимов, этот ИОС имеет большую чувствительность,
так как при КЗ на линии увеличивается его сопротивление
срабатывания Zcp/cos(<ppa6 - Фмч) до значения Z^pmax. Недостатком такого
ИОС является наличие «мертвой» зоны при КЗ вблизи места установки
защиты, когда подводимое напряжение LL меньше минимального
напряжения срабатывания Uc min, определяемого чувствительностью
реагирующего элемента схемы сравнения или разрешающей
способностью вычислительных средств.
Для исключения «мертвой» зоны используется «подпитка»: при К^ '
вводится небольшая часть напряжения от третьей фазы, а при /^ ' —
контуры «памяти», обеспечивающие за счет собственного переходного
процесса медленное снижение напряжения предшествующего режима в
течение времени, достаточного для срабатывания.
При использовании ИОС для ступеней с выдержками времени
допускается небольшое смещение характеристики в третий квадрант (см. рис. 6.7 , в),
117
что исключает «мертвую» зону. Излишняя работа при КЗ на смежном
участке при направлении тока / к к шинам (КЗ «за спиной») исключена, так как
срабатывает ступень поврежденного участка с меньшей выдержкой времени.
Рассматриваемый ИОС широко используется в сетях напряжением
UH0M > 110 кВ для защиты от между фазных КЗ.
Направленный ИОС с эллиптической характеристикой,
проходящей через начало координат (см. рис. 6.7, г) отказывает при меньших
R"n (см. рис. 6.8, я), но меньше подвержен влиянию качаний — его
срабатывание возможно лишь при углах 53 (см. рис. 6.9). Этот ИОС,
отстроенный от нагрузочного режима при Фраб, имеет значительно большее
значение Z" тах, т.е. лучше обеспечивает чувствительность при КЗ в зоне
резервирования (см. рис. 6.10).
Направленный ИОС с характеристикой в виде двух
пересекающихся окружностей (см. рис. 6.7, д), отстроенный от нагрузочных режимов,
так же, как предыдущий, обеспечивает лучшую чувствительность при КЗ
за счет больших значений Zc max.
Направленный ИОС с характеристикой в виде окружности,
смещенной в первый квадрант (см. рис. 6.7, е), вообще не срабатывает при Фраб-
Поэтому при его использовании для третьей ступени можно было бы
выбрать сопротивление Zc ах по условию обеспечения чувствительности
при КЗ в зоне резервирования. Однако смещение ограничено
необходимостью резервирования второй ступени и приведенная характеристика должна
иметь общую зону с первой ступенью.
Направленный ИОС с четырехугольной характеристикой (см.
рис. 6.7, ж). Небольшой наклон верхней стороны обеспечивает более
четкую работу при КЗ на линиях с двухсторонним питанием, наклон правой
стороны — отстройку от нагрузочных режимов с сопротивлением Z б при
направлении тока от шин, а наклон левой стороны — отстройку от
реактивных мощностей, направленных к шинам. При использовании такой
характеристики для ступеней без выдержки времени нижняя сторона должна
проходить через начало координат, для ступеней с выдержкой времени нижняя
сторона смещается в третий квадрант для исключения «мертвой» зоны.
Параметры приведенной на рисунке характеристики соответствуют ИОС на
ИМС, выпускаемых отечественной промышленностью [5].
Направленный ИОС с треугольной характеристикой (см. рис. 6.7, з)
не требует отстройки от нагрузочных режимов. Поэтому его
сопротивление Zc max может быть выбрано из условия обеспечения
чувствительности при КЗ в зоне резервирования.
Направленный ИОС с характеристикой в виде прямой,
параллельной оси R (орган реактивного сопротивления) (см. рис. 6.7, м), имеет по-
118
стоянное значение Хс р = const. При КЗ через Rn любого значения на
линии с односторонним питанием ИОС надежно срабатывает. Однако на
линии с двухсторонним питанием возможна излишняя работа при замыкании
через R'n (см. рис. 6.8, б).
За счет смещения по фазе между токами / двух систем возможно
уменьшение сопротивления Z . Основным недостатком такого ИОС
является невозможность отстройки от нагрузочного режима, поэтому требуется
отдельный пусковой орган, запрещающий работу защиты в этом режиме.
В настоящее время такие ИОС не применяются.
6.4. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ДИСТАНЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ
Выбор параметров срабатывания производится на примере сети
(рис. 6.11, а), состоящей из двух участков линий W1 и W2 с тремя
источниками питания и понижающим трансформатором Т. Все защиты
выполняются с использованием направленных ИОС с характеристикой в виде
окружности, проходящей через начало координат. Выбор параметров
срабатывания производится для защит одного направления — 1, 3, 5.
Для иллюстрации выбора параметров срабатывания на комплексной
плоскости сопротивлений нанесены сопротивления линий с фл = я/3 и
выбранные далее сопротивления срабатывания (рис. 6.11, б).
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 / = 0. Для отстройки от
работы разрядников, создающих кратковременное КЗ, вводится
замедление /сз < 0,1 с. Для исключения излишних отключений линии
сопротивление срабатывания ИОС должно быть выбрано меньше, чем
сопротивление Z3 при КЗ в начале предыдущих элементов, т.е. меньше
сопротивления линии:
71 - к1 7 •
I I (б-б)
7 - к 7
где котс — коэффициент отстройки, принимаемый обычно 0,85—0,9
(меньше единицы, так как используются минимальные ИОС) и
учитывающий положительную погрешность ИОС (увеличение Zc ), погрешно-
119
ю-
J
7
'раб mm
2,.,
*с,
к
z
(
к
t
у
I
Ticpmin
'
Рис. 6.11. Схема сети и выдержки
времени дистанционной защиты
(а), сопротивления
срабатывания отдельных ступеней (б), к
определению kr (в), изменение
Z3 при КЗ (г)
г)
сти измерительных трансформаторов и влияние переходного
сопротивления в месте КЗ.
Вторая ступень предназначена для защиты части участка, где не
работает первая ступень, когда Z3>ZC3. Селективность без КЗ и при внешних КЗ
обеспечивается выбором времени срабатывания (выдержки времени) t и
сопротивления срабатывания Zc
120
Время срабатывания гсз для вторых ступеней выбирается одинаковым,
на ступень выдержки времени А/ = 0,5 с большим времени срабатывания
первых ступеней или быстродействующих защит (например,
дифференциальной) предыдущих элементов, чем обеспечивается несрабатывание
вторых ступеней в зоне действия этих защит. Выбор сопротивления Zc 3
производится в пределах группы защит, действующих в одном направлении.
При выбранных выдержках времени можно разрешить срабатывать
измерительному органу второй ступени защиты (HOCj) при КЗ на части W2
(или в трансформаторе Г), где еще работает первая ступень защиты 3 (или
быстродействующая защита Т) — выключатель 3 будет отключен своей
первой ступенью (или выключатель 5 — защитой Т) прежде, чем наберет
выдержку времени орган выдержки времени второй ступени защиты.
Следовательно, сопротивление ZC3l срабатывания второй ступени
должно быть выбрано меньше, чем сопротивление Z3 при КЗ в конце зоны,
защищаемой первой ступенью защиты предыдущего элемента,
определяемой Zc з3, или при КЗ за трансформатором в режиме, когда его
сопротивление минимально (ZT = ZTmin).
Первичное сопротивление Z3 на входе HOCj при КЗ в указанных
точках определяется как
i^z^z\,SKn-> (б.т)
Z, = Z„, +ZT „,.„/*__, (6.8)
— з — л1 — т mm тт' х '
где ктп = 1п\/1П2, *тт = ^Л1^т — коэффициенты токораспределения при
КЗ на W2 и за трансформатором Т.
Для сети на рис. 6.11, а значения этих коэффициентов меньше
единили
цы, что увеличивает значение Zc , повышая чувствительность ступени
(см. ниже). В сети на рис. 6.11, в для защиты / при КЗ на значение ктл =
= /л1//л3 больше единицы, что снижает сопротивление ZC3 и
коэффициент чувствительности.
С учетом (6.7) и (6.8)
121
где kQTC = £отс; kQJC ~ 0,9 — коэффициент отстройки, учитывающий
отрицательные погрешности ИОС3 защиты 3. Принимается меньшее значение
ZC3, полученное из (6.9) и (6.10).
Целесообразность использования рассчитанной ступени оценивается
значением коэффициента чувствительности при КЗ в конце защищаемой
линии:
*" =г"з1/гл>1,25—1,з. (6.И)
При недостаточном значении коэффициента чувствительности, если
определяющим при выборе Zc 3 явилось условие (6.9), вторая ступень
защиты 1 может быть отстроена от второй (а не от первой) ступени защиты 3
по времени (т.е. вторые ступени отдельных защит будут иметь разные
выдержки времени) и сопротивлению срабатывания, а также с учетом (6.10)
<",1 =<;зз + Д'=Ь0с;
Принимается меньшее значение Zc 3, полученное из (6.10) и (6.12).
Аналогично определяются параметры срабатывания защит другого
направления — 2 и 4.
Третья ступень 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 ИОС в нагрузочных режимах его
сопротивление срабатывания должно быть меньше минимального рабочего
сопротивления при ф = Фраб:
^з<2рабтт. (6-13)
2. Измерительный орган третьей ступени, сработавший при КЗ на
смежном участке, должен вернуться в исходное положение после
отключения КЗ выключателем поврежденного участка. Диаграмма изменения
сопротивления в этих режимах для защиты 7 приведена на рис. 6.11, г
При возникновении КЗ на W2 сопротивление на входе ИОС
снижается от значения Z б min до значения ZK, а после отключения выключателя
122
3 возрастает до Z min — переходного сопротивления, обусловленного
пониженным напряжением при появлении токов самозапуска
электродвигателей и определяемого как Znep min = Zpa6 min /k3, где k3 —
коэффициент запуска, больший единицы.
Для возврата ИОС в исходное положение его сопротивление возврата
ZB3 при ф = ф б должно быть меньше переходного сопротивления:
Z < 7
вз ^ пер min •
С учетом сказанного, а также при къ = ZB 3 /Zc 3:
^з=2рабт(п/(Ози- (614)
При определении коэффициента чувствительности учитывается Zc 3 =
= 2сзтахпРиФр = Фл-
Коэффициент чувствительности третьей ступени проверяется при КЗ
в конце своего участка (работа защиты как основной)
С =Z™x/ZnX>\,5 (6.15)
и в конце зоны резервирования — конце линии W2 и за трансформатором Т
C=Z"3l/Z3lS1.2- (616>
Аналогично (6.7) и (6.8) при КЗ в конце линии W2
Z3i-Znl+(Zn2/kinmin), (6.17)
а при КЗ за трансформатором Т
2з1=2л1+(2т/Атттах). (6.18)
При наличии нескольких источников питания разной мощности
минимальные значения коэффициентов токораспределения оказываются много
меньше единицы, a Z3 — значительными, что может приводить к
недостаточным коэффициентам чувствительности. Для получения
удовлетворительной чувствительности третьей ступени в зоне резервирования
необходимо иметь небольшие значения ZC3 при ф б и большие ZC3max при фл.
Эти соотношения определяются характеристикой срабатывания ИОС.
С точки зрения отстройки от Z б, худшими являются характеристики
в виде окружностей, особенно с центром в начале координат.
Четырехугольная характеристика с наклоном правой боковой стороны позволяет
существенно увеличить Zc 3 тах, а треугольная характеристика в
большинстве случаев вообще не требует отстройки от Z б, и ее Zc 3 тах может
выбираться из условия обеспечения чувствительности в зоне резервирования.
123
6.5. БЛОКИРОВКИ ПРИ КАЧАНИЯХ
Блокировки при качаниях (БК) предназначены для предотвращения
ложных и излишних срабатываний защиты. Алгоритмы их должны
учитывать следующие требования: запрещать защите срабатывать при качаниях
без КЗ и при внешних КЗ (если там работают свои защиты); при КЗ на
защищаемом участке должна быть обеспечена возможность срабатывания
защиты как при отсутствии, так и при возникновении качаний.
Блокировки при качаниях должны различать режимы КЗ и качаний:
возникновение КЗ в системе характеризуется появлением (хотя бы
кратковременным) несимметрии, качания же являются симметричным режимом;
при возникновении КЗ и при качаниях скорость изменения
действующих значений электрических величин различна: малые промежутки
времени приращения электрических величин при КЗ значительно больше, чем
при качаниях.
В измерительном органе БК реализуется алгоритм, основанный на
одном из этих признаков. По типу измерительных органов принято различать
две группы блокировок.
Группа блокировок, использующая первый признак, вводит в работу
нормально выведенную защиту по факту появления несимметрии. Защита
вводится на время tB, достаточное для действия ее ступеней, после чего
выводится. Последующий ввод защиты может произойти либо сразу после
исчезновения несимметрии, либо через заданное время готовности
блокировки /г к последующему выполнению своих функций (вводу защиты).
Достоинством первого является малое время, в течение которого защита
выведена из работы. Однако несимметрия может возникнуть вновь при
отключении внешнего К^ \ а также при неуспешном АПВ (включение на
устойчивое КЗ) на смежном участке при уже развившихся качаниях, что
может привести к излишнему срабатыванию защиты. Вывод защиты на
заданное время /г, определяемое максимальными выдержками времени
защит сети с учетом неуспешных АПВ, исключает указанный недостаток, но
такой длительный вывод из работы может быть допустимым, только если
на элементе имеется другая защита, не реагирующая на качания.
Защита может оказаться введенной при качаниях, если несимметрия
возникла при внешнем КЗ, сопровождающемся развивающимися
качаниями, либо качания возникли раньше, например при медленном отключении
внешних КЗ. Если защиту ввести на малое время, необходимое лишь для
действия первой ступени, то в первом случае это исключит ложное
срабатывание, так как векторы ЭДС систем при возникновении качаний не
успевают разойтись на значительный угол, а следовательно, и не будет доста-
124
точного снижения Z на входе ИОС. Во втором случае
быстродействующие ступени могут сработать ложно при качаниях, так как сопротивление
Z уже может оказаться меньше Z [2]. Если уменьшить время /в до
необходимого для срабатывания первой ступени, будет исключена
возможность срабатывания второй ступени, и КЗ на защищаемом элементе может
отключаться с большим временем третьей ступени, которая отстроена от
качаний по времени.
Для исключения этого недостатка вторая ступень не выводится из
работы, если в момент появления несимметрии срабатывает ИОС .
Совпадение этих двух факторов идентифицируется как возникновение КЗ в
зоне второй ступени, и она остается введенной на время, достаточное для
ее срабатывания.
В блокировках этой группы в качестве измерительных используются
максимальные органы напряжения (или тока) обратной
последовательности, сопряженные с соответствующим фильтром обратной
последовательности. Напряжение обратной последовательности появляется на выходе
фильтра при включении на закороченные три фазы за счет неоднородного
замыкания фаз выключателя, а при К^ ' — за счет переходных процессов
в фильтре. Параметры срабатывания этих ИОС отстраиваются от
напряжения или тока небаланса фильтров и составляющих обратной
последовательности, обусловленных несимметрией нагрузки.
Напряжение небаланса на выходе фильтра напряжения обратной
последовательности определяется в максимальном нагрузочном режиме, а ток
небаланса фильтра — током обратной последовательности при качаниях.
Чувствительность этих ИО может оказаться недостаточной на длинных
линиях (в месте установки защиты малы /2 и U2), а также из-за повышенной
несимметрии в нагрузочном режиме.
Напряжение U2m (рис. 6.12), подводимое к защите, определяется
падением напряжения от тока /2 в сопротивлении Z2c обратной
последовательности до нейтральной точки системыЦ2ш = ~12-2с (знак МИНУС Учи_
к,
2ш
U2
U2
Рис. 6.12. К определению
напряжения компенсации
125
тывает разные положительные направления U2 и /2) и может оказаться
недостаточным для получения требуемого кч. Для повышения его значения
в качестве воздействующей величины ИОН используется напряжение
компенсации U^y равное падению напряжения в сопротивлениях системы Z2c
и компенсации Z : U' = 1~>(Z1(. + Z ). Обычно сопротивление Z =
= 0,5Zn , и тогда модуль напряжения U'2 = С/2ш ~ 0,5 £2Z больше U2lu .
Для повышения чувствительности ИОТ используется сумма
выпрямленных токов обратной и нулевой последовательностей I /J + &I/J , а
также торможение от фазного тока (последнее снижает ток небаланса при
качаниях и К^ ').
В схемах БК используется дополнительный ИО, срабатывающий при
£ , в качестве которого может использоваться минимальный ИОН,
включенный на одно из междуфазных напряжений. Однако он может
срабатывать и при качаниях, поэтому его работа контролируется ИО,
определяющим несимметрию. Основное его назначение — фиксировать неотключив-
шееся внешнее /l \ при котором не следует вводить БК.
Структурная схема алгоритма логической части БК этой группы с
готовностью к повторному действию через заданное время tv приведена на
рис. 6.13. Сначала выполняются основные функции ИО напряжения U2
(тока /2) обратной последовательности.
В нормальном режиме при качаниях, пока напряжение U2 < U2c р,
производится лишь определение его значений. При кратковременном
превышении напряжения срабатывания вводятся в работу ступени органов выдержек
времени: ОВв времени tB с, введенного состояния защиты и OB г времени
готовности /гд БК к последующему действию. При /в > /вс выводятся
быстродействующие ступени защиты, а при tv > /гд БК готова к новому
(последующему) действию: ОВв и ОВг возвращаются в исходное состояние.
Ступени дистанционной защиты, отстроенные от качаний по времени,
могут не контролироваться БК — могут быть введены постоянно.
Контроль их БК производится вследствие изложенных ниже причин.
Недостатками ИО рассмотренной группы блокировок являются: слабая
чувствительность, особенно при значительной несимметрии нагрузки,
возможность отказов в действии при симметричных КЗ из-за малых значений
(или длительности) величин обратной последовательности; возможность
отказа защиты при быстро следующих друг за другом КЗ, вероятность
излишнего срабатывания при возникновении КЗ и вводе защиты на фоне уже
развившихся качаний.
126
I Рис. 6.13. Структурная схема алгорит-
м(') ма БК с заданным tr
Т
Ф
4
~2ср
Нет ^х^ ^*-
< <Ч^2с.р
Ввод
ступеней защит.
Пуск ОВв, ОВг
Вывод
быстродействующих
ступеней
Да 1
Возврат
овв,овг
Группа БК, использующая второй признак, может держать защиту
нормально введенной в работу. Скорость изменения действующих значений
электрических величин может быть определена, например, при помощи
двух измерительных органов сопротивления (И.ОС1, ИОС2) разной
чувствительности. Измерительные органы сопротивления с Zc j и Z 2 ПРИ КЗ
(рис. 6.14, а) срабатывают одновременно вследствие мгновенного
изменения Z от Z аб до ZK. При качаниях (рис. 6.14, б) между моментами
времени срабатывания этих ИОС проходит время А/, что идентифицируется как
появление качания. Защита при этом выводится из работы.
При Z < Zc 1 срабатывает ИОС, пускается ОВ (рис. 6.15),
набирающий заданное А/. Если второй ИОС срабатывает (при Z < Z 2) ранее
заданного А/, защита остается введенной в работу. В противном случае
защита выводится.
127
^раб
гс.р.
гс.р2
^раб
^ср2
к
\ /
А/
ого г
Рис. 6.14. Изменение Z_ при КЗ (а) и при качаниях (0)
\u(t) /(l)
Рис. 6.15. Алгоритм определения различий в скорости изменения Z_
Сопротивление Zc j отстраивается от сопротивления Z a6min
нагрузочного режима: Zcp2 должно быть в 1,5—2 раза меньше, обеспечивая при
этом достаточную чувствительность при КЗ в конце ступени,
контролируемой блокировкой от качаний. Это может ограничить использование
приведенной схемы.
Во вновь разработанных отечественных дистанционных защитах
применяются блокировки, измерительные органы которых различают КЗ и
качания косвенно по скорости изменения электрических величин, а в
логической части в основном используют принципы рассмотренных выше
блокировок первой группы [2]. Измерительные органы реагируют на аварийные
слагающие обратной и прямой последовательностей. Скорость изменения
векторов этих последовательностей при КЗ существенно превышает их
скорость изменения в нагрузочных режимах и при качаниях.
Измерительные органы, реагирующие на приращение вектора обратной
последовательности, не требуется отстраивать от несимметрии нагрузочного режима,
а также от установившихся небалансов, так как на них они не реагируют.
Эти ИО более чувствительны.
128
Рис. 6.16. Структурная схема выделения
аварийной слагающей тока обратной
последовательности
ФТОП
иэ
НЕ
i L
ег
£
РО
Использование аварийных слагающих прямой последовательности
повышает чувствительность к симметричным КЗ.
Для выделения аварийных слагающих, например, обратной
последовательности выходной сигнал фильтра тока обратной последовательности
(ФТОП) подается на инерционный элемент (ИЭ) (рис. 6.16). Сигнал с
выхода ИЭ инвертируется и суммируется с выходным сигналом ФТОП.
Параметры схемы подбираются так, чтобы в установившемся режиме на
выходе сумматора сигнал был близок к нулю {ех + е2 ~ 0). При КЗ,
характеризуемом скачкообразным изменением вектора /2, сигнал на выходе ИЭ
устанавливается с задержкой, определяемой его постоянной времени.
Поэтому до окончания переходного процесса в ИЭ на выходе сумматора
появляется сигнал ех + егФ 0, что и обеспечивает срабатывание ИО.
Медленно изменяющиеся токи при качаниях не вызывают
переходных процессов в ИЭ, поэтому сигнал на выходе сумматора остается
близким к нулю. Ниже приводится структурная схема алгоритма этой
блокировки (рис. 6.17).
В блокировке используются два измерительных органа разной
чувствительности. Грубый ИОТ1 не срабатывает при коммутации нагрузки и
надежно срабатывает при КЗ на защищаемом участке. Чувствительный
ИОТ2, обеспечивающий работу блокировки при КЗ в зоне резервирования
дистанционной защиты, может срабатывать при коммутации нагрузки. Это
приводит к вводу быстродействующих ступеней на время tB и
последующему их выводу на время /г, в течение которого может возникнуть КЗ на
защищаемом элементе. Для исключения возможности отказа в этом
режиме обеспечивается их немедленный ввод при срабатывании грубого ИОТ1.
Для второй ступени допускается набор tQ до тех пор, пока ИОС
находится в положении срабатывания, даже если время /в истекло.
При возникновении качаний с небольшим периодом векторы ЭДС
систем могут успеть разойтись на значительный угол за малое время, близкое
к /в с. Поэтому при вводе быстродействующей ступени она может излишне
срабатывать. Этот режим идентифицируется по факту нахождения ИОС
в состоянии после срабатывания в течение времени Л t при отсутствии
несимметрии (не срабатывают ИО БК). При этом запрещается ввод
быстродействующих ступеней.
129
И0Т2
ИЛИ
1 '
И0Т1
HOC1J
|или
2
И1
OBI
НЕ1
ИЗ
ОВ2
НЕ2
ИЛИ|
6
ОВ4
НЕ4
ИЛИ
7
И5
И2
И4
|ИЛИ
5
Ввод
быстро-
действующих
ступеней
ИЛИ
3
овз
НЕ5
ОВ5
И6
z
ИЛИ
4
HE3
Ввод
нодействующих
ступеней
Рис. 6.17. Структурная схема алгоритма БК с двумя ИО разной чувствительности
По истечении времени ггд допускается возврат БК в исходное
положение лишь при отсутствии асинхронного хода. Режим асинхронного хода
в этом случае идентифицируется по факту хотя бы кратковременного
срабатывания ИОС .
Структурная схема алгоритма содержит шесть каналов.
Первый канал ввода быстродействующих ступеней защиты при
срабатывании чувствительного ИОТ2 состоит из элементов ИЛИ1, И1, ОВ1,
НЕ1, И2, аналогичный второй канал ввода медленнодействующих
ступеней при срабатывании грубого ИОТ1 — ИЛИ2, ИЗ, ОВ2, НЕ2, И4; элемент
ИЛИ5 — общий. В третий канал ввода медленнодействующих ступеней
при срабатывании ИОТ2 или ИОТ1 входит элемент ИЛ ИЗ. Четвертый
канал вывода быстродействующих ступеней по факту кратковременного
срабатывания ИОС до срабатывания ИОТ2 и ИОТ1 образован элементами
ИЛИ6, ОВ4, НЕ4, ИЛИ7, И5. Пятый канал набора времени trR состоит из
элементов ИЛ ИЗ, ОВЗ, а шестой канал блокировки защиты после набора
/гд при асинхронном ходе — из элементов НЕ5, ОВ5; элементы И6, ИЛИ4,
НЕЗ — общие для этих каналов.
130
При срабатывании И0Т2 и разрешающем сигнале на входе 2 И1
(отсутствует блокирующий сигнал по пятому и шестому) фиксируется его
даже кратковременное срабатывание ИЛИ1, пускается ОВ1, набирающий
заданное /вс и через ИЛИЗ пускается ОВЗ, набирающий заданное ггд, а
также появляется сигнал на входе 2 — И2. Пока не набрано заданное /вс,
отсутствует сигнал на входе НЕ1, не появляется сигнал на входе 1 — И2.
При разрешающем сигнале на входе 3 — И2 (отсутствует блокирующий
сигнал четвертого канала) через ИЛИЗ поступает сигнал на ввод
быстродействующих ступеней.
При срабатывании ИОТ1 аналогично работает второй канал. Четвертый
канал разрешает подготовку цепи ввода быстродействующих ступеней
лишь тогда, когда при срабатывании ИОС появилась несимметрия через
время не большее заданного ОВ4. В этом случае еще отсутствует сигнал на
входе НЕ4, есть сигнал на входе 1 ИЛИ7 и входе 2 И5. При несимметрии
появляется сигнал на входе / И5 и входе 2 ИЛИ7 — далее схема работает
независимо от состояния ИОС .
В пятом канале при наборе времени /гд ОВЗ появляется сигнал на
входе 1 И6. В шестом канале сигнал на входе 2 И6 появляется лишь в том
случае, если ИОС не срабатывал хотя бы кратковременно в течение
выдержки времени ОВ5, т.е. отсутствовал асинхронный ход. При этом
появится сигнал на входе 1 ИЛИ4 и входе НЕЗ, что приведет к исчезновению
сигналов на входах 2 И1 и ИЗ — БК вернется в исходное состояние.
Элемент ИЛИ4 предназначен для быстрого возврата БК в исходное
положение при отключении выключателя защищаемого объекта. Эта цепь
вводится накладками SX.
6.6. БЛОКИРОВКИ ПРИ НЕИСПРАВНОСТЯХ ЦЕПЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
В цепях измерительных трансформаторов напряжения возможны
неисправности, при которых исчезает напряжение, подводимое к защите:
обрывы цепей, их замыкание, срабатывание автоматов или перегорание
предохранителей, ошибки персонала.
При неисправностях могут отказывать одни ИО и ложно срабатывать
другие. Для обнаружения этих неисправностей используются блокировки
при неисправностях в цепях напряжения (БН). При обнаружении
неисправности БН либо выводит защиту из действия (если она может ложно
сработать на отключение), либо действует на сигнал. К БН предъявляются
требования: срабатывать при любой неисправности во вторичных цепях TV, не
срабатывать при КЗ в первичных цепях, обладать быстродействием
(большим, чем защита), если требуется выводить защиту.
131
а) б)
а в с N к и н
в) I -J г)
Рис. 6.18. Схема блокировки защиты при нарушениях цепей напряжения
Широко используются БН, сравнивающие напряжение вторичных
обмоток TV, соединенных в звезду и в разомкнутый треугольник (рис. 6.18, а, б).
Сравнение этих напряжений (токов) позволяет различить повреждения во
вторичных и первичных цепях TV. Схема БН (рис. 6.18, в) состоит из
промежуточного трансформатора TL с тремя первичными обмотками Wj, н>2,
w3, вторичной обмоткой w4, резисторов R1—R5 и реагирующего органа РО,
включенного на выход выпрямителя VS. Резисторы R1—R3 подключены к
обмоткам TV, соединенным в звезду. Выбирая, например, R1 (фаза А)
несколько меньшим (или большим), чем R2 = R3, получаем в обмотке wx,
включенной на сумму токов этих резисторов, ток /j Ф 0 в нормальном
режиме. Обмотка м>з через резистор R5 включена на ток этой же фазы
обмотки TV, соединенной в разомкнутый треугольник, поэтому токи £{ и /3
совпадают по фазе (рис. 6.18, г). Число витков встречно включенных
обмоток Wj и vv3, значения сопротивлений R1 и R5 подбираются так, чтобы
магнитодвижущие силы этих обмоток были равны, т.е. компенсировали друг
друга. При повреждениях в первичной сети, не связанных с замыканиями
132
на землю (U0 = 0), компенсация сохраняется, так как напряжения на
вторичных обмотках TV, соединенных в звезду и разомкнутый треугольник,
изменяются пропорционально.
При КЗ на землю в первичной сети (UQ Ф 0) нарушается компенсация,
так как не одинаково изменяются напряжения на обмотках TV,
соединенных в звезду и треугольник. Компенсация в этом случае восстанавливается
за счет МДС, создаваемой током /2 в обмотке vv2, включенной на выход
разомкнутого треугольника TV(3 £/0).
При повреждениях во вторичных цепях: обрывах, отключении цепей
звезды или треугольника, КЗ в этих цепях — нарушается компенсация; при
этом появляется напряжение U0 и изменяются токи в w j и vv3 либо
исчезает напряжение на одной из этих обмоток.
6.7. СХЕМЫ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ И ИХ ОЦЕНКА.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ОТНОСИТЕЛЬНО СЕЛЕКТИВНЫХ ЗАЩИТ
В течение всего времени использования дистанционной защиты (около
60 лет) построение ее схем претерпело изменения. Первые сложные
электромагнитные реле полного сопротивления с большим потреблением
энергии от измерительных трансформаторов жестко (без переключений)
включались на токи и напряжения фаз. Переключения в их цепях были
недопустимы, в том числе и из-за низкой коммутационной способности
вспомогательных (переключающих) реле. Для трехступенчатой дистанционной
защиты требовалось девять таких реле, причем ИОС были существенно
более сложными, чем прочие ИО, например ИОНТ.
Последующие реле сопротивления, выполненные на совершенных че-
тырехполюсных индукционных системах, имели меньшее потребление
энергии и позволяли осуществлять переключения в их цепях. Однако они
оставались достаточно сложными электромеханическими устройствами.
Появились близкие к ним по потреблению энергии, но более простые реле
сопротивления с пассивными схемами сравнения электрических величин
на полупроводниковых элементах. Для уменьшения количества сложных
реле сопротивления с повышенным потреблением энергии схемы стали
строить с использованием переключений по ступеням и фазам и
применять пусковые органы.
Пусковые органы не должны срабатывать в рабочих режимах и должны
срабатывать при КЗ в пределах защищаемых зон дистанционной защиты.
В схемах пусковые органы выполняли ряд функций: при уменьшенном
числе ИОС определяли поврежденные фазы и переключали на них
требуемый ИОС; осуществляли переключение ИОС с одной ступени на другую;
в случае общего органа выдержки времени для разных ступеней пускали
его. В качестве пусковых использовались ИОТ и ИОС. Такие органы,
отстроенные от рабочих режимов и срабатывающие при КЗ, естественно,
могли срабатывать и при качаниях, т.е. не заменяли БК.
133
Среди схем с уменьшенным числом реле сопротивления предельной
явилась схема с одним реле сопротивления для первой и второй ступеней
от всех междуфазных КЗ, переключаемым по ступеням и по фазам — на
величины петли КЗ.
В качестве пусковых использовались органы тока. Органы направления
совместно с органами тока одновременно выполняли функции
измерительных органов третьей ступени защиты. Такие схемы широко
использовались в сетях 35 кВ. В сетях 110—220 кВ использовались схемы, где три
ИОС жестко включались на токи и напряжения фаз (на петлю КЗ), но в
цепях напряжения остались переключения с первой на вторую зону. Три
ИОС третьей ступени одновременно выполняли оставшиеся функции
пусковых — управляли переключениями ступеней, пускали ОВ.
Существенным недостатком этих схем были искажения в работе ИОС,
являвшиеся следствием переходных процессов, возникающих при
переключениях в их цепях. Для устранения этого требовалось усложнение
схем, что снижало надежность. Кроме того, выполнение ИОС с
характеристиками в виде эллипса, четырехугольника привело к еще большему
усложнению схем.
При использовании электронной элементной базы выполнение
различных ИО релейной защиты оказалось одинаково. Поэтому в схемах
современных дистанционных защит, выполненных на ИМС, в трехступенчатых
дистанционных защитах используются девять ИОС, жестко включенных на токи
и напряжения, что упростило логическую часть и повысило ее надежность.
Такое построение схем исключило необходимость в пусковых органах.
Однако в схемах дистанционных защит по-прежнему необходимы БК
и БН. В настоящее время схемы строятся таким образом, что БК вводит
логическую часть защиты в работу, как принято говорить, пускает
защиту. Поэтому часто БК называют пусковым органом. При использовании
в БК измерительных органов тока обратной последовательности при
неисправностях в цепях напряжения защита не будет введена в работу, что
исключает ее ложное срабатывание. Этим объясняется то, что БК вводит
все ступени, даже отстроенные от качаний по времени. К БН
предъявляется требование лишь подавать сигнал о неисправности, а значит, не
является актуальным быстродействие БН. При использовании в БК
измерительных органов напряжения обратной последовательности защита при
неисправностях в цепях напряжения будет введена, что может привести к ее
ложному срабатыванию. Поэтому требуются БН с высоким
быстродействием для обеспечения вывода защиты. В общем случае схемы строятся
таким образом, что для действия защиты на отключение необходима
информация БК и БН (рис. 6.19).
134
£1
-О* иос
-о М5) °~
1ст о-
"° * Пет ^
-о Шст
-о
-о
"° Пет
-о Шст
-о
-о
-о
-о
-о
БК
БН
а)
а в с N н к и
ИОС
(ВС) °-
1ст о-
О-
иос
(СА) °"
1ст о-
Нст о-
Шст
о-
о-
о-
о-
о-
о-
о-
ИОС1(АВ)
ги
БН
ИОС1(ВС)
ИОС1(СА)
LT
ИЛИ
1
ИОСи(АВ)
ги
ИОСП(ЯС)
И0СП(С4)
LP
^ИЛИ
Н 2
иосшдо)
ги
ИОСш(ДС)
И0СШ(С4)
LP
ИЛИ
3
И1
И2
ов*
ов1
ИЛИ
На
откл.
ИЗ
ОВ
зЛ
БК
я
Рис. 6.19. Цепи тока и напряжения
дистанционной защиты (а); логическая
часть дистанционной защиты (б)
135
Для защиты от междуфазных КЗ ИОС всех ступеней включены на
соответствующие токи и напряжения (рис. 6.19, а): ИОС (АВ); ИОС (ВС) и
ИОС (СА).
Входные элементы (трансформаторы, трансреакторы,
автотрансформаторы) ИОС первой, второй и третьей ступеней включены следующим
образом: ИОС (АВ): I = 12А~ 12в> ^п = —2АВ> напРяжение подпитки от
(2)
третьей фазы U = У2С позволяет исключить «мертвую» зону при К^в
в месте установки защиты, когда V1AB = 0; ИОС (ВС): I = 11В~ 11С,
УР = "гвс> У^-Ул-- иос W- lP = hc-hA< U.-Uica'
Блокировка при качаниях реагирует на приращение вектора тока (или
напряжения) обратной последовательности.
Блокировка при неисправностях цепей напряжения выполнена в
соответствии с рис. 6.18.
Срабатывание одного (или более) ИОС соответствующей ступени
фиксируется схемами ИЛИ1, ИЛИ2, ИЛИЗ (рис. 6.19, б).
Сигнал на отключение первой ступени без выдержки времени
появляется, если имеется сигнал на выходе ИЛИ1, на выходе 1 БК (ввод первой
ступени на заданное время) и на выходе БЫ, т.е. на всех входах И1.
Сигнал на выходе И2 появляется при наличии сигнала на выходе
схемы ИЛИ2 (срабатывает хотя бы один из ИОС), выходе / БК (ввод на
заданное время) и выходе БН. Этот сигнал пускает орган выдержки
времени второй ступени ОВ . При наборе tc защита действует на
отключение по второй ступени.
Аналогично действует на отключение третья ступень. В большинстве
случаев третья ступень отстраивается от качаний по времени, поэтому ее
ввод блокировкой при качаниях не ограничивается по времени.
При использовании БК с ИОТ не обязательна БН, так как БК не введет
дистанционную защиту при неисправности в цепях напряжения.
Дистанционные защиты выполняются трехступенчатыми. В некоторых
случаях при недостаточной чувствительности второй ступени защиты
могут выполняться двухступенчатыми, содержащими первую и третью
ступени. Дистанционная защита не выполняется без третьей ступени, так как
она единственная может осуществлять функции основной и резервной.
Третья ступень дистанционной защиты обеспечивает селективность
при внешних КЗ в сетях такой конфигурации, где можно реализовать
выбор выдержек времени по встречно-ступенчатому принципу: в сети из
цепи одиночных линий с любым количеством источников питания; в кольце-
136
вой сети с одним источником питания. Первая и вторая ступени могут
обеспечить селективность при внешних КЗ в сетях любой конфигурации
при соответствующем выборе параметров срабатывания.
Дистанционные защиты являются медленнодействующими. Без
выдержки времени КЗ отключается лишь на части линии в зоне первой ступени.
Зона первой ступени / стабильна, не зависит от режима работы сети,
вида КЗ и т.п. и составляет для линий без ответвлений до 85 % длины
линии. Поэтому вторая ступень во многих случаях имеет достаточные
коэффициенты чувствительности.
Чувствительность третьей ступени в зоне резервирования на линиях с
подпитками на промежуточных подстанциях удается обеспечить при
использовании специальных характеристик срабатывания, позволяющих
иметь значительные Zc max.
Устойчивость быстроты срабатывания ступени I на длинных линиях
UH0M > 330 кВ требует специальных мероприятий, снижающих влияние
переходных процессов при возникновении КЗ.
Наличие цепей напряжения, требующих учета неисправностей в них,
усложняет защиту и снижает ее функциональную надежность по
сравнению с защитами без этих цепей (токовых). Такое же влияние оказывает
наличие в цепях защиты блокировок при качаниях.
Следует отметить, что выполненные на базе электромеханики, а также
полупроводников измерительные органы сопротивления оказались много
сложнее, чем, например, органы направления. При переходе на
интегральные микросхемы выполнение ИОС не является более сложным, чем ИОНТ.
Дистанционная защита используется в сетях 10 кВ, 35 кВ в качестве
основной и резервной, если токовые и токовые направленные защиты не
обеспечивают необходимую чувствительность и быстродействие.
В сетях ПО—220 кВ защита используется как резервная от всех
многофазных КЗ и как основная — если допустимо отключение КЗ в конце
линии со временем второй ступени. Допустимость этого оценивается
критерием остаточного напряжения при К^ ' (рис. 6.20).
Если напряжение (/ост = Уз /K0,85Zj/>0,6I/HOM —допустимо
использовать дистанционную защиту как основную. В сетях С/ном > 330 кВ
дистанционная защита используется только как
резервная от многофазных КЗ. ^^ а /О)
Основным достоинством этих защит
является выполнение ими функций как основных,
так и резервных.
Все относительно селективные являются Рис* 6,2°- к <>пР«Делснию
защитами с выдержками времени, т.е. медлен-
/(3) к
1. о,»» .1
(3)
137
недействующими. Без выдержки времени КЗ отключается лишь на части
линии в зоне первой ступени.
Длина зоны первой ступени токовых и токовых направленных защит,
изменяясь при разных видах КЗ, в различных режимах может быть
достаточно мала (и даже равна нулю). Существенным преимуществом
дистанционных защит является стабильность зоны первой ступени. Поэтому и
вторые ступени дистанционных защит обладают большими
коэффициентами чувствительности.
Третьи ступени всех защит отстраиваются от нагрузочных режимов.
Токи срабатывания третьих ступеней токовых и токовых направленных
защит должны быть больше рабочих максимальных (7СЗ >Л,абтах)*
Минимальные токи срабатывания третьих ступеней дистанционных защит
^с з min < Ашб max > так как ПРИ этом значительное напряжение U б
препятствует срабатыванию ИОС .
Чувствительность третьих ступеней дистанционных защит при
использовании специальных характеристик срабатывания существенно выше.
Токовые и токовые направленные защиты могут использоваться от всех
видов КЗ. Дистанционные защиты в отечественной практике используются
лишь от многофазных КЗ. Желательно применять токовые защиты, если
они обеспечивают селективность, чувствительность и необходимое
быстродействие. Если требуется выполнение более сложной защиты,
имеющей цепи напряжения, целесообразно использовать от многофазных КЗ
дистанционную защиту, а от КЗ на землю — токовую направленную
нулевой последовательности. Это обусловлено тем, что при современной
элементной базе ИОС не оказываются более сложными, чем ИОНТ, а
функциональные возможности дистанционной защиты больше, чем
токовой направленной.
7
ЗАЩИТЫ С КОСВЕННЫМ СРАВНЕНИЕМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
7.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ АБСОЛЮТНО СЕЛЕКТИВНЫХ
И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЗАЩИТ
Работа абсолютно селективных защит, достоверно различающих КЗ
в защищаемом элементе и вне его и обеспечивающих возможность
отключения КЗ без выдержки времени, основаны на одновременном
использовании информации о значениях электрических величин во всех
присоединениях защищаемого элемента. Поэтому абсолютно селективные защиты,
в отличие от относительно селективных, например ступенчатых, в общем
случае требуют применения специальных каналов связи (КС) (рис. 7.1).
В качестве каналов связи используются проводные (вспомогательные или
соединительные провода), высокочастотные и радиоканалы. Возможно
использование и волоконно-оптических линий связи.
Проводные каналы состоят из жил кабеля с изоляцией до 1000 В.
Информация по таким каналам передается на промышленной или тональной
частоте, реже на постоянном токе. Для продольной защиты линий вдоль
трассы в земле прокладывается специальный кабель, жилы которого
используются и для цепей телемеханики и специальной связи. Недостатком
таких проводных КЗ является высокая стоимость прокладки кабеля, а
также возможность повреждения его на неохраняемой территории вне
подстанции. Поэтому для защит линий применение проводных КС
ограничивается небольшой длиной линии, приблизительно до 20 км. Для защит
линий в пределах подстанции, защит генераторов, трансформаторов, двигате-
Q1 ТА!
-кн*}
Защищенный
элемент
ТАЗ
t
Q3\J
ТА2 Q2
ft*!-
КС
кл
Рис. 7.1. Канал связи абсолютно
селективных защит
139
Ql TA1
-*>н—n
2' ТЛ2 Q2
Д—№b
Рис. 7.2. Принципиальная схема ВЧ канала
лей и шин применяются проводные КС с жилами контрольных кабелей.
В этих случаях длина вспомогательных проводов не превышает
нескольких сот метров, провода находятся в пределах подстанций (станций).
Высокочастотные каналы (ВЧ) функционируют по проводам
защищаемой линии, для чего производится высокочастотная обработка линии.
Обычно обработке подвергается одна фаза и ВЧ сигналы передаются по
схеме фаза—земля (передача происходит по всем трем фазам за счет
индуктивной и емкостной связей между проводами фаз).
Для релейной защиты используются ВЧ каналы, работающие на
частотах 40—500 кГц.
Высокочастотный канал (рис. 7.2) содержит следующие элементы:
провода фазы защищаемой линии, заградители 2 и 2' конденсаторы 3 и 3\
защитные устройства 4 и 4\ фильтры присоединения 5 и 5' ВЧ кабели 6 и 6'
и приемопередатчики 7 и 7'.
Заградители включены последовательно в провод фазы защищаемой
линии и состоят из реактора и конденсатора, настроенных в резонанс
(токов) на рабочую высокую частоту, и представляют для нее большое
сопротивление. Поэтому ВЧ сигналы не распространяются на соседние
участки и могут циркулировать лишь между заградителями двух сторон
линий. Заградители препятствуют распространению ВЧ сигналов на
соседние участки, исключая тем самым возникновение помех на этих
участках, излишнее расходование мощности приемопередатчиков, а также
позволяют чаще использовать одинаковые частоты канала, например
через два-три участка линии.
Высоковольтный конденсатор связи изолирует ВЧ аппаратуру от
высоковольтной линии и создает путь токам высокой частоты, для которых
представляет малое сопротивление, а также препятствует токам
промышленной частоты, для которых представляет большое сопротивление.
140
Защитное устройство состоит из разрядника (от перенапряжений) и
заземляющего разъединителя для безопасности выполнения
наладочных работ.
Фильтр присоединения 5, состоящий из воздушного трансформатора и
конденсатора, согласует волновое сопротивление ВЧ кабеля и входное
сопротивление линии, что исключает потери энергии на отраженные волны.
Заземление обмотки трансформатора создает путь токам промышленной
частоты, исключая их попадание в приемопередатчики. Фильтр
присоединения вместе с конденсатором связи 3 образует полосовой фильтр,
пропускающий определенную полосу частот.
Высокочастотный кабель 6 соединяет приемопередатчик с фильтром
присоединения, выполняется одножильным, экранированным с малым
затуханием для ВЧ сигналов.
Приемопередатчик состоит из передатчика — генератора ГВЧ и
приемника высокой частоты ПВЧ. С каждой стороны линии
приемопередатчики настроены примерно на одну и ту же частоту. Поэтому ПВЧ
принимают сигналы своего ГВЧ и установленного на противоположном конце.
Для четкой работы во всех возможных режимах (получение достаточного
ВЧ сигнала) передатчик должен обладать мощностью, достаточной для
перекрытия затухания по линии. Практически используются
приемопередатчики мощностью 20—35 Вт, перекрывающие затухание по линии до
17—20 дБ. Затухание резко увеличивается при неблагоприятных
погодных условиях (гололед, мокрый снег), что учитывается при
проектировании канала и эксплуатации защиты. При /^ и К^ ' на обработанной фазе
канал может нарушаться за счет возросшего затухания в месте КЗ, что
также учитывается при проектировании защиты.
На ВЧ канал большое влияние оказывают помехи, обусловленные
высоким напряжение линии — коронирование проводов, операции с
коммутационными аппаратами, соседние ВЧ каналы. Влияние помех снижает порог
чувствительности ПВЧ, а также определяет способы выполнения защит.
Радиоканалы работают на ультракоротких, дециметровых и
сантиметровых волнах (/= 300—30 000 МГц). Волны таких частот
распространяются вблизи поверхности земли, не огибают ее выпуклостей. Поэтому такие
каналы могут использоваться в пределах прямой видимости, т.е. на
небольших расстояниях между антеннами — от 40 до 60 км. Для линий
небольшой протяженности принципиальная схема радиоканала (рис. 7.3) состоит
Ql TAl ТА2 Q2
-к>п п^-
Y з з' y
□—>-<—' '—>-<—□
Рис. 7.3. Принципиальная схема
радиоканала ~/~~ 2 2' ~Т'
141
из приемопередатчиков / и /' линий связи приемопередатчиков с антенной
2 и 2' направленных антенн 3 и У и пространства между ними.
Радиоканалы большой протяженности для усиления радиосигналов
содержат промежуточные приемопередающие радиостанции. Такие
радиоканалы носят название радиорелейных линий. Радиоканалы имеют
преимущества по сравнению с ВЧ каналами; работа их меньше зависит от
повреждений на линиях электропередачи, им доступна более широкая полоса
частот. Однако радиоканалы дороги из-за промежуточных трансляторов и в
энергетике используются мало.
Высокочастотными называются защиты, использующие ВЧ каналы.
Передатчики пускаются и останавливаются сигналами релейной защиты,
а сигналы с выходов приемников поступают в цепи релейной защиты и
обусловливают выполнение ею заданных функций. Различают два
способа использования ВЧ сигналов для релейной защиты: с разрешающими и
блокирующими сигналами.
В защите с разрешающими сигналами ВЧ сигнал, поступающий с
противоположной стороны линии (рис. 7.4, я), разрешает защите
поврежденного участка действовать на отключение. При КЗ в К1 на W1 защита 1 на
подстанции А может действовать на отключение, если поступит сигнал от
ГВЧ защиты 2 подстанции Б. Однако при нарушениях ВЧ канала,
например при К^ ' или К^ ' на обработанной фазе, ВЧ сигнал может не пройти и
защиты могут отказать. При внешних КЗ (К2) и нарушениях ВЧ канала
излишних срабатываний быть не может, так как на неповрежденных
участках обмена ВЧ сигналами не требуется.
При использовании разрешающих ВЧ сигналов нарушение канала и
отсутствие такого сигнала с противоположной стороны может привести к
отказу защиты при внутренних КЗ, но исключаются излишние срабатывания
при внешних КЗ. Блокирующие сигналы, поступающие с
противоположной стороны, запрещают действие защит неповрежденных участков на
отключение. При КЗ в К1 на W1 для действия защит на отключение обмен
ВЧ сигналами не требуется. Но если при внешнем КЗ в К2 и нарушении
ВЧ канала сигнал с противоположной стороны не поступит, защита непо-
ci A Л W1 h Б W2 в С2
Рис. 7.4. Использование
разрешающих и
блокирующих ВЧ сигналов (а),
необходимость ПО разной
чувствительности (б)
б)
142
врежденного участка может излишне действовать на отключение. Таким
образом, при использовании блокирующих ВЧ сигналов отсутствие такого
сигнала с противоположной стороны не может привести к отказу защиты
поврежденного участка, но может обусловить излишнее срабатывание
защит при внешних КЗ. При внешних КЗ блокирующий сигнал не должен
проходить через место повреждения. Поэтому в отечественных системах
используются защиты только с блокирующими сигналами.
Снижение вероятности как излишних, так и ложных срабатываний ВЧ
защит под действием помех достигается тем, что нормально при отсутствии
КЗ в сети ВЧ канал отсутствует, т.е. ВЧ приемопередатчики не пущены.
Возникновение КЗ в сети фиксируется пусковыми органами, которые
осуществляют пуск приемопередатчиков и одновременно контролируют
цепи отключения защиты.
Пусковые органы ВЧ защит не должны срабатывать в нагрузочных
режимах и должны срабатывать только при возникновении КЗ в сети.
Пусковые органы фиксируют возникновение КЗ в сети, но не определяют место
повреждения. В качестве пусковых используются измерительные реле тока
и напряжения, включенные на полные токи и напряжения фаз или их
симметричные составляющие, органы направления мощности, включенные на
симметричные составляющие, а также реле минимального сопротивления.
Однако наличие ПО обусловливает возможность излишнего
срабатывания защиты при внешних КЗ с уровнями электрических величин, близкими
к значениям параметров срабатывания ПО. При этом за счет погрешностей
(разбросов) может сработать ПО лишь с одной стороны линии. В разных
типах ВЧ защит при этом либо будет отсутствовать ВЧ сигнал, либо на
выходе ПВЧ сигнал будет соответствовать КЗ в зоне, и комплект со
сработавшим ПО может излишне подействовать на отключение. Для исключения
излишних срабатываний при внешних КЗ с уровнем электрических
величин, близким к значению параметра срабатывания, когда может сработать
ПО только с одной из сторон, в ВЧ защитах с блокирующими сигналами
предусматриваются две группы ПО разной чувствительности.
Чувствительный ПОбл обеспечивает только пуск приемопередатчика и блокировку
защиты, грубый (грубее чувствительного в 1,5—2 раза) контролирует и
подготавливает цепи отключения. Так, если при внешнем КЗ в К2
(рис. 7.4, б) сработает чувствительный ПО только с одной стороны,
например в защите 7, и не сработает в защите 2, то вследствие недостаточной
чувствительности не сработают более грубые ПО в обеих защитах, а
следовательно, не будут подготовлены цепи отключения этих защит.
Ток срабатывания чувствительных ПО, включенных на полный ток
фазы, отстраивается от значения тока максимального рабочего режима:
*с з ч ~~ *отс'раб max '*в • V'-U
143
Режим самозапуска двигателей после отключения внешних КЗ может
не учитываться, поскольку даже срабатывание ПО в этом случае приведет
лишь к запуску приемопередатчиков, а не к срабатыванию защиты на
отключение и поэтому к3 = 1.
Ток срабатывания аналогичного грубого ПО:
/сзгр =(1,5—2)/сзч- (7.2)
Ток срабатывания чувствительного ПО тока обратной
последовательности /с з ч 2 Должен быть отстроен от суммы токов небаланса /2нб фильтра
тока обратной последовательности при внешних КЗ или качаниях и тока
несимметрии нагрузочного режима /2нес:
^.3 4 2 =*отс^2нб +/2нес W (7-3)
Ток срабатывания грубого пускового органа в этом случае принимается
в 1,5—2 раза большим.
Для повышения чувствительности при КЗ на землю применяется
комбинированный ПО тока обратной и нулевой последовательности, реагирующий
на сумму токов I /J + к\ /J , где к— коэффициент фильтра, обычно к > 1.
На длинных линиях используются ПО напряжения обратной
последовательности, к которым подводится напряжение | С/2 -I- /2 — к|5 где —2 и
£2 — напряжение и ток обратной последовательности в месте установки
защиты; ZK —сопротивление компенсации, принимаемое равным
половине сопротивления линии.
Для повышения чувствительности к симметричным КЗ в качестве
пускового используется измерительное реле сопротивления, отстроенное от
минимального сопротивления рабочего режима:
^с.з =^рабпш/(*отс*в)> (7.4)
где*отс >1.
В каждом отдельном случае используются те ПО, которые
обеспечивают достаточный требуемый коэффициент чувствительности (кч > 2) при
КЗ в конце защищаемой линии. При определении кч органа минимального
сопротивления следует определить Zc 3 тах при фм ч.
7.2. НАПРАВЛЕННАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЗАЩИТА
Направленными с косвенным сравнением электрических величин
называются абсолютно селективные защиты, сравнивающие по фазе
электрические величины по концам линии (продольные) или на параллельных
линиях (поперечные) с помощью сигналов от измерительных органов, переда-
144
Clffl/"7 Q2* Q3 W2 Q4* Q5 W3 Q6 \ C2
Рис. 7.5. К пояснению принципа действия направленной ВЧ защиты
ваемых по каналам связи. Направленные высокочастотные защиты
косвенно сравнивают направления (знаки) мощности или тока КЗ по концам
защищаемой линии при помощи ВЧ канала связи. Принцип защиты
рассматривается применительно к одной фазе линии (рис. 7.5). На участке с
каждой его стороны установлен измерительный орган направления тока.
Условные положительные направления токов приняты от шин в линию.
Только на поврежденном участке W2 при КЗ в К2 направления токов в защитах
обеих сторон совпадают с заданными условными положительными
направлениями — от шин в линию. При этом защитам разрешается действовать
на отключение Q3 и Q4.
На неповрежденных участках W1 и W3 в защите одной стороны,
ближайшей к месту внешнего КЗ, ток всегда направлен противоположно
принятому положительному направлению, т.е. к шинам. При этом
запрещается действовать на отключение как этому комплекту, так и комплекту на
противоположной стороне участка. Информация о направлении тока КЗ
с противоположной стороны участка передается ВЧ сигналами,
принимается и расшифровывается в логической части защиты.
В направленных высокочастотных защитах оказываются достаточными
и используются двухуровневые, или двоичные, 0(1) сигналы,
блокирующие ВЧ сигналы, и поэтому такие защиты иногда называют
направленными с ВЧ блокировкой. В нормальных режимах ГВЧ не пущены и ВЧ сигнал
отсутствует. В защите необходимы две группы пусковых органов:
чувствительные, пускающие ГВЧ и блокирующие защиту, — ПОбл и грубые,
контролирующие цепи отключения выключателя, — П00Т.
В направленных ВЧ защитах возможны два способа пуска ГВЧ:
ненаправленный чувствительными ПО как при внешних КЗ, так и при
КЗ в зоне одновременно с последующим остановом ГВЧ от ИОНТ при
КЗ в зоне;
направленный только при внешних КЗ чувствительными ПО и ИОНТ в
комплектах защит, где ток /к направлен к шинам.
В первом случае повышается надежность несрабатывания при внешних
КЗ, так как для блокирования защиты достаточно пуска ГВЧ только одной
стороны линии, в случае отказа в пуске с другой. Во втором —
повышается надежность срабатывания, поскольку при КЗ на защищаемом участке
пуск ГВЧ не происходит. Но при этом снижается надежность
несрабатывания при внешних КЗ. При направленном пуске ГВЧ необходимо согла-
145
сование по чувствительности не только ПО, но и ИОНТ, действующих на
пуск ГВЧ, где ток направлен к шинам, и ИОНТ, разрешающих
отключение выключателей в защитах, где ток направлен от шин. Кроме этого
необходимо обеспечить упреждение по времени работы ИОНТ,
действующих на пуск ГВЧ, где ток направлен к шинам относительно ИОНТ,
разрешающих отключение выключателя, где ток / направлен от шин.
При любом способе пуска при внешних КЗ запускается хотя бы один из
ВЧ передатчиков, сигналы которого принимаются ПВЧ всех сторон линии.
При появлении ВЧ сигнала на входе ПВЧ на его выходе появляется ток
/пвч. Следовательно, наличие тока на входе ПВЧ /пвч Ф О
свидетельствует о внешнем КЗ, и защите запрещается действовать на отключение.
Структурные схемы алгоритмов пуска двумя указанными способами
условно для одной фазы приведены на рис. 7.6 и 7.7. Во всех схемах
принято обозначение «ф в зоне» при направлении тока от шин в линию, а
при противоположном — «вне зоны». В схемах пуска используются
простые максимальные ПО, срабатывающие при превышении
характеристической величиной Я значения срабатывания Яс .
При ненаправленном пуске на рис. 7.6, как и в общем случае, в блоке
Фбл выполняются операции, в результате которых из подводимых от
измерительных трансформаторов тока /(/) и напряжения u{t) получают
текущие значения характеристических величин, необходимых для реализации
операторов блокирующих #бл и отключающих #от пусковых органов, а
также угол ф , соответствующий направлению тока в защите, для
измерительного органа направления тока.
Далее вводятся (задаются) параметры срабатывания #блср, #0тср и
возврата #от в пусковых органов, диапазон А ф ограничивает диапазон
изменения углаф, соответствующий направлению тока от шин в линию.
После определения значений характеристических величин для ПО и
ИОНТ проверяются условия работы по каждому из них.
В нормальном режиме работы сети ПО защит в состоянии до
срабатывания и ГВЧ не пущены. При КЗ в сети и выполнении условия #бл >
> Ябл с р запускаются ГВЧ и элемент времени ОВ1, задающий интервал
времени t{, в течение которого должна обеспечиваться работа ГВЧ до
отключения внешних КЗ резервными защитами (при отказе основной
быстродействующей).
При внешних коротких замыканиях в защите, где ток направлен к
шинам и ИОНТ фиксирует положение «вне зоны», происходит останов ГВЧ
при t> tx.
В защите удаленного от внешнего КЗ конца линии направление тока
всегда от шин в линию, и ИОНТ фиксирует «ф в зоне», но ГВЧ останавливает-
146
Br*
/o \
/ "
\ js/
\ /
&
к
л
y«
■ч л
л*
ч
X 1
k л
V*
_/ л
н
£ 1
с«
уч
/
/л
V
\
»
д
•г» \Ч
5Г
а I
1 | U в? Ц е?
=И о гп М <
* IsIN
•-Ч
+
с о
J
X
ft.
3
^
£
е
«S
*Г
СЦ
о
к£
^
147
5
PQ
CO
с
в
4s
/o\rt/ \rt/ \ce /
V/ \/ \/ \
к 1
о.
Б
S
On
-с
а
S
/
*5
о.
/ 9«\
\ Л /
V/
л/
и Y
* —
С О
k
+
148
ся с задержкой / > t2, задаваемой элементом ОВ2, достаточной для
передачи блокирующего ВЧ сигнала от комплекта защиты, ближайшего к месту
КЗ, где направление тока к шинам, и запрета пуска ГВЧ не происходит.
Таким образом, при внешних КЗ в защите, ближайшей к месту КЗ, ГВЧ
запущен в течение / < /j, а в защите, удаленной от места КЗ, — в течение
t < t2, т.е. пока не произойдет отключение внешнего КЗ. После отключения
внешнего КЗ и возврата отключающего ПО происходит возврат ОВ1.
При КЗ в защищаемой зоне работа и подготовка цепей в обоих
комплектах одинакова: при выполнении условия «ф в зоне» с выдержкой времени
t2 останавливаются ГВЧ. При отсутствии тока /пвч, после проверки
состояния ИОНТ и отключающих ПО появляется сигнал отключения
выключателей Q и возврата ОВ2.
В алгоритме направленного пуска (рис. 7.7), как и выше, после
определения текущих значений характеристических величин оценивается состояние
пусковых органов ПОбл (условие #бл > Ябл с р) и органа направления тока
ИОНТ. При отсутствии КЗ в сети все органы в состоянии до срабатывания.
При внешних КЗ и срабатывании ПОбл защит линии W1 запускается
элемент времени ОВ1, задающий необходимое время работы ГВЧ по
условиям отстройки от максимального времени срабатывания резервных
защит. В комплекте защиты, ближе расположенном к точке внешнего КЗ,
где ток всегда направлен из линии к шинам и ИОНТ фиксирует внешнее
КЗ «вне зоны», запускаются ГВЧ и элемент ОВ2, замедляющий
отключение выключателя на время, достаточное для передачи ВЧ сигнала на
противоположную сторону линии, где направление тока от шин в линию и
ГВЧ не запускается.
При КЗ на защищаемой линии W2 («ср в зоне») в соответствии с
состоянием ИОНТ (условие «ф в зоне») пуск ГВЧ не происходит, и останавливать
их, как при ненаправленном пуске, не требуется.
При /пвч = 0, сработавшем состоянии П00Т (L > 1) проверяется
состояние ИОНТ (М > 1), с задержкой времени t > t2 отключается выключатель Q
и происходит возврат ОВ2.
После возврата ПО и t > tx происходят останов ГВЧ и возврат ОВ1.
В направленных ВЧ защитах ИОНТ, включенный на полные токи фаз,
может сработать излишне на отключение линии при качаниях. Так, если
электрический центр качаний Ц (рис. 7.8, а) расположен на защищаемой
линии, то напряжения, подводимые к ИОНТ в защитах выключателей Q1 и
Q2 (рис. 7.8, б), равны:
-з1 = ~ц+ -1 — 1^1 ' ИЛИ' так каК ^Ц = °'
Уз1 =Lxzxix,uuzl^i2zxi1.
149
/, h
Рис. 7.8. Поведение
направленной ВЧ
защиты при качаниях
а)
б)
Напряжения, подводимые к ИОНТ, одинаково ориентированы
относительно токов /j и /2 и, если при этом угловом соотношении сработает
ИОНТ в защите выключателя Q1, то сработает ИОНТ и в защите
выключателя Q2. Поэтому при качаниях может отсутствовать блокирующий
сигнал, что приведет к излишнему срабатыванию защиты. Кроме того, такие
ИОНТ имеют «мертвую» зону при К^ ' вблизи места установки защиты.
В связи с этим в направленных ВЧ защитах не используются ИОНТ,
включенные на полные токи и напряжения.
На качания не реагируют ИОНТ, включенные на слагающие обратной
или нулевой последовательности, которые при качаниях отсутствуют.
В неполнофазном режиме работы в сетях с глухозаземленными
нейтралями появляются слагающие обратной и нулевой
последовательностей [2], и ИОНТ, реагирующие на слагающие обратной
последовательности, при определенном их подключении, а именно к шинам TV, могут
срабатывать в нагрузочном неполнофазном режиме и излишне
отключать линию. Поэтому при неполнофазном режиме, в частности,
однофазного автоматически повторного включения (ОАПВ) направленные
защиты выводятся из работы.
На линиях с ответвлением (рис. 7.9), имеющим питание (система СЗ) от
приемной стороны, защиты устанавливаются с трех сторон. При этом для
надежного блокирования при внешних КЗ (К1) достаточно срабатывания
пускового органа только в защите выключателя Q3 с наибольшим током
ci QJ 4U
— Q2
С2
«of©
Рис. 7.9. Работа ВЧ защит на линиях с ответвлениями
150
^3 = -l + -2 • ^Т0 является достоинством направленной защиты по
сравнению с другими ВЧ защитами, например дифференциально-фазной.
Для действия при симметричных КЗ могут использоваться
направленные ИОС, работа которых контролируется блокировкой при качаниях. При
трехфазных КЗ могут срабатывать ИОНТ, включенные на слагающие
обратной последовательности за счет кратковременного появления несимметрии.
Поэтому необходимы или фиксация их срабатывания на заданное время,
или дополнение схем направленными ИОС. В последнем случае работа
ИОС может не контролироваться блокировкой при качаниях, так как
появление обратной последовательности уже указывает на возникновение КЗ.
При ненаправленном пуске используются пусковые органы тока
(напряжения) обратной последовательности, которые могут срабатывать и при
Кг \ но лишь кратковременно. При симметричных КЗ в качестве пусковых
также могут использоваться измерительные органы сопротивления.
При ненаправленных ИОС с областью срабатывания, ограниченной
окружностью с центром в начале координат, велика вероятность
излишних срабатываний при качаниях. Поэтому применяется пусковой орган
сопротивления (ПОС) с направленными ИОС, срабатывающими при
направлении тока к шинам. Характеристика срабатывания располагается в
третьем квадранте (рис. 7.10, а).
Ниже рассматриваются основные положения выполнения одной из
модификаций направленной ВЧ защиты. В качестве измерительного органа
при всех видах несимметричных КЗ используются ИОНТ обратной
последовательности, а при симметричных — направленный ИОС, работа
которого контролируется блокировкой при качаниях БК.
Угловая характеристика ИОНТ обратной последовательности
аналогична характеристике ИОНТ нулевой последовательности (см. рис. 5.11, в).
ИОНТ срабатывает при направлении тока от шин, вольт-амперные
характеристики приведены на рис. 7.10, б.
ионт
™2('2откл)
= пон/2бл)
г2ч '2гр '2с.р
б)
Рис. 7.10. Характеристики срабатывания ИО и ПО
и2ср
U.
2откл
и.
2бл
151
Характеристика срабатывания направленного измерительного органа
сопротивления (рис. 7.10, а) имеет вид эллипса, расположенного в
первом квадранте, с большой осью, равной (1,5—2)Zn, т.е. с запасом
охватывает всю защищаемую линию и проходит через начало координат. Работа
ИОС контролируется блокировкой при качаниях БК, запрещающей
останов ГВЧ при качаниях.
В качестве пусковых органов при несимметричных КЗ используются
комбинированные органы тока /2 и напряжения U2 обратной
последовательности: чувствительные (блокирующие) запускают ВЧ передатчик
при одновременном срабатывании (72 > /2бл и ^2 > ^2бл )> а гРУбые
подготавливают цепи отключения, также при одновременном срабатывании
(/2>/2оти£/2>£/2от).
При выполнении требования одновременного срабатывания органов
тока и напряжения обратной последовательности их параметры
срабатывания можно отстраивать лишь от небалансов нормального режима, так как
при больших токах внешних КЗ и качаний не будет срабатывать орган
напряжения, а при повышенном напряжении — орган тока.
Как следует из характеристик, приведенных на рис. 7.10, б,
обеспечивается более высокая чувствительность ИОНТ относительно ПО. Поэтому
при срабатывании ПО и запуске ГВЧ ИОНТ должен уже надежно
сработать и правильно определить направление тока /к.
Пусковым при симметричных КЗ является орган сопротивления ПОС с
характеристикой в виде эллипса, расположенной в третьем квадранте и
надежно охватывающей начало защищаемой линии (рис. 7.10, а).
Следовательно, пуск ВЧ передатчиков при несимметричных КЗ выполняется
ненаправленным ПО как при внешних, так и при внутренних КЗ, а останов —
ИОНТ, срабатывающим при направлении /к от шин в линию.
Направленный пуск ВЧ передатчиков при симметричных КЗ
выполняется направленным органом сопротивления при внешних КЗ. Так как
характеристика органа смещена в первый квадрант, то при пуске ВЧ
передатчика при КЗ в зоне его останов производится измерительным органом
сопротивления, срабатывающим при направлении тока КЗ от шин.
Работа ПОС на пуск ВЧ передатчиков контролируется пусковыми
блокирующими органами тока (/2бл) и напряжения (£/2бл). Возможен
дополнительный контроль блокировкой при качаниях, что, однако, увеличит
время срабатывания защиты.
Действие на отключение ИОС контролируется дополнительно грубыми
ПО тока (/2от) и напряжения (£/2от).
Защита каждой стороны участка линии срабатывает на отключение
при срабатывании грубых ПО, одного из измерительных ИОНТ или ИОС
и отсутствии тока на входе ПВЧ (7Пзч = 0)» что свидетельствует об
останове ГВЧ с обеих сторон.
152
Структурная схема упрощенного алгоритма направленной защиты
состоит из трех групп функционально связанных операторов:
пусковых органов блокирующих — ПОбл, рис. 7.11, я;
измерительных органов — рис. 7.11, б;
отключающих пусковых органов — рис. 7.11, в.
Прежде всего выполняются операции, в результате которых из
подводимых /'(/) и u(t) получаются текущие значения характеристических
величин, необходимые для реализации операторов блокирующих и
отключающих пусковых органов, а также значение угла фр, соответствующее
направлению тока в защите для измерительного органа направления тока.
Пуск ГВЧ блокирующими ПОбл происходит при выполнении условий,
указанных на схеме.
Пуск ГВЧ при несимметричных КЗ пусковыми органами тока и
напряжения обратной последовательности возможен только при одновременном
их срабатывании, для чего необходимо выполнение условий К > 1 и К+ 1.
При симметричных КЗ пуск ГВЧ дополнительно обеспечивается
срабатыванием органа минимального сопротивления Z6jl с характеристикой
срабатывания, расположенной в третьем квадранте (см. рис. 7.10, а).
Одновременно с ГВЧ пускается элемент времени ОВ1, задающий необходимую
длительность работы ГВЧ по условиям отстройки от наибольшего времени
отключения внешних КЗ резервными защитами.
Останов ГВЧ производится после выполнения функций измерительных
органов (рис. 7.11, б). Направление тока относительно шин при
несимметричных КЗ определяется ИОНТ обратной последовательности, состояние
которого фиксируется в условии «ср в зоне», а при симметричных КЗ
дополнительно органом минимального сопротивления ZH0 с
характеристикой срабатывания в первом квадранте (см. рис. 7.10, а).
Работа ZH0 контролируется блокировкой при качаниях БК, и останов
ГВЧ возможен только при получении разрешения от БК.
При коротком замыкании в защищаемой зоне для отключения
выключателя Q необходимо, чтобы отключающие пусковые органы П00Т в
схеме алгоритма на рис. 7.11, в находились в состоянии после срабатывания, а
на входе ВЧбл не было тока /пвч.
Положение П00ТК в состоянии после срабатывания определяется
условиями /2от > /2отср и £/2от> £/2от.ср. Если /пвч = 0 и выполняется
условие G > 1, то при t > t2 разрешается отключение Q и происходит возврат
элемента ОВ2.
При внешнем коротком замыкании и возврате П00ТК выполняются
условия /2от < /2отвр и ^2от> -2отв и ПРИ t - 'l обеспечивается останов
ГВЧ и возврат ОВ1.
153
по,
бл
Hey
i
Ф/2бл
12ба
1
h бл. с.р
*1 КтТ ^ A Kit /» г
с.р
Да
\
т
•
Ф*6л
*6л |
1
бл. с.р
^бл > Z6n. с.р
а)
Рис. 7.11. Схемы алгоритмов:
а — ПОбл, б — ИО направления мощности, в — П00Т и ВЧбл
154
ВЧ6л1 7ПВЧ
Останов ГВЧ
Возвр. ОВ1
Откл.
Q
Возвр.
ОВ2
Рис. 7.11. Окончание
Направленная ВЧ защита обеспечивает селективность действия в сетях
любой конфигурации с любым количеством источников питания, но
требует дополнить ее резервной защитой с относительной селективностью.
В некоторых случаях на менее ответственных линиях напряжением
110—220 кВ могут использоваться, например, дистанционная защита
с ВЧ блокировкой и обычная дистанционная ступенчатая защита. При
этом дистанционные измерительные органы могут быть общими, что
155
уменьшает количество сложных органов, но и снижает надежность при
срабатывании, так как повреждение в общих органах может привести к
отказу обеих защит.
Описанная защита наиболее быстродействующая из известных ВЧ
защит. Время срабатывания определяется временем срабатывания ПО и ИО,
а также временем прихода ВЧ сигнала с противоположной стороны линии.
При выполнении специальных ПО и ИО защита обеспечивает
необходимую чувствительность как на длинных сильно нагруженных линиях, так и
на линиях с ответвлениями.
Защита может ложно сработать при качаниях, если ее измерительные
органы включены на полные токи и напряжения фаз. Поэтому работа
измерительного органа сопротивления контролируется блокировкой от качаний.
Защита может сработать ложно в неполнофазных режимах. Поэтому
при возникновении такого режима, например ОАПВ, защита должна
выводиться из действия, либо переводиться в режим работы дифференциально-
фазной защиты.
Отечественная промышленность выпускает защиты в двух
модификациях:
для линий 110—330 кВ, не оборудованных ОАПВ, приспособленная для
работы на линиях с ответвлениями;
для линий напряжением 500 кВ и выше, которая в неполнофазных
режимах работает как дифференциально-фазная.
Предполагается широкое использование защиты в качестве основной
для линий 110 кВ и выше.
7.3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЗАЩИТА
В отечественной практике дифференциально-фазная защита (ДФЗ)
применяется для линий электропередачи; в качестве канала связи используется
высокочастотный сигнал, организованный по проводу линии (§ 7.1). В ИО
защиты непосредственно сравниваются фазы токов по концам линии —
определяется угол сдвига фаз между ними. Использование для действия
защиты информации только об угле между токами упрощает защиту, так как
необходима передача с каждой стороны по ВЧ каналу только одного
сигнала. Кроме того, исключается влияние на работу защиты переходных
процессов при возникновении КЗ, сопровождающихся большими токовыми
погрешностями. С двух сторон защищаемой линии (рис. 7.12, а)
установлены трансформаторы тока ТА с одинаковыми значениями коэффициентов
Kj\ условные положительные направления токов, как обычно, приняты от
шин, где установлена защита, в линию. При КЗ на защищаемой линии
(рис. 7.12, б) токи /j и /п совпадают с условными положительными
направлениями и могут быть сдвинуты на угол ф < л/2, определяемый сдви-
156
Ql TA1 TA2 Q2
f-o-П Пг-^И
a)
/n
hi,
Ф /i
ill /T\ -J
<0 «)
Рис. 7.12. К принципу работы ДФЗ
гом фаз ЭДС и углами сопротивлений элементов ЭЭС. При этом защите
разрешается действовать на отключение.
При внешнем КЗ (рис. 7.12, в) в нагрузочных режимах и качаниях сдвиг
между токами близок к <р = я (/ц противоположен условному
положительному направлению) и защите запрещается действовать на отключение.
Практически при внешних КЗ угол отличается от указанного, что
обусловлено следующими причинами: конечной скоростью распространения ВЧ
сигналов, что приводит к появлению углового (временного) запаздывания
сигнала с противоположной стороны; влиянием поперечных активных и
емкостных проводимостей линии, изменяющих фазу тока в начале и конце
линии; угловыми погрешностями трансформатора ТА и элементов защиты.
С учетом этого защите запрещается действовать на отключение в области
углов блокировки (рис. 7.12, г), практически равных фбл = я/4—я/3. При
этом максимальные углы, при которых защита действует на отключение,
Фс.зтах = ±(я-Фбл)'
Измерительный орган фаз определяет угол сдвига фаз между током в
месте установки защиты и током противоположного конца, отстоящего на
десятки и сотни километров. Информация о фазе удаленного тока
передается ВЧ сигналами. Для этого в комплекте каждой стороны линии имеется
орган управления передатчиком ГВЧ, называемый органом манипуляции
(ОМ) (манипуляция — частный случай фазовой модуляции). Орган
манипуляции разрешает работу ГВЧ лишь в положительные полупериоды
токов промышленной частоты. Поэтому ГВЧ посылает в КС манипулирован-
ный сигнал — пакеты ВЧ импульсов.
Для того чтобы фаза одного тока с каждой стороны несла информацию
о фазах токов трехфазной сети, используются симметричные
составляющие токов. На ОМ каждой стороны подаются напряжения выходов
комбинированных фильтров токов прямой /j и обратной /2
последовательностей (/j + kl2) и (/j + kl2)u •
157
Рис. 7.13. Временная диаграмма, поясняющая принцип работы ДФЗ при (р = var
Следовательно, в защите определяется угол между токами 1{ + к12
с двух сторон линии. На длинных линиях высокого напряжения в схеме
защиты предусмотрена компенсация емкостного тока линии для снижения
угловых погрешностей в определении угла между токами.
Приемники ВЧ (ПВЧ) «закрываются» ВЧ сигналом на их входе.
Диаграмма работы защиты при изменении угла ф = 0°—п приведена на
рис. 7.13. При ф = 71 между токами (внешнее КЗ) ГВЧ1 и ГВЧ2 работают в
разные полупериоды токов промышленной частоты, поэтому в ВЧ канале
появляется сплошной ВЧ сигнал, поступающий на вход ПВЧ1 и ПВЧ2, и
158
«)
Рис. 7.14. Схема включения РО на выход
ПВЧ (а) и фазная характеристика
защиты (б)
их закрывающий (меньший по амплитуде сигнал — от противоположного
конца линии). Следовательно, на входе ПВЧ и в реагирующем органе (РО),
включенном на его выход, ток отсутствует. При угле 0 < ф < я в ВЧ канале
появляются скважности (интервалы) между пакетами ВЧ импульсов,
длительность которых /ск = [я- |ф|]/со. На интервале tCK открываются ПВЧ и
на их выходе появляется импульс тока длительностью /и = fCK, а в РО —
его среднее значение /Р0 (рис. 7.14, а).
При ф = 0 в ВЧ канале появляются скважности /ск = я/со, а на выходе
ПВЧ — импульс максимальной длительности Ги = я/со. Среднее значение
тока /Р0 за полпериода промышленной частоты Г пропорционально:
/ро~[*-|ф|]/0,5©Г (7.5)
и является функцией угла сдвига между токами.
Фазная характеристика защиты, представляющая собой зависимость
среднего значения тока в РО от угла между токами по концам защищаемой
линии (/j + £/2), и (/j + kl2) , приведена на рис. 7.14, б, а возможное
выполнение РО, замеряющего среднее значение тока на выходе ПВЧ, — на
рис. 7.14, а. Практически для того, чтобы обеспечить надежное закрытие
ПВЧ при ф = я, длительность пакета ВЧ сигнала на выходе ГВЧ немного
больше пол периода промышленной частоты. Поэтому ток /Р0 = 0 в
диапазоне углов я ± Аф, где Аф — увеличенная ширина импульса. Требуемый
угол блокировки задается током срабатывания /с р реагирующего органа.
При отсутствии токов на входах фильтров отсутствует напряжение на
их выходах, т.е. нет манипуляции токов ВЧ и на выходе ГВЧ имеется
сплошной ВЧ сигнал. При плавном увеличении тока начинают появляться
небольшие скважности в ВЧ сигнале (рис. 7.15, а).
159
'._♦
a) 6)
Рис. 7.15. Зависимость импульсов от тока на входе фильтра:
в-/</ни1б_./>/н11
Чувствительность органа манипуляции оценивается током надежной
манипуляции /н м: минимальным током на входе фильтра, при котором
длительность импульса на выходе ГВЧ равна половине периода
промышленной частоты. Работа при токах, меньших тока надежной манипуляции,
может привести к отказу защиты при КЗ на линии (рис. 7.15, а, б).
В защите ДФЗ, как в любой высокочастотной (см. § 7.1), используются
две группы пусковых органов ПО: чувствительная, действующая на пуск
приемопередатчика, и грубая, подготавливающая цепь отключения.
Группы отличаются по чувствительности в 1,5—2 раза. В каждой группе
имеются отдельные органы для симметричного и несимметричных КЗ. В
большинстве модификаций защиты в группе чувствительных пусковых органов
для симметричных КЗ используется ПОТ, включенный на фазный ток /ф ч,
а для несимметричных — ПОТ обратной (и нулевой) последовательности с
током /2ч. В ряде случаев ток /ф ч не обеспечивает необходимой
чувствительности при КЗ в конце линии. Однако в момент возникновения КЗ
могут сработать ПОТ с током /2ч за счет кратковременной несимметрии.
Поэтому фиксируется на заданное время, достаточное для срабатывания
защиты, кратковременное срабатывание любого из чувствительных ПО,
обеспечивающих пуск приемопередатчиков.
Пуск приемопередатчиков происходит в момент срабатывания любого
из чувствительных ПОТ. Он остается запущенным на все время, пока хотя
бы один ПОТ остается в сработанном состоянии, а в случае возврата
ПОТ — на заданное время фиксации их кратковременного срабатывания.
В группы грубых ПО также входят: для симметричных КЗ ПОТ,
включенный на фазный ток /ф , и при недостаточной чувствительности
дополнительно ПОН и ПОС; для несимметричных КЗ ПОТ, включенный на
слагающие обратной и нулевой последовательностей, кратковременное
срабатывание которого также фиксируется на заданное время. С учетом
160
возможных ложных срабатываний измерительного органа фаз (ИОФ) при
нарушении ВЧ канала, ложных срабатываний ПОС (ПОН) при нарушении
цепей напряжения цепь на отключение выключателя линии
подготавливается ПО в следующих случаях: находятся в состоянии после срабатывания
ПОТ, включенные на /ф ина/2 — их срабатывание четко определяет
наличие КЗ; находится в состоянии после срабатывания ПОС (ПОН) и еще
не набрана выдержка времени фиксации срабатывания ПОТ с /2 —
наличие этих двух факторов также идентифицируется как КЗ (а не
неисправность в цепях напряжения).
Приемопередатчики можно пускать лишь при значениях
электрических величин в линии, превышающих надежную манипуляцию.
Несоблюдение этого может привести к отказу защиты при КЗ на линии, так
как она будет блокирована сплошным ВЧ сигналом при токах, меньших
надежной манипуляции.
Следовательно, чувствительность органа манипуляции должна быть
выше чувствительности ПО, действующих на пуск приемопередатчиков.
Упрощенная функциональная схема дифференциально-фазной ВЧ
защиты приведена на рис. 7.16.
Измерительно-преобразовательные части ИПЧ1 и ИПЧ2 двух полу
комплектов защиты подключаются к первичным измерительным
преобразователям — трансформаторам напряжения TV и тока ТА. Они состоят из
пусковых и измерительных органов релейного действия [2, 4, 5]:
пусковых органов фазного тока (максимальные измерительные реле
тока КА на рис. 7.16, а), токов обратной /2 и нулевой /0 последовательностей
(фильтр-реле тока KAZ2 о) и сопротивлений (направленное измерительное
реле сопротивления К2)\
измерительных органов сравнения фазных токов по концам линии КАв;
измерительных органов управления ВЧ передатчиком ZAX2.
Пуск ВЧ передатчика производится дискретным сигналом,
формируемым фильтром-реле KAZ2 q , состоящим из фильтров токов обратной ZA 2
(рис. 7.16, б) и нулевой ZA0 последовательностей и их выпрямителей (на
схеме не показаны); сумматора AW и элемента сравнения суммы амплитуд
(ЭСА) токов (непрерывного сигнала Е1) с заданным (запоминающим
элементом ЗЭ) значением Е2 = Езд релейного действия — компаратором ЕА
[5]. Ток обратной последовательности, как указывалось, появляется при
любом несимметричном, а кратковременно — и при трехфазном КЗ. Ток
нулевой последовательности используется для повышения
чувствительности пуска ВЧ передатчика при КЗ на землю, а пусковое реле фазного тока
КА — при симметричных КЗ.
Как видно из упрощенной функциональной схемы логической части
ЛЧ1> сигнал Хи на пуск управляемого передатчика GM1 проходит через
161
, 4-
J—i SI—«Г
162
логический элемент DW1 (ИЛИ) от KAZ2 q, сигнал которого, если он
кратковременный, запоминается на определенное время элементом памяти DT,
или от реле тока КА.
Орган управления высокочастотным передатчиком содержит
измерительный преобразователь в виде комбинированного фильтра токов ZA х 2
прямой и обратной последовательностей, обеспечивающий управление
высокочастотным передатчиком током прямой последовательности при
симметричных и током обратной последовательности при несимметричных
КЗ. Его сигнал Хм представляет собой напряжение промышленной
частоты, пропорциональное сумме токов /j+A72 прямой /j и обратной /^
последовательностей. Управление генератором заключается в
формировании импульсов токов ВЧ в течение положительного полупериода тока на
выходе ZA j 2.
Орган сравнения фаз токов KAQ на выходах фильтров ZA j 2 двух
полукомплектов устройств защиты представляет собой элемент сравнения фаз
двух синусоидальных величин релейного действия (ЭСФ РД). Он
формирует дискретный потенциальный сигнал при углах сдвига фаз между
токами, соответствующих КЗ на защищаемой линии W. Сигнал поступает на
верхний вход элемента DX(VL) логической части (ЛЧ), на нижний вход
которого приходит дискретный сигнал от элемента DW2 (ИЛИ) при
поступлении на его вход одного (или всех) сигнала от KAZ2 о > КА или KZ. При
этом электромеханическими (реле KL) или тиристорными
исполнительными элементами формируются отключающие воздействия Ху1, Ху2 на
выключатели Ql, Q2 линии.
Измерительное реле сопротивления KZ предусматривается для
обеспечения чувствительности и надежности действия защиты на отключение при
симметричных КЗ с относительно небольшим током, при котором реле
фазного тока КА не действует, а сигнал от KAZ2 0 отсутствует ввиду симметрии
трехфазной системы токов КЗ. Оно также состоит из нескольких
функциональных элементов (рис. 7.16, б): измерительных преобразователей ИП1,
ИП2 напряжения U и тока / , задающего элемента ЗЭ, операционных
преобразователей — сумматора AW и вычитателя АН, формирующих
синусоидальные ЭДС El и Е2, и элемента сравнения релейного действия ЕА ЭДС
El и Е2 по амплитуде (ЭСА) или фазе (ЭСФ) — измерительное реле
сопротивления выполняется на любом из них в зависимости от того, какими
функциями U и / являются ЭДС El, Е2 [5].
Исполнительные части ИЧ1, ИЧ2 полу комплектов защиты
представляют собой электромагнитные реле KL с относительно мощными
контактами, формирующие управляющие воздействия X j, X 2 на электромагниты
отключения выключателями Ql, Q2 линии.
163
Полукомплекты ДФЗ, установленные на разных концах линии, связаны
между собой ВЧ каналом связи КС — передающей информацию частью
ИЧ, содержащей генераторы (передатчики) ВЧ токов GM1, GM2 и их
приемники DM1, DM2.
Дифференциально-фазная защита селективна в сетях любой
конфигурации с любым числом источников питания и требует ее сочетания с
резервной относительно селективной защитой.
Защита быстродействующая, однако пока не удается выполнить ее для
линий сверхвысокого напряжения с временем срабатывания, меньшим 20 мс.
Повышенное время срабатывания вызвано необходимостью задержки в цепи
отключения на время прохождения блокирующего ВЧ сигнала к удаленному
от места внешнего КЗ комплекту, а также замедлением при работе вблизи
ф с зтах за счет длительного блокирующего сигнала.
Чувствительность органа манипуляции (ток надежной манипуляции)
и ПО удовлетворительна для любых двухконцевых линий. Однако на
линиях с ответвлениями (см. рис. 7.9), имеющими питание с приемной
стороны, оказывается необходимым дополнительно загрублять ПО,
контролирующие цепи отключения. В случае внешнего КЗ (К1) и равенства
токов с двух сторон /j = 12 ток /3 = 2/j. На двухконцевой линии, когда
при внешнем КЗ токи с двух сторон равны, ПО, контролирующие цепи
отключения, вдвое грубее ПО, пускающих приемопередатчики. В
рассматриваемом случае эти ПО необходимо загрублять в четыре раза по
сравнению с чувствительными.
Защита не реагирует на качания независимо от того, где расположен
центр качаний (на защищаемой линии или вне), так как в любом случае
токи с двух сторон защищаемой линии сдвинуты на угол тс.
Защита не срабатывает при отсутствии КЗ в неполнофазном режиме,
так как на защищаемой линии в этом режиме отсутствует источник
несимметрии, а значит, токи с двух сторон по-прежнему сдвинуты на п.
Отечественная промышленность выпускает ДФЗ, хорошо
зарекомендовавшие себя в эксплуатации. Этой защитой оборудованы почти все
линии напряжением U> 110 кВ. Однако наметилась тенденция к более
широкому использованию направленных ВЧ защит, обеспечивающих
большее быстродействие. В неполнофазном режиме эти защиты переводятся
в режим дифференциально-фазных.
8
ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
8.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Дифференциальные токовые — защиты с абсолютной селективностью.
Для работы абсолютно селективной защиты, которая должна достоверно
различать короткие замыкания в защищаемом элементе и вне его,
необходима информация о значениях электрических величин одновременно во
всех присоединениях элемента к системе. Поэтому абсолютно
селективные защиты, в отличие от относительно селективных, например
ступенчатых, используют специальные каналы связи, объединяющие все стороны
защищаемого элемента (рис. 8.1). В качестве каналов используются
проводные (вспомогательные или соединительные провода), высокочастотные
и радиоканалы. Здесь рассматриваются лишь продольные
дифференциальные защиты с соединительными проводами. В пределах станции
(подстанции) такими проводами являются жилы контрольных кабелей.
Дифференциальными называются защиты, в измерительных органах
которых непосредственно сравниваются электрические данные в двух
(или более) присоединениях защищаемого элемента. В продольных
дифференциальных токовых защитах с проводными каналами определяется
геометрическая сумма или разность токов всех сторон защищаемого
элемента: всех концов защищаемой линии, всех сторон защищаемого
трансформатора (автотрансформатора) при общей дифференциальной защите,
двух сторон (в нейтрали и на выводах) генератора, в полной
дифференциальной защите шин.
Принцип действия защиты рассматривается при ее выполнении для
одной фазы линии небольшой протяженности (рис. 8.2, а). С двух сторон
линии установлены трансформаторы тока с одинаковым коэффициентом
трансформации Kf. Условные положительные направления первичных
токов каждой стороны приняты от шин, где установлена защита, в линию.
Q1 ТА1
1г~ьЦ| Защищас-Lc^Qj^
■ '—'А А [мый элементII У—' ■
ТА2 Q2
L
£
АК
ТАЗ
Рис. 8.1. Каналы связи абсолютно селсктив- О-^РП
ной защиты |
165
"imtM
Чаш
jJLJho
ill1 Q2
211
HOT
Qb
«)
«)
«)
г)
Рис. 8.2. Принципиальная схема продольной дифференциальной токовой защиты на
линии с двухсторонним питанием (а), векторные диаграммы токов при внешнем (б)
и внутреннем (в) КЗ, пример выполнения защиты на линии с ответвлением (г)
Вспомогательными проводами соединены попарно зажимы
трансформаторов тока, обращенные внутрь и вовне защищаемого элемента, а на
геометрическую сумму их вторичных токов включен измерительный орган тока
ИОТ, в котором ток
i2I+ ^21Г
(8.1)
Такое подключение ИОТ на сумму (или разность) токов с разных
сторон элемента (или в разных элементах) принято называть
дифференциальным, а сами защиты — дифференциальными.
В рассматриваемом случае в нормальном режиме, при качаниях и
внешних КЗ (KJ) на векторной диаграмме первичные токи с двух сторон линии
равны по модулю, но при выбранных положительных направлениях
смещены по фазе: /п = -71И . Без учета намагничивающего тока ТА таким же
соотношением связаны вторичные токи /2I =-i2ip и согласно (8.1)
/р = 0 (рис. 8.2, б).
При КЗ в защищаемой зоне токи /и и /ш в общем случае
неодинаковы и ток / = (/п+ Ini)/Kl9 или / = iK/^/, где /к — полный ток
КЗ (рис. 8.2, в). При / > / защита срабатывает. Следовательно, защита
не может срабатывать в нормальном режиме, при качаниях и внешних КЗ,
так как ток в ее измерительном органе равен нулю. При КЗ в защищаемой
зоне защита срабатывает, если ток в ее измерительном органе больше или
равен току срабатывания. Повреждение между выключателем и
выносимым ТА (КЗ), защитой воспринимается как внешнее. Зона действия
защиты ограничивается трансформаторами тока, установленными по концам
защищаемого элемента.
На рис. 8.2, г приведена линия с ответвлением, ТА которого не включен
в схему дифференциальной защиты, т.е. получена схема неполной
дифференциальной защиты.
166
Ql
Чп
Vn /р1гпиот
iin Q2
a)
ЦП
Ql Ml
et
^111 Q2
III
йот
I» 1--M
o4~
В нагрузочном режиме при внешних
КЗ (распределение токов указано
стрелками) 1ц\\ ~ 1\\ + /цр а ток в ИОТ
защиты /р = i2I+/2II = /„„/*,, где К,—
коэффициент трансформации первичных
измерительных трансформаторов тока.
Следовательно, если в зоне защиты
имеется ветвь, трансформатор тока
которой отсутствует в схеме
дифференциальной защиты, то в ее ИО проходит ток
этой ветви. Это следует учитывать при
выборе тока срабатывания для
исключения ложных и излишних срабатываний.
В соединительных проводах
нормально циркулируют токи, что и определило
название продольной
дифференциальной защиты этого типа — защиты с циркулирующими токами.
При неисправности соединительных проводов возможны ложные и
излишние срабатывания, а также отказы защиты.
При обрыве соединительных проводов (рис. 8.3, а) 12ц = 0, а /р = 12\ •
В нормальном режиме / = I б/К/9 а при внешнем КЗ /р = IKIKh т.е. току
внешнего КЗ, проходящему по защищаемой линии. Если ток срабатывания
/с р < /раб/К7, то защита ложно сработает при обрыве и отключит
защищаемый элемент. При условии / > /раб/^7 защита не сработает
в нормальном режиме. Но если при обрыве произойдет внешнее КЗ, то
защита излишне отключит неповрежденный элемент.
При замыкании соединительных проводов (рис. 8.3, б) ИОТ защиты
оказывается зашунтированным. При КЗ в защищаемой зоне (К2) защита
может отказать. Исправное состояние соединительных проводов является
необходимым условием надежного функционирования защиты.
б)
Рис. 8.3. Неисправность цепей
продольной дифференциальной защиты:
обрыв (а) и замыкание (б)
соединительных проводов
8.2. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ
С ПРОВОДНЫМ КАНАЛОМ
При учете намагничивающих токов Г0 (см. рис. 3.2) ток в
измерительном органе определяется
iP = ^21+ i2n = (i'n + iW-aoi + io.i) (8-2>
или
где ток небаланса / б — сумма приведенных намагничивающих токов
измерительных трансформаторов тока.
167
Ток в защите (первичный)
-/з=^.--/нб.' (8-3)
где /нб1 — первичный ток небаланса.
При КЗ в зоне Z/j = / — току в месте КЗ, причем /к » /„g,
поэтому в (8.3) им можно пренебречь, тогда /3 = /к. При внешнем КЗ E/j =0
и/з=/нб1-
Следовательно, при практическом выполнении защиты при внешних
КЗ в ее измерительном органе проходит ток небаланса, определяемый
намагничивающими токами реальных первичных измерительных
трансформаторов тока.
С учетом того, что при внешних КЗ первичные токи смещены на я,
геометрическая сумма намагничивающих токов ТА оказывается не больше
намагничивающего тока одного из них |Х /J < /0. Дополнительное снижение
этой суммы учитывается коэффициентом однотипности кодн,
принимаемым равным 0,5—0,7 для однотипных ТА и единице для разнотипных.
В установившемся режиме внешнего КЗ относительное значение
намагничивающего тока определяется полной погрешностью £ и по аналогии
с (3.11) ток небаланса
*нб1 ~" *одн е'к внтах' (у^)
где ^к вн max — максимальный ток внешнего КЗ.
В переходном режиме КЗ токи небаланса возрастают, что определяется
различной трансформацией периодической и апериодической
составляющих переходных токов /к, а также различными постоянными времени
первичной Тх и вторичной Т2 цепи ТА.
При возникновении КЗ в момент максимального значения
периодической принужденной составляющей первичного тока короткого замыкания
Мпер появляется равная ей и противоположная по знаку апериодическая со-
-t/Tx
ставляющая /1ап: /j = Imcos(ot-Ime . Так как обе составляющие
изменяются во времени, то они трансформируются, распределяясь в схеме
замещения (см. рис. 8.2, б) между ветвями намагничивания и вторичной
обратно пропорционально их сопротивлениям. Для периодической
составляющей сопротивление вторичной цепи, определяемое как Z = R +у(о! , много
меньше, чем сопротивление ветви намагничивания Z2nep « Z0 . Поэтому
/1пер замыкается по вторичной цепи и в ветвь намагничивания ответвляется
лишь небольшая часть. Для апериодической составляющей сопротивление
168
■Av'X/x ,
нбшах
Рис. 8.4. Ток небаланса при переходном процессе внешнего КЗ
определяется Zan = R- LIT Для реальных ТА сопротивление ветви
намагничивания для апериодической составляющей оказывается много меньше,
чем для периодической составляющей Z0an « Z0nep, поэтому /0ап » /0пер
(рис. 8.4), т.е. апериодическая составляющая трансформируется во
вторичную цепь значительно хуже периодической. Так как в индуктивном
сопротивлении ветви намагничивания ток скачком не возрастает,
появляется свободная составляющая тока /свап, обусловливая в начальный
момент суммарный ток в ветви намагничивания, равный нулю: /01 = 0.
Составляющая iCB ап затухает с постоянной времени вторичной цепи Т2 » Тх.
Поэтому через несколько периодов после возникновения КЗ
намагничивающий ток, а следовательно, и определяемый им ток небаланса, могут достичь
максимального значения, существенно превышающего ток небаланса в
установившемся режиме. Повышенные значения этого тока оцениваются
коэффициентом апериодичности Аап, большим единицы:
(8.5)
' нб 1 max
к к F/
Лап Лодн с л к.вн max •
С учетом реальных соотношений £ап = 2—3. Ток срабатывания защиты
/ —к J
'с.з Лотс' нб1 max»
(8.6)
169
где котс — коэффициент отстройки, учитывающий неточность расчетов и
принимаемый равным 1,3—2,0. Ток срабатывания измерительного органа
'ср=*«Ч/К/- (8.7)
Коэффициент чувствительности защиты определяется минимальным
током в ИОТ при КЗ в защищаемой зоне
*4=W/cp^2. (8-8)
С учетом приведенных выше значений коэффициентов /с 3 ~ 0,4/к вн тах
и в некоторых случаях при КЗ в зоне и /к = /Kmjn (например, при
одностороннем питании) необходимая чувствительность не обеспечивается.
8.3. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТЫ
Для повышения чувствительности защиты необходимо уменьшить ее
ток срабатывания. Для этого в соответствии (8.5), (8.6) можно уменьшить
значение £ап или обеспечить меньший ток срабатывания защиты при КЗ в
зоне по сравнению с его значением при внешнем КЗ.
В первом случае будет снижено значение учитываемого тока небаланса
в переходном режиме, во втором — обеспечено автоматическое
повышение тока срабатывания защиты при переходе точки КЗ из защищаемой
зоны вовне.
Снижение значений &ап может быть достигнуто способами без
снижения отстроенности.
1. Замедлением действия защиты (до 0,3 с) на время, в течение
которого переходный процесс заканчивается. Однако сейчас этот способ
применяется редко, так как к защитам предъявляются все более высокие
требования по быстродействию.
2. Включением последовательно с ИОТ тока добавочного
сопротивления, снижающего апериодические слагающие тока в нем в большей
степени, чем периодические. Способ применялся ранее, когда для
дифференциальных защит использовались обычные электромагнитные реле тока.
3. Сравнением в измерительном органе фаз токов, а не их
комплексных значений (дифференциально-фазная защита). Намагничивающие
токи трансформаторов тока даже при переходном процессе КЗ не изменяют
угол между токами /21 и i2n ' близкий к п при внешних КЗ, до значений,
соответствующих диапазону углов при КЗ в защищаемой зоне. Таким
образом устраняется условие отстройки от тока небаланса при внешних КЗ.
Измерительный орган, реагирующий на разность фаз двух токов,
может быть выполнен различными известными способами.
Дифференциально-фазный способ используется в абсолютно селективных защитах линий
электропередачи (см. § 7.3).
170
4. Использованием апериодической слагающей в переходном токе
небаланса для увеличения тока срабатывания ИОТ (загрубления его). Это
достигается разными способами. Возможно выполнение ИОТ, содержащего
рабочую цепь, включенную дифференциально, с током / аб, обусловливающим
срабатывание, и тормозную цепь, в которую подается тормозной ток / с
выхода фильтра апериодической составляющей, препятствующий
срабатыванию. При КЗ в зоне в рабочей цепи проходит ток / аб = IJKj, а
в тормозной цепи ток отсутствует, так как апериодическая составляющая
/к быстро затухает (приблизительно 30 мс), т.е. / ~ 0. Этому
соответствует /с р min, определяющий чувствительность. При переходном процессе
внешнего КЗ /то Ф 0, и поэтому ток срабатывания ИОТ автоматически
увеличивается до нового значения /с > /с р min.
Широко используются специальные реле КАТ, содержащие
промежуточные насыщающиеся трансформаторы TALT и реле тока КА (рис. 8.5, а).
Ток в реле Г^ определяется ЭДС Е2 вторичной обмотки w2
трансформатора, значение которой, например среднее, пропорционально полному
изменению А Б индукции в магнитопроводе за период, т.е. Е2 = 2KB, где
К — коэффициент пропорциональности.
При КЗ в защищаемой зоне в первичной обмотке TALT проходит ток
/р = iJKjy практически не имеющий смещения относительно оси времени
(апериодическая составляющая быстро затухает), изменение индукции по
симметричному частному циклу достигает А В > 2ВС и среднее значение
Е2 ^ 2К-2ВС = 4 ВсК(рис. 8.5, б). Током срабатывания реле КАТ считается
наименьший ток / в первичной обмотке TALT, при котором срабатывает
реле. Между током / и вторичным током в реле КА связь нелинейная.
I' I'
б) в)
Рис. 8.5. Дифференциальная защита с КАТ (а), перемагничивание TALT при КЗ в зоне
(б) и при внешнем КЗ (в)
171
При внешнем КЗ в первичной обмотке TALT проходит ток небаланса,
полностью смещенный относительно оси времени за счет медленно затухающей
апериодической составляющей, и изменение индукции Д£ = Bs - Вг
(рис. 8.5, в). Поэтому среднее значение Е2 = K-2(BS - Вг) < 4 ВСК, и реле
не срабатывает. Реле функционирует правильно, если Вс > 0,5(BS - Вг).
Апериодическая составляющая, подмагничивая сердечник TALT,
уменьшает его сопротивление намагничивания, и при этом большая часть как
апериодической, так и периодической составляющей тока небаланса
проходит по этому сопротивлению в схеме замещения, не попадая в реле КА.
Отстроенность защиты повышается, поскольку для срабатывания
реле КА необходимо значение переходного тока небаланса в первичной
обмотке TALT существенно большее, чем значение периодического тока в
этой же обмотке.
Ток срабатывания защиты (8.5) и (8.6) может быть выбран меньшим,
поскольку принимается £ап = 1.
Торможение от токов плеч дифференциальной защиты используется
для снижения тока срабатывания защиты /с 3 при внутреннем КЗ по
сравнению с его значением при внешнем КЗ, определенным по (8.5), (8.6).
Принцип этого торможения рассматривается применительно к
измерительным органам тока, в которых сравниваются две электрические величины,
сформированные из токов /21 и /2П .
Рабочее значение выбирается равным геометрической сумме токов
/ аб = / . = 12\ + Ijw те* пРеДставляет собой рассмотренный выше
ток в дифференциальной цепи и обусловливает срабатывание реле.
В качестве тормозной, препятствующей срабатыванию, выбирается
геометрическая полуразность токов / = 0,5( /21 - 12ц) •
Характеристика срабатывания ИОТ (рис. 8.6, а), представляющая
зависимость /с = /(/тор), описывается выражением
'с.р ""'c.pmin *тор'тор> (°.У)
где /с — ток срабатывания ИОТ, изменяющийся при изменении /тор;
k — коэффициент торможения, определяющий угол наклона
характеристики а = arctg к , a /с in — минимальный ток срабатывания реле
ПРИ 'тор = °-
В условиях срабатывания / б = /с . Характеристика срабатывания
делит плоскость на область срабатывания, расположенную выше, и область,
где защита не срабатывает, расположенную ниже характеристики.
При внешнем КЗ, когда угол между токами /21 и /2П близок к п
(рис. 8.6, б), рабочий ток мал и равен Г б = /нб, а тормозной Г =
172
c.pmin
б)
в)
Рис. 8.6. Характеристика срабатывания реле (а) и векторные диаграммы токов при
внешнем КЗ (б) и КЗ в зоне (в)
= 0,5(2/квнтах)//^/ значителен, что соответствует точке А' (рис. 8.6, а),
расположенной в области несрабатывания.
Для срабатывания при токе I' по характеристике срабатывания
необходимо иметь /раб > Гс р.
При КЗ в зоне, когда угол между токами /^ и /^ц невелик (не
превышает десятых долей л), рабочий ток /ра5 ~~ IKlKj значителен (рис. 8.6, в), а
ток I" существенно меньше и точка Л "расположена в области
срабатывания. Току I" по характеристике срабатывания соответствует I" < I'
Следовательно, если в защите без торможения ток срабатывания
остается неизменным при внутренних и внешних КЗ и равным / = /' то
в защите с торможением при внутренних КЗ возможно снижение тока
срабатывания в пределе до /с min и повышение чувствительности к коротким
замыканиям. Повышение чувствительности иллюстрируется в координатах
/раб и / заштрихованной областью на рис. 8.7, а.
В сети (см. рис. 8.2, а) при любых внешних КЗ (KJ, К2, КЗ) в любых
режимах (одно- или двухстороннее питание) в защите имеется торможение,
c.pmin
Рис. 8.7. Сравнение чувствительности дифференциальной защиты с торможением
и без торможения (д), определение /Сф.расч (б)
173
определяемое токами 12\ и /2П (либо одним из них). Если принять ток
равный /cpmjn, то для исключения срабатывания защиты при внешних КЗ
следует выбрать такой коэффициент торможения к , чтобы при
максимальном токе IK вн тах ток срабатывания оказался равным току (или
большим) 1'с р, а при КЗ в зоне снижался до /£'р (см. рис. 8.6, а).
Торможение от токов плеч является автоматическим увеличением тока
срабатывания защиты при увеличении тока внешнего КЗ. Этому
соответствует порядок расчета параметров защиты с торможением: определяется
лс.р mm
жения к.
при отсутствии торможения, затем выбирается коэффициент тормо-
тор таким, чтобы при токе /квнтах обеспечивался ток /с
больший, чем токи небаланса в его ИОТ.
Так как в защите с торможением при снижении тока КЗ (например, при
замыкании через переходное сопротивление) снижаются оба тока /ра§ и
/тор, то коэффициент чувствительности принято определять графически.
На графике (рис. 8.7, б), где изображена характеристика срабатывания,
строится прямая изменения / б при изменении тока /к. Прямая проходит
через начало координат и точку К, ордината которой определяется
минимальным током /Kmjn/^/, а абсцисса — током /то при указанном токе в
рабочей цепи.
Пересечение построенной прямой с характеристикой срабатывания
определяет расчетное значение 1С расч, и тогда
*,=Лстт/*/'с.рр«ч- (81°)
При определении требуемого значения коэффициента торможения
кто следует учитывать возможность одностороннего питания КЗ
(отключен, например Q2, см. рис. 8.2, а), когда /раб = /21, а /тор = 0,5/2i , и
кч может оказаться недостаточным. В защитах с торможением £тор =
= 0,15—0,5.
При аппаратной реализации ИО с
линейными характеристиками его
элементов (рис. 8.8) влияние переходного
тока небаланса не снижается, поэтому
в(8.5)*ап=2-3.
Широко используется магнитное
торможение, позволяющее снизить
влияние переходного тока небаланса
(принять в расчетах кяп = 1), а также
К схеме сравнения v г г ап
обеспечить одновременное снижение
Рис. 8.8. Принципиальная схема ИО ^ тго
с торможением тока срабатывания при внутренних КЗ.
174
ZX Q2
Рис. 8.9. Принципиальная
схема реле с магнитным
торможением (а) и его
характеристика
срабатывания (б)
а)
Для этого применяется измерительный орган KAW с промежуточным
насыщающимся трансформатором TALT (рис. 8.9, а) с первичной рабочей
обмоткой wраб1, включенной в дифференциальную цепь, т.е. на геометрическую
сумму токов 121 и 12и, и вторичной рабочей обмоткой wpa62, к которой
подключается реле тока КА.
В тормозных обмотках w , расположенных на крайних стержнях,
токи /21 и 12и создают магнитодвижущие силы FTOp, а соответствующие
им потоки обусловливают эффект торможения. Обмотки w включены
так, что в режимах нагрузки и при внешних КЗ (или качаниях)
создаваемые ими потоки (сплошные стрелки) подмагничивают крайние стержни
практически до насыщения и затрудняют трансформацию тока небаланса
из обмотки wpa61 в обмотку w б2. В обмотках и>раб2 ЭДС, индуцируемые
тормозными потоками в указанных режимах, компенсируются, и в реле
КА ток отсутствует.
Параметры трансформатора TALT выбираются так, что при КЗ в зоне,
когда в обмотке w б1 проходит ток IK/Kj (пунктирные стрелки),
создаваемый рабочий поток индуцирует в и>раб2 суммирующиеся ЭДС и ток в реле
КА, достаточный для его срабатывания.
Следовательно, магнитное торможение также реализует снижение тока
срабатывания ИО при внутреннем КЗ по сравнению со значением этого
тока при внешнем КЗ.
Использование нелинейного элемента (насыщающегося
трансформатора) в создании торможения обусловливает нелинейную
характеристику срабатывания.
175
Так как в реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами
TALT токи срабатывания устанавливаются изменением числа витков TALT,
то характеристики реле KAW изображаются в координатах
магнитодвижущих сил Fpa6 (FTOp), как на рис. 8.9, б.
Апериодическая составляющая переходных токов небаланса также
подмагничивает сердечник TALT, ухудшая трансформацию /нб из обмот-
ки wpa6l в ^рабг* Поэтому измерительный орган с магнитным
торможением повышает чувствительность защиты как за счет снижения /с р при
внутренних КЗ, так и снижения влияния переходных значений /нб,
позволяя принять Аап = 1.
9
ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
9.1. ОСОБЕННОСТИ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ
ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА (АВТОТРАНСФОРМАТОРА)
В соответствии с ПУЭ дифференциальная защита обязательно
устанавливается на одиночно работающих трансформаторах мощностью
ST > 6,3 MB • А и на параллельно работающих трансформаторах
собственных нужд мощностью 5Т > 4,0 MB • А.
С учетом замыкания внутри обмоток, а также витковых КЗ, когда токи в
защите могут быть малы, желательно, чтобы ток срабатывания защиты был
как можно меньшим. В настоящее время для мощных дорогостоящих
трансформаторов (63 MB • А и больше) считается необходимым иметь
/с з = 0,3/ном; Для трансформаторов меньшей мощности 7С 3 < (1,5—2,0)7ном,
а в некоторых случаях для маломощных трансформаторов при достаточном
коэффициенте чувствительности допустим 7С 3 = (3—4)7ном.
Продольная дифференциальная защита может быть выполнена
отдельно для каждой обмотки и общей для всех обмоток.
Однако выполнение такой защиты трансформатора (рис. 9.1, а) имеет
недостатки: большее количество трансформаторов тока, которые должны
быть установлены с двух сторон выводов каждой обмотки, большее
количество измерительных органов тока, и, кроме того, такая защита
принципиально не реагирует на витковые КЗ в трансформаторе. Действительно,
в замкнувшихся витках (рис. 9.1, б) циркулируют токи 7К, однако токи 7j
С
8
о)
~КИОТ1
^СИОТ2 zZL*
б)
8
Р*Ъ
>киот
в)
Рис. 9.1. Отдельные дифференциальные защиты обмоток трансформатора (а),
витковые КЗ в обмотке (6), общая дифференциальная защита (в)
177
и /п одинаковы; соотношение такое же, как и при внешнем КЗ. Отдельные
защиты не устанавливаются.
Общая продольная дифференциальная защита всех обмоток (рис. 9.1, в)
существенно проще, в ней меньшее количество ТА и ИОТ, и она реагирует
на витковые КЗ. Токи 1{ и /и в разных обмотках не равны, и защита может
сработать.
В настоящее время используется общая продольная дифференциальная
защита. Однако ее выполнение имеет ряд особенностей.
1. Необходимость учета схемы соединения обмоток защищаемого
трансформатора. Подробно это требование рассматривается для наиболее
распространенной схемы соединения обмоток Y/Л-И (рис. 9.2, а).
В симметричном нагрузочном режиме первичные (вторичные) токи на
стороне звезды и треугольника сдвинуты на угол п/ 6 (рис. 9.2, б).
В ИОТ защиты проходит разность этих токов, которая при /2у = ^2Л =
= /2 равна А/ = 2/2sin7i/12 и может привести к ложным или излишним
срабатываниям при А/ > /с 3.
Фазовый сдвиг токов /у и /д ликвидируют за счет различных схем
соединений групп ТА с разных сторон защищаемого трансформатора.
При выполнении общей продольной дифференциальной защиты ТА со
стороны звезды и треугольника защищаемого трансформатора следует
соединить по схемам, которые компенсируют фазовый сдвиг токов /у и 1&-
Для схемы Y/Л-Н возможны два варианта соединений ТА.
Как правило, на стороне звезды защищаемого трансформатора Т
обмотки соединены в треугольник по 11-й группе, а на стороне треугольника —
в звезду (рис. 9.3, а). При этом ток в цепи циркуляции (в плече защиты) на
стороне звезды / у оказывается смещенным на я/6 относительно /2у и
совпадает по фазе с током в цепях циркуляции на стороне треугольника
iuA = ^2Л (РИС- 9'3> б)"
При заземленной нейтрали трансформатора такое соединение
исключает токи нулевой последовательности в ИОТ при внешних К^ ' и К^ ' К
/2Y
(3©
I
-У
I
llA
а)
6)
Рис. 9.2. Однолинейное изображение дифференциальной защиты трансформатора (а)
и векторная диаграмма токов (б)
178
J2Y
* -ш
цд
в)
г)
Рис. 9.3. Принципиальная схема
дифференциальной защиты
трансформатора (а), векторная
диаграмма токов в нагрузочном режиме
(б), соединение ТА2 по первой
группе («), векторная диаграмма
токов (г)
Во втором случае ТА на стороне звезды защищаемого трансформатора
соединяются в звезду, а на стороне треугольника — в треугольник
(рис. 9.3, в). При этом ток / д оказывается сдвинутым на п/6
относительно тока /2Д и совпадает с током / у = /2Y (рис. 9.3, г).
Для однотипных схем и трансформаторов с изолированной нейтралью
применяется первый вариант соединения ТА.
Так как в схеме (рис. 9.3, а) в симметричном режиме ток в цепи
циркуляции и вторичный ток связаны соотношением /цУ = УЗ /2Y > то для
получения в цепях циркуляции токов, близких ко вторичным
номинальным токам ТА, коэффициенты трансформации последних выбираются с
учетом соотношений:
Лу ном - ST/V3 UY ном; /1Д ном -ST/V3 UA ном;
К\У ном " ^ 3 Л У ном/72 ном'
^1Л ~Лд hom/j^2 ном'
(9.1)
ГДе ^У ном' иА ном ' Л У ном и Л Л ном — номинальные значения тока и
напряжения на стороне звезды и треугольника защищаемого
трансформатора; /2ном — номинальный вторичный ток ТА (1 или 5 А).
179
2. Защитное заземление токовых цепей защиты (вторичных цепей
ТА) выполняется у ИОТ (а не у каждой группы ТА). Это исключает
появление дополнительных токов небаланса, вызванных разными потенциалами
двух мест заземления при КЗ на землю в пределах защищаемых объектов,
а также ЭДС, наводимыми в петле соединительные провода—земля.
Так же выполняется заземление в дифференциальных защитах машин и
аппаратов, так как справедливы приведенные положения.
Кроме этого в дифференциальных защитах трансформаторов, если одна
группа ТА соединена треугольником, а другая — звездой, заземление
каждой группы ТА создает контуры, шунтирующие их вторичные обмотки.
3. Необходимость учета намагничивающего тока /0 защищаемого
трансформатора. В соответствии со схемой замещения двухобмоточного
трансформатора и указанным направлением токов (рис. 9.4, а) ток
Го ~ 1у ~ Iд > а в ИОТ условно изображенной дифференциальной защиты
ток / = (/у-/д)/^7 = I'q/K/, где Kj — коэффициент трансформации
трансформатора тока. Следовательно, в дифференциальной цепи общей
продольной дифференциальной защиты трансформатора проходит его
намагничивающий ток. Это означает, что в зоне защиты имеется ветвь с
током, не включенным в цепь дифференциальной защиты.
В нормальном режиме работы трансформатора его намагничивающие
токи малы (3—5 % /ном) и могут не учитываться при выполнении защиты.
Ф(В)
б)
Рис. 9.4. Схема замещения
трансформатора (а),
изменения Ф(Г) в сердечнике (б),
зависимость Ф(/0) (в)
180
Однако при скачкообразном возрастании напряжения на
трансформаторе, при его включении на холостой ход, восстановлении напряжения
после отключения близких внешних КЗ, а также при перенапряжениях,
эти токи достигают больших значений и называются бросками тока
намагничивания (БНТ).
Для иллюстрации рассматривается включение трансформатора на
холостой ход в момент, когда напряжение и - О (рис. 9.4, б, в) и должно
соблюдаться равенство Фуст = Фуст/„. Однако значение Фустт при / = О
скачком установиться не может, появляется свободная апериодическая
составляющая Фсв, начальное значение которой равно (-Фустт), а
результирующего потока Ф2 — нулю. Примерно через полпериода значение Ф£
возрастает до Ф2 > Ф ст т.
Даже небольшое увеличение потока приводит к насыщению магнито-
провода трансформатора и к резкому увеличению его намагничивающего
тока, достигающего /БНТ = (6—8)/ном, что значительно превосходит
допустимые токи срабатывания защиты. Здесь номинальный ток /ном для
трансформатора определяется номинальной мощностью и номинальным
напряжением, соответствующим среднему ответвлению от обмотки высшего
напряжения трансформатора с УРПН (устройством регулирования
напряжения под нагрузкой). Для автотрансформатора ток /ном рассчитывается по
его электромагнитной мощности (а не проходной), так как БНТ
определяется объемом стали сердечника, который соответствует этой мощности.
Для того чтобы различить в дифференциальной цепи токи
внутреннего КЗ, требующие срабатывания защиты, и БНТ, могущие привести к
ложному срабатыванию, анализируются форма и гармонический состав
этих токов [2, 4]. При этом приходится учитывать, что насыщение магни-
топровдда, которое и определяет БНТ, возможно лишь в пределах части
периода промышленной частоты, а в оставшейся части насыщение
отсутствует и /БНТ = 0. Возможны броски намагничивающего тока /gHT1
малой кратности, близкие к /ном, без апериодической составляющей, но с
большим содержанием второй гармоники. Результирующая кривая тока
имеет интервал времени А г01, в котором /'ehti = 0 (Рис- 9.5, а).
При значительных БНТ /£нт кривая смещена по одну сторону оси
времени и характеризуется наличием апериодической составляющей и
второй гармоники. Результирующая форма БНТ также имеет интервал
А/01 с /gHT1 = 0, однако меньшей, чем в первом случае, длительности (на
рис. 9.5, а не показана).
181
Рис. 9.5. Форма кривой токов при БНТ и КЗ в первичной цепи (а), во вторичной цепи
ТА (б), ЭДС на выходе трансреактора TAV (в)
Форма вторичных токов дополнительно искажается за счет насыщения
ТА защиты. При малых значениях БНТ интервал А/02 с /'бНТ2 = 0
уменьшается. При значительных БНТ во вторичной цепи появляется
апериодическая составляющая в /gHT2 , обусловленная насыщением ТА (рис. 9.5, б).
При значительных токах внутреннего КЗ /к во вторичном токе также
появляются вторая гармоника и интервал времени А/0к с 7К2 = 0.
В устройствах дифференциальной защиты трансформатора
используется производная вторичного тока, получаемая при помощи трансреактора от
ЭДС еБНТ (рис. 9.5, в). Трансреактор оказывается корректирующим
звеном, так как производная обратной полуволны, имеющей малую крутизну,
существенно уменьшается по сравнению с ее значением на входе
трансреактора: возможна отстройка от нее. Трансреактор также исключает
апериодическую составляющую и увеличивает интервал времени А/0 и высшие
гармоники как в токе /'бнт> так и в 'к- Следовательно, во всем диапазоне
кратностей тока нельзя различить по одному из признаков БНТ ток
внутреннего КЗ. Действительно, если БНТ идентифицировать по наличию
интервала A f q , то защита откажет при больших токах внутреннего КЗ.
Если БНТ идентифицировать по наличию апериодической
составляющей, то ток срабатывания защиты следует отстроить от БНТ, близких к /ном
(возможно отсутствие апериодической составляющей). Тогда при
внутренних КЗ такая защита может загрубляться и замедляться. Последнее
относится к случаю идентификации БНТ по содержанию токов второй гармоники.
182
Наконец, БНТ можно учесть значением /БНТ = (6—8)7ном. Тогда при
внутренних КЗ с током, большим указанного, такая грубая защита будет
без замедления действовать на отключение.
Для трансформаторов малой мощности защита может выполняться
с небольшим замедлением, при этом значение БНТ снижается, и ток
срабатывания грубой защиты — дифференциальной отсечки принимается
А,з=(4-4.5)/„ом.
В разработках Новочеркасского политехнического института
предлагается идентифицировать БНТ произведением максимального мгновенного
значения /БНТ (или /к) и длительности интервала А/0. Это позволяет
расширить диапазон токов внутреннего КЗ, при котором защита их отличает
от БНТ: при одинаковых максимальных мгновенных значениях /БНТ и /к
первый будет иметь больший интервал А /0.
Дифференциальную защиту трансформатора для отстройки от БНТ
выполняют в виде нескольких независимых каналов, объединяемых на
выходе схемой ИЛИ. Ни один из каналов не должен срабатывать при любой
кратности БНТ. При внутренних КЗ с током, большим /с 3 min, должен
срабатывать хотя бы один канал. В дифференциальной защите
трансформатора применяется реле с насыщающимся трансформатором TALT (см.
предыдущую главу), в котором отстройка от БНТ, как и от переходных /нб,
обеспечивается за счет содержащейся в них апериодической
составляющей. Защиты выполняются на ток /C3mjn - 0>3—1,5)/ном и при
внутренних КЗ срабатывают с небольшим замедлением, определяемым наличием
апериодической составляющей в токе КЗ.
Для мощных трансформаторов (автотрансформаторов) применяется
двухканальная дифференциальная защита типа ДЗТ-21 и ДЗТ-23.
Чувствительный канал с током /C3mjn = 0>"^ном использует производную
вторичного тока, получаемую с выхода трансреактора TAV, и
идентифицирует БНТ наличием интервала Af0 с /БНТ = 0, большего, чем при /к = О
(времяимпульсный принцип). Применяется также торможение от второй
гармоники. Грубый канал (дифференциальная отсечка) выполнен с током
срабатывания/сз =(6—9)7 ном.
Функциональная схема, реализующая времяимпульсный принцип,
приведена на рис. 9.6. На вход формирователя прямоугольных
импульсов ФИ поступает выпрямленная ЭДС трансформатора TAV,
пропорциональная производной дифференциального тока. Так как БНТ могут
содержать отрицательную полуволну, ток срабатывания формирователя
импульсов /с должен быть больше амплитуды этой полуволны. На
выходе ФИ появляются малые интервалы А/0к между импульсами при токе
на входе /к и значительно большие при /БНТ-
183
а)
i
т
'<h и 1
ф.И
',„]
H
A
1—f
■J
к
H
Ы
A
/
ki/
t
t
Af,
'06
/ 6)
Рис. 9.6. Схема (а) и график (б), иллюстрирующие отстройку защиты от БИТ,
тормозная характеристика (в)
Элемент временной памяти ВП не успевает вернуться между
импульсами тока /к, и на его выходе оказывается непрерывный потенциальный
сигнал /в п. Поэтому на выходе элемента временной задержки ВЗ через
некоторое время (-20 мс) также появляется потенциальный сигнал /вз,
обусловливающий действие защиты.
Элемент ВП успевает вернуться во время интервала А/об между
импульсами тока /бнТ' а эл^мент временной задержки ВЗ не успевает при
этом сработать.
Защита содержит автотрансформаторы тока для выравнивания МДС от
токов плеч и промежуточные трансформаторы для формирования
тормозных величин, определяемых токами плеч. Торможение осуществляется
арифметической суммой выпрямленных токов плеч. Включенный в эту
цепь стабилитрон обеспечивает начало торможения при заданных токах
/тн = (0,6—1)/ном (рис. 9.6, в), что повышает чувствительность защиты при
малых токах внутренних КЗ (отсутствует торможение).
К выходу вторичной обмотки и>2 трансреактора ТА V
дифференциальной цепи после выпрямителя VS подключен фильтр второй гармоники,
подающий к реагирующему элементу (РЭ) тормозную величину, пропорцио-
184
нальную этой гармонике. Такое торможение исключает срабатывания при
/БНТ со значительной отрицательной полуволной, когда может появиться
дополнительный импульс на выходе ФИ.
Рабочая величина подается к РЭ с выхода отдельной обмотки TAV.
В эту же цепь включен ИОТ дифференциальной отсечки, которая должна
срабатывать при значительных токах /к при КЗ в зоне. В этом случае РЭ
может не сработать (или сработать с замедлением), так как насыщение ТА
приведет к смещению кривой /к и появлению второй гармоники.
В разрабатываемой программной дифференциальной защите
трансформатора предполагается выполнить три основных канала и один
специальный. Основной чувствительный канал с /с 3 mjn = 0,3/ном идентифицирует
БНТ описанным выше произведением производной мгновенных значений
дифференциального тока и интервала Д/0. Средний по чувствительности
канал с /C3min = 0»0—1,5)7ном использует в качестве рабочей величины
отфильтрованную составляющую промышленной частоты
дифференциального тока, а в качестве тормозной (идентифицирует БНТ) — его
апериодическую составляющую. Грубый основной канал — дифференциальная
отсечка с /с з = 6/ном — реагирует на производную мгновенных значений
дифференциального тока. Специальный канал вводится в работу на время
точной трансформации ТА (5—6 мс) по факту отсутствия перенапряжений
защищаемого трансформатора и коммутаций на подстанции, т.е. в
режимах, при которых БНТ не появляется. Поэтому /с 3 определяется другими
факторами (см. ниже).
4. Необходимость учета дополнительных составляющих тока
небаланса, вызванных неравенством токов в плечах циркуляции /цу * /цд,
причина которого поясняется примером.
Пусть номинальные токи защищаемого трансформатора со схемой
соединения обмоток Y/Д-Н равны /Y ном = 330 А, /д ном = 5200 А. Выбрать
трансформаторы тока дифференциальной защиты со вторичными
номинальными токами /2ном = ^ А.
Трансформаторы тока выбираются из стандартного ряда с первичными
номинальными токами, ближайшими к заданным с учетом схем
соединения их вторичных обмоток. В соответствии с (9.1) на стороне звезды
силового трансформатора при расчетном значении первичного тока
*/3 /Y ном = <Л • 330 = 570 А принимается TAcKj = 600/5 = 120, а на
стороне треугольника соответственно при /А ном = 5200 А с К{ - 6000/5 = 1200.
При этих значениях Kf в номинальном режиме в цепях циркуляции
проходят токи со стороны звезды /цУ ном = 330 • V3/120 =4,7 А и со
стороны треугольника /цД ном = 5200/1200 = 4,2 А.
185
В нормальном режиме в реле проходит доля номинального тока А/выр =
= (7цУном " /цЛном)//цУном = (4>7 " 4>2)/4>7 s 0,1 (при приведении тока
/к к стороне звезды силового трансформатора), а значение этого тока
/ = 0,1/цУном- Соответственно при внешнем КЗ / = 0,1/к, что
учитывается при выборе тока срабатывания ИОТ.
5. Необходимость учета регулирования напряжения, создающего
дополнительные токи небаланса, так как при этом изменяется
коэффициент трансформации защищаемого трансформатора в диапазоне ± ЛС/рег, а
следовательно, и соотношение между токами /Y и /д.
Рассмотренные особенности учитываются при выборе параметров
срабатывания защиты.
Расчетное значение тока небаланса при внешних КЗ /нбрасч
определяется суммой абсолютных значений трех составляющих [2]:
^нбрасч=|/'„б1 + Кнб1+1Сб1. (9-2)
где /'нб — составляющая тока небаланса, определяемая погрешностью ТА
в переходном режиме КЗ; /„б — составляющая, определяемая
регулированием напряжения на трансформаторе; Г^б — составляющая, определяемая
неравенством токов в цепях циркуляции.
При выборе параметров срабатывания все составляющие
пропорциональны токам внешних КЗ в заданной точке или токам качаний /к тах.
Значение /нб определяется по (8.5). Следует отметить, что для трехоб-
моточных трансформаторов, и особенно автотрансформаторов, эта
составляющая может быть значительной при питании точки КЗ с двух сторон (см.
рис. 9.7, б). /нб тах при КЗ в К1 будет определяться током / ш = Ij + 1ц •
Составляющая /„б определяется диапазоном регулирования
напряжения ±Д£/рег:
'нб^реЛтах- (9-3)
Составляющая /^ определяется значениями номинальных первичных
токов ТА, которые выбираются по стандартной шкале. С этими значениями
могут не совпадать номинальные первичные токи разных сторон
защищаемого трансформатора, а следовательно, рассчитанные по ним токи в цепях
циркуляции окажутся различными:
^выр "" v цУ ном ~~ цЛ ном^к max/ цУ ном' I
/'" = д f г | \ • )
нб J выр к max * J
186
С учетом рассмотренных особенностей общей дифференциальной
защиты трансформатора ток срабатывания выбирается большим из двух
условий:
отстройки от возникающего при скачкообразном возрастании
напряжения на трансформаторе броска намагничивающего тока, который
оценивается кратностью относительно номинального тока
'сз^'ном. (9-5)
где к — коэффициент, принимаемый в зависимости от способа
идентификации БНТ (0,3—6);
отстройки от расчетного тока небаланса, определяемого при токах
внешнего КЗ или качаний
чз- *отс^нб расч> (9-6)
где котс — коэффициент отстройки, учитывающий погрешности реле,
ошибки расчета и необходимый запас (1,3—1,5).
Следует отметить, что расчетные условия (9.5) и (9.6) наблюдаются в
разных режимах. Максимальные значения (9.5) соответствуют
скачкообразным возрастаниям напряжений при включении на холостой ход,
перенапряжениях, в момент отключения внешних КЗ, а максимальные
значения по (9.6) — в переходном режиме внешнего КЗ.
Выбор параметров срабатывания производится обычно для
модификации защиты, определяющей значение ее минимального тока срабатывания
по условиям отстройки от БНТ. Поэтому если определяющим явилось
условие (9.5), то для данной модификации нет возможности снизить ток
срабатывания защиты. Если большим получилось значение по (9.6),
необходимо использовать возможные способы снижения /с 3.
Так, для снижения 1'нб следует рассмотреть мероприятия, позволяющие
снизить влияние переходных значений /'нб, приняв £ап = 1: применить ИОТ
с насыщающимися трансформаторами или с торможением апериодической
составляющей, использовать ИОТ с трансформаторами,
дифференцирующими эту составляющую, использовать для действия защиты
принужденную периодическую составляющую промышленной частоты и т.д.
Для снижения составляющей /^б в любых исполнениях
предусматривается выравнивание токов в цепях циркуляции промежуточными
трансформаторами или автотрансформаторами тока либо выравнивание МДС
специальным выбором числа витков обмоток промежуточных
трансформаторов. В программной реализации дифференциальных токовых защит
токи могут корректироваться умножением на постоянные или
переменные коэффициенты.
187
ipa6
КАЩр&б)
КАЩтор)
*ю
flТА1
С
-'ш
ТАЗ ЛАУ
О
г^г
<0
Рис. 9.7. Использование торможения для двухобмоточного трансформатора с
односторонним питанием (а) и определение /нбтах в дифференциальной защите трехобмо-
точного трансформатора (б)
Если и при сниженных значениях /„б и Г^б новое значение /сз,
полученное по (9.6), больше, чем по (9.5), следует предусмотреть торможение
от токов плеч для снижения тока срабатывания при внутренних КЗ по
возможности до значения, определяемого по (9.5). При использовании
тормозной характеристики с горизонтальным участком (см. рис. 9.6, в)
необходимо дополнительно проверить отстройку /с 3 min от токов /нб до
начала торможения.
На двухобмоточном трансформаторе с односторонним питанием при
использовании в качестве /тор тока трансформатора ТА2 (рис. 9.7, а)
торможение имеется только при внешних КЗ и отсутствует при КЗ в зоне. Поэтому
ток срабатывания может быть выбран лишь по (9.5) — он будет током
срабатывания при внутренних КЗ. Для исключения срабатывания защиты при
внешнем КЗ по (9.6) определяется 1СЗ при /квнтах и при условии /Т0р =
= /„
рассчитывается необходимый коэффициент торможения.
На автотрансформаторе, как и на трехобмоточном трансформаторе,
для торможения используют ток от ТАЗ (рис. 9.7, б), так как при этом
отстройка от токов небаланса при внешнем КЗ с наибольшим током (KJ)
будет обеспечиваться торможением, а при КЗ в защищаемой зоне
торможение будет отсутствовать. При необходимости дальнейшего снижения тока
срабатывания дополнительно обеспечивается торможение током ТА J или
ТА2, однако при этом и при КЗ в зоне защита также работает с
торможением и ее /сз >/C3min-
188
9.2. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ СИНХРОННЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ, КОМПЕНСАТОРОВ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Трансформаторы тока защиты устанавливаются на фазных выводах и
выводах к нейтрали. При соединении обмоток по рис.-9.8, а ТА! и ТА2
имеют одинаковые Kj, токи 1Х и /п в плечах защиты равны по модулю в
нормальном режиме и при внешних КЗ. При наличии параллельных
ветвей к схеме соединений ТА по рис. 9.8, 6ТА1 и ТА2 имеют разные Kh и
токи /j и /п в указанных режимах могут различаться. Для исключения
составляющей /„б (9.4) необходимо выравнивание токов (или МДС)
в плечах защиты (см. § 8.3).
Рассматриваемая защита используется лишь от многофазных КЗ в
обмотках и на выводах статора. Для генераторов при замыкании в обмотке
ток в защите может быть мал. В этом случае желательно иметь возможно
меньшим и ток срабатывания защиты.
Для действия защиты при двойных КЗ на землю защита должна
выполняться трехфазной. Действительно, при K^Bq (рис. 9.9), когда одно место
находится в зоне защиты генератора К^вВ , а второе К^вС — вне ее, ток
повреждения проходит в фазах В и С. Однако для фазы С это внешнее КЗ,
и ее ИОТ не срабатывает, а в фазе В отсутствуют ТА и ИОТ. При установке
на генераторе токовой защиты нулевой последовательности от £ ,
действующей на отключение, на нее возлагаются функции защиты от К
(1,1)
дв
ЛВС
ЛВС
ТА1
ТА2
ТА1
>
К продольной
дифф. защите
ТА2
>
К продольной
дифф. защите
а) б)
Рис. 9.8. Соединение цепей при одинаковых Kf ТА1 и ТА2 (а), при различных Kf TAJ
и ТА2 (б)
189
ТА1
tZt
TA2
-TY^TV-
ГУН
И0Т1
7к(М)
/ АДвС
И0Т2
Рис. 9.£. Защиты при АдВ'
В этом случае продольная дифференциальная токовая защита может
выполняться двухфазной.
При однофазных замыканиях в обмотке статора К3 защита не сраба-
тывает, так как ток /3 несоизмеримо меньше возможных токов
срабатывания продольной дифференциальной защиты.
Рассматриваемая защита (независимо от значения ее /сз) не
реагирует на витковые КЗ в обмотке статора, как и отдельная защита обмотки
трансформатора.
Для любой дифференциальной защиты заземление выполняется в
одной точке у места установки ее ИОТ^9.1^. При выполнении продольной
дифференциальной защиты генератора необходимо учесть следующее.
1. Максимальное значение тока небаланса, определяемое по (8.5),
рассчитывается для режима как внешнего КЗ с током /квнтах, так и
асинхронного с током /ас тах. Этот ток определяется значением угла между
ЭДС генератора и эквивалентной ЭДС системы, равным я, т.е.
результирующая £рез = 2£фг. При определении тока /нб в асинхронном режиме *-
(8.5) принимается Лап = 1, поскольку переходной ток отсутствует.
Коэффициент однотипности принимается равным 0,5 при однотипных
ТА на фазных выводах и выводах к нейтрали, в противном случае £одн = 1.
2. Значение £ап определяется способом отстройки от переходного тока
небаланса: включением последовательно с ИОТ добавочного резистора
небольшого сопротивления, позволяющим принять &ап = 1,5—2;
использованием апериодической составляющей в переходном токе небаланса
внешнего КЗ для увеличения тока срабатывания ИОТ в этом режиме. В настоящее
время для этой цели применяются ИОТ с промежуточными
насыщающимися трансформаторами, что позволяет принять £ап = 1.
190
3. Для снижения влияния установившегося тока небаланса при
внешнем КЗ и асинхронном режиме используются торможения от токов плеч.
Комбинация способов по п. 2 и 3 позволяет снизить влияние как
переходного, так и установившегося тока /нбраСч- Примером такого решения
является применение ИОТ с магнитным торможением.
Модификации эксплуатируемых защит различаются способом
снижения влияния токов небаланса (отстройки от /нб).
На генераторах небольшой мощности, работающих, например, на
необслуживаемых ГЭС, в некоторых случаях во избежание отключения при
обрыве вспомогательных проводов (ВП) выбирается /с 3 большим
номинального тока генератора /с 3 = *0тс^ном п где ^отс = *>3. При этом дополнитель-
«е~еледует проверить, что полученное значение /с 3 не меньше, чем в (8.6).
В схеме защиты необходим контроль исправности ВП в нормальном
режиме работы. В органе контроля (ОК) (рис. 9.10) суммируются токи ИОТ,
включенных в дифференциальные цепи. В нормальном режиме и при
междуфазных КЗ в ОК ток отсутствует. Однако для исключения сигнализации
неисправности при внешних КЗ, когда ток в ОК равен утроенному току
нулевой последовательности, в схему вводится выдержка времени большая,
чем у защит, отключающих внешнее КЗ.
На генераторах средней мощности по уровням токов при КЗ в
обмотках статора необходимо иметь продольную дифференциальную защиту с
током срабатывания меньшим номинального, т.е. £0тс^нбрасч < ^ном- При
условии, что исполнение схемы защиты снижает влияние переходного
тока небаланса, позволяющее принять £ап < 1 при токе трехфазного КЗ на
выводах генератора /квнтах = (3—1)1 ном, и при мало отличающихся
токах /нб ч при внешнем КЗ и асинхронном режиме, согласно (8.5) и (8.6)
получается /с 3 < (0,5—0,6)7ном.
Для защиты с указанным /сз используются ИОТ с насыщающими
трансформаторами (типа РНТ). Несколько первичных обмоток
трансформатора РНТ позволяют при необходимости выровнять МДС,
обусловленные неравными токами в плечах защиты. При наличии реле РНТ с
указанным током /с 3 можно использовать срабатывание защиты в нормальном
режиме при обрыве ВП. Для этого в каждом ИОТ имеются две встречно
включенные обмотки срабатывания и обрыва с числом витков wc и w0.
Обмотки с числом витков vvc включены в дифференциальные цепи, а
обмотки с числом витков w0 = 0,5wc соединены последовательно между
собой и обмоткой ОК и включены в обратный провод защиты. Пусть ток
срабатывания ИОТ равен 1С = 0,6/ном г, а МДС срабатывания Fcp =
= /cpwc = 0,6/ном rwc . При обрыве ВП фазы А не срабатывает ИОТ1, так
191
ТА2
Г^ГЛ
Y
И0Т1
ТА1
n
rv4
r^n
И0Т2
ИОТЗ OK
ODtD
a)
ABC
ШЧ£
®
ГЛ2
о
I
И0Т1 И0Т2 ИОТЗ OK
^BLmLiff
6)
Рис. 9.10. Включение органа контроля при /С1 > /ном (а) и при /сз < /ном (б)
как при этом /р1 = /H0MT(wc - и>0) = 0,5/ном rwc , что меньше /с р, а ИОТ2 и
ИОТЗ не срабатывают, так как F 2 з = ^Ном rwo' что также меньше Ic р.
Однако при использовании этой схемы защита будет загрубляться при
К
(М)
дв , так как при токе /с р окажется F = /с w0, что меньше Fc . Опыт
эксплуатации показал, что при надежном выполнении цепей тока и их
систематической проверке практически отсутствуют обрывы ВП. Поэтому
признано возможным эксплуатировать защиту с током срабатывания
меньшим номинального, без контроля исправности проводов. Кроме того, лож-
192
ное отключение при обрыве ВП даже крупного генератора, работающего в
мощной системе, не может вызвать аварийной ситуации.
На мощных генераторах по уровням токов при КЗ в обмотках считается
необходимым иметь продольную дифференциальную защиту с
минимальным током срабатывания, не превышающим (0,1—0,2)/ном. Это может
быть достигнуто использованием торможения от токов плеч с
одновременным снижением влияния переходного тока небаланса. При этом тормозная
цепь подключается к ТА на фазных выводах генератора, что исключает
торможение при отключенном от цепи генераторе и КЗ в нем (режим с
минимальным током /к). Для защиты генератора минимальный ток
срабатывания /с з mjn (при тормозном токе /т = 0) может быть принят каким угодно
малым, так как в режимах внешних КЗ и асинхронных появится
торможение. Значение /C3min определяется реальными возможностями
выполнения ИОТ, работающего в большом диапазоне кратностей (от сотых долей
до единиц) с заданной точностью и потреблением, а также допустимыми
коэффициентами торможения. В отечественной практике используется
ИОТ с магнитным торможением (реле ДЗТ), обеспечивающий /C3min =
= (0,2—0,3)/ном г. Число витков тормозной обмотки wT определяется в
соответствии с тормозной характеристикой (см. рис. 8.9, б). Для упрощения
расчета характеристика заменяется касательной к ней, проходящей через
начало координат. При этом несколько увеличивается торможение, что
повышает селективность несрабатывания при внешних КЗ. Так как зона
несрабатывания расположена ниже характеристики, то FTtga > ^с^раб-
При внешних КЗ FT = /TwT, а Fpa6 = 1н6рлсн^рлб. С учетом приведенных
соотношений
wt = ^отЛдн'к^раб /7т^а- <9-7>
Для схемы с магнитным торможением £ап = 1.
Чувствительность рассматриваемого варианта при КЗ на выводах
проверять не требуется, так как при указанном /с 3 т[п она выше требуемого ПУЭ.
За рубежом используется защита с высокоомным сопротивлением
в дифференциальной цепи и ИОТ, минимальный ток срабатывания —
°,05/номs [2].
9.3. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ ДЛЯ ШИН
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ
Для шин используется полная дифференциальная защита, в токовые
цепи которой включены ТА всех подсоединенных элементов, а также
неполная дифференциальная защита, где к токовым цепям подключены ТА
некоторых подсоединенных элементов (обычно питающих).
193
i
Kl
/it Uit hint Uvt
H
/i t AtUntUvt *■
ТА1$ТА2§ТАЗ§ТАЦ
/
K2
a)
e)
/^T5TFu5
Mif я«Г
Etjfnwf
TAL
К диф. цепи
LA
Рис. 9.11. Варианты сборки
цепей дифференциальной защиты
шин
б)
Ниже рассматривается полная дифференциальная защита, в которой ТА
всех элементов соединены ВП, к которым дифференциально
подключается ИОТ. Условные положительные направления токов приняты, как
всегда, в сторону защищаемого элемента, т.е. к шинам. При КЗ на шинах (К1)
в ИОТ проходит ток /к = 1{ + /и + /ш + iIV, равный току в месте КЗ
(рис. 9.11, а). При внешнем К2 сумма этих же токов равна току небаланса.
Продольная дифференциальная защита используется от всех видов КЗ,
возможных на шинах данного напряжения. Поэтому в сетях с глухозазем-
ленными нейтралями или нейтралями, заземленными через дугогасящие
реакторы, защита выполняется двухфазной от всех многофазных КЗ. Для
определения однофазных замыканий на землю используется контроль
изоляции, действующей на сигнал.
При выполнении продольной дифференциальной защиты шин
учитываются следующие особенности.
1. Число присоединений, на которых устанавливается ТА защиты,
составляет 3—5 и более. Поэтому желательно иметь меньшее количество
проводов, которые соединяют место установки ТА (распределительное
устройство) и ИОТ (щит управления, релейные щиты). На рис. 9.11, а ВП всех
194
ТА собраны вблизи места их установки, а к ИОТ подходит лишь один
провод на фазу. При этом в нормальном режиме в дифференциальной цепи
ток отсутствует, и ВП можно выполнить с меньшим сечением. Однако
такое соединение используется, если защита выполняется с торможением от
токов плеч. При разных коэффициентах трансформации ТА К1Х Ф К/2
(рис. 9.11, б) также приходится увеличивать число проводов для
возможности выравнивания токов (МДС) в плечах защиты промежуточными
трансформаторами. При соединении по схеме (рис. 9.11, в) сбор цепей
производится вблизи места установки ИОТ, что приводит к большому
числу нагруженных проводов увеличенного сечения. Однако
непосредственно к ИОТ подведены фазные токи всех присоединений, позволяющие
более гибко организовать цепи защит. Можно, например, выполнить
цифровую дифференциальную защиту без дифференциальных цепей —
геометрическая сумма токов присоединений может быть получена расчетным
путем. Для уменьшения сечений ВП вблизи ТА (в распределительном
устройстве) устанавливаются промежуточные трансформаторы тока TAL,
снижающие ток до долей ампера.
2. Большое число присоединений повышает опасность обрыва ВП,
поэтому защита снабжается органом контроля, например, включаемым в
обратный провод дифференциальной цепи (либо иным). Параллельно органу
контроля может быть включен миллиамперметр, нормально
шунтированный кнопкой, для периодического контроля тока небаланса.
3. Выполнение продольной дифференциальной токовой защиты имеет
модификации для различных схем присоединений элементов к шинам.
4. При опробовании систем шин (рабочей, обходной, резервной) в
случае включения на КЗ должен отключаться тот выключатель, которым
производится опробование. Если КЗ при этом не ликвидировалось, то с
выдержкой времени отключения указанного выключателя отключаются
остальные элементы этой системы шин.
5. Применение АПВ шин требует выполнения защиты. При включении
от АПВ одного из питающих элементов на устойчивое КЗ (опробование
после отключения КЗ) чувствительность защиты шин может оказаться
недостаточной, так как уменьшается /к. Поэтому в ряде случаев в схеме
защиты имеется дополнительный чувствительный ИОТ, который вводится на
ограниченное время после срабатывания защиты и АПВ. Этот ИОТ
используется также при оперативном опробовании шин, запрете АПВ
присоединений при опробовании шин и др.
6. Короткое замыкание на шинах мощных станций и подстанций может
сопровождаться как большими токами /ктах, вызванными
многосторонним питанием места КЗ, так и много меньшими /к min при отключении
части питающих линий, т.е. большим диапазоном кратностей /к тах //к min.
195
Поэтому при КЗ на шинах значительны токи небаланса как в
установившемся, так и в переходном режиме внешнего КЗ.
Для снижения влияния переходных значений тока небаланса
используются, например, торможение апериодической составляющей и
промежуточные насыщающие трансформаторы. Для снижения
установившихся токов небаланса способ торможения от токов плеч ограничен, в
основном, защитой ошиновок, когда в цепь защиты входят два-три
присоединения. Для шин с большим числом присоединений трудно выполнить
торможение традиционным способом, включив тормозную цепь в
каждое плечо (рис. 9.11). Действительно, если обеспечить надежное
торможение при внешних КЗ, защита окажется недопустимо загрубленной при
КЗ в зоне. Поэтому тормозной ток, определяемый токами плеч,
приходится получать различными способами.
Один из способов выполнения дифференциальной защиты шин с
торможением приведен на рис. 9.12. При четырех присоединенных элементах
защита одной фазы выполнена тремя реле тока КА1—КАЗ с двумя
тормозными полуобмотками wT и рабочей обмоткой w . Цепь на отключение
образована последовательно соединенными контактами этих трех реле. В
последовательно соединенных рабочих обмотках проходит геометрическая сумма
токов, равная току КЗ в защищаемой зоне и току небаланса при внешнем
КЗ, а в тормозных обмотках проходят разности токов 1КА1 = 1Х~ 12>
-КА2 ~ -1 - -2"~ -з» -каз = -1 ~ -2 "* -3 ~ -4 * ^Ри внешнем КЗ их
абсолютные значения максимальные. По крайней мере, одно из реле КА1—КА4
не срабатывает: цепь отключения остается разорванной.
z
TAl\
К1р
»-'■
i
уК2
5 п5 Г5
КА1
ТА2§ ТАЗ J
\k
КА2
rLj^^J 1}^£^р
+ 1 ^ !
'-TW"^
I
т
-t-
J-''
TA4
KA3
L
t^4
fi
T
I Наоткл.
-I ►
Рис. 9.12. Вариант дифференциальной токовой защиты с торможением от токов плеч
196
Специальное формирование тормозной величины применяется в
эксплуатируемой дифференциальной защите шин с торможением (ДЗШТ)
(см. ниже).
Продольная дифференциальная защита одиночной системы шин
выполнена с использованием ИОТ с промежуточными насыщающимися
трансформаторами. Однолинейная схема (условно на одну фазу)
приведена на рис. 9.13, а. На присоединениях установлены ТА с разными коэффи-
/Й 2^3 Й <Й
ТА1
КА
TAL
"1 I 2 1
ИОТ
(^) Wsbi
OK
+ ш
+;
КН KL2 _]
KL2.1
-*- На откл. 1
+2
KL2.2
-+- На откл. 2
+5
KL2.3
-► На откл. 3
+4
KL2.4
-► На откл. 4
+С
KL1.3
Рис. 9.13. Однолинейная
принципиальная схема защиты оди-
-*► Сигнал обрыва ночной системы шин (а) и схе-
^ч ма ее оперативных цепей (б)
197
циентами трансформации: ТА1 и ТА2 — Кп, ТАЗ и ТА4 — Кп. Поэтому в
промежуточном TAL ИОТ выравнивает МДС токов £{ —/JV . ИОТ
включается на геометрическую сумму токов всех присоединений. К обратному
проводу дифференциальных цепей подключается орган контроля
исправности ВП. Последовательно с ОК включен миллиамперметр,
шунтированный кнопкой SB1, для периодического измерения токов небаланса.
Орган выдержки времени (рис. 9.13, б) предотвращает вывод защиты
при КЗ в зоне и работе ОК от токов небаланса при внешних КЗ, а также
при КЗ на землю, когда в ОК проходит уравнительный ток нулевой
последовательности. Промежуточное реле KL1 выполняет функции: выводит из
работы дифференциальную защиту при обрыве проводов (KL1.1),
самоудерживает реле KL1 (KL1.2), снимаемое кнопкой SB2, замыкает цепь
сигнализации обрыва (KL1.3). Накладка Sx служит для оперативного вывода
защиты. Если защита введена в работу, то при срабатывании ИОТ
срабатывают выходное реле KL2 и последовательно включенное с ним
указательное реле КН. На контактах реле KL2 замыкаются цепи отключения
выключателей /—4.
Ток срабатывания ИОТ выбирают большим из двух приводимых ниже
условий. Как для любой дифференциальной защиты, ток Ic 3 должен быть
отстроен от расчетного тока небаланса. Для исключения срабатывания
защиты при обрыве ВП, ее Ic 3 также выбирается большим максимального
рабочего тока наиболее нагруженного элемента
'с.з ~" отс *раб max • \у-°)
Коэффициент отстройки выбирают котс = 1,5. Возможность
использования схемы определяется значением коэффициента чувствительности
кч > 2. Ток срабатывания ОК отстраивается от токов небаланса /раб max, а
выдержка времени ОВ принимается большей защиты от внешних КЗ.
Для станций и подстанций с двойной системой шин и одним
выключателем на присоединение принято нормально работать одновременно на
обеих системах шин с включенным шиносоединительным выключателем.
Во многих случаях при этом присоединенный элемент закрепляется за
определенной системой шин. Однако их можно переключать с помощью
разъединителей на другую систему шин (работа с нарушенной фиксацией).
При этом не допускаются переключения в целях защиты, которые могут
привести к снижению эксплуатационной надежности.
Продольная дифференциальная токовая защита двойной системы
шин с фиксированным распределением присоединенных к шинам
элементов отключает только поврежденную систему шин. Однако при
нарушении фиксации защита отключает и поврежденную, и неповрежденную
систему шин. Допущение излишнего срабатывания при нарушении фикса-
198
ТА5 gjt 7M7 Я~| ТЛ2 £Г
II
t 2
И0Т1
П^5 MCi [JQ2
lift
-t-i
C2
-I—i 1—
£]Q4 Qqi
7 H+t ТАЗЯ~ j ГЛ4 Я7 I
Обх. система шин
t 3
| mfV
K^y—
SB1 пот
■ад-
ИОТ2
AAA
AAA
£-
^b
X
5(72
y\ /Ч /4
t£f
SGJ
Рис. 9.14. Принципиальная схема цепей тока
ции позволяет не усложнять защиту. Распределение присоединенных
к шинам элементов и подключение защиты показаны на рис. 9.14.
К первой системе шин С1 подключены элементы / и 2, ко второй С2 —
3 и 4, Q5 нормально включен. Выключатель Q6 подсоединяет любой
элемент к обходной системе шин. Испытательными блоками SG1
трансформатор тока ТЛ6 подключается к первой системе, SG2 — ко второй, SG3
закорачивается ТА6 при отключенном Q6. Пусковой орган тока включен на
геометрическую сумму токов всех элементов, поэтому при нарушении
фиксации присоединений ток в нем не изменяется.
Два трансформатора тока ТЛ5 и ТА5' в цепи Q5 включены так, что в
цепи ПОТ их токи взаимно вычитаются.
Измерительный орган ИОТ1 включен на геометрическую сумму токов
элементов первой системы, а ИОТ2 — второй.
Для действия защиты на отключение первой системы шин
необходимо срабатывание ПОТ и ИОТ1, а второй — ПОТ и ИОТ2. Для
отключения первой и второй систем при нарушении фиксации достаточно
срабатывание ПОТ.
При фиксированном распределении в нормальном режиме (рис. 9.14)
и при внешних КЗ (рис. 9.15, а) в цепях ПОТ, ИОТ1 и ИОТ2 проходит
199
\f« s
И0Т1
J L
1—Г
C2
11 \JQ3 \JQ4
II
г^дН7мз^| ™t-y ^ *—
пот
ИОТ2
a)
и
TAS ffff ТЛ1 Я~| ТЛ2 {P
ИОТ1
y-r ,y
02
Рис. 9.15. Токораспределение при фиксированном присоединении:
а — КЗ внешнее, б — КЗ в зоне
200
лишь ток небаланса, от которого защита отстроена выбором тока
срабатывания. При фиксированном распределении и КЗ на первой системе
шин (К2) в ПОТ и ИОТ1 проходит вторичный ток /к (рис. 9.15, б), что
приводит к их срабатыванию, и защита действует на отключение QJ, Q2
и Q5. При нарушении фиксации (например, элемент Q1 подключен ко
второй системе шин) при внешнем КЗ (рис. 9.16, а) в ПОТ по-прежнему
проходит ток небаланса, и он не срабатывает. Но в ИОТ1 и ИОТ2
проходит доля вторичного тока /к, что может привести к их срабатыванию.
Однако на отключение защита не действует, так как не срабатывает ПОТ.
В этом же режиме при КЗ в первой системе (рис. 9.16, б) в ПОТ, ИОТ1 и
ИОТ2 проходят токи КЗ, и защита действует с излишним срабатыванием
на отключение элементов первой и второй систем.
Ниже приводятся основные положения алгоритма логической части
защиты. Работа схемы разрешается при несрабатывании ОК или на заданное
время при срабатывании ОК.
При срабатывании ПОТ выполняются следующие операции: сразу
подается сигнал на отключение Q5 (Q6) (см. рис. 9.14), проверяются сигналы
оперативного опробования и включения Q5 (Q6). Дальнейшая работа
схемы определяется полученными сигналами и распределением
присоединенных элементов (фиксированное и с нарушением фиксации).
Сигнал на отключение без выдержки времени всех элементов первой
и второй систем при нарушении фиксации подается при условии
срабатывания ПОТ и при оперативном опробовании системы шин после
ремонта (в этом случае допускается отключение всех выключателей
одновременно с Q5 (Q6).
Сигнал на отключение с выдержкой времени, большей времени
отключения Q5 (Q6), всех элементов первой и второй систем при нарушении
фиксации подается при условии срабатывания ПОТ и получения сигнала на
включение Q5 (Q6). Сигнал на отключение без выдержки времени
элементов первой системы при фиксированном присоединении подается по факту
срабатывания ПОТ, ИОТ1 и оперативном опробовании после ремонта либо
при отсутствии сигналов на включение Q5 (Q6). Сигнал на отключение с
выдержкой времени элементов первой системы при фиксированном
присоединении подается при условии срабатывания ПОТ, ИОТ1 и получения
сигнала на включение Q5 (Q6). Аналогично формируются команды на
отключение элементов второй системы при фиксированном присоединении.
Программная защита для одновременной работы на двух системах
шин с выключателем Q5, отключающим поврежденную систему как
при фиксированном присоединении элементов, так и при нарушении
фиксации. Программа контролирует текущую информацию о
присоединении каждого элемента к соответствующей системе шин. В защите
отсутствуют дифференциальные цепи, физически суммирующие токи в цепях ТА.
201
2
tf K1
ТЛ5Щ TAlfc*\ TA2$T*\\\ 2=
И0Т1
Г .W
Л L
Q2
T Г7Г
Q4
пот
«)
III
r^5ffm^O_^Bt
■— ИОТ1
№ $
Q2
J L
Cl T K2
7
1—г
\
\\Q3 П 04
ПОТ
о
И0Т2
б)
Рис. 9.16. Токораспределение при нарушении фиксации:
а — КЗ внешнее, б — КЗ в зоне
202
Геометрическая сумма токов в ИОТ определяется расчетным путем для
присоединенных к данной системе элементов, поэтому не имеет значения
присоединение фиксировано или фиксация нарушена. Рассмотренные
выше ИОТ1 и ИОТ2, и ПОТ, включенный на геометрическую сумму токов
первой и второй систем, необходим лишь на время переключения элемента
с одной системы шин на другую. При КЗ на одной из систем шин во время
переключения допустимо отключение обеих систем.
Следует отметить, что особое требование предъявляется к точности
ПОТ, который всегда контролирует работу защит при внешних КЗ.
Срабатывание ИОТ при внешних КЗ не приводит к излишней работе защит, и
срабатывание ИОТ1 при КЗ на второй секции может привести к
отключению неповрежденной секции.
Дифференциальная защита с торможением ДЗШТ применяется для
двойной (рис. 9.17) и одиночной систем шин. С тормозными цепями,
организуемыми косвенно, выполняется лишь ПОТ. В его рабочей цепи
проходит ток, определяемый модулем геометрической суммы токов всех
присоединений (при однополупериодном выпрямлении):
/д = 72|Z/.|/7i, (9.9)
где /7 — ток /-го присоединения, / = 1, 2, 3, 4.
Тормозной ток /т определяется арифметической суммой токов всех
присоединений:
/т = л/2 2|/,|/я. (9.10)
В тормозной цепи ПОТ проходит ток Гт = /т - /д — разность
тормозного и дифференциального токов на входе ПОТ Рассматриваемый косвенный
Рис. 9.17. Принципиальная схема токовых цепей ДЗШТ
203
+ L
h
I *
-T
-'"f
-M
V
^
< i
\
\\
\
\
\
>
/
/
v, /
Mi /
V
Рис. 9.18. Векторная
/т' диаграмма токов ПОТ
а)
6)
'ср('с'.р>
/
'ср
c.pmin
c.pmin
г °*
3/
2,
1
Рис. 9.19. Тормозная
характеристика /с р =/(/т) — /; /с'.р -
= /(/т) - 2; /с'ф = /(/;) - 5
'т'
/т(/;>
способ формирования 1\ позволяет получить необходимое торможение при
внешних КЗ и удовлетворительную чувствительность при КЗ в зоне. Для
схемы на рис. 9.17 при внешних КЗ (рис. 9.18, а) / = 2/., /
= /.
а ток Гт = Z/j.-/ значителен.
При КЗ в зоне (рис. 9.18, б) ток Гт оказывается много меньше, так как
токи / и /т близки к Е// (определяются разницей между модулем
геометрической суммы и суммой модулей при небольших углах между
токами, совпадающими с условными положительными направлениями).
Тормозная характеристика / (рис. 9.19) /с =/(/т) — зависимость тока в
дифференциальной цепи от тока в его тормозной цепи. Однако для
сопоставления с обычным формированием 1Т пользуются зависимостью /ср =
= /(/т), которая в общем случае при /д = /с min + Ат/Т может быть
приведена к виду /д = /с р min + *; (/т - /д )•
204
Далее определяют:
/ к' I
с р min т т
/ (/ ) = JLL^ + —^-. (9.11)
Приняв к'т /(1 + к^) = кт, получают (1 + к'т) = 1/(1 - кт) и
'ср=/с.зтт+«т. (912)
гДе/с.зт1п =/с.ртт/(1-*т)-
Выбор минимального тока срабатывания I'Q 3 min не отличается от
ранее рассмотренного — также отстраивается от расчетного тока
небаланса (9.6) и рабочего максимального (9.8). Необходимость отстройки
определяется тем, что при обрыве цепи с / б тах в дифференциальной цепи
проходит этот ток, ток 1Т в худшем случае будет определяться
минимальным значением:
'т=*1'рабтт1> (9-13)
7т = S I 7раб min I " 7раб max может быть близок к «Улю-
Допустимое значение кт выбирается. Одним из случаев, который
ограничивает максимальное значение кт также является КЗ на включаемой от
АПВ системе шин при большой нагрузке на второй работающей системе,
когда при малом /д будет значительным /т, определяемый током нагрузки.
Следовательно, тормозная характеристика / (рис. 9.19) /ср = f(I'T) не
отличается от таковой для традиционного ПОТ с током в тормозной цепи Гт = /т
[а не разности (/т - /д)]. При традиционном ПОТ для расчета значения кн
определяется увеличенное значение 1С при токе в дифференциальной
цепи /р и тормозном Гт: кч = Г 11с .
Однако для ПОТ с током Гг при КЗ на шинах приведенная
характеристика не может быть использована. При малых токах /к, определяющих
допустимые значения &ч, защита будет срабатывать при токах близких
K/cpmin < I'cpi т.е. кч повысится. Характеристика 2 представляет собой
зависимость /ср =/(/;): ток /;pmin больше /cpmin в 1/(1 - кт) раз, а *;
больше кт в 1/(1 -к6)раз.
НОТ в защите ДЗШТ выполнен односистемным с двумя выходами (см.
рис. 9.17), в нем сравниваются трехфазные системы дифференциальных
токов первой и второй систем шин. Так как в поврежденной системе ток /д
равен вторичному току /к, а в неповрежденной — /нб, то на первом выходе
появляется сигнал на отключение присоединений первой системы шин.
Аналогично при КЗ во второй системе на втором выходе появляется сигнал
205
на отключение присоединений. В защите ИОТ реализован при помощи двух
трехфазных выпрямительных мостов, на входы которых включена схема
сравнения абсолютных значений с двумя магнитоэлектрическими реле на
выходе, выбирающими поврежденную систему шин. В токовые цепи
защиты также включен орган контроля исправности ВП. При использовании
защиты для одиночной системы шин ИОТ применяется в качестве
чувствительного органа при опробовании шин в цикле АПВ или оперативно.
Неполные дифференциальные токовые применяются для защиты
шин генераторов, имеющих большое число присоединенных элементов.
Ранее рассмотренные полные дифференциальные защиты оказались
сложными ввиду большого числа включенных в схему трансформаторов тока
ТА с разными коэффициентами трансформации Kj. В большинстве случаев
выключатели отходящих питаемых линий не рассчитаны на отключение
КЗ до реактора, поэтому эти КЗ идентифицируются как КЗ на шинах.
В схему неполных дифференциальных токовых защит включаются ТА,
установленные на питающих элементах. К ним относятся генераторы,
трансформаторы связи, трансформаторы собственных нужд (для исключения
действия защиты шин при КЗ в зоне его быстродействующей защиты) в
цепях секционных выключателей при их включенном положении. В ИОТ
проходит геометрическая сумма токов этих ветвей /ИОт = ^- пит/ •
В нормальном режиме и при внешних КЗ сумма токов всех присоединений
£ / . = 0 и / ыгтг = I / , где / — токи элементов, на которых не ус-
— ПИТ / ~ YlKJ 1 —~ П ~~ П
тановлен ТА. Следовательно, в нормальном режиме в ИОТ проходит ток,
равный геометрической сумме токов присоединений ТА, которые не
включены в цепи неполной дифференциальной токовой защиты, что следует
учитывать при выборе ее тока срабатывания.
Неполную дифференциальную токовую защиту называют также
суммарной токовой защитой питающих присоединений. Защита выполняется
двухступенчатой (рис. 9.20). Первая ступень (ИОТ1) — отсечка без
выдержки времени, и третья ступень (ИОТЗ) — максимальная токовая
защита. Первая ступень предназначена для действия при КЗ на шинах и КЗ на
отходящих линиях до реактора, третья ступень резервирует первую и
осуществляет защиту отходящих линий. На рисунке показано, что в ИОТ
в нормальном режиме проходят токи элементов 6 и 7: /иот = /6 + /7 .
Первая ступень действует без выдержки времени на отключение
питающих элементов, а также трансформатора собственных нужд (для ускорения
пуска АВР). В некоторых случаях генератор не отключают этой ступенью,
что обеспечивает его последующую работу с нагрузкой секции при
выгорании ошиновки и погасании дуги. Третья ступень с выдержкой времени
отключает все питающие элементы.
206
Kl
Ф^ф^у^Т
Рис. 9.20. Токовые цепи неполной дифференциальной токовой зашиты
Выбор параметров срабатывания. Ток срабатывания первой ступени
должен быть отстроен от максимального тока в защите при внешних КЗ за
реактором и питаемых линий (например, К1 на рис. 9.20), при котором
защита срабатывать не должна. Этот ток определяется суммой токов
/ v »u m«v »тока нагрузки защищаемой секции шин / u (присоединения 6 и 7)
при работе всех секций и дополнительного тока нагрузки этих же
присоединений / н при отключении одной из секций:
где котс — коэффициент отстройки, котс = 1,2; кн — коэффициент
нагрузки, учитывающий увеличение нагрузки за счет напряжения при медленном
отключении КЗ за реактором, кн = 1,2—1,3.
Первая ступень может быть использована при К^ ' на шинах, если
коэффициент чувствительности кч > 1,5.
207
Выдержка времени третьей ступени примерно на ступень больше вы-
держек времени защит отходящих линии tQ 3 = tn + Л/. Ток срабатывания
третьей ступени выбирается большим из приводимых ниже условий. ИОТЗ
должен вернуться в исходное положение после отключения защитой линии
КЗ за реактором с учетом увеличенного тока нагрузки:
^У^, (9.15)
К
Ток срабатывания ИОТЗ должен быть больше тока в защите при
переключении от АВР приемных подстанций нагрузки отключаемой секции на
защищаемую:
'с'з^отсЦи+Мндоп!' (9.Щ
где к2 — коэффициент запуска, учитывающий торможение двигательной
нагрузки при КЗ на смежной секции (к3 = 2,5—3).
Рассматриваемая третья ступень может быть использована при
значении кч > 1,2 при 1С ' за реактором, если она выполняет функции
резервной, и кч > 1,5, если на нее возлагается функция основной.
Способы повышения чувствительности защиты. При недостаточной
чувствительности первой ступени может быть использована
комбинированная отсечка по току и напряжению, когда для срабатывания ступени
необходимо срабатывание ИОТ1 и минимального ИОН1. Ток срабатывания
определяется кч > 1,5 при /l ' на шинах:
'с.з='к(21/*ч- (9-17)
Следующим условием является отстройка от длительного тока нагрузки,
что исключает срабатывание ступени при нарушении цепей напряжений
^сз = *отс(^н +^ндоп) • Напряжение срабатывания ИОТ1 отстраивается от
подводимого к нему минимального напряжения (при К^ ' за реактором
отходящей линии и токе /с 3) и равно Uc 3 = </3 ^с<3^р/^отс > где Хр —
сопротивление реактора.
При недостаточном значении коэффициента кч рассмотренных ИО
первой ступени может использоваться дистанционная первая ступень —
ИО минимального сопротивления вместо ИОТ1, который должен быть
также отстроен от КЗ за реактором, и сопротивления нагрузки на его
входе, определяемого током нагрузки.
208
Т Т ГА? J 7М5ЯДС/
п* п7 07п7
иотз
КХШ
Рис. 9.21. Токовые цепи неполной дифференциальной защиты с третьей ступенью
повышенной чувствительности
При недостаточной чувствительности третьей ступени для уменьшения
,111 , ,
значения усз можно уменьшить значения /н и /ндоп, включив
дополнительно в дифференциальную цепь ТА несколько мощных присоединений
(рис. 9.21). Ток /н будет определяться только токами нагрузки
присоединений (6, 7, 10, //), так как ТА8 и ТАЯ включены в дифференциальную цепь.
Однако при КЗ на присоединении 8 (К1) ИОТЗ работать не будет, так как
КЗ произошло вне зоны его работы, ограниченной в этом направлении
ТА8. Для срабатывания при КЗ на присоединениях 8 и Я установлен
дополнительный ИОТЗ, включенный на их сумму токов. Его ток срабатывания
отстраивается от токов запуска этих присоединений. Так как ТА8 и ТАЯ
имеют значительно большие коэффициенты трансформации, чем
остальные ТА в дифференциальной цепи, дополнительные ИОТЗ включаются
через промежуточные трансформаторы тока TAL.
Дифференциальная защита с торможением для ошиновки
трансформатора (автотрансформатора), подключаемого через два и более
выключателей на стороне высшего (среднего) напряжения
(рис. 9.22). Тормозная обмотка включена в одно из плеч выключателей.
209
К системам шин
r V6
,Кдифф
защите ошиновки
6 4 К дифф.
защите трансформатора
Рис. 9.22. Принципиальная токовая защита с торможением для ошиновки
Когда отключены QJ и Q2, при КЗ на ошиновке (К]) торможение
отсутствует, и/сз = /C3min-
9.4. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ ЛИНИЙ
В качестве вспомогательных проводов, соединяющих ТА с двух сторон
защищаемой линии, используются жилы бронированного или кордельного
кабелей, проложенные вдоль трассы.
Основными отличиями продольной дифференциальной токовой защиты
линии от аналогичных защит других элементов электроэнергетической
системы являются: несопоставимо большая длина ВП, исчисляемая
километрами, и необходимость двух комплектов защиты, действующих на
отключение ближайшего выключателя. Эти отличия определяют ряд
положений, которые приходится учитывать при выполнении защиты.
1. Ввиду протяженности ВП и повышенной вероятности повреждений
необходим контроль их исправности, так как замыкание проводов
приводит к отказу защиты при КЗ в зоне, а их обрыв — к излишним
срабатываниям при внешних КЗ (§ 8.1). Так как защиту обычно стремятся выполнить
с током срабатывания меньшим рабочего, контроль должен обеспечить
вывод защиты из действия быстрее времени срабатывания защиты.
2. Во вспомогательных проводах, проложенных вдоль трассы линии,
при КЗ на землю в сети наводятся ЭДС влияния Еъл, определяемые
удельным сопротивлением взаимоиндукции между кабелем и линией, длиной
линии и утроенным током нулевой последовательности. При исправной
защищаемой линии ЭДС £вл в жилах кабеля направлены в одну сторону и
практически равны, поэтому не создают тока в измерительном органе
защиты. Для исключения опасности £вл для обслуживающего персонала и
аппаратуры релейной защиты ВП подключают через разделительные
210
/ Рис. 9.23. Схемы
замени щения
дифференциальной токовой защиты
в)
(изолирующие) трансформаторы. Однако при замыкании на землю
вспомогательного провода в ИОТ появляется ток, определяемый £вл и
емкостным сопротивлением провода относительно земли, что может привести
к излишнему срабатыванию защиты.
3. В нагрузочном режиме и при внешних КЗ даже при идеальных ТА и
симметрии схемы в ИОТ проходит ток / = 7'21 - /^'ц (Рис- 9.23, а),
обусловленный наличием двух измерительных органов и сопротивлением
проводов Rn Ф 0. Ток 1'1Х обусловлен своим ТА, а 1'{хх — ТА
противоположной стороны. При сопротивлении проводов Rn = 0 (рис. 9.23, а) ток /р = 0,
так как l/^l = I/211 I- С увеличением Rn ток / увеличивается, так как
уменьшается /^ц • При Rn —* 00 ТОк / = /21, т.е. защита перестает быть
дифференциальной — превращается в токовую защиту. Следовательно,
при двух ИОТ сопротивление Rn загрубляет защиту, так как приходится
отстраивать ток срабатывания от тока / при внешних КЗ.
Поэтому для снижения тока срабатывания при КЗ в защищаемой зоне,
продольные дифференциальные токовые защиты линий выполняются
обычно с торможением от токов плеч защиты.
211
4. Емкости между жилами проводов Сп шунтируют ИОТ, уменьшая / .
Следовательно, с увеличением длины соединительных проводов
уменьшается чувствительность защиты при том же уровне токов 1К, так как
увеличивается значение Сп.
5. Для уменьшения числа жил вспомогательных проводов трехфазную
систему токов преобразуют в однофазную. При этом ее ИОТ выполняется
односистемным. Для этого используется комбинированный фильтр токов
прямой и обратной последовательностей /j + kl2 (или /j - £/2)> где
коэффициент фильтра к = 4—8. При симметричном КЗ ЭДС на выходе
фильтра £ф (рис. 9.23, б) определяется током прямой
последовательности. При несимметричных КЗ и указанных значениях к ток kl2 » Ix, т.е.
работа ИО определяется токами /, 2 , /п 2 обратной последовательности.
Это исключает возможность отказа защиты при несимметричном КЗ
(рис. 9.24), когда по неповрежденным фазам проходит ток нагрузки / н,
являющийся током прямой последовательности и направленный к
мощной нагрузке (как и при внешнем КЗ). Направление токов обратной
последовательности жестко фиксировано напряжением Ц2 в месте КЗ.
6. Для снижения нагрузки на ТА, определяемой сопротивлением
вспомогательного провода Rn> уменьшается ток в проводах выбором
коэффициента трансформации изолирующих трансформаторов токов Kf > 1.
2
При этом приведенное сопротивление проводов /?'п уменьшается в К1
раз. Однако во столько же раз увеличивается электрическая емкость
между жилами, а также в К1 раз увеличивается напряжение на проводах,
поэтому Кj < 3.
Даже с учетом рассмотренных мероприятий сопротивление
вспомогательных проводов ограничивает возможность использования защиты линий.
Соотношения между сопротивлениями Rn и токами в ВП при их синусоидаль-
свл 1
ОтС1
/н
^И
1 А ВС
ОтС2
Рис. 9.24. К выбору значения к фильтра
212
ном характере определяются упрощением схемы замещения (см.
рис. 9.23, а). Фильтр симметричных составляющих (см. рис. 9.23, б)
представляется своими ЭДС Е„ и jE.jj (неучитываются внутренние
сопротивления фильтров), половина длины ВП замещается Г-образной /?С-схемой с
приведенными сопротивлениями (учитывается их включение через
изолирующие трансформаторы) R 'п и С72. Тормозная цепь ИОТ с
сопротивлением ZT включена на ток /п, а рабочая Z — на напряжение Цп . Тогда
можно представить, что измерительный орган защиты определяет
сопротивление на входе ВП Zn = U /I , так как является идеальным органом
сопротивления. При КЗ в зоне защиты увеличивается напряжение в рабочей
цепи U и снижается ток в тормозной цепи / п . ИОС должен выполняться
как максимальный, т.е. срабатывать при увеличении Zn сверх заданного
сопротивления срабатывания Z .
Так как ZT много меньшеRn, то Un= £ф. Токи по концам защищаемой
линии /j и /п определяют значение напряжение и ЭДС, т.е. Unl =
= Мм = *Zj и Ып\\ = -ли = *-н • Для ^ как четырехполюсника
указанные величины связаны соотношениями (см. рис. 9.23, в):
/nI = t/nlin-^n..i2.; ^11 = ^1.122-^.1.2; (918>
где К,, = 11г и Yn = Г21;
^1. = (inl^nl),, = О +У'соСЛ)/[(2+ушСЛ)Л]
и
. 1\г = (inii^n.^ = 1/[(2+У«)СЛ)Л]. (9.19)
Обозначив связь между токами по концам линии /п = A /j, можно
определить
inI =*/I(Jril-^iT21); /nII =klx(Yn-AYlxy, (9.20)
2ni =^nl/im = (2 +ушСЛ)Л/( 1 +усоСЛ -^). (9.21)
При внешних КЗ /} = -/п ; А = -1 и ZnBH = Я'п. При КЗ в зоне
рассматриваются граничные случаи: одностороннее питание А = 0; Zn 0 =
= (2 +у(оСЯ)/(1 +уо)СЛ) = (2 - со2С2/?2 -уа)СД)/(1 + w2C2R2) и КЗ
при равных токах с двух сторон А = \ и Zn = R + 2 /у'соС. Эти векторы
построены в плоскости Rn,jXn (рис. 9.25, а). При использовании макси-
213
;*п
£,'
""//%
—п.вн
"^
0
2
'z^1
Р»
Jf*n
-уст
а) *-"* б)
Рис. 9.25. Характеристики защиты в комплексной плоскости
мального ИО полного сопротивления (характеристика 7) его Zc =
= kQlcZn вн. Значение котс > 1 учитывает токовые и угловые погрешности
ТА и фильтров, поэтому при внешних КЗ 0 < А < 1. Очевидно, получение
необходимого коэффициента чувствительности кч = Zno/ZnBH
определяет допустимую длину ВП.
Как следует из приведенных выражений, с увеличением длины
вспомогательных проводов возрастают /?п, Сп, модуль ZnBH и уменьшается
модуль Zno. Характер изменения этих сопротивлений приведен на
рис. 9.25, б. Допустимое сопротивление ВП может быть увеличено при
использовании, например, органа сопротивления с характеристикой в
виде окружности 2, центр которой расположен в определенной (заданной)
точке плоскости Rn,jXn. Уравнение срабатывания такого ИОС может
быть описано как
\Z -Z \>к \Z |
I —ср -п.вн| отс|~пвн|
или при переходе к напряжению и току
Wnl-lnlZnJbkvKUnlZnnHl
(9.22)
(9.23)
Разность напряжений в (9.23) называют напряжением компенсации.
Последнее выражение (9.23) поясняет физический смысл рассматриваемых
характеристик ИОС. С каждой стороны к рабочей цепи ИО подводится
напряжение, близкое к приведенному напряжению ВП. При внешних КЗ
напряжение близко к нулю и ИО не работает. При КЗ на защищаемой линии
напряжение в середине линии отлично от нуля и ИО срабатывает.
Контроль исправности проводов выполняется по схеме циркуляции
постоянного тока по ВП, наложенного на проходящий по ним перемен-
214
-<=4
KL„ KLn
Рис. 9.26. Принципиальные упрощенные схемы контроля исправности проводов (а)
и защиты ДЗЛ-2 (б)
ный ток. Постоянный ток возбуждается источником стабилизированного
выпрямленного напряжения ИСН (рис. 9.26, а). Между вторичными
полуобмотками изолирующих трансформаторов TALI и TAL2 включены
конденсаторы С/, С2, которые создают разрыв электрической цепи для
постоянного тока и малое сопротивление для переменного. На одном
конце защищаемой линии устанавливается комплект контроля с реле
КЫ и KL2, на другом — реле KL1' Реле KL1 и KLV нормально
возбуждены, т.е. находятся в состоянии после срабатывания, и их контактами
замкнута цепь на отключение выключателей. При обрыве ВП реле
возвращаются, разрывая эти цепи. При замыкании проводов резко
снижается ток в КЫ\ его контакты размыкаются, позволяя выявить неисправ-
215
ность. При замыкании жилы ВП на землю срабатывает KL2 и подает
также сигнал неисправности.
Отечественной промышленностью выпускается защита ДЗЛ-2,
предназначенная для ВЛ 35—220 кВ длиной до 20 км. В защите используется
(рис. 9.26, б) комбинированный фильтр Ф токов lx-kl2, согласующий
трансформатор TALI, на выходе которого включены газоразрядные
стабилизаторы, обеспечивающие переход схемы в режим сравнения фаз токов с
двух сторон защищаемой линии. Тормозная обмотка ИОТ KLT включена
на выпрямленный приведенный ток ВП, а рабочая KL — на разность
токов (см. рис. 9.23, а). Конденсатор С компенсирует ток намагничивания
изолирующего трансформатора TAL2. Достоинством защиты является
срабатывание двух полукомплектов даже при одностороннем питании. Это
достигнуто выбором параметров элементов схемы: сопротивление схемы,
измеренное со стороны изолирующих трансформаторов, превышает
сопротивление срабатывания ее ИО.
10
ПОПЕРЕЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ
ЗАЩИТЫ
10.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ
Поперечная дифференциальная токовая направленная защита
применяется на двухцепных параллельных линиях с одинаковыми или
приблизительно одинаковыми параметрами, подключаемых к шинам через
отдельные для каждой цепи выключатели.
В поперечных дифференциальных токовых направленных защитах
непосредственно сравниваются комплексы электрических величин
одноименных фаз или одноименных симметричных составляющих параллельных
цепей. Поэтому для пояснения принципа и основных особенностей
выполнения защиты достаточно однофазной схемы замещения двухцепной линии
АБ в общем случае с двухсторонним питанием (рис. 10.1). Условные
положительные направления токов, как обычно, приняты от шин, где
установлены защиты, в линию. Защиты устанавливаются с двух сторон линии и
должны действовать на отключение выключателей только поврежденной цепи.
Предполагаемся, что в цепях линии установлены ТА1—ТЛ4 с одинаковыми
коэффициентами трансформации Kh которые соединены однотипными
проводами дифференциально, т.е. так, чтобы к органам защиты
подводилась разность вторичных токов одноименных фаз 1г>\ = 1\г~-\\гу
- pii = -ш 2 - -IV 2 * ^ качестве измерительных, выбирающих
поврежденную цепь при КЗ на линии используют органы направления мощности
(тока), обозначенные как измерительные органы фаз (ИОФ), также
включаемые на геометрическую разность токов одноименных фаз двух параллель-
Юп ~~
ТА1
TV1
W1
ci HJ-fT"
ТА2
Ml
°
IE
W2
Ml
151
о
151
№
51
№
irv
\щ
\с\
ТАЗ 3 .
-СИ
ТА4
TV2
Ш
Рис. 10.1. Подключение ПОТ и ИОФ к ТА и TV
217
Wl
W2
3
-EH
ShFT"
a)
7
Wl
Jill
K2
mi
КЗ
W2
6)
№
-^oi
Jtv
Рис. 10.2. Распределение токов при внешних КЗ (а), КЗ на защищаемой линии (б),
векторные диаграммы токов при КЗ в К2 (в) и КЗ (г)
ных цепей и соответствующее напряжение. В схеме защиты оказываются
необходимыми и пусковые органы тока (ПОТ).
В защите от междуфазных КЗ ИОФ включается по девяностоградусной
схеме и имеет угловую характеристику фм ч = я/6—тс/3. Для действия при
КЗ на землю используются составляющие напряжения и тока нулевой
последовательности и соответственно ИОФ с срмч =-2п/3 (синусный орган
направления). Напряжения к ИОФ подводятся от трансформатора TV,
установленного на шинах подстанции.
Комплект ИОФ1 включен на ток / . = l\2~ l\i2> а ИОФ2 — на ток
- 1 = -II 2 ~~ -I 2 ; комплект ИОФЗ и ИОФ4
аналогично на токи / ^
-рЗ
-III 2 -IV 2
и-7и
-IV 2 —III 2 "
В режиме нагрузки, как и при внешних КЗ, например в К1 (рис. 10.2, а),
токи в обеих цепях линии имеют одно направление и равны, а в защите и
в реле / = 0. Защита не срабатывает и, следовательно, по принципу
выполнения является абсолютно селективной защитой. При КЗ в пределах
защищаемых линий (рис. 10.2, б) в зависимости от того, на какой из цепей
расположено КЗ (К2 или КЗ), фаза токов / . и / 2 изменяется на
противоположную (рис. 10.2, в, г). Поэтому ИОФ могут четко определять
поврежденную цепь. Если при КЗ на Wl (К2) и токе / j срабатывает ИОФ1 и
отключает выключатель /, то при КЗ на W2 (КЗ) будет срабатывать ИОФ2 и
отключать выключатель 2. Аналогично действуют органы защиты в
комплекте противоположного конца линии.
Возможно выполнение комплекта защиты только с одним ИОФ с двумя
выходами (двухстороннего действия), включенными на / = 1\2~1\\2'
При КЗ на линии в зависимости от фазы / сигнал появляется только на
выходе, разрешающем отключение поврежденной цепи.
218
При дифференциальном включении ИОФ в его цепи тока практически
всегда проходит ток небаланса /нб, обусловленный разностью
намагничивающих токов групп трансформаторов тока. При внешних КЗ (К1) и
случайно направленном токе /нб остаточное напряжение на шинах
может быть достаточным для излишнего срабатывания ИОФ. Загрубление
ИОФ для исключения таких срабатываний нежелательно, так как
приводит к увеличению «мертвой» зоны. Поэтому, как и в токовых
направленных защитах, ИОФ выполняются с максимально возможной
чувствительностью, допускающей их срабатывания при токах небаланса в условиях
внешних КЗ. Пусковой орган тока защиты отстраивается от токов
небаланса и разрешает защите действовать только при возникновении КЗ в
пределах защищаемой линии.
Поперечная дифференциальная токовая направленная является
абсолютно селективной защитой: в режиме без КЗ и при внешних КЗ защите не
позволяет срабатывать пусковой орган. Измерительный орган при КЗ в
зоне определяет поврежденную линию.
Повреждение между выключателем и выносным ТА (К4) защитой
воспринимается как внешнее. Зона действия защиты ограничена
трансформаторами тока, установленными по концам защищаемой линии.
10.2. ОСОБЕННОСТИ ПОПЕРЕЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ
НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ
При отключении одной из цепей (рис. 10.3, а) в защите проходит ток
второй цепи / А = / п — защита перестает быть дифференциальной и
становится токовой направленной без выдержки времени. Для
предотвращения ее ложного срабатывания без КЗ ток срабатывания следует вы-
W1
W2
а)
/к
Ьп-
Jki
&\
А 1
ю-
W1
Ю-W ~
W2
-'и=Л
5)
Рис. 10.3. Поведение защиты при отключении WI (а) и при отключении
выключателя 3 {б)
219
брать больше максимального рабочего. Однако при внешних КЗ в защите
проходит ток короткого замыкания /п = /к , который может привести к
срабатыванию. Поэтому при отключении одной из параллельных цепей
защита должна автоматически выводиться из действия для исключения
ее излишних срабатываний. При одностороннем отключении одной из
цепей (рис. 10.3, б) комплект защиты противоположной стороны должен
выводиться оперативно (персоналом) во избежание излишних
срабатываний при внешних КЗ.
Поперечная дифференциальная токовая направленная защита в общем
случае не может быть основной защитой двухцепных линий, а может лишь
быть дополнительной к основной, работающей как в режиме двух цепей,
так и при отключении одной из них.
Зоны каскадного действия и «мертвые» зоны. Каскадной называется
такая работа защиты, когда комплект защиты с одной стороны линии
может и начинает работать только после отключения выключателя
противоположной стороны. До отключения выключателя противоположной
стороны в комплекте защиты, работающем каскадно, ток /3 оказывается меньше
ее тока срабатывания. Часть линии, в пределах которой КЗ отключаются
защитой каскадно, называется зоной каскадного действия.
При перемещении точки КЗ по верхней цепи от шин подстанции А к Б
(рис. 10.4, а) ток 1Х снижается, а 1и растет. Ток в защите /зА, равный
разности этих токов, уменьшается до нуля при КЗ у шин подстанции Б.
Поэтому на участке /кА, где /зА < /сза» за1Дита А не срабатывает. В защите Б
(рис. 10.4, б) ток /зБ = 1Ш - (~1\у) - 2/п, наоборот, значителен, и
комплект Б срабатывает и отключает выключатель 3. После этого весь ток КЗ
направляется по одной цепи и, если /зА > /с 3 А (рис. 10.4, в), защита А
срабатывает и отключает выключатель 7. Каскадная работа обусловлена
конечной чувствительностью ПОТ — необходимостью выбора /с 3 > 0.
Значение зоны каскадного действия /кА определяется решением
системы уравнений, которые справедливы при КЗ на границе зоны каскадного
действия, когда токи совпадают или противоположны по фазе:
и падения напряжений:
/.^(/-/^/„zy + ^z,/^,
где / — длина линии; Zx — ее удельное сопротивление.
220
б)
^-/ц--/^
Jc.aA
° в) '
Рис. 10.4. Зона каскадного действия (а), токи /,, /,, в цепях линии и в защите /зА до
отключения (б) и после отключения выключателя 3 {$)
Тогда значение /кА получается равным
/,
кА
:1с.зА1/1к(К1)>
(10.1)
где /к(/<7) определяется приближенно при КЗ на шинах подстанции Б.
При КЗ у шин подстанции А в К2 аналогично работает защита Б — кас-
кадно после отключения выключателя 7. Зона каскадного действия защиты Б
/кБ=/сзБ///к(^2)» (»0.2)
где /к(#2) принимается приближенно равным току при КЗ на шинах А. Таким
образом, зоны каскадного действия соответствующих комплектов
расположены у шин противоположных подстанций. Полная зона /к = /кА + /кБ. Зона /к
должна быть меньше длины линии /. При /к < 1 исключаются перекрытие /кА
221
и /кБ и отказ в действии обоих комплектов защиты. С учетом возможности
КЗ через переходное сопротивление желательно, чтобы /к < 0,51.
Время отключения КЗ t0TK определяется временем срабатывания
защиты tc з и временем отключения выключателя t0 в. При tc зА = /с зБ и
одинаковых /0 в при КЗ вне зоны каскадного действия время отключения /отк =
= 'с за + 'о в = 'с зБ + 'о в > а ПРИ каскадном действии Готк ^сзА^ов +
+ 'сзБ + ^ов = 2/отк-
При каскадной работе защиты повреждение ликвидируется селективно,
но увеличивается время отключения КЗ.
При КЗ в зоне каскадного действия защиты Б (К2) в защите А действует
ИОФ на отключение выключателя /. После отключения выключателя 1 ток
/ А = / п (/j = 0), ИОФ переориентируется на отключение выключателя 2
до отключения выключателя 3.
Для предотвращения отключения неповрежденной линии при КЗ в
зоне каскадного действия необходимо сразу же после отключения
выключателя поврежденной линии автоматически выводить из работы
подействовавший комплект.
«Мертвая» зона защиты /мз наблюдается при девяностоградусной
схеме включения ИОФ при К^ ' вблизи места установки защиты, обусловлена
конечной чувствительностью ИОФ и определяется Uc р min > 0. При К^ '
в точке К2 (рис. 10.4, а) комплект А отказывает, так как КЗ находится
в «мертвой» зоне его ИОФ. Комплект Б также отказывает, так как может
сработать лишь каскадно, после отключения выключателя /, т.е.
трехфазное КЗ на линии рассматриваемой защитой не отключается.
При КЗ в «мертвой» зоне комплекта он отказывает. При КЗ в «мертвой»
зоне одного комплекта и в зоне каскадного действия комплекта у шин
противоположной подстанции не сработают оба комплекта. Это следует
учитывать при выполнении всего комплекса защит линии.
10.3. АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Структурная схема алгоритма поперечной дифференциальной
токовой направленной защиты (условно на одну фазу) приведена на рис. 10.5.
В качестве варианта рассмотрен алгоритм: параллельно выполняется
работа ПОТ и ИОФ, последовательно реализуется работа логической части.
Выполнение алгоритма возможно лишь при наличии следующих условий:
включены выключатели / и 2 (см. рис. 10.4), защита оперативно введена
в работу. ИОФ1 действует на отключение QI и ИОФ2 на отключение Q2,
определяется значение характеристических величин /л, фл1 и фл2.
222
Рис. 10.5. Структурная схема алгоритма поперечной дифференциальной токовой направ
ленной защиты
При срабатывании ПОТ1 и ИОФ1 защита действует на отключение QJ.
Если не работает ИОФ1 (фл1 вне зоны срабатывания), а срабатывает
ИОФ2, то защита действует на отключение Q2.
При срабатывании ПОТ и отсутствии срабатывания ИОФ1 и ИОФ2
фиксируется неисправность, так как ПОТ должен срабатывать лишь при
КЗ на защищаемых линиях. Следствием неисправности может быть
излишнее срабатывание ПОТ либо отказ ИОФ.
Ток срабатывания токового ПОТ, включенного на полные токи фаз,
выбирается из следующих условий.
1. Ток срабатывания защиты должен быть отстроен (выбран большим)
от максимального расчетного тока небаланса /нбтах ПРИ внешнем КЗ на
шинах противоположной подстанции /сз = £отс/нбтах- Т°к небаланса
определяется различием погрешностей е измерительных трансформаторов
тока (как для любых дифференциальных защит), а также возможным
неравенством сопротивлений параллельных линий.
223
.ин
III
Рис. 10.6. Работа ИОФ в защите приемной стороны (а), определение /рч {б)у
проверка кч в каскаде (в)
При одинаковых параметрах учитывается лишь первая составляющая.
В этом случае
'с.з - *отс*одн*апе'к.вн тах'^» (10.3)
где коэффициент отстройки котс = 1,2; коэффициент однотипности кодн =
= 0,5 (трансформаторы тока двух цепей обычно однотипны);
коэффициент апериодичности Лап = 2—3 (защита без выдержки времени); полная
погрешность е = 0,1; максимальный ток внешнего КЗ /к вн тах (по каждой
цепи проходит половина этого тока).
2. Ток срабатывания ПОТ должен быть определен с учетом
необходимости его возврата после отключения внешнего КЗ в режиме работы линии
с односторонним отключением одной из линий (рис. 10.6, а). В таком
режиме комплект защиты А выведен из действия оперативно, например
снятием накладки, но при внешнем КЗ его ПОТ срабатывает. Если не будет
обеспечен после отключения внешнего КЗ его возврат при рабочем
максимальном токе /раб тах в линии, то при оперативном вводе защиты она
может ложно сработать. Поэтому
k l /k
аотс л раб max ' Лв
(10.4)
224
На линии с односторонним питанием на приемной стороне (комплект Б)
пусковой орган можно не отстраивать от / б тах по (10.8), так как ИОФ не
сработает на отключение выключателя 4: / IV = 0, / ш направлен к шинам.
3. Необходимо также обеспечить несрабатывание защиты
неповрежденной линии при каскадном отключении несимметричных КЗ вида К^ '
или АГ^ ' \ В этом случае в неповрежденных фазах проходят токи,
получающиеся в результате наложения токов предшествующего режима и
токов повреждения, а полные токи могут оказаться даже больше рабочих
максимальных. Поэтому /сз > *0тс^неповфаз- Определяющим является
условие, из которого получается большее значение /с 3.
Чувствительность защиты, оцениваемая коэффициентом
чувствительности пускового органа и зоной каскадного действия. Зона
каскадного действия вычисляется по (10.1), (10.2).
Чувствительность ПОТ определяется при всех включениях
выключателей параллельных цепей и после отключения одного из выключателей при
каскадной работе защиты.
При всех включенных выключателях определяется коэффициент
чувствительности Л'ч при КЗ в точке К1 равной чувствительности:
чувствительность комплекта А равна чувствительности комплекта Б (рис. 10.6, 6).
При перемещении КЗ от точки равной чувствительности в любую
сторону чувствительность одного из комплектов повышается.
Чувствительность второго комплекта одновременно снижается и при КЗ вблизи шин
становится равной нулю, но при этом комплект может работать каскадно.
Точка равной чувствительности расположена, например, от шин Б на
расстоянии /р чБ, определяемом решением системы уравнений:
/к = /,+/,„ = (/,-/„)+(/„,-/„) = /*+/*;
/I21(/-/p4) = /IIZ1/+_/IIIZ1/p4;
'р.ч = "зА ^к> *'ч = ^зА^с зА = ^зБ ^с з Б'
(10.5)
hs ""'зА^сзБ^с.зА;
(10.6)
/р.ч = "с.зА/('сзА+'с.зБ)- (1°-7>
При /с зА = /с 3Б длина /р ч = 0,5/ и, следовательно,
*'ч='за/'сзА = 'зб"сзБ^2. (Ю.8)
225
В режиме каскадного отключения коэффициент чувствительности к^
определяется после отключения выключателя, например, у шин
подстанции, противоположной месту установки защиты (рис. 10.6, в):
*ч =W)"c3A*1.5- 0°-9)
При к'ч > 2 выполняется условие /к < 0,5.
Чувствительность комплекта от междуфазных КЗ, включенного на
полные токи и напряжения фаз, может быть повышена применением
комбинированного пускового органа максимального тока и
минимального напряжения, сигнал на выходе которого появляется только при
срабатывании обоих органов.
Ток срабатывания комбинированного пускового органа не требуется
отстраивать от / б тах, так как при этом не срабатывает орган напряжения,
напряжение срабатывания которого выбирается:
^сз^абтах/*от<А> (ЮЛО)
где£отс = 1,3; Ав = 1,15.
Такой ПО может быть использован, если при выборе тока срабатывания
определяющим явилось условие (10.4).
Для повышения чувствительности к КЗ на землю используется
комплект, включенный на слагающие нулевой последовательности. Его
комбинированный ПО состоит из органа тока, включенного на разность токов
нулевой последовательности 3/0 линий, и органа максимального
напряжения, подключаемого к напряжению нулевой последовательности U0,
получаемому от обмоток измерительного трансформатора напряжения,
соединенных в разомкнутый треугольник.
Ток срабатывания органа тока отстраивается от тока небаланса при
внешних трехфазных КЗ, а органа напряжения — от напряжения небаланса
в максимальных нагрузочных режимах. При срабатывании органа тока и
органа напряжения выводится комплект защиты от междуфазных КЗ и
разрешается работа комплекта от КЗ на землю.
Орган напряжения нулевой последовательности предотвращает вывод
комплекта от междуфазных КЗ в случае срабатывания только органа тока
нулевой последовательности под воздействием токов небаланса при
междуфазных КЗ вблизи места установки защиты.
Принципиальная схема поперечной дифференциальной токовой
направленной защиты подстанции А (рис. 10.6) для линии 35 кВ (сеть
с изолированной нейтралью) приведена на рис. 10.7. Защита выполняется
от всех многофазных КЗ двухфазной двухрелейной.
226
+0
KL1.1 л
SX KQC1 KQC2 KA1 KW1.1 u
o=d-^—-—i ^—.—^—НИ
JHK/.2
КЛ2 KW2.1
+1 KL1
Ql
e)
YAT1 -1
KW2.2
U
43—гЧ1Н
I—I rnr/ I—I
Rl
+2
JX2
R2
] KQC1
KL2.2
Q2 YAT2 _2
KQC2
Рис. 10.7. Принципиальные
разнесенные схемы цепей тока (а),
напряжения (б), оперативного
тока защиты (в) и
выключателей (г)
г)
В качестве пусковых используются реле тока КА1 и КА2 (рис. 10.7, а),
включенные на разность токов параллельных линий в фазах А и С: I . =
= 1а21~-а2\\ и -р2 = -c2i~-c2ir ^ качестве ИОФ используются реле
направления мощности KW1 и KW2 двухстороннего действия, включенные
227
на эти токи и напряжения U ] = Цъ и U 2 - ЦаЬ, т.е. по
девяностоградусной схеме (рис. 10.7, б).
В нормальном режиме и при внешних КЗ реле КА не работают, так как
/ = /нб и меньше их тока срабатывания.
Контакты реле KW1.1 и KW2.1, подготавливающие цепи на отключение
выключателя / (см. рис. 10.6), замыкаются в следующих режимах: токи L
и /и совпадают с условными положительными направлениями и
1-11 > 1-н I' ток -II = ®' а -I совпаДает с условным положительным
направлением; ток /ц противоположен этому направлению, что
соответствует /j = -(-/и); ток /j = 0 , и /jj противоположен условному
положительному направлению.
Аналогично могут быть определены режимы, при которых
замыкаются контакты KW1.2 и KW2.2, подготавливающие цепи отключения
выключателя 2.
Оперативные цепи защиты питаются от шин +0 и -0 (рис. 10.7, в), а
цепи отключения каждого из выключателей 7, 2 (см. рис. 10.6) — от своих
шин: +1 и -1, +2 и -2 (рис. 10.7, г). Защита введена в работу при
замкнутой цепи накладки SX, снимаемой при оперативном выводе защиты,
замкнуты контакты реле положения выключателей KQC1 и KQC2.
Действительно, при включенном выключателе / замкнут его сигнальный контакт
и реле KQC1 находится в возбужденном состоянии — положении после
срабатывания. При отключении выключателя его сигнальный контакт
размыкается, обесточенное KQC возвращается, размыкая цепь оперативного
тока защиты.
При КЗ на W1, например между фазами А и В, срабатывают реле КА1
и KW1 (рис. 10.7, я). При этом замыкаются контакты КА1 и KW1.1, что
приводит к срабатыванию реле KL1 — обтекается током его рабочая
обмотка KL1.1 (рис. 10.7, в). При замыкании его контакта KL1 подается
напряжение на электромагнит отключения YATI, отключается выключатель
1 и возвращается реле KQC1. Удерживающая обмотка KLJ.2 реле КЫ
исключает срыв отключающего воздействия при возможной вибрации
контактов реле KW1 или KW2.
При возврате KQC1 с защиты снимается + 0, что исключает излишнее
срабатывание при каскадном действии защиты.
Аналогично работает схема при КЗ на W2, действуя на отключение
выключателя 2 (см. рис. 10.6).
Поперечная дифференциальная токовая направленная защита обладает
селективностью в сетях любой конфигурации только в режиме работы
228
Рис. 10.8. Излишнее отключение при КЗ с обрывом
двух линий W1 и W2 (см. рис. 10.6). Поэтому она часто называется
дополнительной быстродействующей защитой. При КЗ в зоне каскадного
действия время отключения увеличивается, что особенно важно при
медленнодействующих выключателях.
Чувствительность защиты, определяемая пусковыми органами, во
многих случаях оказывается достаточной. Измерительный орган направления
отказывает в действии при К^ ' вблизи места установки: защита имеет
«мертвую» зону.
При КЗ с обрывом провода защита излишне отключает
неповрежденную линию (рис. 10.8). Комплект Б правильно отключает выключатель 4, а
комплект А — неправильно выключатель /, поскольку ток 1и = 0.
В настоящее время защита используется для линий напряжением U <
< 35 кВ, реже для линий 110 кВ или как дополнительная при КЗ на землю.
10.4. ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Поперечная дифференциальная токовая защита используется на
синхронных генераторах с параллельными ветвями обмоток статора от витко-
вых КЗ (A'g ) (рис. 10.9). Защита выполняется односистемной, ее НОТ
реагирует на геометрическую разность двух токов ( £{, /п ), каждый из
которых является геометрической суммой токов трех фаз одной и второй
параллельных ветвей. Трансформатор тока ТА включается в цепь между
нейтралями, образованную соединением обмоток ветвей звездой,
В нормальном режиме и при внешних КЗ токи в параллельных ветвях
обмотки равны, и поэтому в НОТ ток отсутствует.
При разных видах витковых КЗ в НОТ появляется ток, и при /р > /ср
он срабатывает. Токораспределение при разных видах /Св приводится
229
Рис. 10.9. Схема токовых цепей
дифференциальной токовой поперечной
защиты генератора
в [2] для простого случая — отключенного (выключатель Q) от сети
генератора G (рис. 10.9).
При замыкании между витками одной фазы К1 через защиту проходит
ток незакороченной части поврежденной фазы. При уменьшении доли
замкнувшихся витков а увеличивается ток в контуре замыкания и
уменьшается ток в защите, что приводит к появлению «мертвой» зоны.
При замыкании между ветвями одной фазы К2 в защите проходит тот
же ток, что и в нейтрали. При выравнивании долей замкнувшихся витков
ai = а2 точки замыкания расположены на одинаковых расстояниях от
нейтрали, потенциалы их равны, ток в защите 13 = 0, т.е. имеет место
«мертвая» зона. При замыкании КЗ между двумя фазами разных ветвей
обмотки через трансформатор тока защиты проходит разность токов
поврежденной и неповрежденной ветвей со стороны нейтрали:
(10.11)
-з " -IA -ИВ
-IB
■illA-
Поскольку этот вид повреждения является замыканием между разными
фазами, то «мертвая» зона имеет место только при замыкании вблизи
нейтрали генератора при ccj -* 0 и а2 —> 0.
При замыкании К4 между фазами одной ветви через защиту проходит
разность токов поврежденной и неповрежденной ветвей со стороны
нейтрали:
l3 = llA-luc = llB-lnc- (1012>
Как и в предыдущем случае, «мертвая» зона возможна только при
замыкании вблизи нейтрали при одновременном а {
230
Она-,
0.
При однофазных замыканиях на землю
К3 (рис. 10.10) в защите проходит ток
/3 , однако много меньший ее тока
срабатывания 1С з.
Как известно [2, 3], при замыкании на
землю в обмотке возбуждения генератора в ' ' ^^ [QQ ' 20'0у
одной (первой) точке его работа не наруша-
_ w Рис. 10.10. Относительное увели-
ется. Однако при замыкании во второй точке ченис тока срабатывания РТ.4о/Ф
обмОТКИ Возбуждения искажается форма при изменении частоты
кривой МДС в воздушном зазоре между
ротором и статором. Витки параллельных ветвей обмоток статора,
расположенных в разных пазах, оказываются в магнитном поле с разной индукцией.
Поэтому различаются ЭДС и токи в ветвях, что приводит к появлению тока
в ИОТ защиты и к возможности ее срабатывания.
Поперечная дифференциальная токовая защита реагирует на разные
виды замыканий: в одной фазе, между ветвями разных фаз и К3 . Однако
при разных К^ она имеет «мертвую» зону, а при К3 не срабатывает
из-за малых значений /3 и недостаточной чувствительности. Поэтому
защита используется только от витковых замыканий в одной фазе по
причине простоты исполнения и из-за отсутствия более совершенных защит
от этих виде j повреждений.
Как и для любой дифференциальной токовой защиты, ее ток
срабатывания должен быть отстроен от максимального тока небаланса /нбтах
при внешних КЗ. Основная составляющая тока /нб определяется
наличием в ЭДС генератора высших гармоник, в основном третьей гармоники и
кратных ей, так как они во всех обмотках совпадают по фазе и
арифметически суммируются, создавая токи 1{ , 1и нулевой последовательности.
Для уменьшения влияния гармоник защита выпускается с реле РТ-40/Ф и
содержит резонансный (полосовой) фильтр промышленной частоты,
состоящий из реактора — вторичной обмотки трансформатора TAL и
конденсатора С, параллельно которому включен реагирующий элемент
схемы (см. рис. 10.9). При увеличении частоты снижается сопротивление
конденсатора, шунтирующего реагирующий элемент схемы. На
рис. 10.10 приведена характеристика загрубления РТ-40/Ф в зависимости
от частоты. При частоте 150 Гц защита загрубляется примерно в 8 раз.
Расчет токов небаланса защиты при внешних КЗ, обусловленных
высшими гармониками на выходе фильтра, оказывается сложным. При налад-
231
ке защиты на генераторе токи небаланса определяются опытным путем
при холостом ходе и при КЗ с номинальным током, с последующим
пересчетом последнего для значений тока /к внешних КЗ. Однако с запасом по
отстройке от /нб выбирается ток:
/СЗ=(0,2-0>2)/НОМГ (10.13)
При таком /с з защита надежно срабатывает при витковых КЗ, однако
не может работать при /3 , сопровождающихся токами не более
десятков ампер.
На генераторах с косвенным охлаждением проводников обмоток при
срабатывании ИОТ пускается реле времени, разрешающее защите
срабатывать на отключение с временем 0,5—1 с. За счет этого предотвращается
отключение генератора при кратковременных замыканиях на землю во
второй точке цепи возбуждения.
На генераторах с непосредственным охлаждением проводников
обмоток при срабатывании ИОТ защита действует без замедления в связи с
повышенной опасностью развития повреждений при витковых замыканиях.
11
ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
11.1. ОБЩАЯ НЕСЕЛЕКТИВНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ
Замыкание на землю одной фазы в сетях с изолированной или
заземленной через дугогасящий реактор нейтралью не является аварией.
Потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают нормально
работать. Это дает возможность выполнять защиту от замыкания на землю,
действующей на сигнал. В сетях простой конфигурации допускается
применение только общего устройства неселективной сигнализации,
контролирующего состояние изоляции в системе данного напряжения. Схема
устройства состоит из трех минимальных реле напряжения, включенных на
напряжения фаз относительно земли (рис. 11.1, а), или из одного
максимального реле напряжения, включенного на напряжение нулевой
последовательности (рис. 11.1, б). Устройство сигнализации подключается к
трансформаторам напряжения, установленным на шинах.
11.2. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Длительная работа сети при замыкании одной фазы на землю
недопустима из-за возможности нарушения междуфазной изоляции в месте
повреждения и перехода однофазного замыкания в многофазное. Возможны
также случаи двойных замыканий на землю вследствие повышения в Jb раз
напряжений неповрежденных фаз относительно земли. Поэтому в
протяженных сетях сложной конфигурации, когда определение поврежденного
участка затруднено, наряду с общим устройством неселективной сигнали-
А •
я.
с
tr-T L W KV1 KV2 KV3
л -
в.
с
TV
Щ-Ji
KV
О а Ь с
а) б)
Рис. 11.1. Схемы устройства неселективной сигнализации при замыканиях на землю
233
зации необходимо предусматривать селективную защиту на каждом
присоединении. Обычно это токовая защита.
Вероятность повреждения междуфазной изоляции определяется не
только продолжительностью прохождения тока через место замыкания на
землю, но и значением тока. Поэтому для предотвращения перехода
однофазных замыканий в многофазные максимальный ток замыкания на землю
в сетях напряжением 3—20 кВ, имеющих железобетонные и
металлические опоры, и во всех сетях 35 кВ должен быть не более /Зтах < ^ ^;
в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор при
напряжении 3—6 кВ, — не более /зтах < ^ А, при напряжении 10 кВ — не более
I.
(1)
гО)
зтах <20 А и при напряжении 15—20 кВ — не более /зтах < 15 А [4].
В протяженных и разветвленных сетях токи замыкания на землю могут
быть больше указанных значений. В таких случаях для их компенсации
применяются дугогасящие реакторы.
Таким образом, допустимые токи замыкания на землю меньше рабочих
токов защищаемого элемента, поэтому токовая защита от замыкания на
землю, например линии W1 (рис. 11.2), выполняется с включением реле на
фильтр тока нулевой последовательности. Она приходит в действие
благодаря прохождению по поврежденному участку тока нулевой последова-
\-Ог
W3
-+**-
ш
I
i_±iiu
с°3 ЙЛЛ
W2
г(1)
31{Х)
©-в4-о-е| ,
ft
to-
и02
;S^fefc
02
3/(D
Ji02
Wl
^
/ <Ч
t—
гт тч
Co1 W/У/Ш///)/,
Ь0з
з/(1)
Рис. 11.2. Распределение емкостных токов при однофазном замыкании на землю
в сети с изолированной нейтралью
234
тельности 3/0эк, обусловленного емкостью всей электрически связанной
сети С0эк без учета емкости С01 поврежденной линии.
Распределение токов нулевой последовательности в системе таково, что
при условном направлении тока / з к месту повреждения токи нулевой
последовательности неповрежденных линий 3 /^2 и 3 /L , проходя через
емкости С02 и С03, направляются к шинам подстанции и далее по
поврежденной линии от шин к месту замыкания К 3 . Ток З/qj , как и ток в
одиночной линии, проходит по участку между местом повреждения и точкой
присоединения конденсатора С01. Таким образом, от шин по поврежденной
линии направляется ток нулевой последовательности 10эк, определяемый
емкостью всех неповрежденных линий:
^Оэк = i02+i03 =^Ф(С02 + С03) =»С0эк^ф- О'-»
В случае замыкания на землю на линии W2 или W3 по линии W1
(неповрежденной) к шинам проходит ток 3 /Q1. Если 10эк> /01, то на линии
W1 в качестве защиты от замыкания на землю можно использовать
токовую защиту нулевой последовательности. Защита не должна срабатывать
при повреждениях на других присоединениях сети, когда по защищаемой
линии проходит ток 3/0л = 3/01, обусловленный емкостью линии. При
этом для обеспечения недействия защиты ее ток срабатывания выбирают
'с.,=*отсЗ/0л- (U-2)
Коэффициент отстройки определяется броском емкостного тока в
момент замыкания. На основании опытных данных для защит без выдержки
времени котс = 4—5; для защит с выдержкой времени с учетом характера
замыкания коэффициент котс = 2—2,5. Без выдержки времени
выполняются защиты, действующие на сигнал, защиты линий торфяных
разработок и других сетей, находящихся в подобных условиях, где при
замыкании на землю линии для безопасности должны отключаться без
замедления. В таких сетях токи однофазного замыкания на землю не превышают
/3 < 1—1,5 А. При этом напряжение прикосновения ограничивается на
допустимом уровне (не более 40 В) и однофазные замыкания на землю не
представляют опасности для обслуживающего персонала.
Однако при возникновении второго замыкания на землю на другой фазе
(двойного замыкания на землю) токи значительно возрастают, а напряже-
235
г/Я Изоляция
#\?
TAZ
I
ния прикосновения достигают
недопустимых значений и могут явиться
причиной несчастных случаев. Для
уменьшения вероятности возникновения
опасных двойных замыканий защиты от
замыканий на землю в рассматриваемых
сетях выполняются с действием на
отключение без выдержки времени.
Чувствительность защиты характеризуется
коэффициентом
*4=3Wc3- Oi-з)
Рис. 11.3. Защита от замыканий на
землю с кабельным ТНП
Ток 3/0эк определяется
минимально возможным числом включенных
линий. Чувствительность защиты
считается достаточной, если для воздушных линий кч > 1,5, а для кабельных
кч > 1,25.
Для выполнения защиты в качестве фильтра тока нулевой
последовательности используется трансформатор тока нулевой
последовательности (ТНП) TAZ (рис. 11.3). При замыкании в сети на землю токи
повреждения могут замыкаться как через землю, так и по проводящей оболочке
кабеля, в том числе и неповрежденного, что может вызвать неправильное
действие защиты. Поэтому кабель на участке от ТНП до воронки
изолируют от земли, а заземляющий провод присоединяют к воронке кабеля и
пропускают через отверстие магнитопровода ТНП в направлении кабеля.
При таком исполнении цепей защиты токи, проходящие по броне и
проводящей оболочке кабеля, компенсируются токами, возвращающимися
по заземляющему проводу.
Чувствительность защиты характеризуется минимальным первичным
током замыкания на землю. При использовании электромагнитного реле
с трансформаторами тока нулевой последовательности можно
выполнить защиту, действующую при минимальном первичном токе
замыкания на землю /.
(1)
5 А.
11.3. НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Если в установившемся режиме собственный емкостный ток линии
/0л в сетях с изолированной нейтралью соизмерим с полным током
замыкания на землю, то токовую защиту, реагирующую на установившееся
значение емкостного тока, осуществить нельзя. В таких случаях
применяется направленная защита нулевой последовательности или устройст-
236
во сигнализации, контролирующее не только значение, но и направление
тока замыкания на землю.
Из анализа векторных диаграмм напряжения и тока нулевой
последовательности (см. рис. 5.11) следует, что максимальной чувствительностью
обладает реле направления мощности с внутренним углом а = я/2.
Поэтому для выполнения защиты требуется реле, подключаемое к фильтрам
напряжения и тока нулевой последовательности. Защита не имеет
измерительного органа тока, поэтому для исключения неправильного ее
срабатывания реле направления мощности отстраивается от мощности небаланса,
обусловленной погрешностями фильтров. Такую защиту можно применять
в сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы; тогда
для ее действия при возникновении замыкания на землю необходимо
автоматически отключать дугогасящие реакторы или изменять на них
ответвления так, чтобы емкостный ток, проходящий по поврежденной линии,
оказался достаточным для срабатывания защиты. Отключать дугогасящие
реакторы не требуется, если для действия защиты используется не
емкостный ток, а активная составляющая тока замыкания на землю,
обусловленная потерями в дугогасящем реакторе и активной проводимостью фаз сети.
Необходимо отметить, что так как ток компенсации и емкостный ток в
поврежденной линии имеют противоположные направления, то в
перекомпенсированной сети направление тока в поврежденной и неповрежденной
линиях одинаковое. Поэтому для действия направленной защиты можно
использовать только активный ток, который не превышает нескольких
процентов от полного тока реактора. Реле направления мощности должны
обладать высокой чувствительностью по углу, а фильтры нулевой
последовательности иметь малые погрешности.
В схемах можно использовать индукционные реле направления
мощности высокой чувствительности. Однако такие реле потребляют
большую мощность. Защита же в целом, как показывает опыт эксплуатации,
работает ненадежно.
Более совершенная направленная защита нулевой последовательности
от замыкания на землю ЗЗП-1 на полупроводниковой элементарной базе
предназначена для селективного отключения защищаемого присоединения
при однофазных замыканиях на землю в сетях торфяных разработок,
карьеров, шахтных и тяговых сетях электрифицированного транспорта
напряжением 2—10 кВ с током замыкания на землю от 0,2 до 20 А. Защита имеет
малую потребляемую мощность и реагирует на ток замыкания,
составляющий 13 = 0,07—2 А. Она состоит (рис. 11.4, а) из вторичного
измерительного преобразователя тока нулевой последовательности в виде
промежуточного трансформатора TAL, нагруженного конденсатором Сб (называемого
согласующим устройством), двухкаскадного избирательного усилителя
переменного тока на транзисторах VT1 и VT2, схемы сравнения фаз на VT3 и
237
ЩЩ
I
о
м 2 л
« ч S
о s S
S « л
г = s
52 « ч
I " §
я * £
я 2 §■
I 1 £
X М «W
« я м
X я со
0-
II
9-
ZD,
=Р=
Й>1
fc»*
t»i
-ftM
lxct
bST ^T
&T
*Ut*
238
VT4 двух электрических величин, пропорциональных току 3_/Q и
напряжению 3U0 нулевой последовательности, и реагирующего элемента ЕЛ.
Согласующее устройство преобразует ток 3/0 в напряжение (на
конденсаторе Сб), смещенное по фазе на угол л/2 относительно тока нулевой
последовательности, позволяет изменять ток срабатывания защиты
(изменением числа витков обмотки трансформатора) и обеспечивает термическую
стойкость защиты при двойных замыканиях на землю (разрядник VF).
Двухкаскадный усилитель переменного тока выделяет и усиливает
составляющую промышленной частоты выходного напряжения
согласующего устройства. Для этой цели на выходе усилителя включен резонансный
контур С2 — 7Х с частотой /0 = 50 Гц.
Схема сравнения осуществляет сравнение фаз двух синусоидальных
величин: напряжения UQ вторичной обмотки трансформатора 7Х,
пропорционального току нулевой последовательности 3 /Q и смещенного по фазе
относительно него на угол п /2, и напряжения U автотрансформатора TVL,
пропорционального напряжению нулевой последовательности 3 U0.
Сравнивается время совпадения tc их мгновенных значений по знаку с
установленным временем / . Реагирующий элемент ЕЛ срабатывает при tQ >t.
Из векторных диаграмм тока 3 IQ и напряжения 3 UQ следует, что при
замыкании на защищаемой линии, когда через защиту к точке замыкания
проходит ток 3/0эк, обусловленный емкостями неповрежденных линий,
сравниваемые напряжения UQ и U совпадают по фазе (рис. 11.4, б). На
неповрежденной линии ток 3/0 , обусловленный собственной емкостью линии,
направлен к шинам, а сравниваемые ее защитой напряжения смещены по
фазе на угол п (рис. 11.4, в). Из этого следует, что защита срабатывает, имея
максимальную чувствительность, если угол сдвига фаз между UQ и U
равен нулю, и не действует при ф =71. Таким образом, зона срабатывания
определяется углом сдвига фаз -7i/2 < ф < тс/2. На рис. 11.4, б, в она ограничена
линией нулевой чувствительности, совпадающей с вещественной осью.
Схема сравнения является двухполупериодной. На ее выходе включен
реагирующий элемент ЕЛ в виде поляризованного реле. Ток в обмотке
реле в один полупериод определяется состоянием транзистора VT3 и диода
VD3, а в другой полупериод — состоянием транзистора VT4 и диода VD4.
Для прохождения тока необходимо, чтобы в первом случае одновременно
были открыты VT3 и VD3, во втором — VT4 и VD4. Состояние
транзисторов и диодов зависит от полярностей мгновенных напряжений и0 и ик.
239
Они открыты, если эти напряжения имеют одинаковую полярность. При
совпадающих по фазе уо и U к в течение одного из полупериодов
открыты VT3 и VD3, в течение другого — VT4 и VD4. При этом ток в обмотке
реагирующего элемента ЕА максимальный. По мере увеличения угла
сдвига фаз между У0 и Ук время совместного открытого состояния
соответствующих транзистора и диода в каждом полупериоде сокращается, поэтому
среднее значение тока в обмотке ЕА уменьшается.
Для получения зоны срабатывания ток срабатывания реагирующего
элемента выбран равным среднему значению тока при ф = 71/2.
11.4. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА, СРАБАТЫВАЮЩАЯ ОТ ГАРМОНИЧЕСКИХ
СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Высшие гармонические, содержащиеся в токе и при нормальном
режиме, обусловлены несинусоидальным характером кривых ЭДС генераторов
и токами намагничивания силовых трансформаторов. При этом основным
источником высших гармонических являются силовые трансформаторы.
В зависимости от условий работы, характера нагрузки и конфигурации
сети порядок высших гармонических и их амплитуды изменяются.
При возникновении однофазного замыкания на землю содержание
высших гармонических в сети резко увеличивается, причем их
содержание в токе нулевой последовательности поврежденной линии во много
раз больше, чем в токе нулевой последовательности неповрежденной
линии. Такое положение наблюдается в сети как с изолированной, так и с
заземленной через дугогасящий реактор нейтралью при любой степени
компенсации емкостных токов. Дугогасящий реактор только увеличивает
содержание высших гармонических в токе нулевой последовательности
поврежденной линии.
Разработаны устройства, например, УСЗ-2/2, УСЗ-ЗМ и УСЗ-3,
предназначенные для селективной сигнализации замыканий на землю в кабельных
сетях 6—10 кВ с заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. Они
реагируют на содержание всех высших гармонических в установившемся
токе нулевой последовательности. Упрощенная принципиальная схема
устройства УСЗ-2/2 (рис. 11.5) содержит согласующий трансформатор 7Х,
измерительно-преобразовательную, логическую и исполнительную части. Для
защиты устройства от пиковых напряжений при двойных замыканиях на
землю установлен разрядник VF. Согласующий трансформатор TL служит
для согласования работы устройства с различными типами ТНП.
Измерительно-преобразовательная часть определяет наличие высших
гармонических в установившемся токе нулевой последовательности. Она
состоит изLC-фильтра, настроенного на резонансную частоту, близкую к
240
Измерительно-преобразовательная часть
Логическая и исполнительная части
Рис. 11.5. Схема устройства селективной сигнализации при замыкании на землю
в кабельных сетях УСЗ-2/2
50 Гц, конденсатора С/, переменного резистора R1 и выпрямительного
моста VS. Конденсатор С1 фильтрует высшие гармонические
составляющие частотой 2 кГц и выше. Таким образом, выпрямленное
напряжение на выходе измерительной части оказывается
пропорциональным содержащимся в токе нулевой последовательности всем высшим
гармоническим частотой более 50 Гц, но менее 2 кГц. Это напряжение
подается на вход VT1 логической части. Переменный резистор R1 служит для
дискретного изменения тока срабатывания: 25, 50, 100 и 250 А.
Логическая и исполнительная части содержат транзисторы К7У, VT2,
диоды VD1, VD2, тиратрон с холодным катодом VT3, конденсатор С2,
выходное реле KL и резисторы R2—R8. В исходном состоянии при
отсутствии повреждения напряжение на выходе измерительной части тоже
отсутствует. При этом транзистор VT1 открыт (R3 > R4)y а диод VD1 закрыт.
Заряд конденсатора С2 мал, он определяется падением напряжения на
открытом транзисторе VT1. Транзистор VT2 закрыт, так как потенциал его
базы в связи с открытым состоянием транзистора VT1 оказывается
положительным относительно потенциала эмиттера. В этом случае реле KL
обесточено, его контакт KL.1 замкнут, на сетку тиратрона VT3 подается
отрицательный потенциал и тиратрон не зажжен. При возникновении
повреждения на защищаемом участке на выходе измерительного элемента
и соответственно между эмиттером и базой транзистора VT1 появляется
выпрямленное напряжение, открывающее диод VD1. Потенциалы
эмиттера и базы транзистора VT1 оказываются одинаковыми, и транзистор
закрывается. Конденсатор С2 начинает заряжаться. Через некоторое время
напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на базе транзистора VT2
достигает значения, равного падению напряжения на резисторе R7.
Транзистор открывается, реле KL срабатывает, контакт KL.1 размыкается, и
тиратрон VT3 зажигается. Таким образом, при помощи конденсатора С2
достигается задержка на срабатывание около 30—50 мс, что достаточно для
241
правильного действия защиты при перемежающихся замыканиях и
отстройки ее от переходных процессов.
Действительно, если транзистор VT1 открывается до истечения
выдержки времени, создаваемой зарядом конденсатора С2, то конденсатор
быстро разряжается через открытый транзистор VT1, а транзистор VT2 или
совсем не открывается, или ток его коллектора не успевает достичь
значения, равного току срабатывания реле, т.е. устройство срабатывает только
при замыканиях на землю в защищаемой зоне, если оно продолжается не
менее 30—50 мс. При устранении повреждения транзисторы VT1, VT2 и
реле KL возвращаются в исходное состояние, а тиратрон VT3 продолжает
гореть до размыкания его цепи кнопочным выключателем SB. При
внешних повреждениях уровень высших гармонических и пропорциональное
им выпрямленное напряжение оказываются недостаточными для
открытого диода VD1 и устройство не действует.
Несколько иную схему имеют устройства УСЗ-ЗМ и УСЗ-3.
Конструкция устройства УСЗ-ЗМ предусматривает возможность его применения в
качестве стационарного и переносного. Устройство УСЗ-3 применяется
совместно с токоизмерительными клещами.
11.5. ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ОБМОТКЕ СТАТОРА
ГЕНЕРАТОРА
Токовая защита. На синхронных генераторах, работающих
непосредственно на шины генераторного напряжения в качестве защиты от
замыканий на землю в обмотке статора используют токовую защиту нулевой
последовательности, реагирующую на токи установившегося режима.
Защита подключается к трансформатору тока нулевой последовательности,
установленному со стороны шинных выводов генератора. При повреждении
в обмотке статора из сети в точку замыкания на землю направляется ток
нулевой последовательности 3/0эк, который определяется емкостью всех
неповрежденных элементов схемы генераторного напряжения С0эк. При
внешних однофазных замыканиях на землю от генератора в сеть проходит
ток 3/0г, обусловленный емкостью генератора С0г. Обычно /0эк > /0г. Это
позволяет использовать токовый принцип для выполнения селективной с
достаточной чувствительностью защиты. При этом ток срабатывания
защиты не должен превышать 1СЗ = 5 А. На генераторах для повышения
чувствительности защиты устанавливается трансформатор тока нулевой
последовательности TAZT с подмагничиванием [2] от измерительного
трансформатора напряжения 7У(рис. 11.6).
При внешних многофазных коротких замыканиях в реле,
подключенном к ТНП, появляется большой ток небаланса. Отстройка по току
срабатывания от токов небаланса при внешних коротких замыканиях недопусти-
242
I Рис. 11.6. Защита от замыка-
От защиты от внешних КЗ ний на землю с ТНП,
имеющими подмагничивание
мо загрубляет защиту генератора от замыканий на землю. Чтобы не за-
грублять защиту, ее выводят из действия защитой генератора от внешних
коротких замыканий, но при этом она оказывается выведенной и при
двойных замыканиях на землю. Поэтому на генераторе предусматривают
защиту от двойных замыканий на землю, когда одно из них находится в сети.
Она объединяется с защитой от замыканий на землю в обмотке статора
генератора. Получается устройство, содержащее реле тока разной
чувствительности, подключенных к одному ТНП. Принципиальная схема такой
комбинированной защиты от однофазных и двойных замыканий на землю
с использованием ТНП с подмагничиванием TAZT показана на рис. 11.6.
Чувствительное реле КА1 действует на отключение с выдержкой времени
tc з = 1—2 с, создаваемой реле КТ для отстройки от переходных значений
емкостного тока при внешних коротких замыканиях на землю. Реле KL1
является запрещающим: оно разрывает оперативную цепь реле КА1 при
внешних коротких замыканиях. Грубое реле КА2 действует на отключение
без выдержки времени.
Ток срабатывания чувствительного комплекта защиты выбирают с
учетом того, что одновременно с однофазным замыканием на одном из
присоединений к шинам может возникнуть двухфазное КЗ между другими
фазами другого присоединения, отключаемое с выдержкой времени, большей
времени действия чувствительного комплекта. Таким образом, ток
срабатывания /сз1 необходимо отстроить от тока, содержащего емкостный ток
генератора и ток небаланса, обусловленный внешним двухфазным КЗ [2]:
А,з1=(*;тс'сг + *о'тс'нб.У*в> 01.4)
где 1Сг = 3/0г = 3(оСг£/гном/л/3 — установившийся емкостный ток
замыкания на землю защищаемого генератора (приводится в паспортных
данных), А; /нб1 — ток небаланса защиты, соответствующий току сраба-
243
тывания защиты от внешних многофазных коротких замыканий, А; к'отс =
= 2—3 и к£тс = 1,3—1,5 — коэффициенты отстройки, учитывающие
броски емкостного тока в неустановившемся режиме и неточность расчета
тока небаланса.
Ток срабатывания грубого комплекта защиты отстраивается от
максимального тока в реле при внешних коротких замыканиях. Принимается
/сз2 = 100 А, что соответствует отстройке от указанного тока со
значительным запасом.
В соответствии со схемой замещения трансформатора тока (см.
рис. 3.2) ток срабатывания реле / определяется через ток срабатывания
защиты как
',рИ/сзГо„ом)Л|Гоном+2р|и,2). (11.5)
Подстановкой в (11.5) токов /сз1 и /сз2 определяются токи
срабатывания реле КА1 и КЛ2. Достоинство рассмотренной защиты с ТНП состоит
в ее высокой чувствительности; недостатки — в сложности и наличии
«мертвой» зоны при повреждениях нейтрали генератора.
Селективная высокочувствительная защита типа ЗЗГШ-3 (БРЭ 1301-03)
обеспечивает 100%-ную защиту обмотки статора. Защита реагирует на
высшие гармоники токов фаз.
Фиксация замыкания на землю в обмотках статора осуществляется
сравнением разностей составляющих токов непромышленной частоты,
протекающих по НОТ двух неповрежденных фаз, с третьей —
поврежденной. Разности токов получаются подключением НОТ к трансформаторам
тока, установленным на выводах генератора и со стороны его нейтрали,
т.е. по дифференциальной схеме (рис. 11.7). В нормальном режиме при
отсутствии замыкания на землю ток через НОТ не протекает. При внешнем
однофазном замыкании на землю, например в точке А7, токи
непромышленной частоты в НОТ всех фаз определяются только емкостями CG
обмоток статора ICGA , ICGB, ICGC.
При замыкании на землю на выводах одной из фаз статора в зоне
действия РЗ в точке К2 по двум неповрежденным фазам проходят и
токи непромышленной частоты ICcA , IGcB, ^СсС> обусловленные
емкостями фаз сети Сс.
В поврежденной фазе токи складываются, поступая в точку замыкания
на землю. Со стороны фазного вывода по поврежденной фазе до точки
замыкания на землю проходят составляющие остальной части тока
замыкания на землю. При этом уровни составляющих непромышленной частоты
разности токов поврежденной фазы, определяемые суммарной емкостью
сети, значительно превышают уровни соответствующих токов неповреж-
244
'CGA
jH йот h
ccxJ/(
CGA
ACGB
J-UJOTh
'Cc
Ниот h
'cm "
1—
lCzB
4е
'ccC C
T
Рис. 11.7. Распределение токов в дифференциальных цепях РЗ при однофазных
замыканиях на землю на выводах генератора К2
денных фаз обмотки статора, обусловленных их емкостями. Защита
срабатывает с высоким коэффициентом чувствительности.
Измерительный орган ИОТ содержит трансформатор, преобразующий
дифференциальный (разностный) ток в напряжение, содержание
гармонических (непромышленной частоты) составляющих в котором
увеличивается (ЭДС трансформатора пропорциональна производной тока), и
частотный фильтр, задерживающий составляющую тока промышленной частоты.
Защита напряжения. При блочной схеме электростанции проблема
селективности защиты от замыканий на корпус в обмотках статора
синхронного генератора отсутствует, поскольку нет электрической сети
генераторного напряжения. Поэтому применяется неселективная защита
напряжения нулевой последовательности (рис. 11.8, а, б). Защита состоит из реле
напряжения KV9 реагирующего на напряжение 3(70 ис выдержкой времени
действующего на сигнал или на отключение энергоблока. Реле напряжения
KV подключается к фильтру напряжения нулевой последовательности,
в качестве которого служит первичный измерительный трансформатор
напряжения TV с соединением первичной обмотки звездой, а вторичной —
разомкнутым треугольником. В нормальных условиях напряжение ЗС/0 =0.
Однако из-за погрешности TV и наличия третьих гармоник в напряжении
на зажимах разомкнутого треугольника появляется напряжение небаланса:
245
Рис. 11.8. Защита от замыканий на землю генератора при работе его по блочной схеме:
а — с трансформатором напряжения на выводах генератора; б — с трансформатором
напряжений в нейтрали генератора, в — с двумя комплектами защиты и включением
пусковых реле через фильтр третьей гармоники
(Унб = £/нбту + Ц)3 • При внешних КЗ на землю в сети за трансформатором
блока напряжение £/нб может увеличиться. Напряжение срабатывания реле
KV должно удовлетворять условию
Ц,.э>Сн6- 01.6)
При замыкании на корпус на расстоянии а (в относительных единицах
числа витков обмотки фазы) от нейтрали обмоток статора генератора
появляется напряжение U0r = ос£/ф г. Защита приходит в действие при условии
3£/0г > (/сз. Таким образом, рассмотренная РЗ имеет зону
нечувствительности («мертвую зону») — она не действует, если UC3 > 3£/0 = сс^ U^ r
Для повышения чувствительности РЗ на мощных генераторах 300 МВт
и более реле напряжения KV2 включается через фильтр ZF, не
пропускающий напряжение третьей гармоники (рис. 11.8, в), что позволяет снизить
уставку реле напряжения. Из-за опасения появления феррорезонансного
повышения напряжения 3UQ предусматривается реле времени,
позволяющее отстроиться от внешних КЗ на землю в сети с заземленной нейтралью
с выдержкой времени, которая принимается на ступень A t больше времени
действия /л РЗ линий от КЗ на землю:
t3 =/л +Д/=1—1,5 с. (11.7)
На мощных генераторах 200 МВт и более РЗ выполняется
двухступенчатой с действием на сигнал реле (KV1) и на отключение (KV2) (рис. 11.8, в).
Вольтметр служит для контроля за исправностью цепей трансформатора на-
246
пряжения, контроля за изоляцией обмоток статора и определения числа
замкнувшихся витков при действии РЗ на сигнал. Защита как неселективная
действует при замыканиях на землю на всех элементах генераторного
напряжения (обмотках генераторного напряжения трансформатора блока и
соединительных связях между ними и генератором).
Защита, не имеющая зоны нечувствительности («мертвой» зоны).
На мощных генераторах с непосредственным охлаждением имеется
повышенная возможность повреждения изоляции и появления замыкания на
землю в любой точке обмотки статора, в том числе и вблизи нейтрали
генератора. Если РЗ не реагирует на эти повреждения, то с течением
времени они переходят в витковые замыкания, а затем в междуфазные КЗ,
которые сопровождаются значительными разрушениями. По этой причине для
мощных и дорогостоящих генераторов мощностью 200 МВт и более от
замыкания на землю необходимо применять РЗ, не имеющую «мертвой»
зоны. Разработана во ВНИИЭ и применяется в эксплуатации РЗ БРЭ-1 без
зоны нечувствительности. Защита состоит из двух комплектов К1 и К2,
первый реагирует на основную гармонику напряжения нулевой
последовательности и защищает 75—90 % витков (считая от линейных выводов
генератора), второй — на напряжение третьей гармоники и предназначен
для работы при возникновении повреждений в зоне нечувствительности
первого комплекта (рис. 11.9, а). Испытания и расчеты показывают, что
в современных мощных генераторах ЭДС третьей гармоники составляет
1—3 % фазной ЭДС генератора.
Первый комплект К1 (реле напряжения основной гармоники) выполнен
по схеме, аналогичной приведенной на рис. 11.8, а. Измерительный орган
этого комплекта включен на трансформаторе напряжения TV1,
установленном на линейных выводах генератора, через фильтр, пропускающий только
основную гармонику UKI = Ub.
Второй комплект К2 (реле с торможением) содержит рабочий и
тормозной контуры. На вход рабочей цепи подается сумма векторов напряжений
Щв + U\ на вход цепи торможения — напряжение \Ц\.
Устройство предусматривает раздельную сигнализацию срабатывания
исполнительных реле комплектов К], К2: на выходе I — £3 , удаленное
от нейтрали; на выходе II — К^ вблизи нейтрали.
В нормальном режиме векторы напряжений третьих гармоник по
концам обмотки статора со стороны нейтрали U и выводов генератора U
равны по значению и находятся в противофазе, потенциал напряжения
247
*- I
2 2
а)
-в о _с
МЕЗЕФ Ц^
б)
U = +17
-« 2 "с
Рис. 11.9. Защита от замыканий на землю генератора, не имеющая зоны
нечувствительности
третьей гармоники в середине обмотки генератора равен нулю
(рис. 11.9, б, в). При этом в рабочем контуре суммарное напряжение
|£/в+£/н| близко к нулю, и напряжение тормозного контура надежно
удерживает реле от срабатывания: Zc 3 < ZN^H ру
При металлическом замыкании в нейтрали генератора TV2 оказывается
зашунтированным (рис. 11.9, г). В этом случае напряжение UH = 0, и
второй комплект приходит в действие. При удалении точки замыкания на
землю от нейтрали приблизительно при а > 50 % второй комплект
перестает действовать и будет работать первый комплект РЗ.
Во ВНИИЭ разработан второй вариант защиты с использованием
составляющих третьей гармоники БРЭ-1301.02 (ЗЗГ-1.2). Он основан на
различии скорости изменения напряжения третьей гармоники UB 3 при
изменении нагрузки и возникновении замыкания на землю. В первом случае
изменение напряжения происходит медленно, во втором — быстро и защита
срабатывает. Это объясняется различием постоянных времени,
определяющих скорость изменения электрических величин в переходном процессе.
248
Измерительный орган защиты выполняется в виде реле, реагирующего на
скорость изменения Uu3 — на производную dUu3/d t.
Как и предыдущая, защита состоит из двух комплектов: блока,
реагирующего на 3£/0, и блока третьей гармоники, реагирующего на dUB3/dt.
Оба комплекта включаются на трансформаторе напряжения,
подключенном к выводам генератора. Трансформатор напряжения в нейтрали
генератора не требуется (рис. 11.9, а).
Релейная защита ЗЗГ-1.2 неэффективна при отсутствии переходного
процесса, например при постепенном снижении уровня изоляции обмотки
статора или при подъеме от нуля напряжения на повреждаемом
генераторе. Учитывая это, для генераторов большой мощности предпочтительнее
использовать релейную защиту ЗЗГ-1.1.
12
ВЫПОЛНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ РЕЛЕЙНОЙ
ЗАЩИТЫ
12.1. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
При аппаратной технической реализации устройств релейной защиты
(УРЗ) измерительная часть содержит отдельные конструктивно
оформленные измерительные органы: измерительные реле тока ИОТ, напряжения
ИОН, направления тока (мощности) ИОНМ, полного сопротивления
ИОПС и направленные реле сопротивления НИОС. В настоящее время
функции измерительных органов выполняются программно. Поэтому под
микропроцессорными измерительными органами понимаются
соответствующие программные функции.
В начале развития электроэнергетики и до появления
полупроводниковой электроники электротехнической промышленностью выпускались
постоянно совершенствовавшиеся электромеханические измерительные
реле. Некоторые из них выпускаются до сих пор, повсеместно находятся
в эксплуатации и безотказно служат в соответствии с требованием
высокой надежности функционирования УРЗ [2].
Развитие интегральной электроники обусловило разработку и
промышленный выпуск статических измерительных реле на аналоговых
(интегральных операционных усилителях) и дискретных (компараторах,
триггерах, логических элементах) микросхемах. Однако наступило время
широкого внедрения в технику релейной защиты методов и технических средств
обработки информации цифровой вычислительной техникой. Появились и
развиваются микропроцессорные интегрированные УРЗ, выполняющие
функции нескольких видов релейной защиты и непосредственно
связанных с ней устройств собственно противоаварийной автоматики, в
особенности устройств автоматического повторного включения отключенных
релейной защитой выключателей.
12.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ
Электромеханические измерительные реле тока и напряжения являются
электромагнитными устройствами, релейность действия которых обуслов-
250
ливается свойственной электромагнитному устройству сравнения
внутренней положительной обратной связью [4, 5].
Электромеханические измерительные реле направления мощности и
сопротивления выполняются на индукционном устройстве сравнения фаз
токов в двух его обмотках [5].
Электромагнитное измерительное реле тока состоит из
электромагнита 1 (рис. 12.1, а) с подвижным (поворотным) якорем 2, к которому
прикреплен подвижный контакт 3: неподвижная его часть расположена на
корпусе реле, как и пружина 4 и упор 5, удерживающие якорь в начальном
положении ан: контакт 3 находится в разомкнутом состоянии. Ток / в
обмотке создает электромагнитный вращающий момент, пропорциональный
квадрату тока и скорости возрастания (по мере увеличения угла а
притягивания якоря) индуктивности L — положительной ее производной [5]:
^эм=*эм'р d^/da, " (12.1)
где кэм — коэффициент пропорциональности.
После начинающегося при токе срабатывания реле /с р, создающем
начальное значение вращающегося момента Л/эм с н, поворота якоря
вращающий момент Мэм с возрастает в функции увеличивающегося угла а
интенсивнее (рис. 12.1, б), чем противодействующий повороту якоря момент
Рис. 12.1. Схема устройства и графики,
поясняющие действие электромагнитного
максимального измерительного реле тока
изб
'.р 'с, '
в)
251
удерживающей пружины М . Этим и обеспечивается скачкообразный
(релейный) переход якоря из начального ан в конечное ак его положение
(рис. 12.1, в). В конечном положении Мэм с к > М , их разность —
избыточный момент Л/изб — создает нажатие в контакте, что обеспечивает его
надежную работу. Для возврата реле в исходное положение необходимо
снизить ток до значения возврата / чему соответствует конечный
вращающий момент при возврате Мэм в к. Коэффициент возврата кв = /в //с =
= а/Чмв/^эмск и тем выше> чем меньше Л/изб. В измерительных
органах тока желательно иметь высокий къ = 0,8—0,85 [2]. Поэтому реле
конструируются с малыми А/изб, т.е. маломощным контактом.
На рис. 12.2 показана конструкция серийного электромагнитного
измерительного реле тока РТ-40. Реле имеет П-образный электромагнит 1 с
Рис. 12.2. Конструкция электромагнитного измерительного реле тока серии РТ-40
252
Г-образным якорем 2, который жестко связан с подвижным элементом
контакта 4. Неподвижные элементы контакта 5 с контактными пружинами 6
(рис. 12.2, б) расположены на корпусе: реле имеет замыкающий и
размыкающий контакты (рис. 12.2, а). Якорь удерживается в начальном
положении спиральной пружиной 3. Рычаг 7, указатель положения которого
перемещается по шкале, изменяет момент противодействующей пружины М
и, следовательно, ток срабатывания реле /с .
Требуемая для обеспечения релейности действия и достижения
необходимого значения кв зависимость М (а) обеспечивается общей
конструкцией, формой якоря и полюсов.
Электромагнитное реле напряжения содержит измерительный
преобразователь источника ЭДС, каким является первичный измерительный
трансформатор напряжения, в источник тока — балластный резистор,
сопротивление которого значительно превышает индуктивное
сопротивление его обмотки: она выполняется проводом с высоким удельным
сопротивлением (константан) [5]. Промышленностью выпускается реле
напряжения серии РН-50.
Индукционные измерительные реле выполняются на
индукционном устройстве сравнения фаз токов il, /2 в двух обмотках,
расположенных на разных магнитопроводах (рис. 12.3, а). Они наводят
(индуцируют) токи /'{ и 7*2 в подвижном (вращающемся) проводящем (медь,
алюминий) якоре — диске или цилиндре. В результате взаимодействия токов
/1? /*2 и *2> '! создается индукционный вращающий момент,
пропорциональный произведению токов в обмотках и синусу угла сдвига фаз \|/
между ними (рис. 12.3, в):
Ми = kHI{I2sm\\f. (12.2)
Измерительное реле направления мошности выполняется на четы-
рехполюсном магнитопроводе / (рис. 12.3,6) с внутренним
цилиндрическим сердечником 2 и цилиндрическим якорем 3, расположенным в
воздушном зазоре магнитопровода. По одной обмотке wx тока проходит ток
/j = / , а по другой w2 — ток /2 = 1ц> возбуждаемый напряжением
U и определяемый результирующим комплексным сопротивлением
обмотки Z б и балластного Z6 (рис. 12.4, а)\
Z3K = Zo6+Z6 = Z3Ke
(12.3)
253
б)
Рис. 12.3. Принцип действия (а), конструкция
(б) и характеристика (в) индукционного
устройства сравнения фаз двух токов
Его аргумент уи определяет угол у сдвига фаз между токами /j > i2
в зависимости от угла срр сдвига фаз между напряжением U и током /
(см. рис. 12.4, б) и, следовательно, характеристику срабатывания в
комплексной плоскости (см. рис. 5.10).
Вращающий момент Л/и имеет положительное значение при 0 < \|/ <п:
якорь 3 поворачивается по часовой стрелке, контакты реле 5, 6
замыкаются (см. рис. 12.3, б). Вращающий момент Ми отрицателен, если я < \|/ <2п:
якорь поворачивается против часовой стрелки и удерживается упором.
Спиральная пружина 4 служит для удержания якоря в начальном
положении (контакт разомкнут) при отсутствии тока в одной (или обеих) обмотке,
поскольку вращающий момент Ми = 0.
Измерительные реле сопротивления. Для функционирования
измерительного реле полного сопротивления, определяемого отношением
абсолютных значений напряжения и тока, на индукционном устройстве
сравнения фаз необходимо формирование сравниваемых по фазе токов
254
KW
lu'h
«)
6)
Рис. 12.4. Схема (а) и векторная диаграмма (б) электрических величин
индукционного измерительного реле направления мощности
KZ
в
-7р
от
У,<
от
hi
L
а)
б)
Рис. 12.5. Схемы индукционного измерительного реле полного сопротивления
/j, 12 операционными преобразователями ОП1, ОП2 (рис. 12.5, а) из
напряжения U и тока / :
/,=(yp + Z/p)/Z3Kl;
12 = Шр + Ир)/1эк2.
(12.4)
Л
При этом угол v|/ =(/,,/2) оказывается функцией Z - \U // I [5].
255
Из схемы (рис. 12.5, б) индукционного реле видно, что токи £{, £2
возбуждаются двумя ЭДС
Е^КцЦ +JXMI -г]
(12.5)
E2=Kuyp-jXMIp,\
создаваемыми автотрансформатором напряжения TVL с коэффициентом
трансформации Ки и ЭДС }ХМ / в двух вторичных обмотках
трансреактора TAV [5] с сопротивлением взаимоиндукции между каждой из них и
первичной, равнымуЛ^. Фазы токов /j, 12 устанавливаются
аргументами сопротивлений Zq61 обмотки w{ и результирующего сопротивления
последовательно соединенных обмотки Zo62 и балластных резистора Лб
и конденсатора Сб: Z6 = R6 -j/(uC6.
Направленное индукционное измерительное реле сопротивления
получается исключением из первого соотношения (12.5) составляющей
jXMl [5]. Установленные сопротивления срабатывания измерительных
реле определяются изменяемыми сопротивлением jXM и коэффициентом
трансформации Кц автотрансформатора TVL.
12.3. СТАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ
Принцип действия. Измерительные реле унифицированы и состоят из
единых функциональных элементов. Элементы сравнения функционируют
по времяимпульсному способу сопоставления амплитуды
синусоидального напряжения (тока) с установленным значением и сравнением двух
синусоидальных электрических величин по фазе [5]. Способ сравнения
предполагает формирование промежуточного времяимпульсного сигнала —
последовательности прямоугольных импульсов постоянного напряжения с
изменяющейся длительностью в функции амплитуды, фазы или частоты
синусоидальной величины, последующее преобразование длительности
импульсов в пропорциональное максимальное напряжение пассивным
(ЯС-цепь) или активным (на ИОУ) интегратором и его сравнение с
установленным постоянным напряжением.
Релейность действия обеспечивается классическим релейным
элементом — триггером Шмидта, выполняемым на ИОУ с положительной
обратной связью.
На рис. 12.6 приведены схема базового статического измерительного
реле максимального тока РСТ-13 и временные диаграммы [6]. Реле состоит
из вторичного измерительного трансформатора тока TAL, нагруженного
балластным резистором R1, преобразующим входной ток /р в напряжение
256
ч
R3 \R4
/р TAL ' i Rg^ VD2
ЛХ7.7
Д/4
Л20
О
\кы
R17
Ч1К А I
1И)7
Рис. 12.6. Схема (а) и временные диаграммы (б) максимального измерительного
реле тока РСТ-13
UR , и выпрямителя VS\ резисторного (R3—R6\ R9—R13) установочного
элемента напряжения U ; элемента сравнения (ИОУ Л1) мгновенного
выпрямленного \uR | и постоянного U напряжений; пассивного интегратора —
через резисторы R7, R8\ заряжающегося конденсатора С2 релейного элемен-
257
та сравнения (ИОУ А2) напряжения ис на конденсаторе с фиксированным
(резисторы R15, R16 положительной обратной связи) отрицательным
напряжением его срабатывания -Uc и положительным UB возврата;
выходного транзисторного усилителя VT1 с исполнительным электромагнитным
реле (герконом) KL1.
Интегральный операционный усилитель Л1 в режиме переключения
формирует времяимпульсное положительное напряжение £/а в интервале
времени tx> в течение которого мгновенное выпрямленное напряжение \uR |,
поступающее на инверсный вход усилителя, меньше напряжения I/ , и
отрицательное -С/а в течение интервала времени t2, когда \uR | больше С/у.
При действующем значении тока / , меньшем тока срабатывания /
(график / напряжения | uR | на рис. 12.6, б), конденсатор С2 заряжен до
положительного напряжения UCT, ограничиваемого стабилитроном VD3, или,
перезаряжаясь через диод VD2 и резистор RS под воздействием
отрицательного напряжения -С/а в течение времени t2 \ (график 2), не успевает
снизить напряжение ис до отрицательного напряжения срабатывания -Uc. На
выходе А2 создается отрицательное напряжение -£/т, удерживающее
транзистор VT1 в закрытом, а реле KL! в невозбужденном состоянии.
По мере нарастания тока / (график 3) время t2 перезаряда
конденсатора увеличивается, и при /р > 7С конденсатор успевает за время /2 г
зарядиться до отрицательного -Uc напряжения срабатывания.
Напряжение UT на выходе А2 становится положительным: отрицательное
напряжение \-ис | > \-UG | поступает на инверсный вход усилителя А2.
Положительное напряжение UT возбуждает прямой ток эмиттера транзистора
VT1, который, переключаясь в открытое состояние, током коллектора
возбуждает геркон KLL
Измерительное реле максимального тока срабатыьает (момент
времени *ср).
После снижения тока /р < /в р (график 4) конденсатор в течение
времени /j з снова перезаряжается (через резистор R7) до положительного
напряжения UB возврата. Напряжение UT становится отрицательным,
транзистор VT1 закрывается, отключая геркон KL1. Измерительное реле тока
возвращается в исходное состояние (момент времени /в р).
Измерительное реле напряжения отличается от реле тока только
входным трансформатором: вместо TAL с резистором R1 устанавливается
вторичный измерительный трансформатор напряжения TVL (на схеме не
показан).
258
Напряжение Uc р и ток /с срабатывания измерительных реле
устанавливаются путем изменения напряжения U переключением резисторов
R9—R13 при помощи кнопок SB1—SB5 с фиксацией их положений.
Аналогично функционируют и времяимпульсные измерительные реле
направления мощности и реле сопротивления. Принципиальное их
отличие обусловливается сравнением фаз двух синусоидальных величин: в
реле направления мощности входного напряжения U и напряжения,
пропорционального входному току 2pZg (рис. 12.7, а) и сдвинутого по фазе
на угол, равный аргументу комплексного сопротивления Z£; в реле сопро-
TVL
AW
'и
f* *■
'21
•>
Jll
hi
t
б)
Рис. 12.7. Схема (а) и временные диаграммы (б) формирования сравниваемых по
фазе напряжений измерительного реле направления мощности
259
тивления — напряжений U{ и С/2, являющихся функциями,
аналогичными (12.5) входных напряжений и тока.
Схемы измерительных реле направления мощности и сопротивления
отличаются от приведенной на рис. 12.6, а элементами формирования
сравниваемых по фазе напряжений и элементом формирования времяим-
пульсного сигнала. В частности, соотношения (12.5) реализуются
активными (на ИОУ) сумматором (AW) и вычитателем (АН).
Времяимпульсный сигнал L/ф (см. рис. 12.7, б), аналогичный £/а (см.
рис. 12.6, б), формируется [5, 6] логическим перемножением (операция И)
мгновенных значений двух напряжений с инверсией (изменением фазы на
угол 71) одного из них. Длительность t2 отрицательного импульса
получается равной времени несовпадения по знаку мгновенных напряжений, т.е.
пропорциональной углу сдвига фаз, а длительность tx положительного
импульса — дополнительному углу.
Параметры и характеристики срабатывания измерительных реле
определяются соотношением между длительностями tx, t2 импульсов,
соответствующих срабатыванию реле. Перезаряд конденсатора происходит по
экспоненциальной (от источника ЭДС) или линейной (от источника тока)
зависимости.
Релейные элементы сравнения напряжения на конденсаторе с
установленным постоянным напряжением используются в статических реле
времени, в логических реле с задержками срабатывания и возврата.
Статические реле. АО ЧЭАЗ выпускает все необходимые для защиты
и автоматики статические измерительные и логические реле, комплекты
статических устройств защиты и автоматики серий ЯРЭ2201, ЯР2202.
Производятся следующие статические измерительные реле:
максимального тока РСТ11—РСТ14, различающиеся пределами
устанавливаемых токов срабатывания от 0,05—0,20 до 30—120 А;
максимального тока высокой чувствительности РТ351 для защиты от
замыканий на землю в сетях напряжением 6—10 кВ и с током
срабатывания от 0,02 до 0,12 А;
дифференциального тока РСТ23 (аналог электромеханического реле
РНТ567);
максимального и минимального напряжений РСН14 и РСН15 с
диапазоном напряжений срабатывания от 12 до 240 В;
фильтр-реле напряжения прямой или обратной последовательности
РСН13;
направления мощности РМ11, РМ13 и активной или реактивной
мощности РСМ13;
фильтр-реле направления мощности обратной последовательности
РМОП2-1;
сопротивления БРЭ2801.
260
Также выпускаются:
статические реле времени серий РВ01 и РВОЗ общего назначения с
выдержками времени срабатывания и возврата и специализированные (для
селекции сигналов по времени) типов РСВ14 и РСВ01-1;
статические устройства сигнализации УСЗЗ и защиты ЗЗП1 от
однофазных замыканий на землю в сетях напряжением 6—10 кВ, присоединяемые
к первичным измерительным трансформаторам тока нулевой
последовательности кабельной конструкции.
Комплектные устройства ЯРЭ2201 и ЯР2202 выполняют все
необходимые функции релейной защиты собственных нужд электростанций и
подстанций и распределительных сетей. Они представляют собой наборы
функциональных элементов, из которых состоят статические реле.
Различные их сочетания позволяют выполнять трехступенчатую токовую защиту
с обратнозависимой (от тока) характеристикой выдержки времени третьей
ступени — максимальной токовой защиты; дифференциальную токовую
защиту, защиту от замыканий на землю и автоматические устройства
резервирования отказов действия выключателей на отключение КЗ.
Функциональные элементы размещены в кассетах унифицированных
конструктивов БУК-6.
Комплектные устройства специализированы. Они исполняются для
рабочего ввода КРУ, секционного выключателя, линии электропередачи,
трансформаторов напряжением 6—10/0,4 кВ, в том числе собственных
нужд электростанций, синхронного и асинхронного электродвигателей,
конденсаторных установок.
12.4. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ПРОГРАММНЫХ ЦИФРОВЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
В цифровых многофункциональных комплектах РЗ используются новые
принципы действия измерительной части релейной защиты, реализуемые
микропроцессорными комплектами больших интегральных микросхем. На
микропроцессорах впервые реализованы алгоритмы функционирования
измерительной части защиты и автоматики на основе ортогональных
составляющих синусоидальных напряжений и токов, обеспечивающие
практически безынерционное действие измерительных реле с высокой точностью.
Программные алгоритмы адаптивной фильтрации напряжений и токов
электромагнитных переходных процессов КЗ позволяют выделять
синусоидальные напряжения и токи и их ортогональные составляющие за минимальное
время. На основе ортогональности составляющих осуществимы
быстродействующие многофункциональные измерительные преобразователи
режимных параметров электроэнергетических систем и систем электроснабжения
в сигналы информации [6], используемые измерительной частью
интегрированных микропроцессорных комплексов.
261
а)
( Пуск J
/ Ввод /
/ Unl) J
Формирование
б)
Рис. 12.8. Функциональная (а) и структурная (б) схемы цифрового измерительного
реле максимального тока
На рис. 12.8 приведены функциональная схема цифрового
измерительного реле максимального тока и структурная схема его программы,
иллюстрирующие реализацию комплектов РЗ [7]. Из синусоидального входного
тока — его дискретных после аналого-цифрового преобразования мгновенных
значений ip(nT) — выборок, следующих во времени с интервалом дискре-
тизации, например Г= 10 с (21 выборка за период промышленной
частоты), программной операцией UQZ формируются ортогональные —
синусная I (пТ) и косинусная I (пТ) составляющие тока. Возведением их
в квадрат (операциями перемножения ZX) и суммированием (операция SM)
2
вычисляются дискретные значения квадрата амплитуды тока Ipm(nT). Про-
262
изводится сравнение двоичного цифрового кода квадрата амплитуды тока
Л
с установленным значением — уставкой реле / .
2 2
По результатам сравнения (/ > / ) формируется дискретный сигнал
(логическая единица) срабатывания измерительного реле.
Вся программа выполняется за вычислительное время
микропроцессора, меньшее интервала Т дискретизации входного тока. Поэтому
информация на выходе реле (наличие или отсутствие дискретного сигнала —
логической единицы) обновляется после каждого интервала дискретизации, т.е.
каждую миллисекунду (при Т= 10" с). Измерительное реле практически
безынерционно, а его точность определяется разрядностью
аналого-цифрового преобразователя.
12.5. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНО-ЛОГИЧЕСКИЕ МОДУЛИ И ТЕРМИНАЛЫ
МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Цифровые интегрированные комплекты релейной защиты
(терминалы) состоят из типовых вычислительно-логических и логических
модулей (табл. 12.1). В качестве примеров рассматриваются модули
SPCJ4D28hSPCS4D11(12):
SP — Statie Protective — статический;
С — для релейной защиты;
J — токовый;
S — направления мощности;
D — дифференциальный.
Они выполняют функции токовых ступенчатых защит от междуфазных
и КЗ на землю и направленных токовых защит.
Программные вычислительные и логические операции, выполняемые
модулями в их функциональных схемах отображаются условными
графическими обозначениями, приведенными в табл. 12.2. В модулях приняты
обозначения установленных токов срабатывания (уставок) первой /»,
второй /» и третьей /> ступеней, их задержек / >» и выдержек времени
t», / > соответственно и напряжений срабатывания U > или U <.
Особенностью вычислительно-логических модулей является их «одно-
системность», или «однофазность»: они состоят из одного комплекта
программных измерительных реле. Информация к ним поступает от
вторичных измерительных преобразователей токов или напряжений трех фаз
через макси-селектор (рис. 12.9) или мини-селектор (в других модулях),
выделяющих наибольшее или наименьшее действующее значение тока или
напряжения. Вторичные измерительные преобразователи представляют со-
263
Таблица 12 1
Условные графические обозначения программных элементов
микропроцессорных модулей релейной защиты
Выделитель максимального или минимального
действующего значения трехфазного напряжения или тока
— селектор
Выделитель максимального значения
— макси-селектор
Выделитель минимального значения
— мини-селектор
Частотный фильтр нижних частот
Полосовой частотный фильтр
Измерительное реле
Логические элементы:
ИЛИ
И
Временная задержка
Независимая задержка
Зависимая задержка
Память (триггер)
А
—
е-
max
min
2^
'Чу
2/
Ш
в
S
-
бой активные (на интегральных операционных усилителях) измерительные
трансформаторы, являющиеся источниками ЭДС (напряжения) [6].
Вычислительно-логический модуль SPCJ4D28 (рис. 12.9) представляет
собой комплекс взаимодействующих программных операций,
выполняющих функции полосовых частотных фильтров, выделяющих
принужденную составляющую фазных токов и тока нулевой последовательности /0
переходных процессов КЗ, измерительных реле с уставками />», /», />
264
Таблица 12 2
Функции и технические данные модулей защит
SPCJ4D28
Трехступенчатая ненаправленная ТЗ (/ном = 1 или 5 А), /> (0,5—5)/ном, /»,
/>» = (0,5—40)7ном, / = 0,04—300 с Двухступенчатая ненаправленная от 033
(/ном = 0,2 или 1 А), /0 > = (0,1-0,8)/ном, /0 » = (0,1-10)/ном, / = 0,05-300 с
Защита от несимметричной работы нагрузки А/ = (0,1—1)/ном, t - 1—300 с
Третья ступень — МТЗ и вторая ступень защиты 033 наряду с независимыми
имеют обратнозависимые характеристики, в том числе соответствующие МЭК
и два типа специальных характеристик Защиты имеют два набора уставок,
изменяемых внешним сигналом или командой по последовательной линии связи
SPCJ4D34
Защита тепловой перегрузки /, = (0,5—5)/ном Защита пускового режима /Л. =
= (1—10)/ном, ts = 0,3—80 с Защита от междуфазных КЗ / » = (0,5—20)/ном или
выведена, /» = 0,04—30 с Защита от замыкания на землю /0> = (0,01—1)/НОм-
Защита от несимметричных режимов работы Д/ = (0,1—0,4)/ном или выведена,
/ = 20—120 с Защита от понижения тока нагрузки /< = (0,5—0,8)/,, / = 2—60 с.
Защита от длительного пуска / = 5—500 с
SPCD3D53
Двухступенчатая дифференциальная защита ЗА/ > = (0,05—0,5)/ном, / до 45 мс,
ЗА/» = (5—30)/ном, t до 40 мс. Подстройка коэффициента трансформации
(0,4—1,5)/ном. Блокирование по второй и пятой гармоникам
SPCU3C15
Ступени защиты от междуфазного минимального напряжения U <
= (0,4-1,2)(/ном,/до30с, t/« = (0,l-l,2K/HOM,/ до 10 с
SPCU3C6
Ступени защиты от максимального напряжения нулевой последовательности
U0> = (0,02-1)С/НОМ, U0» = (0,1—0,8)С/Н
= 0,05—100 с
SPCR8C27
Регистратор аномальных режимов регистрирует междуфазные напряжения,
фазные токи, ток и напряжение нулевой последовательности восемь цифровых
сигналов / = 12 с
Ja Г
Тс
1-п
£
jA
/>
SGF
1>»х2
JT
SGR SPCJ4D28 SGF5M
t>
А
I»
SGB1/1
■^
JT
SGF1/1
S
/»
ч>
/>»
SGF5/2^
^
max min
А
Д/>
t»>
IT
SGBlrt
Jo>
-A
-&
%
£T
Jo»
SGB1/T
IP
^
\JT
SGFl/6.
a
to »
L.
SGBl/4^
^
SGFS^M1^^1
И
и
SGF5/2
/ SGF4/5
Гг
SGF4/2 RESET
- * SGB1/4
SGF5/5 ,
С
RESET
Г
SSI
TS1
SS2
TS2
SS3
<8>
jTRIP
.J
Рис. 12.9. Функциональная схема вычислительно-логического модуля
265
и Iq», Iq>, реле времени с независимыми задержкой первой ступени
/ >» и выдержками времени /», /0» срабатывания вторых ступеней,
реле времени с обратнозависимыми от тока характеристиками (их несколько
разновидностей) выдержек времени />, /0> третьих ступеней и логических
элементов ИЛИ и ПАМЯТЬ (вход S записи /&>-триггера). Модуль выполняет
функцию защиты от несимметричного режима операцией вычисления
относительной разности наибольшего по амплитуде /тах и наименьшего /min
фазных токов, поступающей на измерительные реле тока с уставкой А/>,
воздействующего на программные реле времени с уставкой /А >.
Модули содержат комплекты ключей задания функций: SGF —
конфигурации (набора функций) SGR, блокировок (запретов действия) SGB
кнопки возврата элементов в исходное состояние RESET, в частности,
снятия памяти (подачей логической единицы на вход R считывания триггера)
о действии защиты на отключение TRIP (сигнальная лампа).
На схеме обозначены выходные сигналы SS о запуске ступеней защит и
TS о их действии на отключение.
Функциональной особенностью модуля SPCJ4D28 при пуске
электродвигателя является автоматическое удвоение уставки первой ступени
токовой защиты от междуфазных КЗ / >» х2 (рис. 12.9), повышающее в два
раза чувствительность при КЗ.
Вычислительно-логический модуль SPCS4D11(12) дополнительно
содержит (рис. 12.10) программное измерительное реле направления
мощности ф (фирменное обозначение) с изменяемым при настройке защиты уг-
AR2
SGF1/8
Н8>
TRIP
Рис. 12.10. Функциональная схема вычислительно-логического модуля
266
лом максимальной чувствительности Фмч. Реле подключается к
наибольшему по амплитуде фазному току / или / и междуфазному
напряжению ЦЬс, Ыаь1 выделяемым макси-селекторами, по девяностоградусной
схеме включения реле. Оно обеспечивает функционирование второй и
третьей ступеней токовой защиты как направленной: входные и выходные
сигналы программного реле воздействуют на программные элементы
выдержек времени через логические операции И их совпадения. Во входных
цепях напряжений и токов предусмотрены фильтры нижних частот,
задерживающие апериодические свободные составляющие токов и напряжений
переходных процессов КЗ.
Ключом SGF1/5 включается программа управления (2х/>)
установленного тока срабатывания третьей ступени при пуске или самозапуске
электродвигателей. Они идентифицируются по скорости нарастания тока
от 0,12/ > до 1,25/> за установленное время 60 мс: выходные сигналы
программных измерительных реле тока и реле времени с указанными
уставками воздействуют на изменение уставки третьей ступени через
логическую операцию И.
Ступени защиты могут иметь как не зависимые, так и обратнозависи-
мые от тока задержки (первая ступень) и выдержки времени (вторая и
третья ступени) срабатывания, устанавливаемые ключами SGR.
Предусмотрена (ключи SGF2/7, SGF2/8 и сигналы SSI, SS2) выдача информации с
задержкой о запуске программной функции определения направления
мощности. В цепи отключения возможна задержка воздействия TS1.
Программное формирование воздействия TS2 на отключение аналогично
производимому в SPCJ4D28.
Из вычислительно-логических и логических программных модулей
собираются интегрированные микропроцессорные комплекты релейной
защиты и противоаварийной автоматики.
Предприятием АББ Реле-Чебоксары изготовляются различные
терминалы релейной защиты SPA 300 и защиты и автоматики SPAC 800
собственных нужд электростанций и подстанций распределительных
электрических сетей; REG, RET и REL защиты и автоматики синхронных
генераторов, трансформаторов и линий электропередачи [7].
13
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ РЕЛЕЙНАЯ
ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
13.1. ОСОБЕННОСТИ
Применение методов и технических средств обработки информации
цифровой вычислительной техникой в релейной защите и автоматике
электроэнергетики [7] привело к созданию интегрированных комплексов,
выполняющих все функции традиционных устройств релейной защиты и
автоматики и обладающих широкими информационными свойствами и
сервисными возможностями, существенно повышающими надежность и
эффективность функционирования технических средств автоматического
управления электроэнергетическими установками, особенно противоава-
рийного управления, осуществляемого релейной защитой.
Цифровые микропроцессорные комплексы РЗ являются
интеллектуальными техническими средствами. Им присущи:
многофункциональность и малые размеры (одно цифровое
измерительное реле заменяет десятки аналоговых);
дистанционные изменения и проверка уставок с пульта управления;
ускорение противоаварийных отключений и включений;
непрерывная самодиагностика и высокая надежность;
регистрация и запоминание параметров аварийных режимов;
дистанционная передача оператору информации о состоянии и
срабатываниях устройств РЗ;
возможность вхождения в состав вышестоящих иерархических уровней
автоматизированного управления;
отсутствие специального технического обслуживания —
периодических проверок настройки и исправности.
13.2. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
ГЕНЕРАТОРОВ И БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР
Микропроцессорная интегрированная релейная защита и противоаварий-
ная автоматика синхронных генераторов и блоков генератор-трансформатор
реализуется терминалами REG216 и REG316. Они выполняют функции:
традиционных автоматических устройств защитного отключения при
КЗ и замыканиях на землю в обмотках статора и ротора [2];
отключений генератора при опасных для него несимметричном,
двигательном и асинхронном режимах, перегрузках и потере возбуждения;
268
противоаварийной автоматики ограничений снижений и повышений
действующих значений напряжения;
отображения на экране ПЭВМ информации о режимах работы
генератора и функционирования терминала;
регистрации информации об аварийных ситуациях и действиях
программной защиты и противоаварийной автоматики.
В модификации REG316-4, предназначенной для электроэнергетических
блоков генератор-трансформатор, дополнительно предусмотрены функции
защитного отключения при перевозбуждении магнитопровода и перегреве
обмоток трансформатора и повышении давления масла в его баке.
Функции релейной защиты выбираются клавиатурой ПЭВМ из
обширной библиотеки программ.
Терминалы состоят из набора электронных модулей ЭМ (рис. 13.1),
расположенных в кассете оборудования КО и образующих
вычислительную часть ВЧ терминала, а именно модулей:
аналого-цифрового преобразователя АЦП с мультиплексором
аналоговых сигналов, поступающих от измерительно-преобразовательной части
ИПЧ (модуль 216ЕА61);
сигнального микропроцессора (модуль 216NG61);
модули главных микропроцессоров ГМП;
канала связи-интерфейса с ПЭВМ и принтером П (модуль 216VE61);
модули цифровых выходных сигналов 216AV61 и управляющих
воздействий 216DB61.
Аналоговая измерительно-преобразовательная часть ИПЧ содержит
вторичные измерительные трансформаторы тока TAL, нагруженные
балластными резисторами R6, напряжения на которых пропорциональны и
совпадают по фазе с токами; трансформаторы напряжений TVL\ аналоговые
полосовые частотные фильтры, задерживающие апериодическую и
колебательные свободные и гармонические принужденные составляющие
напряжений и токов электромагнитных переходных процессов КЗ.
Выделенные фильтрами принужденные составляющие напряжений и
токов промышленной частоты — входные аналоговые сигналы —
поступают через стандартные разъемы РХ и оптоэлектронные элементы
гальванической развязки (на рис. 13.1 не показаны).
Сигнальный процессор содержит программы нерекурсивных цифровых
частотных фильтров ортогональных (синусной и косинусной)
составляющих входных цифровых сигналов: программные измерительные реле
защиты и противоаварийной автоматики функционируют по
быстродействующим алгоритмам, использующим ортогональные составляющие.
Программы измерительных реле и логические операции выполняются
главными микропроцессорами.
269
о
в
s
а
9
s
е
LllL_UilLLLl___jJ
270
Исполнительная часть ИЧ — блок выходов дискретных управляющих
воздействий на отключение синхронного генератора и дискретных входных
и выходных сигналов — состоит из электромагнитных реле с
герметизированными контактами (герконов) KL, возбуждаемых от отдельных
источников питания. На рис. 13.1 показан общий источник питания ОИП терминала.
Набор выполняемых функций релейной защиты и противоаварийной
автоматики определяется вычислительной способностью ГМП (их
количеством).
Терминалы REG216 и REG316 выполняют следующие основные
функции релейной защиты:
продольной дифференциальной токовой от КЗ в цепях генератора и
трансформатора блока генератор-трансформатор;
поперечной дифференциальной токовой от междувитковых КЗ в
обмотках статора генератора;
трехступенчатой токовой от КЗ;
токовой обратной последовательности;
от замыканий на землю в цепях статора и ротора генератора;
направленной токовой от двигательного режима — защиты обратной
мощности.
Микропроцессорная интегрированная релейная защита и автоматика
обладают рядом особенностей и достоинств, повышающих техническое
совершенство релейной защиты и противоаварийной автоматики
синхронных генераторов и блоков генератор-трансформатор.
Программно преодолеваются факторы, затрудняющие обеспечение
потенциально высокой чувствительности продольной
дифференциальной токовой защиты генераторов и особенно блоков
генератор-трансформатор, и достигаются:
высокая надежность несрабатывания защиты при больших токах
внешних (за пределами защищаемой зоны) КЗ и насыщении магнитопровода
первичных измерительных трансформаторов тока, обусловливающем
сильное возрастание их погрешностей и токов небаланса в цепях защиты;
снижение тока срабатывания защиты генератора за счет возможности
уменьшения расчетных погрешностей трансформаторов тока;
выравнивание абсолютных значений вторичных токов измерительных
трансформаторов дифференциальной защиты блока
генератор-трансформатор, неравенство которых обусловливается численным отличием
отношения их коэффициентов трансформации от коэффициента
трансформации трансформатора блока;
компенсация дискретных изменений абсолютных значений вторичных
токов при действии микропроцессорного автоматического регулятора
напряжения трансформатора блока на его устройство регулирования под
нагрузкой [7].
271
hJh
Рис. 13.2. Характеристика
срабатывания микропроцессорной
продольной дифференциальной
токовой защиты
Программная компенсация сдвига фаз между вторичными токами,
обусловленного группой соединений обмоток низшего и высшего напряжений
трансформатора, упрощает схему токовых цепей продольной
дифференциальной токовой защиты блока генератор-трансформатор: вторичные
обмотки измерительных трансформаторов тока трех фаз на стороне высшего и
низшего напряжений соединяются по одинаковым схемам, обычно звездой.
На рис. 13.2 приведена типовая характеристика срабатывания
программной продольной дифференциальной токовой защиты, отличающаяся:
низким током срабатывания 0,1/ном (номинального тока генератора);
повышением тока срабатывания (загрублением защиты) током
торможения
/т = 77l72cosa'
(13.1)
где
/,. U
i2 — вторичные токи измерительных трансформаторов при
внешнем КЗ; a — угол сдвига фаз между ними, практически равный
нулю; cosa = 1;
при КЗ в генераторе или трансформаторе блока один из токов
(обычно /2) имеет противоположное направление, угол a = я и cosa = -1; под
квадратным корнем отрицательное число (корень мнимый) —
торможение не действует;
программным запретом действия (блокировкой) защиты при
значительных кратностях тока внешнего КЗ, начиная с кратности тока торможения
7Т/7НОМ "fe== 1>5>
мни-
отсутствием указанного запрета действия при внутренних КЗ
мом числе, определяемом по (13.1).
Такая характеристика обеспечивает достоинства программной
продольной токовой защиты генератора и блока генератор-трансформатор.
Низкий ток срабатывания 0,17ном получается за счет малых токов
небаланса. Расчетный ток небаланса можно определить при сниженных
погрешностях измерительных трансформаторов тока, значительно меньших е < 0,1
272
[2], по малой кратности Ъ (рис. 13.2) тока внешнего КЗ, благодаря
блокировке срабатывания защиты и без учета токов небаланса, обусловленных
дискретным изменением коэффициента трансформации при действии УРПН и
неточностью выравнивания их абсолютных значений.
Особенностями других программных защит и противоаварийной
автоматики являются:
фиксирование первой ступенью токовой защиты (отсечкой) броска тока
намагничивания трансформатора блока при его включении или
дискретном восстановлении напряжения после отключения внешнего КЗ;
вычисления выдержек времени /с срабатывания третьей ступени
токовой защиты и /2 токовой защиты обратной последовательности,
учитывающие теплодинамические характеристики генератора
/c=V[(///6)2-l]; <13-2)
'с2 =кх/[(12/1б)2-к22], (13.3)
где /б— базовый ток, /б = (0,5—2,5)/ном; 12 — ток обратной
последовательности; кх,к2 — временные коэффициенты;
высокие (близкие к единице) коэффициенты возврата измерительных
реле напряжения и тока.
13.3. ИНТЕГРИРОВАННАЯ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И ПРОТИВОАВАРИЙНАЯ
АВТОМАТИКА ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Интегрированная релейная защита и противоаварийная автоматика
линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений
функционирует на терминалах REL-511R, REL-521 и REL-561, выполняющих
следующие функции:
дистанционной (на терминалах REL-561 — продольной токовой
дифференциальной) как от междуфазных, так и однофазных коротких замыканий;
ступенчатой токовой нулевой последовательности от коротких
замыканий на землю;
ступенчатой токовой от междуфазных КЗ;
резервирования отказов выключателей в действии на отключение;
отключения при включении линии на КЗ (закоротку);
запрета действия дистанционной защиты при качаниях в
электроэнергетической системе и повреждениях в цепях измерительного
трансформатора напряжения;
трехфазного и однофазного повторного включения линии;
ограничения снижения и повышения напряжения;
определения места повреждения линии электропередачи;
273
фиксирования действующих значений напряжения и тока, активной и
реактивной мощностей в линии и частоты;
регистрации аварийных ситуаций.
Терминалы обеспечивают программную настройку дистанционной
защиты на пять (три фиксированные и две расширяемые ускоренного
отключения), а токовой нулевой последовательности на четыре зоны (ступени),
т.е. высокую степень дальнего резервирования. Возможность оперативного
выбора одного из находящихся в памяти микропроцессоров четырех
наборов установленных сопротивлений и токов срабатывания (уставок)
придает автоматике защитных отключений свойство адаптивности к режимам
работы линий электропередачи.
Гибкое программное изменение уставок и обмен информацией по
высокочастотным каналам связи повышают быстродействие и эффективность
взаимодействия автоматики защитных отключений и повторных включений.
Возможность оперативного пополнения библиотеки программ и
выполняемых ими функций придает интегрированной защите и противоава-
рийной автоматике линий электропередачи способность
«самосовершенствования».
Терминалы, естественно, производят самотестирование,
автоматическую диагностику и имеют интерфейсы с ПЭВМ и выходы для
подключений к ВОЛС — волоконно-оптической линии связи с АСУ.
Универсальный терминал на мультипроцессорной основе REL521
осуществляет противоаварийную автоматику отключений и включений как
внутрисистемных, так и межсистемных воздушных и кабельных линий
электропередачи. Он выполняет все перечисленные функции и входит как
основной в состав противоаварийной автоматики электростанции или
системной подстанции.
Вычислительно-логическая часть ВЛЧ (рис. 13.3) терминала состоит из
нескольких микропроцессоров МП1—MITN, функционирующих
одновременно и выполняющих необходимые функции противоаварийной
автоматики, вычислительные и логические операции. Один из них производит
фильтрацию информационных процессов, поступающих от АЦП, —
выделение принужденных составляющих напряжений и токов
электромагнитных переходных процессов при коротких замыканиях. Программно
реализуется рекурсивный полосовой второго порядка или нерекурсивный
цифровой частотный фильтр [6].
Вычислительно-логическая часть содержит главный контроллер ГК,
который принимает решения, основанные на информации, поступающей
от микропроцессоров. Они выдают информацию через интервал
дискретизации 1 мс.
Измерительно-преобразовательная часть ИПЧ состоит из комплектов
вторичных измерительных трансформаторов фазных (междуфазных) и ну-
274
Ы
о.
X
^ЭТ1--ТТН
^ <i ^, ^i
275
левой последовательности напряжений TVL, фазных и нулевой
последовательности токов TAL, нагруженных балластными резисторами Лб;
аналоговых фильтров нижних частот первого порядка ФНЧ с граничной частотой
250 Гц; мультиплексора МПЛ и аналого-цифрового преобразователя АЦП.
От АЦП цифровые сигналы проходят в микропроцессоры через опто-
электронные элементы гальванической развязки цепей ЭГР.
Входные дискретные сигналы поступают в вычислительно-логическую
часть от контактов электромагнитных реле входных сигналов РВС.
Управляющие воздействия на отключение и включение выводятся контактами
комплекта выходных электромагнитных реле КВР с повышенной
коммутационной способностью, а сигналы информации — герметизированными
магнитно-управляемыми контактами ГМК.
Вычислительно-логическая часть имеет стандартный интерфейс с
ПЭВМ и ВОЛС. Терминал снабжен клавиатурой КЛ (для настройки на
выбранные функции и параметры) и жидкокристаллическим дисплеем ДП
отображения информации.
Одной из особенностей функций дистанционной защиты является
программная реализация измерительных реле полного сопротивления с
многоугольными характеристиками срабатывания и программируемой
направленностью действия защиты во всех зонах не только при всех сочетаниях
поврежденных фаз междуфазными КЗ (междуфазных реле), но и при
однофазных коротких замыканиях (однофазных реле). Последние
функционируют как избиратели поврежденных фаз при выполнении терминалом
функции автоматики однофазного повторного включения.
Схема логических операций (рис. 13.4) иллюстрирует программную
реализацию определения поврежденной фазы при однофазном и сочетания
фаз двухфазных КЗ на землю. Предусмотрены контролируемые
операциями DX1—DX3 (ЗАПРЕТ) цепи ненаправленного выбора (от фазных реле
полного сопротивления KZHA—KZHC) поврежденной фазы А, В и С. Через
операцию DX4 формируется сигнал (от реле KAV напряжения и тока
нулевой последовательности) информации СИ о коротком замыкании на землю.
Запрет производится единичным логическим сигналом от программных
реле блокировок KB при повреждениях в цепях измерительных
трансформаторов напряжения и качаниях в электроэнергетической системе.
Операциями ЗАПРЕТ контролируется определение поврежденных фаз
программными направленными измерительными реле сопротивления:
однофазными KZA—KZC и междуфазными KZAB—KZCA. Так, сигнал выбора
фазы А линии при ее коротком замыкании на землю формируется
направленным однофазным измерительным реле сопротивления KZA при
наличии логических единиц на трех входах DX1 (операция их совпадения), т.е.
и от реле фиксации KAV короткого замыкания на землю и от DX4 (при
276
KZ,
DX4
'ЛВ
KZHA
KZA
KZ,
ВС
KZHn
KZB
KZt
CA
KZHr
KZr
от KB
4*+?h
KAV
DX1
DX2
DX3
DX4
DX1
DX5
DX2
DX6
DX3
DW1
DW2
DW3
ЛО
ТАПВ
К YATтрех фаз
КК4ГфазыЛ
К YAT фазы В
КЕ4Гфазы С
DW4
DX7
-G
си
ОАПВ
►
Рис. 13.4. Функциональная схема измерительной части микропроцессорной
дистанционной защиты
отсутствии на инверсном входе запрещающей единицы). Логическая
единица с выхода DX1 проходит через DW1 (ИЛИ) в виде сигнала,
определяющего воздействие на электромагнит отключения YAТ выключателя
фазы А. Аналогично направленными однофазными измерительными реле
KZB и KZC через операции DX2, DX3 и DW2, DW3 при наличии
логических единиц на выходах KAV и DX4 формируются сигналы выбора
поврежденной фазы В или С.
Сочетание поврежденных фаз при двухфазном КЗ на землю
определяется междуфазными измерительными реле сопротивления. Так, при
коротком замыкании на землю фаз А и В дискретный сигнал от реле KZAB
проходит через DX4 при наличии логических единиц от реле КА V фиксации
короткого замыкания на землю и DX4. Операции DW1 и DW2 обеспечивают
выходные сигналы о повреждении фаз А и В.
Логическими операциями DW4 и DX7 формируется сигнал
информации СИ о направленном выборе поврежденных фаз при коротких
замыканиях на землю.
277
При однофазном КЗ на землю отключается один поврежденный провод
линии электропередачи и запускается программа однофазного
автоматического повторного включения ОАПВ. При двухфазном КЗ на землю
логическими операциями Л О формируются воздействия на электромагниты YAT
отключения трех фаз линий и сигнал запуска программы трехфазного
автоматического повторного включения ТАПВ.
13.4. ОСОБЕННОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ЗАЩИТЫ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Микропроцессорная интегрированная релейная защита трансформатора
SPAD 346С выполняет функции [7]:
продольной токовой дифференциальной защиты;
трехступенчатой токовой защиты от междуфазных КЗ;
дифференциальной токовой защиты нулевой последовательности от КЗ
на землю;
токовой защиты нулевой последовательности от однофазных
замыканий на землю на стороне высшего напряжения;
токовой защиты от КЗ на землю на стороне с напряжением 0,4 кВ;
защиты от несимметричной работы.
Продольная токовая дифференциальная защита, благодаря ее
программной реализации, обладает уникальными, реализуемыми только
техническими средствами цифровой вычислительной техники, свойствами.
Они обеспечивают преодоление специфических факторов, затрудняющих
достижение высокой чувствительности продольной дифференциальной
защиты, а именно:
схемы соединений обмоток трансформатора, обусловливающей
фазовый сдвиг вторичных фазных токов измерительных трансформаторов тока
на сторонах высшего и низшего напряжений;
неравенства их абсолютных значений в нормальном режиме и при
внешних (в электрической сети за пределами защищаемой зоны) КЗ,
обусловленных численным отличием отношения их коэффициентов
трансформации от коэффициента трансформации защищаемого трансформатора;
дискретное изменение коэффициента его трансформации при
переключениях ответвлений от обмотки высшего напряжения автоматически
управляемыми УРПН.
Компенсация сдвига фаз и выравнивания абсолютных значений
вторичных токов производится программно-расчетными алгоритмами.
Соответствующие составляющие тока небаланса в дифференциальной цепи
защиты практически исключаются.
Однако ток небаланса, обусловленный погрешностями
измерительных трансформаторов тока при больших токах внешних КЗ, остается на
прежнем уровне. Поэтому в цифровой продольной дифференциальной
278
защите применяется известное торможение, автоматически загрубляю-
щее ее при внешних КЗ.
Используется и один из прежних способов обеспечения недействия
защиты на отключение трансформатора от броска тока намагничивания БНТ,
возникающего при подключении трансформатора к напряжению или при
дискретном повышении первичного напряжения после отключения
внешнего КЗ. Применяется запрет действия защиты (ее блокировка)
гармонической составляющей БНТ удвоенной частоты. При КЗ в трансформаторах
или на его выводах блокировка по второй гармонике ограничивается
специальным алгоритмом анализа особенностей формы кривой и скорости
нарастания мгновенного дифференциального тока.
В защите предусмотрена еще одна блокировка по пятой гармонике тока
намагничивания, возникающей при повышенном напряжении, вследствие
насыщения магнитопровода трансформатора (его перевозбуждении).
Однако при опасных для изоляции трансформатора перенапряжениях
блокировка выводится из действия.
Продольная токовая дифференциальная защита двухступенчатая.
Первая, грубая, ступень имеет ток срабатывания ЗА/ не менее пятикратного
номинального тока трансформатора /ном, определяемый ее отстройкой от
броска тока намагничивания, ток срабатывания ЗА/ второй чувствительной
ступени, действующей через операцию ЗАПРЕТ от второй гармоники
броска тока намагничивания и загрубляемой при внешних КЗ торможением,
устанавливается на уровне половины номинального тока.
Кусочно-линейная характеристика нарастания тока срабатывания
в функции тока торможения, аналогичная показанной на рис. 13.2, имеет
два излома: ток срабатывания, соответствующий точке второго излома,
достигает двухкратного номинального тока трансформатора. Функции
продольной токовой дифференциальной защиты выполняет
вычислительно-логический модуль U1 (рис. 13.5) типа SPCD3D53 (см. табл. 12.1).
Токовая защита нулевой последовательности (модуль U2 типа
SPCD2D55) от однофазных КЗ (при заземленной нейтрали сетей
напряжением 110—220 кВ) или однофазных замыканий на землю (при
изолированной нейтрали сетей напряжением 6, 10, 35 кВ) может функционировать как
продольная дифференциальная или двухступенчатая токовая защита. Она
подключается к нулевому проводу трехфазных измерительных
трансформаторов тока ТА1 на стороне высшего напряжения и к одному из
трансформаторов тока ТА3 или ТА4, установленных в нейтрали.
В продольной дифференциальной защите предусматриваются
торможение и возможность блокировки от второй гармоники тока в нейтрали и
выдержки времени для отстройки от апериодической свободной
составляющей тока электромагнитного процесса однофазного короткого замыкания.
Ступенчатые токовая от междуфазных и токовая нулевой
последовательности от однофазных КЗ на стороне низшего напряжения программно реа-
279
ТА1
■f*4-
Lrv>rx-
ТАЗ
TA4
rn
TA2
=PCV
-pe4-
-+<-),
--(-)
ГГЛППТТТГТТГГТГГЛППТТТГТ"
yjLJJUJ UJ UJLJjyjyj
ПППППППП
,1 I 1, ± J_ .1 I I
ii
L
U6
SPAD 346C
\-
Xl:l
Xl:2
XL
XL
U4
\:4 | C*~\>BS2
XI:6 LS^ii^
Xl:9 I—, ,
J
J
"TBJT
YA
BS1
SS2\
SS3\
m
JS4
Ш1
ui
Ml
BSl
m
BS4
Щ
SS2\
SS3\
m
U2
I/O
-Й
SS2\
SS3\
из
TS2\
m
ж
-111
i/o
rr
_J
SERIAL
PORT
l
V
r< \X2:14 -►
ssiSr^^'15 "*"
У Ч1\Х2:11 +
ГГ \X2:12 -+-
SS2 X ft , \X2:13 -*-
TRF
г^—дд/5 -*-
I P UE2.-77 -►//^
55*5
r-f jXZrP
LJ K?. 7/
Ш:70 ■
I
SS4
r^( \X2:7 -*-
V
TS1
¥
1*2*
JA2:5 -^
-iA2:5
ЯМР
И
TS2 cg=jg^nup
Г-Г 1X7:75 -*-
4 1^7:76 -►
И
TO Е3^,И:
7ЖР
X
TS4
Г* |Х7:77 -►
-й7
4X7:75 ■
Рис. 13.5. Схема подключения микропроцессорной защиты трансформатора SPAD
280
лизуются модулем U3 типа SPCJ4D29. Модуль выполняет функцию
защитного отключения при несимметричной нагрузке. Особенностью защит
являются обратнозависимые, определяемые аналитически выдержки времени.
Кроме вычислительно-логических модулей микропроцессорное
интегрированное устройство защиты трансформатора SPAD 346С (рис. 13.5)
содержит релейно-контактный модуль входов/выходов U4, источник питания
U5 и модуль U6 входных измерительных преобразователей тока с
элементами гальванической развязки. На схеме подключения цифрового реле
SPAD 346С к первичным измерительным трансформаторам тока ТЛ1—ТЛ4
обозначены входные дискретные сигналы BS1—BS5 настройки и
оперативного управления программными функциями защитных отключений,
сигналы SSI—SS4 выходной информации и отключающие воздействия TS1—
TS4. Показаны порт SERIAL PORT последовательного интерфейса,
передатчик Тх и приемник Rx волоконно-оптической линии связи. Обозначены
входные и выходные зажимы устройства микропроцессорных защит
трансформатора ХО, XI, Х2 с их порядковыми номерами.
13.5. ИНТЕГРИРОВАННАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА СОБСТВЕННЫХ
НУЖД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Комплексные цифровые автоматические устройства на
микропроцессорной элементной базе интегрированной защиты и противоаварийной
автоматики, предназначенные для комплектных распределительных
устройств (КРУ) собственных нужд электростанций и распределительных
сетей напряжением 3—35 кВ, разработаны научно-производственной
фирмой «Радиус» НИИ «Зенит» (г. Зеленоград) и научно-техническим центром
«Механотроника» (С.-Петербург) [7]. Объединенным ОАО «АББ
Реле-Чебоксары» поставляются терминалы серии SPAC 800. Они характеризуются
высокими показателями и обладают широкими информационными и
сервисными функциями, свойственными техническим средствам обработки
информации цифровой вычислительной техникой.
Микропроцессорные устройства защиты и автоматики НПФ
Радиус. Микропроцессорные интегрированные устройства релейной
защиты и автоматики типов Сириус, Сириус-М (рис. 13.6) и Орион-М
выполняют функции:
трехступенчатой токовой защиты от многофазных КЗ с вычислениями
расстояния до места повреждения (Сириус) и зависимых от тока выдержек
времени (Орион-М);
направленной токовой защиты (Сириус-М);
защиты от однофазных замыканий на землю (Сириус);
защиты от несимметричных режимов и потери фазы;
281
Ручн
Оперативное
Ш о 1
тт питани*
Диет.
\ / г—
Ж|
/ \ 1
^
\ °
Отк 1 Вкл
О
I
_)
Сириус Щ
Уставки:
1МТЗ = 2-250 А
Выход
Ток
Время
Ввод
Пуск защиты
Срабатывание защиты
Работа УРОВ
Аварийное отключение
Неисправность
АПВ сработало
Сброс
#
АПВ блокиров.
Вкл. Вкл. Вкл. Вкл.
^фурОВ^фдуг.^^Газ (Ж)АПВ
Откл. Откл. Откл. Откл.
RS232C
>\ 7о
Рис. 13.6. Цифровое устройство защиты и автоматики типа Сириус
исполнения воздействий на отключение от дуговой защиты КРУ и
газовой защиты трансформатора;
автоматики резервирования отказа выключателя в действии на
отключение КЗ (УРОВ);
автоматики повторного включения выключателей, отключенных
защитой или автоматикой частотной разгрузки;
фиксирования и хранения обширной информации о девяти последних
аварийных ситуациях в системе электроснабжения, о запусках и действиях
устройства и произведенных противоаварийных отключениях и включениях.
Несколько типоисполнений микропроцессорных фиксирующих
индикаторов (ИМФ) обеспечивают автоматический поиск поврежденного
присоединения при однофазном замыкании на землю или обрывах провода,
определение расстояния до места междуфазного КЗ, фиксирование
значений составляющих нулевой последовательности напряжений и токов,
необходимых для расчетов расстояний до места однофазного повреждения.
282
Сигнализация
Рис. 13.7. Схема общей структуры цифровых устройств защиты и автоматики типов
Сириус и Орион-М
На рис. 13.7 приведена схема общей структуры устройств Сириус, Си-
риус-М и Орион-М. Их вычислительно-логическая часть содержит
микропроцессор МП с аналого-цифровым преобразователем АЦП
предварительно обработанных аналоговыми активными частотными фильтрами АФ
мгновенных напряжений, пропорциональных вторичным фазным токам
Ia> lb> 1С и токУ нул^ой последовательности 3/Q первичных
измерительных трансформаторов и трансформатора тока нулевой
последовательности: токи преобразуются в напряжения вторичными измерительными
трансформаторами TAL, нагруженными балластными резисторами.
Аналого-цифровой преобразователь, подключенный к указанным
напряжениям аналоговым мультиплексором МПЛ, с интервалом
дискретизации Т= Тп/\2 = 1,66 с выдает дискретные в двоичном коде мгновенные
значения напряжений U(nT) — выборки: 13 за период Тп
промышленной частоты.
Микропроцессор выполняет функции цифровых частотных фильтров
принужденных составляющих напряжений, пропорциональных токам
электромагнитного переходного процесса КЗ, выделяет их ортогональные —
синусную Us{nT) и косинусную Uc(nT) — составляющие и симметричную
составляющую обратной последовательности и вычисляет сумму
гармоник (7-й и близких к ней) тока нулевой последовательности.
283
Через каждые три интервала дискретизации, т.е. периодически через
время ЗГ= Гп/4 = 5 мс, необходимое для выделения указанных
составляющих, производится возведение в квадрат ортогональных составляющих и
их суммирование, вычисляются квадраты амплитуд наибольшего из
фазных токов, тока обратной последовательности и сумма квадратов амплитуд
гармоник тока нулевой последовательности.
После их сравнения с установленными значениями (уставками) токов
срабатывания защит при превышении ими уставок запускается таймер
необходимой задержки срабатывания первой ступени (отсечки) токовой
защиты от КЗ или выдержки времени ее второй (МТЗ-1) и программы
вычисления времени срабатывания третьей (МТЗ-2) ступени токовой защиты от
КЗ и других защит. При этом уставки автоматически снижаются для
обеспечения высокого (близкого к единице) коэффициента возврата
измерительных реле максимального тока, что является одной из особенностей
микропроцессорного устройства.
Микропроцессор выполняет логические алгоритмы автоматики
резервирования отказа выключателя (УРОВ), повторного включения
выключателя, отключенного защитой или автоматикой частотной разгрузки (АЧР),
частотного повторного включения, координацию сигналов управления
выключателем и отображение информации.
При запуске, срабатывании и наборе задержек и выдержек времени
защиты и автоматики перепрограммируется сторожевой WD-таймер,
который в обычном (ждущем) режиме устройства производит его
периодическое тестирование и мог бы приводить к отказам действия защиты и
автоматики на отключение и включение выключателя.
Устройства могут обмениваться информацией с ПЭВМ или по ВОЛС
с вышестоящими уровнями иерархической автоматизированной системы
управления.
На схеме структуры устройств (рис. 13.7) показаны элементы
гальванической (оптронной) развязки ЭГР входных (выходных) цепей и
микропроцессоров, комплекты испытательных (выходных) электромагнитных реле
с герметизированными магнитоуправляемыми контактами КВР1, КВР2
и источник питания ИП постоянного или переменного (по
бестрансформаторной схеме) тока.
На передней панели расположены клавиатура КЛ (Сириус),
жидкокристаллический алфавитно-цифровой индикатор АЦИ с платой
управления ПУ, ключи К или движковые переключатели задания программы
работы (конфигурации) устройства и светодиоды сигнализации СД и его
действия. Настройка конфигурации осуществляется с клавиатуры или
движковыми переключателями, от ПЭВМ или по волоконно-оптической
линии связи от АСУ.
Особенностью устройства Орион-М является возможность реализации
восьми различных зависимых от тока /к выдержек времени срабатывания
284
t> третьей ступени токовой защиты, вычисляемых по соответствующим
аналитическим соотношениям.
Всего предусмотрено восемь различных обратнозависимых от тока
характеристик.
Особенностями устройства Сириус-М являются направленность
ступенчатой токовой защиты и наличие входных цепей напряжения.
Автоматическое устройство поиска поврежденного присоединения
ИМФ-10 представляет собой направленную защиту нулевой
последовательности с действием на сигнал. Применяется в сетях с изолированной или не-
докомпенсированной нейтралью, поскольку функционирует на основе
определения фазы емкостного тока нулевой последовательности промышленной
частоты в контролируемом присоединении с током не менее 0,25 А.
Устройство рассчитано на десять присоединений и подключается к
соединенным по схеме разомкнутого треугольника обмоткам трехобмоточного
трансформатора напряжения 7У0 и к измерительному трансформатору тока
нулевой последовательности ТА0 кабельной или специальной для
присоединений КРУ конструкции. Устройство выводит на алфавитно-цифровой
индикатор АЦИ (рис. 13.8) следующую информацию:
номер поврежденного присоединения;
время и день возникновения замыкания на землю;
действующие значения первичных напряжения и тока нулевой
последовательности поврежденного присоединения;
фазы токов нулевой последовательности во всех присоединениях.
Информация запоминается о девяти последних однофазных
замыканиях на землю.
Устройство выполнено на микропроцессоре К1810ВМ88, который
производит фиксацию в течение двух периодов Тп промышленной частоты
через интервал Т= Тп1\2 дискретных мгновенных значений напряжения 3£/0
-V
3-V
3-V
ЭЗУ
вит,
АЧФ
мпл
АЦП
МП
Контроллер
Таймер
ПЗУ
ОЗУ
Отказ
лизация
ВР
АЦИ
КЛ
Рис. 13.8. Функциональная схема устройства ИМФ-10
285
и токов 3 /0 нулевой последовательности десяти линий, поступающих от
аналого-цифрового преобразователя АЦП. Напряжения и токи вторичных
измерительных трансформаторов ВИТ предварительно фильтруются
активными аналоговыми частотными фильтрами АЧФ и через аналоговый
мультиплексор МПЛ поступают последовательно во времени на АЦП.
Микропроцессор МП производит их окончательную фильтрацию,
корректировку фаз токов, необходимую в связи с последовательным
поступлением их мгновенных значений в АЦП, определение углов сдвига фаз
между комплексными напряжениями ЪЩ и токами 3 /Q и выявляет
поврежденную линию, фаза тока нулевой последовательности в которой
противоположна фазам токов неповрежденных присоединений. Номер линии, на
которой произошло однофазное замыкание на землю, высвечивается на
алфавитно-цифровом индикаторе АЦИ.
Периодически производится тестирование устройства, и при его
неисправности возбуждается выходное реле сигнализации об отказе.
Вывод информации на индикатор АЦИ производится четырехкнопочной
клавиатурой КЛ. Индикатор высвечивает абсолютные значения (модули) и
фазы токов нулевой последовательности и другую обширную информацию.
Микропроцессорные комплексы защиты и автоматики НТЦ «Механо-
троника» поставляются в виде комплектов многофункциональных
микропроцессорных блоков релейной защиты и автоматики БМРЗ 04 и
специальных защит синхронных электродвигателей БМРЗ ДС.
Многофункциональный микропроцессорный блок БМРЗ 04
наиболее универсален и выполняет функции:
направленной трехфазной или ненаправленной двухфазной
трехступенчатой токовой защиты с комбинированным пуском по напряжению с не
зависимой и обратнозависимой от тока выдержкой времени;
направленной защиты от однофазных замыканий на землю;
защиты от несимметрии нагрузки и обрыва фазы;
резервирования отказов действия выключателей на отключение (УРОВ);
автоматики повторного включения;
автоматики включения резервных выключателей;
автоматики ограничения снижения напряжения (защиты минимального
напряжения);
исполнения воздействий автоматики ограничения снижений и
повышений частоты и частотного АПВ;
определения места повреждения и осциллографирования
электрических величин в аварийных режимах;
электродуговой защиты и самодиагностики.
Трехступенчатая токовая защита с контролем по напряжению и
направлению мощности КЗ и ускорением действия имеет независимые
выдержки времени DT1 первой (реле максимального тока КА1, рис. 13.9),
286
о
a
a
с
о
a
s
fyirgnr^^^
rot*
о
-it>if
ib»l
287
DT2 второй (реле КА2) ступеней и обратнозависимые (от тока)
характеристики выдержек времени DT3 третьей (реле тока КАЗ) ступеней.
Характеристики определяются вычислениями времени срабатывания по
аналитическим соотношениям.
Характеристики устанавливаются ключами SGJO, SGJI, а ключом SG9
вводится не зависимая от тока выдержка времени DT4.
Измерительная часть защиты реализуется программными операциями:
трех однофазных измерительных реле максимального тока КА1—КАЗ,
подключаемых ключами SGI—SG3 через макси-селектор к вторичным
измерительным трансформаторам тока TAL, нагруженным балластными
резисторами R6;
одного измерительного реле минимального напряжения KV2 с
мини-селектором трехфазного напряжения вторичных трансформаторов TVL\
фильтра ZV2 и реле напряжения обратной последовательности KVl\
двух измерительных реле KW угла сдвига фаз (направления мощности),
включенных по девяностоградусной схеме [4], с выходом через
логическую операцию ИЛИ (на схеме не показана).
Все три ступени могут контролироваться [логические операции DX1—
DX3 (И)] через ключи SG4—SG7) и операцию DWU (ИЛИ-НЕ) по
минимальному напряжению (ключ SG7);
напряжению обратной последовательности (ключ SG8);
направлению мощности КЗ (ключи SGJ3, SGJ4).
Первая (KAJ) и вторая (КА2) ступени с токами срабатывания,
обозначенными как />», /» соответственно, действуют (операция DW2) на
отключение выключателя. Третья ступень (КАЗ) с током срабатывания />
действует в зависимости от положения ключа SG17 на отключение или на
сигнализацию о перегрузке.
На схеме рис. 13.9 показаны особенности программной защиты:
цепь (DW3 и ключ SG16) формирования сигналов контактами реле KL,
запускающего логический алгоритм отключения шин распредустройства;
формирование (операция DX4) сигнала о запуске первой и второй
ступеней защиты;
• цепь запрета (блокировки) АПВ от первой (КА1) ступени защиты;
дистанционное управление настройкой (переключение программ)
измерительной и логической частей;
цепь ускоренного отключения УО.
Устройство отключения замыканий на землю функционирует с
контролем или только напряжения, или напряжения и тока, или направления
мощности нулевой последовательности (устанавливается программно) с
одной или двумя независимыми выдержками времени. Устройство
характеризуется высокой чувствительностью — низкими токами (от 0,05 А) и
напряжением (от 5 В) срабатывания.
288
Микропроцессорные терминалы SPAC800 являются
автоматическими устройствами с гибким, обеспечивающим адаптацию
программированием. Кроме основных прямых операций по дистанционному
оперативному и автоматическому управлению выключателями они выполняют
комплекс информационных и сервисных функций: дистанционное
управление параметрами настройки, местные дисплеи отображения и вывода
информации о режимах работы и аварийных ситуациях. Терминалы
оснащены оптоэлектрическими преобразователями сигналов для передачи
информации по ВОЛС на более высокие уровни иерархической системы
управления. Автоматическое тестирование и самоконтроль с выдачей
информации о неисправностях обеспечивают высокую надежность их
функционирования.
Основными функциями терминалов SPAC800 как комплексных
устройств РЗА являются:
местное и дистанционное управление выключателем, в том числе по
сигналам внешних автоматических устройств, с контролем готовности
цепей управления и запретом (блокировкой) многократных включений;
РЗ от междуфазных КЗ, перегрузки и несимметричных режимов работы;
защита от однофазных замыканий на землю;
автоматика резервирования отказов действия выключателей на
отключение КЗ (У РОВ) [2, 4];
АПВ аварийно отключавшихся выключателей [7];
автоматика включения резервных источников питания [7];
автоматика отключений при снижениях напряжения и частоты с
включением выключателей после восстановления частоты.
Специфические, информационные и сервисные функции терминалов:
автоматическое тестирование и самодиагностика;
регистрация и запоминание параметров нескольких аварийных
событий, происходящих последовательно во времени;
выдача информации о действиях (срабатываниях при наличии
требований срабатывания и излишних срабатываниях) и отказах РЗА, в частности
попытках АПВ;
отображение информации для персонала;
возможность анализа аварийных ситуаций на ПЭВМ;
совместимость с системами передачи информации по
волоконно-оптическим линиям связи.
Выпускаются различные модификации микропроцессорных
терминалов SPAC800.
Терминал SPAC801.01 содержит микропроцессорные измерительно-
вычислительный модуль SPCJ4D28 и модуль управления L2210.
Измерительно-вычислительный модуль выполняет функции РЗ:
трехступенчатой ненаправленной токовой с уставками по току и
времени ступеней (см. табл. 12.1) и временем срабатывания третьей ступени, об-
289
ратнозависимым от тока и вычисляемым по одному из шести возможных
задаваемых аналитически соотношений;
двухступенчатой РЗ от замыкания на землю с соответствующими
уставками по току нулевой последовательности и времени ступеней (см.
табл. 12.1);
защиты от несимметричных режимов с уставками по разности Д/
наибольшего и наименьшего фазных токов, отнесенной к наибольшему току и
времени 0,1 < (Л/) < /ном; 1 < /д < 300 с.
Микропроцессорный блок управления выполняет функции:
двухкратного автоматического повторного включения;
ускорения действия второй ступени защиты при включении
выключателя оператором;
резервного отключения при отказе выключателя на отключение КЗ.
Терминал SPAC801.02 защиты и автоматики секционного
выключателя кроме перечисленных дополнительно выполняет функцию защиты шин
КРУ и автоматического включения секционного выключателя как
резервного, но не выполняет АПВ. Типоисполнение 801.021 содержит модуль
SPCR8C27 регистрации параметров аномальных режимов (см. табл. 12.1).
Терминал SPAC801.03 защиты и автоматики выключателя ввода в КРУ
выполняет кроме перечисленных функцию автоматического отключения и
включения по внешним сигналам, а именно отключение с последующими
АПВ или без повторного включения, но не выполняет АВР. Типоисполне-
ния 801.031 и 801.033 содержат модули SPCR8C27 регистрации параметров
аномальных режимов.
Терминал SPAC802.01 защиты и автоматики асинхронных
электродвигателей содержит микропроцессорные измерительные модули SPCJ4D34
(см. табл. 12.1), выполняющие функции защит:
от междуфазных коротких замыканий с автоматическим удвоением
уставки при пуске электродвигателя;
от тепловой перегрузки электродвигателя с уставками тока,
соответствующего полной нагрузке, — длительно допустимого тока электродвигателя;
от пускового режима;
от однофазных замыканий на землю;
от несимметричных режимов с уставкой срабатывания по току
несимметрии, равному разности наибольшего и наименьшего фазных токов,
отнесенной к большему току.
Тепловые уровни: действия на отключение; предупредительной
тепловой сигнализации 0,5 < 0а < 18г Уставки: допустимого времени
заклинивания ротора (нахождения электродвигателя в заторможенном
состоянии; постоянных времени экспоненциальных процессов нагрева и
охлаждения электродвигателя; запрета повторного пуска после действия
защиты от перегрузки.
290
Микропроцессорный блок управления обеспечивает автоматический
повторный пуск электродвигателя после его отключения защитой
минимального напряжения и функцию УРОВ.
Терминал SPAC803 защиты и автоматики синхронных
электродвигателей дополнительно содержит измерительный модуль SPCD 3D53,
обеспечивающий двухступенчатую трехфазную токовую продольную
дифференциальную защиту. Защита обладает свойством программного уравнивания
номинальных вторичных токов ее плеч при их отношении от 0,4 до 1,5
(подстройки коэффициентов трансформации); имеет блокировку по второй
и пятой гармоникам вторичных токов первичных измерительных
трансформаторов тока. Время срабатывания защиты не более 45 мс.
Терминал SPAC804 трансформатора напряжения шин КРУ выполнен
на микропроцессорных измерительных модулях SPCU ЗС15 защиты
междуфазного минимального напряжения и SPCU 1С6 защиты максимального
напряжения нулевой последовательности. Защиты двухступенчатые с
уставками по напряжению и времени срабатывания.
Микропроцессорный блок управления терминала производит пуск АВР,
сигнализацию замыканий на землю, контроль исправности цепей
напряжения измерительного трансформатора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила устройства электроустановок. 7-е изд., перераб. и доп. с изм. М.:
Главэнергонадзор, 1998.
2. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. М.* Энергия, 1976.
3. Электротехнический справочник. М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем.
Учеб. пособие для техникумов. М.: Энергоатом издат, 1998.
5. Дорогунцев В.Г., Овчаренко Н.И. Элементы автоматических устройств
энергосистем: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М: Энергия, 1979.
6. Овчаренко Н.И. Элементы автоматических устройств энергосистем: Учебник
для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1995.
7. Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная релейная защита и
автоматика электроэнергетических систем: Учеб. пособие для вузов. М: Издательство
МЭИ, 2000.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 4
1. Общие вопросы выполнения релейной защиты 5
1.1. Назначение, функции и свойства релейной защиты 5
1.2. Способы изображения элементов и устройств релейной защиты 10
1.3. Измерительные органы устройств релейной защиты 16
1.4. Измерительные органы с двумя входными воздействующими
величинами 21
2. Виды повреждений и ненормальных режимов работы, учитываемые
при выполнении релейной защиты 30
2.1. Общие положения 30
2.2. Междуфазные короткие замыкания в одной точке 31
2.3. Короткие замыкания на землю 33
2.4. Соотношения токов при трансформаторных (автотрансформаторных)
связях в сетях 36
2.5. Однофазные замыкания на землю. Ненормальные режимы работы ... 39
3. Первичные измерительные преобразователи —трансформаторы тока
и напряжения в устройствах релейной защиты 42
3.1. Измерительные трансформаторы тока 42
3.2. Измерительные трансформаторы напряжения 45
3.3. Схемы соединения трансформаторов тока и цепей тока защиты 50
4. Токовые защиты со ступенчатыми характеристиками выдержки
времени 58
4.1. Ток срабатывания и алгоритм защиты 58
4.2. Выбор параметров срабатывания трехступенчатой токовой защиты,
включенной на полные токи фаз 60
4.3. Выбор параметров срабатывания токовых защит нулевой
последовательности со ступенчатыми характеристиками выдержки времени ... 66
4.4. Схемы токовых ступенчатых защит 70
4.5. Токовые защиты с пуском по напряжению 73
5. Токовые направленные защиты со ступенчатыми характеристиками
выдержки времени 78
5.1. Общие положения. Структурная схема алгоритма 78
5.2. Выбор параметров срабатывания трехступенчатой направленной
токовой защиты 81
5.3. Характеристики, параметры и схемы включения измерительного
органа направления 91
5.4. Схемы токовых направленных защит. Оценка и область применения
защит 98
293
6. Дистанционные защиты со ступенчатыми характеристиками
выдержки времени 104
6.1. Общие положения 104
6.2. Схема включения измерительных органов сопротивления 107
6.3. Виды характеристик 109
6.4. Выбор параметров срабатывания дистанционной защиты 119
6.5. Блокировки при качаниях 124
6.6. Блокировки при неисправностях цепей напряжения 131
6.7. Схемы дистанционных защит и их оценка. Сравнительная оценка
относительно селективных защит 133
7. Защиты с косвенным сравнением электрических величин 139
7.1. Общие положения выполнения абсолютно селективных и
высокочастотных защит 139
7.2. Направленная высокочастотная защита 144
7.3. Дифференциально-фазная высокочастотная защита 156
8. Продольная дифференциальная токовая защита 165
8.1. Принцип действия 165
8.2. Токи небаланса в дифференциальной защите с проводным каналом ..167
8.3. Способы повышения чувствительности защиты 170
9. Выполнение продольной дифференциальной токовой защиты 177
9.1. Особенности продольной дифференциальной токовой защиты
трансформатора (автотрансформатора) 177
9.2. Особенности выполнения продольных дифференциальных токовых
защит синхронных генераторов, компенсаторов и
электродвигателей 189
9.3. Особенности выполнения продольных дифференциальных токовых
защит для шин электростанций и подстанций 193
9.4. Особенности выполнения продольных дифференциальных токовых
защит линий 210
10. Поперечные дифференциальные токовые защиты 217
10.1. Принцип действия направленной защиты 217
10.2. Особенности поперечной дифференциальной токовой
направленной защиты 219
10.3. Алгоритм функционирования 222
10.4. Поперечная дифференциальная токовая защита синхронных
генераторов 229
11. Защита от замыкания на землю 233
11.1. Общая неселективная сигнализация 233
11.2. Токовая защита нулевой последовательности 233
11.3. Направленная защита нулевой последовательности 236
11.4. Токовая защита, срабатывающая от гармонических составляющих
тока нулевой последовательности 240
11.5. Защита от однофазных повреждений в обмотке статора
генератора 242
294
12. Выполнение измерительных органов релейной защиты 250
12.1. Техническая реализация измерительных органов 250
12.2. Электромеханические измерительные реле 250
12.3. Статические измерительные реле 256
12.4. Принципы действия программных цифровых измерительных
органов 261
12.5. Вычислительно-логические модули и терминалы
микропроцессорной релейной защиты 263
13. Микропроцессорная интегрированная релейная защита
и автоматика 268
13.1. Особенности 268
13.2. Микропроцессорная интегрированная релейная защита генераторов
и блоков генератор-трансформатор 268
13.3. Интегрированная релейная защита и противоаварийная автоматика
линий электропередачи 273
13.4. Особенности микропроцессорной защиты трансформаторов 278
13.5. Интегрированная защита и автоматика собственных нужд
электрических станций и распределительных сетей 281
Список литературы 292
Учебное издание
БАСС Элеонора Исааковна
ДОРОГУНЦЕВ Виктор Гаврилович
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Учебное пособие для студентов вузов
Редактор И Л. Пароева
Художественный редактор А.Ю. Землеруб
Технический редактор 3 И Ратникова
Корректор В. В. Сомова
Набор и верстка выполнены на компьютерах Издательства МЭИ
Оператор О А Беспалова
ЛР№ 020528 от 05.06.97
Подписано в печать с оригинала-макета 17 09.01. Формат 60x90 1/16
Бумага офсетная Гарнитура Тайме Печать офсетная.
Уел печ л. 18,5 Усл.-кр отт. 19,0 Уч-изд л 17,5
Тираж ЮООэкз Заказ 305т С-005
Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14
Отпечатано в типографии НИИ «Геодезия»,
г Красноармейск Московской обл , ул Центральная, д. 16