Автор: Басс Э.И. Дорогунцев В.Г.
Теги: электротехника электроэнергетика электроника релейная защита
ISBN: 5-7046-0779-9
Год: 2002
Текст
ЭУ Басс, В.Г.Дорогунцев
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Под редакцией А.Ф.Дьякова
Sf/
Э.И. Басс, В.Г. Дорогунцев
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Под редакцией чл.-корр. ЕАН,
докт. техн, наук, проф. А.Ф. Дьякова
Лопушено Учебно-метолическим объединением вузов России
по образованию в области энергетики и электротехники
в качестве учебного пособия лля студентов вузов,
обучающихся по направлению 551700 "Электроэнергетика"
по дисипплине "Релейная зашита электроэнергетических систем”
3///
Москва
Издательство МЭИ
2002
УДК 621.311:621.316.9(075.8)
ББК 31.27-05я73
Б 276
Резензснтьг гафсдра «Автоматическоеуправлениеэлектроэнергетическими системами!
Ивановского государственного эиергелиеского у юеремгета (зав кафедрой доктор техн
наук. проф. Шу ин В А );
главный инженер проекта ОАО «Институт «Энергосетъгроекгл С.Я. Петров,
главный спсцвагаст отдела релеююй за1циты и устойчивости ОАО «Институт
«Эпергосеткороскг» Гибель 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 лрппрты действия автоматических устройств защитного отключе-
ния — рслейюй защиты электрических станций и электроэнергетических систем с
иллюстрацией их действия структурами алгоритмов функционирования. /Приведе-
ны краткие сведения о способах их технической реализации, включая микропро-
цессорную технтсу.
Для студентов вузов, оСу-иощихся по направлению 551700 «Электрсжергеэика»
и эксплуатационного персонала электроэнергетических систем.
УДК 621.311: 621.316Л0П5Л)
ББК31.27-05я73
ISBN 5-71М64)779-9
© ЕассЭ И , Дориунцев В.Г., 2002
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга является впервые издаваемым учебным пособием по общему
курсу «Релейная защита электроэнергетических систем», предназначен-
ным для студентов всех электроэнергетических специальностей. Ранее из-
данная одноименная литература представляет собой учебные "пособия в
учебники по специальному курсу, изучаемому студентами специальности
«Релейная защита и автоматизация электроэнергетических сметем».
При этом содержание пособия соответствует общему курсу, изучаемо-
му студентами указанной специальности на стадии подготовки бакалавров.
Таким образом ее издание восполняет пробел, существовавший в учеб-
ной литературе по технике релейной защиты, знание которой необходимо
бакалаврам н инженерам любой электроэнергетической специальности.
Учебное пособие написано доцентами кафедры «Релейной защиты и
автоматизации энергосистем» Московского энергетического института
(технического университета) Э.Й. Басс и В.Г. Дорогунцевым на основе
многолетнего опыта преподавательской деятельности по материалам лек-
Щ1Й, которые они читали студентам электроэнергетического факультета
МЭИ(ТУ). Хотя авторам и ие удалось удержаться от увлеченности неко-
торыми подробностями, книга отличается общностью и единым стилем
изложения сложного учебного материала.
При подготовке к изданию пособие было дополнено последними сведе-
ниями о микропроцессорной технике сотрудниками кафедры релейной за-
щиты и автоматизации энергосистем доктором техн, наук, проф. Н.И. Ов-
чаренко и кацд. техн, наук, доц. В.В. Бавыкиным.
Члг-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 устрой-
ства 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 схе-
мотехники при проектировании и изучении РЗА применяются принципи-
альные разнесенные схемы.
В настоящее время в электронике оказалось возможным размещать
большое количество законченных блоков функциональных элементов
в одном корпусе. Поэтому разнесенные принципиальные схемы, составлен-
ные 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 функциониро-
вания 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 — из-
мерительно-преобразовательной и логической — применяются обобщен-
ный алгоритм измерительных органов релейной защиты и известные логи-
ческие операции И, ИЛИ, НЕ, их производные логические функции и вре-
менные 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 электро-
энергетической системы. Условно изображены: электростанция (ЭС) с ге-
нераторами С и трансформаторами Т, электроэнергетическая система
(ЭЭС), связывающие их транзитные линии электропередачи с двухсторон-
ним питанием Wl ИЗ, их автоматические выключатели и линии по-
требителей электроэнергии с односторонним питанием, отходящие от
шин А, Б, В. Г подстанций. Каждый выключатель снабжен приводом,
представляющим собой механическое или электромеханическое устройст-
во, имеющее электромагниты включения YAC и отключения YAT. При по-
даче напряжения на электромагнит включения происходит включение вы-
ключателя (срабатывает YAC); при подаче напряжения на электромагнит
отключения — его отключение (срабатывает YAT). При номинальных на-
пряжениях Цюм S 220 кВ применяются трехфазные приводы, производя-
щие включение или отключение одновременно всех трех фаз.
При функционировании ЭЭС возможны различные ее состояния: нор-
мальный режим работы, утяжеленный (ненормальный), аварийный и по-
слеаварийный режимы.
К утяжеленному относится режим, сопровождающийся сверхтоками
перегрузок, сниженными амплитудой и (или) частотой напряжения, кача-
ниями синхронных генераторов, однофазным замыканием на землю в сети
с изолированной (компенсированной) нейтралью.
Аварийный режим наступает при возникновении короткого замыкания
(КЗ). При КЗ в точке /</ на W2 токи / j и /к2 проходят по линиям W1—W3.
Для линии W2 указанные КЗ — это ее внутреннее повреждение, а для И/ и
W3 — внешнее, проходящие по ним токи называются внешними (скеевны-
Рис. 1.1. Схема электроэнергетической системы
5
ziw) токами. Для ликвидации повреждения защиты 3 и 4 (номера защит и
выключателей совпадают) должны воздействовать на отключение выклю-
чателей Q3 и Q4. При отказе защиты 3 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 утяжелен-
ного режима работы и выдача информации о нем — действие на сигнал.
На каждом из указанных на схеме рис. I.I элементов ЭЭС в общем слу-
чае 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 выклю-
чателей.
Функции и свойства релейном защиты. Включенная в работу зашита
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 выключате-
ли поврежденного элемента;
срабатывает при внутренних повреждениях.
В процессе эксплуатации возможны отказы функционирования, к кото-
рым относятся:
ложное срабатывание— срабатывание при отсутствии повреждений;
излишнее срабатывание — срабатывание при внешних КЗ и отсутствии
требований к срабатыванию (когда на смежных элементах сработают за-
щиты и отключат соответствующие выключатели):
отказ срабатывания — несрабатывание при требовании к срабатыва-
нию (или повреждении на защищаемом элементе, или внешних поврежде-
ниях и отказе защит или выключателей этих элементов).
Для выполнения перечисленных функций защита должна обладать оп-
ределенными свойствами: селективностью и устойчивостью функциониро-
вания, состввляющими техническое совершенство, а также надежностью
функционирования.
Селективность — избирательность действия защиты. Защита селек-
тивна, если она не срабатывает без КЗ, при внешних КЗ (когда там ра-
ботают свои зашиты и выключатели) и срабатывает при КЗ на защищае-
мом элементе.
По прилципу обеспечения селективного действия различают защиты
абсолютно селективные и относительно селективные.
6
Абсолютно селективные («абсолютная» селективность) — это защиты,
которые го принципу действия реагируют на повреждения только на защи-
щаемом элементе, т.е. имеют ограниченную защищаемую зону, и не требу-
ют 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 выпол-
нять функции резервных защит при отказе защит пли выключателей смеж-
ных элементов. Поэтому такие защиты не могут использоваться как един-
ственные на защищаемом элементе. Для этого необходима защита, которая
могла бы выполнять все функции резервной.
Относительно селективными («относительная» селективность) называ-
ются защиты, селективность действия которых обеспечивается ступенча-
тым выбором параметров ервбатывания защит нескольких элементов (на-
пример, выдержек времени). Такие защиты могут срабатывать и при внеш-
них КЗ, если отказали защиты или выключатели поврежденного элемента.
Однако, для того чтобы защита поврежденного элемента имела возмож-
ность сработать, нужно конечное время. Поэтому, в общем случае, относи-
тельно селективные защиты медленнодействующие. Возможны сочетания
функций основных и резервных защит.
Селективность срабатывания при внутренних КЗ оценивается защнто-
способностью и быстротой срабатывания.
Зощшпоспособность - способность устройства обеспечивать заданную
полноту защиты элемента при учитываемых внутренних металлических КЗ.
В настоящее время 100 %-ная полнота охвата витков обмоток требует-
ся и обычно обеспечивается при выполнении зашиты линии. При защите
машин и аппаратов допускаются основные защиты с пониженной заши-
тоспособностью, т.е. не обеспечивающие 100 %-ной полноты охвата вит-
ков обмоток.
Быстрота срабатывания. В общем случае желательно иметь основную
защиту с возможно меньшей выдержкой времени /3, так как при этом
уменьшается время отключения КЗ: /от = »3 + /св, тде <С11— время отклю-
чения выключателя. Снижение Гот уменьшает размеры повреждений, повы-
шает запас устойчивости, надежность работы потребителей. Вместе с тем
выполнение быстродействующей защиты, как правило, требует более слож-
ных решений, например установки одновременно абсолютно селективной
защиты как основной и относительно селективной в качестве резервной.
Необходимое быстродействие выбирается таким, чтобы время <от не
превосходило максимально допустимое [2]. например, увеличение fOT мо-
жет потребовать увеличения числа параллельно работающих линий и сни-
жения передаваемой мощности по каждой из них, что связано с дополни-
тельными капитальными вложениями. Рост мощности синхронных генера-
торов происходит за счет более интенсивного использования активных ма-
териалов (увеличение плотности тока, индукции, снижение постоянных
времени) и требует уменьшения /ет. Допустимые времена отключения оп-
ределяются расчетом устойчивости.
Для линий электропередачи напряжением (7ИОМ 220 кВ допустимое
/от определяется в соответствии с ПУЭ критерием остаточного напряже-
ния: трехфазные КЗ в точках системы, при которых остаточное напряже-
ние на шинах, через которые осуществляется параллельная работа
синхронных генераторов, меньше 0,6(7ИОМ, должны отключаться без вы-
держки времени. Использование критерия поясняет рис. 1.2. От шин ЭС
(или от ЭЭС) с внутренним результирующим сопротивлением Zc отходит
линия, удельное сопротивление которой равно ZVB. Если I — расстояние от
шин до точки трехфазного КЗ, то ток и остаточное напряжение
являются функциями ЭДС электростанции, ее сопротивления Zc, удельно-
го сопротивления линии Zya и тока:
,О> _ „<Я _ ,<3), ,
7.7 Г V°CT 1 У»
Как следует из приведенного графика, на линии должна быть установ-
лена защита, отключающая КЗ на участке без выдержки времени.
Устойчивость футарлопировапия 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, вы-
держки времени) выбираются так, чтобы защита не срабатывала баз КЗ и
8
при внешних КЗ (если там срабатывают свои защиты и отключают свои
выключатели)
После этого проверяется устойчивость функционирования при внут-
ренних КЗ, оцениваемая чувствительностью.
Чувствительность характеризует способность защиты реагировать на
заданные виды повреждений (и утяжеленные режимы работы), т.е. выпол-
нять функции срабатывания.
При параметрах срабатывания, выбранных из условий устойчивости не-
срабатывания в режимах без КЗ и при внешних КЗ, не всегда удается вы-
полнить защиту с требуемой по ПУЭ чувствительностью. Последнее обу-
словлено отсутствием четкого разграничения областей режимов без КЗ,
внешних КЗ и КЗ в защищаемом элементе. Например, на длинных, сильно
нагруженных линиях рабочие токи /pag могут быть соизмеримы с токами
при КЗ на удаленном конце линии в минимальном режиме работы системы.
Чувствительность оценивается коэффициентом чувствительности Лч.
Для максимальных токовых защит, срабатывающих при возрастании воз-
действующей входном величины, коэффициент чувствительности оцени-
вается при повреждении в расчетной точке отношением минимального
тока в измерительном органе — реле тока зашиты /рп1||| к его току сраба-
тывания /ср:
к -I П
Лч 'pinm ср-
Значения Лч, требуемые для разных типов защит различных элементов
системы, устанавливаются ПУЭ в пределах 1,2—2.
Значения кч > 1 учитывают возможность коротких замыканий через пе-
реходные сопротивления /?п и снижения тока КЗ относительно расчетного.
Под надежностью рекомендуется понимать способность объекта (сис-
темы, устройства) выхюпнятъ заваннь® функции и заданием ебьеме при
определенных условиях функционирования [3].
Применительно к релейной защите заданный объем функций опреде-
ляется их перечнем и ограничивается техническим совершенством уст-
ройства. Для оценки уровня надежности устройств релейной защиты
обычно используются частные показатели (в отличие от комплексных):
коэффициент неготовности к срабатыванию, характеризующий надеж-
ность срабатывания, т.е. выполнение функций при внутренних и внешних
КЗ с требованиями к срабатыванию;
коэффициент неготовности к несрабатыванию при внешних КЗ, харак-
теризующий надежность выполнения функции несрабатывания при внеш-
них КЗ без требования к срабатыванию;
параметр потока ложных срабатываний, характеризующий надежность
несрабатывания в режимах баз КЗ.
9
1.2, СПОСОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Совмещенные, разнесенные и структурные схемы цепей 1“3. В на-
стоящее 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 эле-
менты), разргбатываются и внедряются устройства с использованием уни-
версальных и специализированных микропроцессорных систем (программ-
ные устройства зашиты и автоматики, см. гл. 12).
Для описания устройства РЗА, пояснения состава элементов, их назна-
чения и функциональных связей используются различные схемы: струк-
турные, функциональные, принципиальные, монтажные и др. Простые
электромеханические реле и устройства РЗА на их основе в течение дли-
тельного времени позволяли ограничиваться совмещенными принципиаль-
ными схемами, содержащими все реле, которые изображались в виде еди-
ного аппарата, другие элементы и их соединения. В совмещенных схемах
одновременно изображались цепи переменных тока и напряжения (измери-
тельные) и оперативного тока (лстическне).
С усложнением УРЗА для пояснения принципов действия шире стали
применяться функциональные схемы, а для решения вопросов схемотехни-
ки и при проектировании — разнесенные принципиальные схемы. В разне-
сенных схемах отдельно изображаются цепи переменного тока, содержа-
щие вторичные обмотки трансформаторов тока и обмотки реле тока; цепи
переменного напряжения от трансформаторов напряжения с обмотками ре-
ле напряжения; оперативные цепи, содержащие контакты измерительных и
пусковых реле, обмотки и контакты логических и исполнительных органов
защиты, электромагнитов привода выключателя. В ряде случаев использу-
ются поясняющие рисунки, содержащие элементы как первичной схемы,
гак и релейной защиты.
Для выполнения монтажных работ используются монтажные схемы.
При изображении схем пользуются условными графическими и позици-
онными обозначениями, которые должны соответствовать действующим
ГОСТ (табл. 1.1 и рис. 1.3 (обозначения в схемах микропроцессорных уст-
ройств 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 С» коммутирующий ли-
нию W, замыкающий вспомогательный (сигнальный) контакт Q. I и обмот-
ка электромагнита отключения YAT. От трансформатора тока ТА, установ-
ленного на линии, и трансформатора напряжения TV, установленного на
IC
Таблица I1
Условные буквенные обозначен»!
Наименование Обо- Зйаче- Наименование Обо- значь
Генератор С Гранзмстср VT
Трансформатор (гвтотраисферьшгвр) т Резистор К
Измерительные траасформиторы Конденсатор с
тока (псрвнчшЛ, mof/fraiuli) ГА TAL Чивд (ИфИСТОр) У£> (VT)
с насыщающимся мипмтспрово- TALT Реле:
дом
напряжения (первичный. вторич- TV; TVL тока КА
Согласуюиий (цюисмд/точный) TL напряжения КУ
ipauc форма! ор
Трансреактор 7AV мощности KW
Выювочатсль Q тока с насыщающимся трансфор- матором КАТ
Ow<n пет &! гона с тррмпженнем KAW
Корогкозаьвлкатсль QN сопротивления KZ
Зит । рсма1 питы. времени кт
И«иО<ЕНИЯ ГАС промежуточное KL
отключения ГАТ указвтещлюе КН
Контактор КМ газовое KSC
Линия W контроля цели напряжения KSV
блокзфовки фиксации команды включения KQQ KQ
фижсаиш положения выключателя
от многократных включений KBS частоты KF
команды «Включить» ксс Комплект реле зашиты АК
«Откгаоип,» кст Устройство
положения выключателя. АПВ AKS
«Включено» KQC блею^овки от качаний АКВ
«Отключено» KQT Фильтр-реле:
контроля KS нагряжешгя KVZ
Перекточатсдж. цепей управления SA мощности KWZ
1 |ерсключягедж режима SAC тока KAZ
Кнопка угряилення SB Лампа сигнальная' HL
Предохранитель F «фасная HLR
Выпрямительный мост vs зеленая Секундомер HLG FT
Еыклющгсль
Обмотка реле,
электромагнита
Контакты:
замыкающий переключающий
Контакты, имеющие замедление:
при размыкЕимм
при замыкании
и размыкании
Кнопка управления:
Контакты иезлектричеоссго
устройства:
замыкающий
О
размыкаиппЛ
О
Контакт замыкающий
импульсный
Контакты с ручным возвратом.
замыкающий размыкающий
Рис. 1.3. Условное «графическое ызобрюкеаие» элементов электрических схем
шинах, входные воздействующие величины подводятся к комплекту релей-
ной защиты АК. Условно показано, что его контакт замыкается с выдерж-
кой времени. Источником оперативного тока является аккумуляторная ба-
тарея, работающая на шины управления ШУ. Цепи отдельных присоедине-
ний подключены к шипам управления через плавкие предохранители Ft и
F2 или автоматы, защищающие эти цепи. Промежуточное реле KL контро-
лирует исправность цепи отключения и плавких предохранителей.
12
В нормальном режиме работы
линии при включенном выключате-
ле его сигнальный контакт Q.1
замкнут, в обмотках реле KL и об-
мотке электромагнита YAT прохо-
дят токи, реле KL находится в со-
стоянии после срабатывания и его
размыкающий контакт разомкнут.
Балластный резистор /?б ограничи-
вает ток в иски и исключает воз-
можность срабатывания электро-
магнита отключения YAT даже при
случайном шунтировании обмотки
-И1У
Гис. 1.4. взаимодействие РЗ с приводом
выключи геля
реле KL. При разрыве цепи и исчез-
новении тока реле KL возвращается в состояние до срабатывания, его кон-
такт замыкается, что при включенном выключателе вызывает появление
сигнала неисправности.
При повреждении на линии W срабатывает релейная защита: с выдерж-
кой времени замыкается контакт АК и выключатель отключается. При от-
ключении выключателя цепь YAT размыкается контактом Q.1, а не контак-
том 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 / контролируется уровень напряжения источника опе-
ративного тока 1/вп, а в элементе 2 — наличие ограниченного тока /откл,
свидетельствующее, как и выше, об исправности цепей электромагнита от-
ключения При нормальном напряжении и отсутствии повреждений в це-
пях на выходе логического элемента И1 имеет место сигнал, соответствую-
щий исправному состоянию схемы. В случае срабатывания защиты АК и
Риг. 1Л. Рнзксссмныс схемы цепей РЗ;
a — цепи тока; б — цепи напряжения, в — сператчвтс цепи; г — цепи сигнализации
13
От ТА
Рис. 1-6. ГРужкцмоияльиХя схема взаимодействия релейной зашиты с приводом вы-
ключателя
появления сигнала на ее выходе с выдержкой времени КТ на выходе логи-
ческого элемента И2 появляется сигнал на отключение выключателя.
С увеличением интеграции в электронике оказалось возможным реали-
зовать большее количество законченных функциональных элементов
в одной микросхеме или корпусе. Поэтому разнесенные принципиальные
схемы, составленные из таких корпусов и их соединений, ствновятся мало-
доступными для пояснения принципов действия и процессов в отдельных
функциональных частях устройств РЗА. Более того, при реализации функ-
ций 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
14
токов i(t) и напряжений u(i) формируются комбинации сигналов, характе-
ризующие работу в нормальном режиме, при внешних КЗ или при КЗ в за-
щищаемой 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 реше-
ний — отключить или не отключить выключатель Q.
Исполнительная часть ПЧ необходима для усиления сигналов — пре-
вращения их в управляющее воздействие непосредственно на электромаг-
нит отключения приводе выключателя.
Сигнальная информационная часть СЧ выдает информацию о действии
защиты, когда проходит управляющее воздействие на отключение выклю-
чателя. Источник оперативного тока ИП обеспечивает напряжением пита-
ния все цепи зашиты, автоматики и управления приводами выключателей,
независимо от режима работы присоединения.
Функциональные схемы, как видно из приведенного примера, недос-
таточны для изучения принципов работы РЗА и требуют дополнительно-
го описания всех функций и процессов.
При изображении схем РЗА до последнего времени не возникали требо-
вания инвариантности изображения и описания функции РЗ относительно
элементной базы. Инвариантность предстввлсния стала особенно актуаль-
ной, и прежде всего в учебной и методической литературе, в связи с широ-
ким внедрением средств вычислительной техники для реализации про-
граммных устройств РЗА (ПРЗА).
Процессы функционирования устройств РЗ всегда могут быть представ-
лены в виде последовательности (кепи) действий (шагов), в результате вы-
полнения 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 неза-
висимо, или абстрагирование, от элементов базы реализации, т.е. пред-
ставлять только принцип действия измерительной и логической частей
устройств РЗА-
Далее при систематизированном изложении принципов действия уст-
ройств РЗ используются хорошо известные способы представления алго-
ритмов в виде их структурных схем, элементы и правила изображения ко-
торых регламентированы ГОСТ.
Логическая часть устройств РЗ содержит известные комбинационные
логические элементы П, ИЛИ, НЕ и различного вида временные задерж-
15
км, представление которых структурой алгоритма не требует дополни-
тельных 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 v. обрабатывающих их по различным алгоритмам.
Напряжения u(t) и токи /(/) — входные сигналы измерительно-пре-
образовательной части - в соответствии с ГОСТ 16022-83 называются
входными воздействующими величинами. Принято различать ИО с од-
ной, двумя или более входными воздействующими величинами. Напри-
мер, ИО тока или напряжения являются органами с одной входной воз-
действующей величиной. В таких органах зависимость выходной вели-
чины 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 то-
ком) и выходной величиной — функцией двух вещественных (или одного
комплексного) ергументов Зона действия такого ИО отображается обла-
стью в комплексной плоскости.
Входные воздействующие величины ИО, поступающие от измеритель-
ных трансформаторов,—это непрерывные функции времени <(/) и
На рис. 1.8 представлены ИО и его проходная характеристика
Под воздействием входного сигнала Хвх происходит возбуждение ИО и
переход его из начального состояния Г||ач в конечное FKOH, т«. имеет ме-
сто действие ИО. При снижении или снятии возбуждения ИО переходит из
конечного состояния Укон в начальное, и происходит отпускание ИО. Ве-
6)
Рис. 1.8, Измерительный орган ИО (с) и релейные проходные характеристики макси-
мального (С) и м|1||Ииалиюл1 органа (в)
(6
личина на выходе, обычно напряжение, УВЬ|Х имеет только два различных
значения и изменяется скачком при переходе ИО от одного устойчивого
состояния к другому. Скачкообразное изменение выходного сигнала УВЬ|Х
при непрерывном изменении входного Хвх обусловлено релейном проход-
ной характеристикой устройства 1вых(Хвх )-
Отношением ка = ХО/Ха 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 элек-
тромеханическими, называть электрическими измерительными реле, кото-
рые предназначены при заданных значениях входных воздействующих ве-
личин, характеризующих внешние явления, автоматически производить
скачкообразные изменения в цепях управления или сигнализации [5]
В общем случае величиной, характеризующей режим работы электро-
энергетического объекта, является функция п(г)] входных воздей-
ствующих величин. Функция Н, в отношении котором и нормируется точ-
ность действия измерительного органа, называется характеристической
величшюй. Вид характеристической величины определяется функцио-
нальным назначением ИО
В измерительных органах тока и напряжения входные воздействующие
ток ияи напряжение одновременно являются их характеристическими ве-
личинами. В измерительном органе сдвига фаз характеристическая вели-
чина - угол сдвига фаз между двумя входными воздействующими элек-
трическими величинами переменного тока. В частном случае, когда опре-
деляется угол сдвига фаз между входным напряжением и током, измери-
тельный орган угла сдвига фаз выполняет функцию измерительного органа
направления мощности.
Для измерительных органов сопротивления характеристической величи-
ной является комплексное сопротиаленне Z = t/// = Ze/4>. Аналогично
могут быть определены воздействующие и характеристические величины
некоторых других измерительных органов релейного действия [2,5].
К измерительным электрическим органам релейного действия, или изме-
рительным реле, относятся только те, которые должны срабатывать с опре-
деленной точностью при заданных значениях характеристической величи-
ны. Под срабатыванием понимается выполнение измерительным органом
релейного действия предназначенной функции в процессе изменения своего
состояния — действия или отпускания, а заданное значение характеристи-
ческой величины НСр называется устосексй реле.
17
Различают максимальные измерительные органы, срабатывание кото-
рых происходит при возрастании характеристической величины, когда
Н >//ср (Рис-1-8» Ф» и минимальные, срабатывающие при ее снижении,
когда Н< Нср (рис. 1.8, в). Очевидно, исходное состояние, из которого из-
мерительное рале выходит при срабатывании, и состояние завершенного
срабатывания (после срабатывания) для максимальных и минимальных ре-
ле будут различными в зависимости от действия или отпускания рале
в процессе срабатывания. Если имеет место, например, максимальное реле
тока (рис. 1 8, б), срабатывание измерительного органа при Н > совпа-
дает с действием реле, а минимальный измерительный орган, например на-
пряжения, срабатывает при его отпускании, когаа Н<Нср (рис. 1.8. в). Со-
ответственно и возврат измерительного органа в первом случае происхо-
дит при отпусканий реле, а во втором — при его действии.
Для измерительных органов, в отличне от коэффициента отпускания
рале , определяется коэффициент возврата, равный отношению значения
характеристической величины при возврате к ее значению при срабатыва-
нинЛ,
J\nn максимальных измерительных органов коэффициент возврата сов-
падает с коэффициентом отпускания кю = ко < 1 и всегда меньше единицы,
а для минимальных определяется обратным отношением Ли = 1/Ло > I и
всегда больше едлнипы.
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 дей-
ствия должны обладать необходимой точностью по параметрам срабаты-
вания и возврата, что достигается ограничением результирующих по-
грешностей характеристик срабатывания. При этом часто требуются зна-
чения коэффициента возврата, близкие к единице. Однако устойчивые
срабатывание и возврат обычно достигаются за счет конечной ширины ре-
лейной проходной характеристики, когда ки * 1. Предельные значения ко-
эффициента возврата также могут ограничиваться технической реализа-
цией 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 электро-
энер!етических объектов.
Все современные измерительные органы преимущественно выполняют-
ся на интегральной микроэлектронной базе. Их разработка оказалась воз-
18
можной только с появлением высококачественных операционных усилите-
лей, которые позволили выполнить активными не только элементы сравне-
ния, но и необходимые функциональные линейные и нелинейные преобра-
зователи. Выполнение измерительных органов полностью активными по-
зволило 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 сопостав-
лять значения величин, характеризующих текущий режим электроэнергети-
ческого объекта, с заданными значениями этих же величин, моделируемы-
ми обычно в запоминающих элементах измерительного органа. По резуль-
татам сопоставления дается заключение о состоянии объекта или его режи-
ме и формируется необходимый сигнал для логического блока защиты.
Таким образом, как и при измерениях, основными операциями алгорит-
ма являются восприятие воздействующих величин, преобразование в фор-
му, удобную для обработки, формирование характеристической величины
и сравнение ее опытным путем с заданными параметрами однородном ве-
личины, хранящейся в запоминающем элементе. Заключительной операци-
ей 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 из-
вестные способы измерений — непосредственное сравнение с эталонной
величиной (мерой или нпрмой) и компенсационный метод. Если принятый
алгоритм измерительного органа основан на использовании операций
только с синусоидальными величинами промышленной частоты, то все со-
ставляющие воздействующих величин других частот являются томехами,
для устранения которых предусматриваются частотные фияьтры.
Упрощенный алгоритм измерительного органа релейного действия с ука-
занием только тех операторов, которые обусловливают дискретное измене-
ние 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 пер-
вичных измерительных трансформаторов тока и напряжения в виде
функций времени /(/) и и(1\ в соответствии с функциональным назначе-
нием измерительного органа формируются текущие значения характери-
стических величин Н: ток или напряжение, угол сдвига фаз у или сопро-
тивление Z = С///.
В зависимости от принципа действия измерительного органа и способа
технической реализации (элементной базы) для формирования характери-
19
Рис. 1.9. Ofliuiiii алгоритм функционирования измерительного органа релейного
исчезли®
стических величин могут использоваться амплитудные, в частности дейст-
вующие, значения и фазы или ортогональные составляющие, а также мгно-
венные значения д(/) и /(/) входных воздействующих величин.
Все измерительные органы, выполняемые на основе интегральных
микросхем, можно условно разделить на аналоговые и цифровые. Циф-
ровые, в отличие от аналоговых, содержат АЦП и все операции выполня-
ют в цифровых кодах.
В настоящее время в автоматических устройствах электроэнергетиче-
ских систем продолжают широко использоваться и измерительные реле
на основе электромеханических систем, которые также относятся к ана-
логовым [5].
Параметры срабатывания и согласование характеристик релейной за-
шиты определяются только непосредственно для первичных токов и напря-
жений электрической сети и, в отличие от величии на входе реке, обозна-
чаются Нсз при срабатывании зашиты и Л7ВЗ при ее возврате.
Значения параметров срабатывания Нсз и возврата Нвз независимо от
способа преобразования амплитуд и выполнения измерительного органа
для удобства эксплуатации всегда нормируются действующими значения-
ми напряжения 17р и тока реле /р.
Вводятся или формируются условия срабатывания Нср и возврата /7вр
измерительного органа в виде значений уставок характеристической вели-
чины, налример тока 7ср, или параметры характеристики срабатывания
в плоскости комплексного переменного Z.
20
Для определения уставок /7ср и Нвр и ввода в измерительный орган
первичные параметры защиты Нсз и //ва приводятся к вторичным с ис-
пользованием номинальных коэффициентов трансформации первичных
измерительных трансформаторов тока и напряжения. Однако при подклю-
чении измерительных органов к вторичным обмоткам трансформаторов,
действительные коэффициенты отличаются от номинальных и появляются
погрешности тока и напряжения. Характер погрешности случаен, посколь-
ку случайны момент возникновения короткого замыкания в пределах пе-
риода и кратность изменения первичной величины.
Для первичных трансформаторов тока, используемых для релейной за-
щиты, нагрузки ограничиваются предельными значениями полной погреш-
ности, которая не превышает 10 % в соответствми-с ПУЭ. В цепях напря-
жения зашиты и измерительных приборов используются общие транс-
форматоры напряжения, обычно удовлетворяющие классу точности.
В цепях измерительного органа также под влиянием случайных факто-
ров возникают погрешности, которые приводят к разбросу значений при
срабатываний и возврате реле.
Результирующая погрешность приводит к потере однозначной функ-
циональной зависимости между выполнением условия срабатывания заши-
ты Н=Исз и условием срабатывания на входе реле Н ~ Нс р.
Результирующая погрешность измерительных трансформаторов и реле,
как правило, не превышает 10- 20 % и при расчетах параметров и согласо-
вании характеристик срабатывания релейной защиты учитывается введе-
нием коэффициентов отстройки Яотс, значения которых нормированы [2,
5]. После ввода уставок срабатывания /7ср и возврата Л7вр реле проверя-
ется на выполнение условия срабатывания Н > Нс р и условия возврата
Н <Япр (максимальное реле); при выполнении одного из них измеритель-
ный 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 элек-
трических сетей и аппаратов.
В общем случае для защиты электрических систем необходимы техни-
чески более совершенные типы релейной защиты. В измерительной части
этих защит используются органы направления мощности и реле сопротив-
ления, к которым подводятся уже дае электрические входные воздейст-
л.
вующие величины: напряжение
и ток 1.
_р
21
Характеристики срабатывания в данном случае — функции двух ве-
щественных или одного комплексного переменного, они ммуг соответ-
ственно изображаться в плоскости комплексного переменного сопротив-
ления 7 или мощности S', а также в полярных или прямоугольных коор-
динатах двух вещественных переменных. Здесь, как и ранее, исключены
вопросы аппаратной реализации, а рассматриваются только специфиче-
ские особенности ИО с двумя подводимыми величинами, знание кото-
рых позволит правильно понимать проблемы выполнения дистанцион-
ных и направленных защит.
К реле сопротивления KZ (рис. 1.10, а) от первичных измерительных
трансформаторов тока и’напряясения (на рис. 1.10 не показаны) подводятся
синусоидальные напряжение (7^ и ток / р. Характеристическая величина
ИО определяется отношением = Up//р = 7.^ ₽, которое называет-
ся сопротивлением па зажимах (входе) и в общем случае пропорциональ-
но сопротивлению первичной цепи, например линии электропередач АБ.
Обычно используются минимальные измерительные органы сопротив-
ления (ИОС) с характеристиками срабатывания в комплексной плоскости
сопротивления Z в виде замкнутых линий, ограничивающих область зна-
чений Z, при которых ИОС должен срабатывать.
Рис. 1.10. Условные обозначения измерительного органа минимального сонротннле-
нии релейного действия (о), схема .*мшин элопропередачн н зависимости компенси-
рованного напряжении от места КЗ (б), область характеристики срабатывании изме-
рительного органа (в)
22
На рис. 1.10, в, где место установки защиты совмещено с началом ко-
ординат, под углом <рю указано направление сопротивления линии
Zn =Z^ л и обозначено сопротивление уставки Zy, определяющее
зону срабатывания ИОС.
Из определения функций и характеристик ИОС очевидна возможность
их осуществления как путем непосредственного вычисления составляю-
щих R и JX отношения Zp = Uf/£ р и последующего определения мх рас-
положения относительно заданной характеристики срабатывания, так и
с использованием компенсационного метода.
Алгоритм компенсационного метода основан на понятии компенсиро-
ванного напряжения. Компенсированное напряжение (/' — остаточное на-
пряжение в точке, соответствующей сопротивлению уставки ZJ(, при КЗ
в произвольной точке линии:
W = {Jr-zyir = ir(.zr-zyy, (1.1)
где С/р = — р—р — остаточное напряжение в месте включения измери-
тельного органа на шипах А (рис. 1.10,6) при коротком замыкании за со-
противлением 2^, /р — ток в линии, подведенный от вторичных зажи-
мов измерительных трансформаторов напряжения и тока; Z^ = Zcp —
сопротивление срабатывания, установленное в измерительном органе.
При перемещении точки КЗ через границу зоны (К' — в зоне срабаты-
вания. К" — вне зоны срабатывания), определяемой сопротивлением Z
(точка К), компенсированное напряжение С/' меняет фазу на угол тс, а при
Zp — Zy становится равным нулю. Эта особенность обычно и использует-
ся в влгоритмах функционирования измерительных органов сопротивле-
ния компенсационного типа.
Измерительный орган полного сопротивления (ИОПС). Наиболее
простым является непосредственное сравнение абсолютных значений сла-
гаемых в компенсированном напряжении U' [см. (1.1)], когда для срабаты-
вания минимального ИО сопротивления достаточно выполнения условия
(рис. 1.11, а)
<L2>
При этом получается минимальный ИОПС с граничной характеристи-
кой (характеристикой срабатывания идеального реле) Zrp = Zc р (<рр), опре-
деляемой уравнением
zc.p-(lC'pl/l/pDc.P=Zy- (1-3)
23
Характеристика Zc р((Рр) в плоскости Z — окружность с центром в на-
чале координат (рис. 1.11. «).
При реализации влгоритма (1.2) к элементу сравнения релейного дейст-
вия ЭСРД, в частности состоящему из выпрями 1елей FS7, VS2 и релейного
компаратора ЕЛ (рис. 1.11,6), от вторичных измерительных преобразовате-
лей должны подводиться две однородные величины
А -
Е2 = к?!^, где и *2 — коэффициенты преобразования вторичных из-
мерительных преобразователей.
Если к. обычно не имеет размерности (коэффициент трансформации
K(j трансформатора или автотрансформатора напряжения ТУЕ), то А2 дол-
жен иметь размерность сопротивления. В качестве преобразователя приме-
няются вторичные измерительные трансформаторы тока TAL, нагруженные
балластным резистором /?б, или трансреакторы ТАУ [5,6].
При срабатывании идеального ПОС, если потери в элементах схемы от-
сутствуют, lAjHpl - |^2-р| и’ слеД°вательио» сопротивление Zp на его
входе равно уставке Zy :
Z„ = = |<Л/ 1 J = к,/к. = Zv. (1.4)
Р СР |—Р “Plcp > У ' *
Таким образом, в ИОС компенсационного типа сопротивление уставки
задается отношением коэффициентов к2/кх преобразования вторичных
измерительных преобразователей амплитуд напряжения и тока.
Направленный измерительный орган сопротивлении (НИОС). Из-
мерительный орган сопротивления направленный, если его характеристика
срабатывания £ср(Фр) расположена в комплексной плоскости Z так, что
24
исключается возможность срабатывания при расположении Zp в третьем
квадранте плоскости
Сопротивление срабатывания Zcp НИОС в отличие от ИОПС зависит
от угла фр и, например, при характеристике в виде одной полной окруж-
ности, проходящей через начало координат (рис. 1.12, о, б), определяется
выражением
zcr «»№«.,-V- (ls)
Наибольшее значение Zcp = Zy получается при <рр = <рм ч — при угле
максимальной чувствительности, который задается параметрами характе-
ристики.
На рис. 1.12, а приведена векторная диаграмма, илпюстрируюшдя изме-
нение компенсированного напряжения t/p— Zy Z р и угла сдвига фаз между
напряжениями С7р и р при размещении точки короткого замыка-
ния вне окружности К", на окружности К и внутри не К' прифр *(рмч.
Характеристическая величина ИО сопротивления определяется отноше-
нием Zp = t/p/Zp, которое при пропорциональном снижении обеих вели-
Рис. 1.12. Характеристики срабатывания
направленного измерительного органа со-
противления В КОМИТСЕСС1ЮЙ плоскости (и И
б), зависимое и, сопротивлении срабатыва
ш>я от тика (е)
25
чип ие нарушается, но при их приближении к нулевым значениям становит-
ся неопределенным. Поэтому, с учетом согласования защит, в общем случае
схемными решениями всегда обеспечивается несрабатывание ИО сопротив-
ления ггряа нулевых значениях напряжения и тока на его входе. При этом ко-
нечная чувствительность ие позволяет срабатывать и вблизи нулевых значе-
ний тока Zp и напряжения t/p независимо от значения Zp —
При малых токах характеристика срабатывания сокращается относительно
идеальной (рис. 1.12, в), приближаясь к ней только с увеличением тока.
При КЗ, при котором <Рр =<РМЧ, компенсированное напряжение опреде-
ляется разностью абсолютных значений Up и Zy 1р (см. рис. 1.10. а):
U’ = z/p - zy/р = Zp(Z Zy). (1.6)
При смещении точки короткого замыкания Z извне в область срабаты-
вания абсолютного значения U' уменьшается и при Z = Zy становится рав-
ным нулю. Однако срабатывание измерительного органа при конечной
чувствительности релейного элемента ЕЛ (см. рис. 1.11, б), определяемого
напряжением его действия С/л, возможно, если
(''Ч'рЛ'ГЧА' (1-7)
Здесь Л„ — коэффициент преобразования напряжения С7Л к входным зажи-
мам схемы ИО. Из последнего равенства с учетом того, что Zy = tyki
(1.4), в условиях срабатывания получается:
Zcp —— Ц,/агА]/р.
Таким образом, характеристика срабатывания Zcp(<pp) отличается от гра-
ничной линии, и при(рр = <РМ ч сокращение зоны составляет Д Z- A j /р
и увеличивается при снижении тока (рис. 1.12, в).
Качество измерительных органов сопротивления принято характеризо-
вать значением тока точной работы ZT р, при котором сокращение зоны не
превышает A Z = 0,1 Zy. Тогда 0,1 Zy = 1/д/Ап kt ZT р, откуда
с/д
= --------= 10t7 /А A.Z . (1.8)
тр O.lZyV,, д п 1 у
Если умножить обе части на Zy = к2?к\, то получится напряжение точной
работы
10Ц./4*,, (1.9)
которое равно компенсированному напряжению на зажимах ИО, коша Z =
= 0,9Zy. Напряжение £/тр при изменении уставки Zy остается неизменным.
26
Коэффициенты чувствительности по току точной работы так же, как и
относительно сопротивления срабатывания, нормированы ПУЭ.
При смещении = t7p/Zp к началу координат величина Ц, -* О
и становится недостаточной для срабатывания релейного элемента: имеет
место «мертвая» зона£мэ (см. рис. 1.12, б) направленного ИОС, которая не
зависит оттока реле и устраняется специальными схемными решениями.
Измерительный орган направления моодаосга (14GHM) фу нжцул-нм-
рует по влгоритыу и имеет функциональную схему, анвлогичную приве-
денной на рис. 1.11 для ИОПС, с той разницей, что производится сравне-
ние не абсолютных значений двух синусоидальных величин Л] (7р , к2 /р
(см. рис. 1.11. с), а сравнение по фазе
<P-(*,C/P (1'0)
где <р |-р — установленный граничный угол сдвига фаз.
В функциональной схеме вместо элемента сравнения амплитуд, содер-
жащего два выпрямителя VSI и VS2 (см. рис. 1.11, б), применяется элемент
сравнения фаз, в частности управляемый выпрямитель: постоянная состав-
ляющая выпрямленного напряжения пропорциональна cos(p [6].
Характеристика срабатывания идевльного ПОИМ в комплексной плос-
кости представляет собой прямую линию, проходящую через начвло коор-
динат аналогично окружности, показанной на рис. 1.11, в для ИОПС.
Характеристики, параметры и схемы включения реального ПОИМ при-
ведены ниже (см. гл. 5).
Поскольку в последующих главах, при изложении принципов дейст-
вия защиты всех элемевггов электрических систем, измерительные орга-
ны представлены только структурой обобщенного алгоритма (см.
рис. 1.8), а современные измерительные органы выполняются из типо-
вых функционально законченных элементов, подробно рассматриваемых
в [5,6], здесь можно ограничиться приведением только общих функцио-
нвльных схем (рис. 1.13) аналогового (а) и цифрового (6) измерительных
органов релейного действия
В соответствии с обобщенным алгоритмом функционирования (см.
рис. 1.9) для выполнения необходимых операций над сигналами в анало-
говых измерительных органах релейной защиты (рис. 1.13, а) должны со-
держаться:
входные измерительные преобразователи ИП1, ИП2 в виде вторичных
измерительных трансформаторов напряжения и тока или трансреакторов,
обычно снижающие амплитуды (Jtll и Zw и гальванически разделяющие
вторичные цепи первичных измерительных трансформаторов и цепи изме-
рительного органа;
27
е)
Рис. 1.13. Функциональные схемы аналогового (с) и цифрового (Д) юмс|жгелмых
opi аиия с двумя bxoji
величинами
аналоговые частотные фильтры или фильтры симметричных составляю-
щих АФ1 и АФ2;
операционные преобразователи ОП1, ОП2, формирующие промежуточ-
ные электрические сигналы, обычно в виде ЭДС в], е2, являющиеся функ-
циями напряжения u(t) и тока i(f), необходимыми для получения характе-
ристических величин Н; запоминающий элемент ЗЭ, в котором в простей-
шем случае фиксируются уставки, а в общем случае — параметры характе-
ристик срабатывания измерительного органа;
измерительные преобразователи сигналов ПФ1, ПФ2 в форму, удобную
для последующего выполнения операций сравнения информационных па-
раметров;
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, б), как и аналоговые, со-
держат входные измерительные преобразователи (трансформаторы) напря-
жения 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 составляю-
щих 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, запоми-
нание их установленных значений, сравнение, формирование выходных
сигналов в двоичных кодах С/ЦВЬ)Х в виде только двух двоичных чисел, со-
ответствующих срабатыванию или возврату измерительного органа, вы-
полняются микроЭВМ. Выполнение алгоритма функционирования измери-
тельного органа в целом регламентируется командами программ, а форми-
рование выходных цифровых сигналов — параметрами срабатывания и
возврата ияи заданными значениями характеристики срабатывания, разме-
щающимися в ячейках памяти МПК.
Рассмотренные функциональные схемы иллюстрируют общие принци-
пы выполнения измерительных органов релейной защиты, которые прак-
тически остаются неизменными, тогда как способы технической реализа-
ции функциональных элементов метут существенно изменяться.
2
виды повреждений и ненормальных режимов
РАБОТЫ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При выполнении релейной защиты, действующей на отключение, в се-
тях с глухозаземленными нейтралами (ПО кВ и выше) учитываются трех-
фазные К®\ двухфазные К^2* (между двумя фазами), даухфазные на зем-
лю и однофазные короткие замыкания. В этих сетях защита вы-
полняется двумя комплектами: комплектом от междуфазных КЗ, включен-
ным на полные токи и напряжения фаз, н 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, дейст-
вующей на отключение, учитываются и двойные КЗ на землю
. При однофазных замыканиях на землю (не КЗ!) защита, как
правило, выполняется действующей на chi нал, за исключением тех случа-
ев, когда ио условиям техники безопасности требуется отключение
В этих сетях выполняют защиту о г всех видов КЗ, включенной на полные
« «(El)
токи и напряжения, либо при , переключаемой на слагающие пуле-
вой последовательности.
На трансформаторах (автотрансформаторах) принято выполнять защи-
ту, действующую на отключение при всех видах многофазных и однофаз-
ных КЗ на выводах и в обмотках, а также при витковых КЗ и возникнове-
нии «пожара» железа (см. ниже).
Работа релейной защиты определяется подводимыми токами, напряже-
ниями и фазными соотношениями между ними. Поэтому для анализа рабо-
ты релейной защиты необходимо рассчитать токи в защите, напряжения
в месте установки зашиты, а также построить векторные диаграммы этих
величин. При построении векторных диаграмм задаются условными поло-
жительными направлениями токов к месту КЗ, напряжений - к нейтраль-
ным, а ЭДС — от нейтральных точек системы.
30
В целях упрощения б расчетах величин при КЗ ие учитывают ток на-
грузки и расчеты производят для начального момента времени без учета
переходного сопротивления в месте КЗ.
При определении модуля тока в схемах с С7Н0М 35 кВ принимается
Z~X\ аргумент тока определяется <р = arctg XIR.
приводятся известные методы анализа режимов КЗ [2].
2.2. МЕЖДУФЛЗНЫЕ КОРОТКИЕ ЗЛМЫКлНИЯ В ОДНОЙ ТОЧКЕ
Трехфазные КЗ (К^) рассматриваются для иеразветвленной сети
(рис. 2.1). Исходными при построении векторной диаграммы являются
ЭДС системы Ел, E/t и Е(.. Ток в месте КЗ и в защите одинаков, и его мо-
дуль, например, для фазы А равен 1^ = + а аргумент (угол
сдвига относительно Ед) <рс = arctg[(A'c + Хя)/(/?с + /?„)]. В месте КЗ
(7^ = = (7^ = О. Модуль остаточного напряжения в месте уста-
новки защиты = f//Zn, а аргументф,, = arctgA'K//?J(.
Короткое замыкание между фазами В и С(К^). Для всех элементов
(рис. 2.1) принимается равенство сопротивлений прямой и обратной после-
довательностей Zj = Z2 = Z. Исходными при построении являются век-
торы ЭДС системы. Гок в неповрежденной фазе - 0, а так как сумма
токов трех фаз равна 0, то (рис. 2.2. й). Токи в поврежденных
фазах определяются эквивалентной ЭДС Евс = Е^— Ее и суммой сопро-
Рис.2.1. Схема замещения сети (о) и вскториая диаграмма токов и напряжении
при (С)
31
Гис. 2.2. Векторные дамртммы при
а — <РС — ус =ч>„
тивлений в контуре короткого замыкания. С учетом принятого выше допу-
щения (Zj = Z2) ток = J3 £д/[2| Zc + Zj] и сдвинут относительно
EJj(- на угол <pj2^ = <рс. В месте КЗ напряжение между поврежденными фа-
зами Ueck = О, а фазные напряжения U^) = UfQ = —0,5Eyj. Напряже-
ние в месте установки защиты равно сумме напряжения в месте КЗ и паде-
ния напряжения в линии: = X/g^+/g2^ZnJ = —СК + -С^—л’
U^F = (/g^- л = Вектор междуфазного напряжения
в месте установки защиты F сдвинут относительно тока Zg2^ на угол
<рэ, в сторону опережения. Для определения напряжений поврежденных
фаз в месте установки защиты t/gj? и можно воспользоваться сле-
дующим построением. Через точку К диаграммы провести прямую О'—О",
параллельную направлению t/g^,- (показано штриховой линией), отло-
_ v ,(2)„ ,(2)_
жить на прямой в обе стороны от точки К отрезки Zg Zr = Ic
и соединить концы отрезков с точкой Н. Как следует из диаграммы, на-
пряжение опережающей фазы В больше по абсолютному значению на-
пряжения отстающей фазы С: Z/g2- > ц!2- • В частном случае, когда
<рс - <рг (рис. 2.2. б). I7gg = Цд? > и при удаленных КЗ напряжения
стремятся к фазным ЭДС.
32
2.3. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
Однофазное КЗ на землю фазы А ), в отличие от междуфазных
повреждений, характеризуется появлением токов и напряжений нулевой
последовательности. Сопротивление нулевой последовательности одно-
ценной линии не равно сопротивлению прямой последовательности, и всег-
да^, >ZBl (рис. 2.3).
В месте КЗ напряжение поврежденной фазы = О. Ток в поврежден-
ной фазе равен геометрической сумме токов прямой, обратной и нулевой по-
следовательностей = Zj + /2 + Л)’ ЙЛИ -х'^= |Х+—2Х+^СХ^’
(!) Г^1Е + Л2Е + Л«Е1
и сдвинут относительно ЭДС на угол Фс = arclg]-----------1.
Напряжение поврежденной фазы в месте установки защиты (в начале
линии) равно
l/W — / 7 + сЛ*^+ I Z + сЛ1’ + I L
—AF —!к —2к -2^2л+^0к + ^0—Од
и, поскольку = С,
1!^ — 17 4- I 7 ±17
^AF -I—1л -2—2л * Сл
II rzO) ,(1)
Напряжение IJлр опережает ток на угол
<’ = г.сщКЛ,,, +Х2л +ЛОл)/(/?1,1 + К2л + /?„„)].
в)
Рис. 2.3. Схема сети (с),
ее схема замещения (6),
векторная диаграмма (в)
при К1,1
33
Z0c ЗЬа
О
Гис. 2.4. Гяг ipcicjiciuic токов про таисм.и'ипи ниггряли 7" при нести
Напряжения неповрежденных фаз в месте короткого замыкания и
—СК ие оста,отся неизменными и равными ЭДС Е^ и Е^.. Вследствие
взаимоиндуктнвиой связи с поврежденной фазой в неповрежденных инду-
цируются ЭДС ЕЕи =
11а рис. 2.4, а нредстаален участок сети, на промежуточной подстанции Б
которого заземлена нейтраль трансформатора Т, а на рис. 2.4, б — схемы за-
мещения прямой, обратной и нулевой последовательностей при
в точках KI или К2. Результирующее сопротивление нулевой последователь-
пости Z(I “Zcjz^ + zp/fz^+z^+zj. Токи в месте КЗ -
= Z2k = Zt)K — jC +^2с+Z02;). При КЗ в точке KI в защите вы-
ключателя QI в поврежденной фазе проходит ток = /1к+/2к 4-
+ ZOk(ZOj| +ZT)/(ZUc +ZOjl+ —Р * й ПРИ ® точке Х2 в поврежденной
фазе в защите Q1 проходит ток Zu = /OkZOc/(ZOc+ZCj(+ Z^, обуслов-
ленный заземленной нейтралью трансформатора Т.
Двухфазное КЗ на землю в сети с глухозаземленныын ней фалими
*)) также характеризуется появлением слагающих нулевой последова-
тельности. В месте металлического КЗ ток прямой, обратной и нулевой по-
следовательностей при условий Zjj. = Z2X определяется как
'<?" = V(?,*+2^’-
34
При КЗ на землю защита включается на слагающие нулевой последова-
тельности Поэтому для выбора параметров срабатывания защиты доста-
точно определить значение, например, токов 10 при и К^1' В соот-
ветствии с приведенными выше соотношениями при КЗ в одной и той же
точке и условии Zf у = Z2£.
4М" = (Z,x + 2^y(2Ziy+ Zra). (2.1)
Двойные короткие замыкания на землю ) учитываются в се-
тях с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через
дугогаслщие реакторы. Например, на линии (рис. 2.5, а) фазе В замкнулась
в точке Kti, а фаза С — в точке Токи нулевой последовательности про-
ходят лишь в части линии между точками и Кг, так как вне этого уча-
стка нет контура для их замыкания. При между фазами В и Сток
в фазе А отсутствует. в начале линии до точки токи проходят в повреж-
денных фазах /•а сУмма их равна нулю. На участке Кс—Кв
ток проходит лишь в фазе В, появляется ток нулевой последовательности
{цв’о'^ = PFC- 2-5,6 показаны линии WI и 1¥2, отходящие от
шин подстанции, на одной из которых произошло замыкание фазы В в точ-
ке Кд, а на другой — фазы С в точке Кс—К^’ . Если при этом зашита
отключит W2, то на W1 останется однофазное замыкание на землю
ие являющееся КЗ. Поэтому целесообразно отключать лишь одно место
„(1,1) .,(1) ж-
повреждения при лдв ', а оставшееся А3 может быть ликвидировано
ремонтным персоналом при получении сигнала о нем.
Рис. 2.5. Двойные замыкании ня землю в сети
е)
35
2.4. СООТНОШЕНИЯ ТОКОВ ПРИ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
(АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫХ) СВЯЗЯХ В СЕТЯХ
Соотношения рассматриваются для наиболее распространенной группы
соединения обмоток Y /А-11- При анализе работы защит необходимо знать
соотношения электрц «еских величин как на стороне, где произошло повре-
ждение, так л на других сторонах трансформатора.
На рис. 2.6, а приведена электрическая схема такого трансформатора,
указаны начала (А. В. С. а. Ь, cj и концы (Л’, Y, Z, х.у. г) обмоток, а также ус-
ловные положительные направления токов в подводящих проводах обмоток,
соединенных треугольником Lfj&i —сд Ь в Фазах этих же обмоток
(2О • /р> /у)11 в фазах обмоток, соединенных звездой ( Z^y, /ру, /су).
Для трансформатора с коэффициентом трансформации п = рав-
ным единице- числа витков обмоток соотносятся как = ./Зи’у. Без уче-
та намагничивающего тока из равенства магнитодаижущмх сил (МДС) обмо-
ток - Z^yii’y) следуют соотношения /а = IAy/.j3 ; /р = Iay/j3 ;
. Соотношения для токов и Zy можно получить, исходя из
первого закона Кирхгофа для узлов а, Ь, с:
-ЛА ~ -а -ДА If ly
или
Векторная диаграмма токов е симметричном режиме приведена на
рис. 2.6, в. Определение токов на стороне звезды при известных токах на
Рис.2.6. Трансформатор со схемой соединения обмоток Y/A-11 («) и векторная диа-
грамма тркон В СИММС гр 1ЧНОМ рентные (б)
36
стороне треугольника может быть получено при отсутствии токов нулевой
последовательности, когда Za + Zp + ly = О. При этом
При двухфазном КЗ, например, между фазами ВС на стороне звезды то-
ки I^y = 0; ZK =0; Z^y = —J^Y- ® соответствии с (2.2) = — Z^y/-/3 ;
-ДА = 2Z/?y/j3 ; /ГЛ = -IVY/-J3
При двух других видах двухфазных КЗ вид векторной диаграммы оста-
ется неизменным и лишь циклически изменяются фазы (рис. 2.7).
11ри двухфазном КЗ между фазами ВС на стороне треугольника также
справедливо соотношение 1^ + Zp+ Zy =0. Для этого вида повреждения
на рис 2.8 приведена в удобном виде схема трансформатора. При равных
сопротивлениях каждой фазы обмотки токи /у = 2 Zn; Za = Zp. Уравне-
ние токов для узла b имеет вид Za = Z^— ~ ® или 1о + ^1а =
С учетом рассмотренных выше соотношений Z^y = ZfiA/./3; Z^y =
’ -CY =
При двух других двухфазных КЗ вид векторной диаграммы остается не-
изменным и лишь циклически изменяются фазы.
При однофазном КЗ, например, фазы А на стороне звезды токи равны
Z^y Zf .у = 0 и /р — [у — О. На стороне треугольника в соответствий с (2.2)
Z/A - 1ау/г^ '> = °’ -са = ПРИ двух Других ивдах
однофазных КЗ вид векторном диаграммы остается неизменным и лишь
циклически изменяются фазы (рис. 2.9).
1’ис. 2,7. Векторные диаграммы токов при ня
стороне звезды
Рис. 2.8. Распределение токов при на стороне
треугольника трансформатора со схемой соедине-
ния обмоток Y/A-U
37
Рис, 2.9. Векторные диаграммы токов при
^0
на стороне звезды трансформатора
На основании приведенных соотношений и векторных диаграмм следу-
ют общие выводы для трансформаторов со схемой соединений Y/A-11
при КЗ на разных сторонах трансформатора.
1. В симметричном режиме токи на стороне треугольника сдвинут-
ся относительно токов на стороне звезды на угол к/ 6 против, часовой
стрелки
2. При двухфазных КЗ на стороне, где произошло повреждение, в двух
поврежденных фазах проходят равные и противоположно направленные то-
ки. На другой стороне трансформатора при этом проходят в двух фазах рав-
ные токи и в J3 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 одина-
ковые и в ^3 раз меньшие, чем ток на стороне звезды.
Короткие замыкания внутри обметок трансформатора рассматрива-
ются при соединении обмоток по схеме Y/Y (рис. 2. >0, а) и к = 1. При доле
замкнувшихся витков ct ~ токи в замкнувшихся витках /к? могут
быть значительными. Со стороны источника питанна, где установлена за-
щита. токи повреждения Гк1 определяются условием равенства МДС обмо-
ток/к1м’= ZK2ctw,T.e. ZKj - otZK2 может быть мал (при малых сх).
Следовательно, и защита может оказаться нечувствительной к этому
виду повреждения. Аналогичные соотношения имеют место при виттовых
КЗ в обмотках трансформатора (рис. 2.10, б).
«Пожар» железа сердечника трансформатора вызывается вихревы-
ми токами при нарушении изоляции между пластинами шихтованного
Рис. 2.10. Ивулрсииие #3 в трапгформяторе
38
магмитопровода. Это опасный вад повреждения, который может привес-
ти к выплавлению стали сердечника. Повреждение сопровождается горе-
нием 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 являются частыми в сетях
с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через дуго-
гасящие реакторы. Ток замыкания при 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 пормвль-
ном режиме работы {рис. 2.11) под действием ЭДС проходят емкостные то-
ки Z' = j(x)CEA; Zfi = £с = jtaCEc = 0, опережающие соответ-
ствующие ЭДС на nil. Так как 1_л+ 1а+ ]_<• = 0, то в сети отсутствую!
слагающие нулевой последовательности. Ввиду сравнительно малого зна-
чения этих токов можно пренебречь падением напряжения от них в линии.
Поэтому фазное напряжение (7^ = . Обойдя контур одной из фаз, мож-
но определить напряжение нейтрали относительно земли из условия
= Lt/. При указанных на рисунке условных положительных направле-
ниях Сн, т.е. 171( _ 0.
При замыкании на землю в точке (рис. 2.12,«) напряжение замк-
нувшейся фазы сЛ1) = 0, ток zj*> = 3Z0. Если пренебречь, как и выше,
Рис. 2.11. Схема сети с изолированной нейтралью (с) и векторная диаграмма нор-
мального режима
(О
39
(1)
4в
А ВС
3Jo(cz сз) WI
3 я i ъ
3М)(С2) -£-
^сГ
34о<сд -J-
’’Й 1сГ
Рис. 2.12. Мспсмшческое ti сети (а), нсктор-
пйя лпй|ряммя токои (Л) и распределение токов
I) сети (в)
падением напряжения от емкостных токов, то напряжение в любой точке
замкнувшейся фазы = О, напряжение нейтрали С/
При построении векторной диаграммы (рис. 2.12, б) целесообразно
принять за исходную точку О'. Напряжение неповрежденных фаз =
- и"'+ев; <«" = J3Ei}; у*” = в!,1^ Д.; и*1’ - JlE^.
Сумма напряжений (Д*= —ЗЕА, напряжение нулевой
последовательности = —ЕА.
Поскольку нейтраль источника питания изолирована, то +
+-= 0. В неповрежденных фазах проходят токи, определяемые напря-
жением этих фаз: =jdCV^; = л/ЗсоСЕ^; =/LoCt/^.*\
/р1) = ./ЗсоСЕф, в поврежденной фазе =-(/д*^+~
= 3«йСЕф.
В случае, когда от питающих шин отходят несколько линий
(рис. 2.12, в), через защиту поврежденной линии Й7 проходит сумма токов
40
нулевой последовательности 3/0^с2 сз) неповрежденных линий, опреде-
ляемых емкостями С2 и СЗ, а через защиты неповрежденных линий - то-
ки 3J0(C2) > ^о(СЗ) • определяемые только их емкостями. При К1 треуголь-
ник междуфазных напряжений не искажается, поэтому не нарушается ра-
бота потребителей, включенных на эти напряжения, а емкостные токи фаз
увеличиваются лишь #/§ раз в неповрежденных фазах и в 3 раза в повреж-
денной фазе, оставаясь по-прежнему малыми, определяемыми значитель-
ными емкостными сопротивлениями. Учитывая это, а также отсутствие
в ряде случаев резерва у потребителей, защиту от выполняют дейст-
вующей на сигнал (если отключение не диктуется требованиями техники
безопасности).
Ненормальными режимами работы, которые учитываются при выполне-
нии релейной защиты, являются сверхтоки внешних КЗ, сверхтоки перегру-
зок, качания или нарушение синхронизма параллельно работающих машин,
а для маслонаполненных трансформаторов также понижение уровня масла.
Термическое воздействие сверхтоков может привести к преждевремен-
ному износу и повреждениям изоляции. От сверхтоков внешних КЗ ис-
пользуется защита, выполняющая функции резервной при отказе защит
или выключателей смежных поврежденных элементов.
От сверхтоков перегрузки защита на воздушных линиях не устанавли-
вается, и работа контролируется приборами.
На трансформаторах (автотрансформаторах) зашита от сверхтоков уста-
навливается, выполняется с выдержками времени и действует на сигнвл,
автоматическую разгрузку или отключение.
Прочие ненормальные режимы работы в настоящем пособии не рас-
сматриваются.
3
ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ —
ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА II НАПРЯЖЕНИЯ
В УСТРОЙСТВАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
3.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Электромагнитные измерительные трансформаторы тока (М), являют-
ся наиболее распространенным видом первичных измерительных преобра-
зователей как ист очников информации УРЗА о КЗ. Трансформаторы тока в
релейной защите позволяют: изолировать цепи зашиты от высокого напря-
жения первичной цепи, получить стандартные номинальные вторичные то-
ки 5 или 1 А, создать различные схемы соединений вторичных обмоток ТА
и обмоток реле тока.
Зажимы обмоток трансформаторов тока ТА маркируются (рис. 3.1, л),
так как важно знать одноименные их выводы. Приняв произвольно за нача-
ло 77 первичной обмотки любой зажим, за начало и вторичной обмотки
принимают зажим, из которого мгновенный вторичный ток г2 направляет-
ся во внешнюю цепь в тот момент времени, когда первичный ток /( на-
правлен от начала Н к концу К. Однако в схемах релейной защиты марки-
ровка отсутствует; предполагается, что одноименные зажимы располага-
ются всегда рядом (с одной и той же стороны).
Для построения вект орных диаграмм задаются условными положитель-
ными направлениями В релейной защите принято для грансформаторов
(силовых, измерительных) принимать положительные направления первич-
ных и вторичных токов в обмотках противоположными: 7( — от начала Н к
концу К, 12 — от конца к к началу и. В этом случае, обходл по замкнутому
контур)' магнитопровода и пренебрегая намагничивающим током, получаем
2|М'1--2и'2 ~ ® ИЛИ —2 = -Ли'1'Ли'2) =
«) 6)
Рис. Э-1. Обозначение ТА (о) и
упрошенная векторная диа-
грамма (б)
где — первичный ток. приведенный к чис-
лу витков w2. Па упрошенной векторной диа-
грамме (рис. 3.1, б) приведенный первичный и
вторичный токи совпадают. Векторная диа-
грамма трансформатора тока, подключаемого
к источнику тока J' = (рис. 3.2, а), по-
строена на основании его схемы замещения
(рис.3.2,б). За исходный вектор принят /j-
ЭДС, индуцируемая в первичной и вторичной
42
б)
Рис. 3.2. Век горная niiai рамма ТА (л) и его схема замещения (45):
Zj , Zj, Zo — рас'кгиыс voiipcfirtbrin- первичиои i\ «пяричвей <Й1Л<Ж« v встчи rrrwwv-
обмотках £2 - /2[(/?2 + ^н) *. №2 +Л|)1 ’ а соответствующий магнитный
поток |ф| = £2/(4,44/m'2) отстает от £2 на угол т.12. По кривой намагни-
чивания Ф(/р) для данного значения Ф определяется приведенный намагни-
чивающий т ок смещенный относительно потока Ф на угол у, определяе-
мый потерями в сгали. Приведенный первичный ток Zj = £2+ — сумма
приведенного намагничивающего и вторичного токов.
Значение вторичного тока зависит от кратности первичного тока К =
“Л"|ном (Л ном номинальный первичный ток ТА) и сопротивления на-
грузки Ztl (рис. 3.3). С увеличением К и ZH вторичный ток уменьшается по
сравнению со значением // — , определяемым коэффициентом транс-
формации трансформатора тока К; -И'2/и'] .
Погрешность трансформаторов тока В соответствии с ГОСТ разли-
чают токовую, полную и угловую погрешности.
Токовой погрешностью fa называется арифметическая разность между
действительным вт оричным током /2 11 приведенным ко вторичной цепи
действительным первичным током, %:
К./9-Г
fa = _£--!--! |оо -------• юо (3.1)
Л
Рис. 3.3. Зависимость вторичного тока ТА от крат-
ности К перяячного тока при сопротивлениях на-
грузки Z', Z"
43
Полной погрешностью трансформатора тока Е называется действую-
щее значение разности произведения коэффициента трансформации на
мгновенное значение вторичного тока и мгновенного значения первично-
го тока, %:
h Ч Т о
(3.2)
где Т—длительность периода первичного тока (0,02 с).
Полная погрешность в установившемся режиме представляет собой от-
носительный намагничивающий ток
е /„//,. (3.3)
Токовая погрешность зависит от угла сопротивления вторичной цепи ТА
и максимальна при реактивном его характере; но во всех случаях < Е.
Угловой погрешностью 6 трансформатора тока считается угол между
векторами первичного и вторичного тока.
Для трансформаторов тока, работающих в цепях релейной защиты, до-
пускается полная погрешность £ < 10 % при токах, соответствующих пара-
метрам срабатывания. При таком ограничении токовая погрешность f t так-
же не превосходит 10 %.
Для оценки точности работы ТА в схемах для абсолютно селективных
защит важна полная погрешность (повышенная погрешность может привес-
ти к излишним срабатываниям), а для относительно селективных — токовая
(повышенная погрешность может привести к отказу срабатывания).
При этом угловал погрешность Б не превышает нескольких электричес-
ких градусов, что считается приемлемым.
Предельной кратностью К] 0 называется кратность, при которой Е =
= 10 % при заданной нагрузке. Заводы-изготовители трансформаторов
гока приводят кривые предельной кратности g(Zn) (рис. 3.4), которые
используются для расчета допустимой нагрузки ZnЛ0Г]. В схемах расчет-
ная нагрузка ТА определяется как
"и расч • :
(3.4)
Рис. 3.4. Кривая ределыюй
кратности (Z„)
где 11г — напряжение на зажимах вторич-
ной обмотки ТА, равно напряжению на на-
грузке 1/н в цепи тока этого ТА; /2 — вто-
ричный ток ТА. нагрузка которого рассчиты-
вается.
Расчетная ншрузка ие должна превы-
шать допустимую определяемую по
кривым предельной кратности при заданном
ее значении.
44
Расчетная нагрузка трансформаторов тока ZH расч в схемах защит опре-
деляется схемой соединения ТА и реле, сопротивлениями реле, соедини-
тельных проводов и переходными сопротивлениями в контактных соеди-
нениях. 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 пераичныс измерительные преобразователи тока, обеспечивают
изоляцию цепей напряжения измерительных органов от высокого напряже-
ния и позволяют независимо от номинального первичного напряжения полу-
чить стандартное значение номинального вторичного налряжения C/jhom "
-100 В. Распространенный вид первичного измерительного преобразовате-
ля напряжения — измерительный трансформатор напряжения TV.
Особенностью измерительного трансформатора напряжения, подклю-
чаемого к источнику ЭДС £', является режим холостого хода {близкий к
холостому ходу) его вторичной цепи (рис. 3.5, п). Первичная обмотка
трансформатора TV с числом витков включается на напряжение сети
{/.. Под воздействием напряжения по обмотке проходит ток намагни-
чивания / |ам, создающий в магнитопроводе магнитный поток Ф. Маг-
нитный поток, в свою очередь, наводит в первичной и вторичной
Гис. 3.5. Однофазный измерительный з ряисфорх1атор напряжения (с), схема замеще-
ния (б) и векторная диаграмма (в)
45
с&ллках ЭДС с действующими значениями соответственно £j = Е2=
= 4,44 f м^Ф. Поэтому
Ei/£2=w1/w2. (3.5)
Отношение fw2 называется коэффициентом трансформации и обо-
значается Kv. В режиме холостого хода ток 12 = 0, а ток в первичной об-
мотке /( = 2нам- При этом С/2 = и напряжение С7( незначительно от-
личается от ЭДС F]. Следовательно,
Кс = м, lw2 = Ц IU2. (3.6)
Работа трансформатора с нагрузкой ZJ( (в виде, например, реле напря-
жения КУ) сопровождается прохождением тока /2 и увеличением (по
сравнений с холостым ходом) тока /J (рис. 3.5, б). Эти токи создают па-
дение напряжения в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего
С'2 = 17|— Ли. Из векторной диаграммы (рнс. 3.5, в) следует, что вторич-
ное напряжение иг отличается от приведенного первичного t/J по значе-
нию на Д(7 и по фазе на угол 6. Поэтому трансформатор имеет две по-
грешности' погрешность напряжения - (Д1//С/{)1О0, или вследствие
незначительного угла Б
fv - LUQ/ Vi ~ Vi )/Ц Л°о, (3.7)
и угловую погрешность, которая определяется углом Б между векторами
напряжений (/J и t/2.
Значения погрешностей трансформатора напряжения определяются па-
дением напряжения Д(/, которое увеличивается с ростом вторичной на-
грузки (тока /2). Вместе с ним возрастают и погрешности, поэтому нор-
мальным режимом работы трансформатора напряжения является режим,
близкий к холостому ходу.
В условиях эксплуатации трансформатор напряжения может работать
с различными погрешностями. В зависимости от погрешностей установле-
ны четыре класса точности: 0,2; 0,5; I и 3 соответственно погрешностям
напряжения /г в процентах. Номинальная мощность трансформатора от-
несена 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 о&юток трансформатора напряжения TV
маркируются в соответствии с правилом, изложенным при рассмотрении
трансформаторов тока (см. § 3.1). При этом напряжения Ux и t/2, направ-
ленные одинаково от одноименных концов сбмсяск (см. рис. 3.5, а, б), сов-
46
падают по фазе, если пренебречь падениями напряжения в обмотках транс-
форматора напряжения. Принято обозначать: Л — начало первичной обмот-
ки, a - начало вторичной обмотки;X - конец первичной обмотки, х — ко-
нец вторичной обмотки. Для трансформаторов напряжения, как и для транс-
форматоров тока, в зависимости от принятого положительного направления
тока и напряжения можно построить векторные диаграммы с совпадающи-
ми или противоположно направленными векторами вторичного t/2 и при-
веденного первичного напряжений. При этом погрешности не учитыва-
ются. Для анализа действий релейной защиты и автоматики более удобна
векторная диаграмма с совпадающими векторами и б,'.
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 напряже-
ния нулевой и обратней последовательностей. Для получения этих напря-
жений используются однофазные или трехфазные трансформаторы напря-
жения и фильтры напряжения обратной последовательности. Трансформа-
торы в этом случае имеют различные схемы соединения обмоток, при вы-
полнении которых придерживаются следующих правил: в случве включе-
ния первичных обмоток на фазные напряжения их начвла присоединяются
к соответствующим фазам, а концы объединяются и соединяются с землей;
при включении первичных обмоток на междуфазные напряжения их нача-
ла присоединяются к предыдущим, а концы — к последующим фазам в по-
рядке их электрического чередования.
Включение однофазного трансформатора напряжения (рис. 3 б, а).
Первичная обмотка трансформатора включается на напряжение двух лю-
бых фаз. Такая схема применяется в тех случаях, когда достаточно иметь
одно междуфазное напряжение, например напряжение Свс-
Схема соединения обмоток трансформаторов напряженно в откры-
тый (неполный) треугольник (рис. 3.6, б). Первичные обмотки двух од-
нофазных трансформаторов напряжения включаются на два любых между-
фазных напряжения. Вторичные обмотки соединяются последовательно.
Такая схема дает возможность включать реле на все междуфазные напря-
жения (реле KV1 -КУЗ) и на напряжения фаз по отношению к искусствен-
ной нейтральной точке системы междуфазных напряжений. В последнем
случае включение можно выполнить тремя реле, обмотки которых имеют
равные сопротивления и соединены звездой (реле KV4—КУБ). Схема со-
единения двух однофазных трансформаторов в открытый треугольник яв-
ляется наиболее распространенном. Она не может применяться в тех слу-
чаях, когдв необходимо иметь фазные напряжения относительно земли.
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения звездой
(рис. 3.6, в), как и рассмотренная схема соединения обмоток в открытый три
угольник, дает возможность включать реле на любые междуфазные напря-
жения (реле КЕГ-—КЕЗ) и на напряжения фаз относительно искусственной
нейтрали и системы междуфазных напряжений (реле КЕ4—КЕб), а также сю
отношению к земле, т.е. на любые фазные напряжения (реле КЕ7—KV9).
Рассматриваемую схему можно выполнить посредством трех однофаз-
ных трансформаторов напряжения или одного трехфазного пятистержнево-
го. Применение трехфазных трахстержневых трансформаторов напряже-
ния в данном случае не допускается в саязи с тем, что при замыкании на
землю в сети по первичным обмоткам трансформатора через его заземлен-
ную нейтраль проходят токи намагничивания нулевой последовательности
и трансформатор перегревается.
48
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в
фильтр напряжения нулевой последовательности (рис. 3.6, г). Напря-
жения отдельных последовательностей можно выделить из полных фаз-
ных напряжений посредством фильтров напряжений симметричных со-
ставляющих. Так, для получения напряжения нулевой последовательно-
сти первичные обмотки трансформаторов должны соединяться звез-
дой с заземленной нейтралью. Полученные при этом вторичные фазные
напряжения суммируются путем соединения вторичных обмоток в ра-
зомкнутый треугольник, к которому подключается реле (рис. 3.6,?). На-
пряжение на обмотке реле
- (Д, + е„+= ЗГс//.„. (3.8)
При отсутствии в полных фазных напряжениях составляющих нуле-
вой последовательности напряжение на выходе разомкнутого треуголь-
ника близко к нулю. В связи с погрешностью трансформаторов напряже-
ния, наличием в первичных напряжениях гармонических, кратных трем,
и по другим причинам на зажимах разомкнутого треугольника в нор-
мальном режиме возникает напряжение небаланса, которое обычно не
превышает 1/и^ _ 3—4 В (при замыкании на землю максимальное напря-
жение на зажимах фильтра 3l7Oinax — ICO В). Опыт эксплуатации свиде-
тельствует, 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 номиналь-
ные значения, и трансформатор напряжения нуждается в защите.
Трансформаторы напряжения изготовляют с двумя вторичными обмот-
ками, одну из которых можно использовать в схеме соединения звезды, а
другую — разомкнутого треугольника (рис. 3.6, й). В системах с заземлен-
ной нейтралью налряжение на зажимах разомкнутого треугольника при за-
мыкании на землю нс превышает фазное U^, а в системах с изолирован-
ной нейтралью оно может достигать 3Uq. поэтому номинальное вторичное
фазное напряженке обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник,
принимается равным 1/2иом = 100 В, если трансформатор устанавливается
в системе с заземленной нейтралью, и равным t/jitow ЮО/З В, если транс-
форматор устанавливается в системе с изолирсваниой или с заземленней
через дугогасящий реактор нейтралью.
Вы пол некие вторичных цепей трансформаторов напряжения н
контроль за их состоянием. Исходя из требований техники безопасности
вторичные обмотки трансформаторов напряжения в установках напряже-
нием 500 В и выше должны быть обязательно заземлены Предохранители
с первичной стороны трансформаторов напряжения не защищают их от пе-
регрузок 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 предо-
хранители или малогабаритные автоматические выключателе которые яв-
ляются более быстродействующими; они надежнее и удобнее предохрани-
телей. 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 вы-
водящими их из действия при нарушениях цепей напряжения. В тех случа-
ях, когда указанные нарушения непосредственно не приводят к неправиль-
ной работе устройств защиты и автоматики, достаточно сигнализации об
исчезновении напряжения.
3.3. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
II ЦЕПЕЙ ТОКЛ ЗАЩИТЫ
При выполнении защиты схемы цепей тока строятся так, чтобы была
обеспечена необходимая ее чувствительность при использовании наимень-
шего количества оборудования. По числу фаз. в которые включены ис-
пользуемые в схеме ТА, различают: трехфазные схемы (ТА включены в три
фазы) и двухфазные (ТА включены в две фазы), которые могут использо-
ваться лишь от многофазных КЗ (при в сети, где установлена защита,
на фазе без ТА схема ие работает).
По числу измерительных органов различают однорелейные (одиосистем-
ные), двухрелейные (двухсистемные), трехрелейные (трехсистемные) и ре-
же четырехрелейные схемы. Здесь рассматриваются относительно и абсо-
лютно селективные токовые защиты, основным измерительным органом ко-
торых является орган тока. Входная воздействующая величина —- ток изме-
рительных ТА. Параметр срабатывания — ток срабатывания реле — наи-
меньшее значение тока в органе, при котором он устойчиво срабатывает.
Для оценки чувствительности защиты при известном /ср необходимо
определить расчетный ток в ее измерительном органе (ток реле) /р при за-
данных видах КЗ.
При аппаратном выполнении защиты с несколькими измерительными
органами они объединяются в логической части по схеме ИЛИ (рис. 3.7, а)
Рис. 3.7. Фрагмент тогичсекой части релейной защиты (й), к определению коэффици-
ента чувспяп ельностн защиты при КЗ н различных точках сети (б) и (в)
50
Для расчета коэффициента чувствительности схемы с несколькими из-
мерительными органами, имеющими ток срабатывания реле 1ср, следует
при каждом из заданных видов КЗ определить ИО с наибольшим током /р,
найти вид КЗ, при котором этот ток имеет наименьшее значение /ррасч
и вычислить расчетный коэффициент чувствительности Лч = /р расч//с р.
Пример. Для схемы (рис. 3.7, о) с заданным током срабатывания изме-
рительных органов /ср 1,5 А определить коэффициент чувствительно-
сти. Гоки в измерительных органах при — ЗА, ~ А и при
КВС -/pl = Zp2 = 1»5 А.
Решение. При наибольший ток /р| = 3 А; при наибольший
ток /р - 1,5 А- Значение /р.расч 1,5 А. Следовательно, схема имеет кч ~
1,5/1,5 1
Абсолютный коэффициент чувствительности кч рассчитывается по то-
кам /р, определенным по реальным токам КЗ в первичной сета
Относительный коэффициент чувствительности йчо используется для
сравнения различных схем соединения трансформаторов тока и измери-
тельных органов при искусственном условии равенства первичных токов
в месте КЗ при их различных видах Коэффициент кч о оп-
ределяется схемой соединений.
При я-м виде КЗ этот коэффициент равен
М Ли) (3) (и)
где /ри), /р3) - токи в 140 при и и условии равенства
Относительный коэффициент чувствительности при n-м виде КЗ равен
отношению тока /рв3 в измерительном органе к току в нем при т.е.
току /р33, если первичные токи в месте КЗ при разных видах КЗ считают -
ся одинаковыми.
Ниже дается краткая характеристика используемых схем, определяется
расчетная нагрузка при некоторых видах КЗ (для остальных видов ее мож-
но найти самостоятельно). Относительные коэффициенты чувствительно-
сти 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/A-l I (рис. 3.7, в, табл. 3.1).
51
Таблн ца 3 I
Характеристика схем
Наименование схемы г(3) ксх кчл при КЗ в сети, где установлена зашита
*.(2) КАВ 4с U2) КСА 4" 4" г'"
Полная звезда трехрелейиая) 1 1 1 1
Полный треуголь- ник (трехрелейная) тз 1 2/73 1/73
Полный треуголь- ник (двухрелейная) тз 1 2/75 1/75 2/73 1/73
Неполная звезда двухрелейная) 1 1 1 1 0 1
Неполная звезда (трехрелейная) 1 1 1 1 0 1
4еполный тре- угольник 73 1 1/73 2/75 1/73 0 1/73
£Ч10 при КЗ за трансформатором Y/A-11 (на стороне Y)
*•(2) КАВ ,,(2) КВС 4" г(1) КВ /г'"
1 2/73 \/Л
1 1 2/73
1 L г/Л 1/73
1 2/75 ./73 2/73 \/J$
1 2/73 \/Л
1 1 L L 2/Ji 1/73
Кроме отноатльных коэффициентов чувствительности различные схемы
соединения обмоток реле и вторичных обмоток трансформаторов тока мо!ут
характеризоваться коэффициентом схемы £сх /р//2, представляющим отно-
шение тока в обмотке (в реле) к вторичному току трансформатора тока.
Схема полной звезды — трехфазная, трехрелейная (рис. 3.8, а) — мо-
жет быть использована от всех видов многофазных и однофазных КЗ. Из-
мерительные органы включены на вторичные токи фаз, в сбр&пюм проко-
пе проходит ток /(убр = 1.2А + -2В + -2С’ Равнь’й 3/р при КЗ на землю.
о) 6) в)
Рис. 3.8. Схемы соединении трансформаторов дика и реле:
а — полним жездой. 6 — полным треугольником с тремя реле, в — полным треугольни-
ком с двумя реле; г — неполной звездой; О — неполной звездой с тремя реле, е — непол-
ным треугольником; ж — фильтром тока пулевой послсдогительности, з — полной звез-
дой с фильтром тока 1<улевой последовительпости; и — неполной звездой с фильтром токв
нулевой последовательносзн
53
Коэффициент схемы в симметричном режиме = /p3V/2 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 fc4 о снижен относительно его
значений при многофазных КЗ в той же точке.
Пример. Определяются кч о при КЗ за трансформа тором. Принято, что
в месте КЗ на с тороне звезды Zy3’ = Zy2^ = ZyP. Токи на стороне треуголь-
ника Z^ = /у = 43,/ч/3 в двух фазах, = 2z}?,/4/3 - в
третьей фазе (см. рис. 2.7) и = /у?V^/з (см. рис. 2.9).
Решение. Вторичные токи и токи в измерительных органах при этом
равны /р3^ =1; 7р2^ = 2/^/3; 7р^ = Х/^3 м определяют кчо. Расчетная
нагрузка на трансформатор тока фазы Z„ расч = U2 Н2 ~ = •
Соединение ТА полным треугольником ИО полной звездой —
трехфазная трехрелейная схема (рис. 3.8,6). Она может быть использована
ст всех многофазных и однофазных КЗ. Измерительные органы схемы
включены на разность токов фаз:
— pl ~ -2А~-2в'> —р2 ~ -2В —2С* — рЗ = —2С ——2Л' (3-Ю)
При КЗ в сети, где установлена зашита, схема имеет сниженный кч о
при однофазных КЗ на землю и примерно одинаковые Ачс при всех вид ах
КЗ за трансформатором Действительно, при найденных выше (см. п. 2.4)
токах Z^\ и Z^ токи в ИО в соответствии с (3.10) Zp3’~-j3;
/'?12/.Л ( |/.Л) 3/.Л = Д ; /<'>- l/J5-(-l/J5)=2/J5,
что и определяет ки с.
Расчетная нагрузка на ТА фазь: А в симметричном режиме
-нраст = -гл'^гл = ^-pi_-рз^2л = (-pi -рз^-и^-гл =
= 1гв^~^1гс~-2А^— н^-гл “ 3-«-
Схема обладает тем свойством, что при КЗ на землю в питающей сети
(рис. 3.9,6) токи нулевой последовательности /Ст, обусловленные зазем-
ленном нейтралью трансформатора Т, замыкаются в треугольнике ТА и от-
сутствуют в ИО. Это позволяет не отстраивать защиты трансформатора ст
этих токов при внешних КЗ.
54
Рис. 3.9. Векторные диаграммы таков при К*3* > схемах на рис. 3.8.С (л) и 3.8, й (в)
и распределение юкш нулевом r)i*jMjwH’.aT<jii,ii<i<Tii (С)
Соединение ТА в полный треугольник и НО в неполную звезду —
трехфазная двухрелейная схема (см. рис. 3 8, в)- - гложет быть использова-
но от всех многофазных и однофазных КЗ. Измерительные органы схемы
включены на разность токов фаз /р1 — /гл-—2В’ ~р2 = —2С~—2Л_ ^е”
достатком схемы по сравнению с предыдущей является вдвое сниженный
при ощюм из видов в сети, где установлена защита» и при одном
из видов при КЗ за трансформатором.
Неполная звезда—двухфазная двухрелейияя схема (см. рис. 3.8, г)—
используется от всех многофазных КЗ (срабатывает и при за трансфор-
ма тором). Измерительные органы включены на токи фаз /р1 = /2л» ^р2 =
= /2С; в обратном проводе проходит ток 1о^р = /2/+/2с‘ ДвУхФазная
схема имеет преимущества по сравнению с трехфазной в сети с изолиро-
ванной нейтралью при (см. рис. 2.5, б), так как при даух из них бу-
дет отключаться только одно место повреждения (если ТА установлен в фа-
зах А и С, то при и ^пв де)- Схема имеет одинаковый к^о при всех
многофазных КЗ в сети, где она установлена и не может быть использована
при в этой сети, так как отказывает при одном из них. Существенным
недостатком схемы является вдвое сниженный k,i0 при одном из за
трансформатором. Снижены и значения fc4O при за трансформатором.
Расчетная нагрузка Zfl paciu при любом виде КЗ равна нагрузке Zlr
Неполная звезда — двухфазная трехрелейная схема (см. рис. 3 8, д) —
используется выест о предыдущей для повышения чувствительности к од-
ному из видов К® за трансформатором. В отличие от предыдущей, в схе-
ме имеется 1403, включенный на сумму токов /р3 = /2/) + ^Р*1 всех
55
видах за трансформатором К^ = 2^3 . Расчетная нагрузка при
на ТА фазы A: Zlipac4 = £(/р1 + J/pJ/fM “ [^-гл + ^гл + -гс^^/Агл =
- ./5 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
- р = -2л " -2С Двух видах в сети, где установлена зашита, кч о
вдвое меньше, чем при третьем. При К*1’ в этих же точках схема не может
использоваться, твк как отказывает при одном из них. Существенный недос-
таток схемы невозможность ее использования от многофазных КЗ за
трансформатором, так как она отказывает при одном из них.
Расчетная нагрузка на ТА ([газы А при КЗ в сети: при Kt3) ZHpa;4 ==
= Gp ^//2Л = 'Д4л2»/*2Л = ПРИ ^1Г А|расч “ ^2А^п^2Л =
= 2Zn; при kJ? 11 К вс гпрасч = ^н- Расчетная нагрузка схемы, опреде-
ляющая допустимые кратности первичного тока: ZllfaB4 = 2ZF.
Трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности
(см. рис. 3.8, эк!) используется в сетях с глухозаземленными нейтралями при
напряжении Цшм 110 кВ в защитах от КЗ на землю. Мгновенное значе-
ние тока в измерительном органе равно сумме вторичных токов /р = 12л +
+ т2д *2С- Вторичный ток равен разности приведенных значений первич-
ного тока ij и намагничивающего тока г'Ж[ (ранее он был назван но
здесь этот индекс используется для токов нулевой последовательности):
*р “Ом + *1В + ~(*/! нам + 'внам + tnaM^ К/-
При наличии в первичном токе составляющих нулевой последователь-
ности они также присутствуют и в намагничивающем.
Вторичным током небвланса 1^г принято называть сумму намагничи-
вающих токов прямой и обратной последовательностей, не превышающих
обычно в установившемся режиме допустимых значений (е < Ю %). Тогда
с учетом того, что >ы + т 11с - 3%, ток /р = 3(<0 - <„.„)/К, -где
'Онам — слагающая нулевой последовательности в намагничивающем то-
ке. Первичным действующим значением тока небаланса /ng| назван ток
3/0, компенсирующий значение /н$2- С допустимой точностью первичный
гок в измерительном органе нулевой последовательности принят о опреде-
56
Ряс. 3.10. Олнстрянс-
формпторпый фильтр
токя нулевой нослсдо-
вателыюсги
пять /3 = 3/0 - 1н$1- Для расчетов релейной защиты
определяется первичный ток небаланса
^нбI ~^оди^а11®^к» О-H)
где Atulll — коэффициент однотипности» принимае-
мый равным 0.5 при однотипных 7И и I — при раз-
нотипных; кв„ коэффициент апериодичности,
учитывающий повышенные значения намагничи-
вающих токов переходного режима КЗ и принимае-
мый для защит, работающих без выдержки времени,
равным 2; Е 0,1 полная допустимая погрешность трансформаторов то-
ка; /к -ток КЗ, при котором определяется небаланс.
При КЗ на землю ток в защите 13 — Ъ1{).
Комбинированные схемы полной или неполной звезды и трехтранс-
форматорпого фильтра нулевой последовательности (см. рис. 3.8, з, и)
используются в сетях с глухозаземленными нейтралями для защиты от
всех видов КЗ. Гек в 1404 (см. рис. 3.8, з) и в 1403 (см рис. 3.8, t/) равен
-р = -2Л + -2В + -2С
Однотрапсформаторный фильтр токов нулевой последовтгелыюсти
(рис. 3.10), называемый трансформатором нулевой последовательности
(П И1), используется для защиты от К< " в сетях с изолированными нейтра-
лями или нейтралями, заземленными через дугогасяшие реакторы. Сердеч-
ник ТИП охватывает три фазы защищаемого элемента (они являются его
первичной обмоткой), и на нем расположена вторичная обмотка ТИП вы-
полняются для установки на кабелях и шинах генераторного наяряжепия.
Ток в 140 защиты пропорционален сумме магнитных потоков трех фаз
L р ~ (Ф । + Фв + При отсутствии токов нулевой последовательности
магнитный поток, равный Ф = Ф^ + Фд+ Фс и определяющий ток неба-
ланса, вызванный несимметричным расположением фаз в окне магнитопро-
вода, практически равен нулю. Ток небаланса на выходе однотрансформа-
горного фильтра знач!гтельно меньше, чем трехтрансформаторного, так как
отсутствует его составляющая, обусловленная намагничивающими токами.
4
ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ СО СТУПЕНЧАТЫМИ
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
4.1. ТОМ СРАБАТЫВАНИЯ VI АЛГОРИТМ ЗАЩИТЫ
Токовой называется защита, реагирующая на ток, проходящий по защи-
щаемому элементу.
Током срабатываиия защиты /сз называется наименьший первичный
гок, при котором срабатывает измерительный орган защиты. Током сраба-
тывания измерительного органа /ср называется наименьший ток, при ко-
тором ИО срабатывает. Так как параметры срабатывания обычно определя-
ются в симметричном режиме, то при известном значении /сз ток /с р
/с₽= К, ’
(4.1)
Таком возврата защиты ИО/КЗ (/В|)) называется наибольшее значение
гока. при котором сработавший МО возвращается в исходное положение.
Л»р~^в^ср» (4-2)
где кв — 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 выключате-
ли, то они должны выполняться с выдержками времени (чтобы дать воз-
можность 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 относи-
тельно селективные защиты выполняют ступенчатыми — состоящими из
отдельных ступеней, часто трех (иногда четырех). При этом первая 1 и вто-
рая II ступени предназначены для ликвидации повреждений на защищае-
мом элементе, третья ступень III - резераирует ступени I и II (ближнее ре-
зервирование), а также отказы защит или выключателей смежных элемен-
тов (дальнее резервирование). На рис. 4.1 приведена структурная схема ал-
горитма токовой трехступенчатой защиты для одной фазы.
58
От ТА
Pur. 4.1. CrpyKTj рнии схема алгоритма -токовой стуиеичатой защиты (для одиой фазы)
В общем случае из вторичных токов И в элементах Ф|, Ф2, ФЗ
формируются токи /р[, /р2, /р3 измерительных органов ИО1. ИО11 и ИО111
соответственно ступеней I, И. Ш. В ИО сравниваются токи /р|, /р2 и /р3
- „ .1 .11 .ill
с заданными токами срабатывания ступеней /ср» /ср и /ср . причем
.1 .И .ill
*с р > *с р > *с р - Ступень I выполняется без выдержки времени, ступень II —
с небольшой выдержкой времени I’*₽, а III — с большой выдержкой време-
ни /*р. Если ток в НО1 /р] > р — повреждение произошло в зоне ступе-
59
ни I и подается сигнал на отключение выключателя Q поврежденного эле-
мента. Если 7р2 — .т0 пускается орган выдержки времени ОВ11 и наби-
рается выдержка времени этой ступени (время срабатывания) Если по
истечении этой выдержки времени ток в ИО11 по-прежнему превышает его
ток срабатывания, то подается сигнал на отключение выключателя, оста-
нов ОВ11 и возврат его в начальное положение. Если при наборе выдержки
*ср вернется ИО11 (/v < 1Ъ), то произойдет сброс этой выдержки времени.
Аналогично работает ступень III при повреждении в ее зоне и наборе вы-
держки времени
4.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ТРЕХСТУПЕНЧАТОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ. ВКЛЮЧЕННОЙ НА ПОЛНЫЕ ТОКИ ФАЗ
Параметры срабатывания определяются для радиальной сети, состоя-
щей из трех участков <_рис. 4.2): последующей называют защиту, располо-
женную ближе к источнику питания, а предыиущей — дальше (для защиты
2 защита / последующая, а защита 3 — предыдущая).
Первая ступень называется отсечкой без выдержки времени. Селек-
тивность при внешних КЗ обеспечивается выбором тока срабатывания.
Ее время срабатывания принимается для защит всех участков одинако-
вым и равным rcps=O. Практически для отстройки от работы трубчатых
разрядников, создающих кратковременное КЗ. вводится некоторое за-
медление р < О, I с.
Для исключения излишних отключений линии И7 при внешних КЗ ток
срабатывания измерительного органа ИО] /сз| защиты выбирается боль-
шим максимального тока внешнего короткого замыкания /г вн 1пах при КЗ
в начале предыдущего участка (точка КГ). Практически /к внгпах определя-
ется при КЗ на шинах подстанции, противоположной месту установки за-
щиты (точка К К у.
31 — ^"отс ей max » (4.3)
где Астс — коэффициент отстройки, учитывающий возможную апериоди-
ческую составляющую в токе, неточность расчетов при КЗ, погрешности
ТА и ИО, принимается 1,2—1,3.
60
TAI
Рис. 4.2. Выбор параметрон срабатывании токовой ступенчатой зашиты от между-
фазпых КЗ:
а — схема сети, 6 — l^U). IK3VY, е — харакюрнстики выдержек примета)
Для защит 7 и 2; 7сз| = *CTC7^i; /сз2 = %т</к2- Защитоспособность
ступени I оценивается длиной зоны I[ и : ступень 1 охватывает ту часть
участка, где /к> 7СЗ Рассчитанную ступень всегда целесообразно исполь-
зовать, если она срабатывает на части липни, где необходимо отключение
без выдержки времени. В ряде случаев даже считается полезным использо-
вать ступень I, если г > 0.
Вторая ступень называется отсечкой с выдержкой времени и предна-
значена в основном для зашиты части участка, где не работает первая сту-
пень, так как 7К</С3> и для защиты шин противоположной подстанции.
Селективность без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором времени
срабатывании и тока срабатывания /Д. Предлагается выбирать /*3
61
всех защит одинаковыми к на ступень выдержки времени Д1 = 6,5 с боль-
шими выдержек времени первых ступеней или быстродействующих зашит
предыдущих элементов (например, защиты трансформатора с /сзт):
„ = 'U + а' “ <->->)
Для рессматриваемого примера г*3| i/* -г Аг и /Уз2 — зт+• выби~
рается большее из полученных значений.
При таком выборе выдержек времени (времени срабатывания) можно
разрешить срабатывать измерительному органу второй ступени защиты I
(ИО1]1) на части линии W2 (и в трансформаторе Т), где еще работает сту-
пень I зашиты 2 (или быстродействующая зашита Т) — выключатель 2 бу-
дет отключен своей ступенью I (или защитой 7), прежде чем наберет вы-
держку времени орган выдержки времени ступени. II 'защкгы I (ОВ^у
Следовательно, гок срабатывания ступени II зашиты I должен быть от-
строен (выбран большим) от тока короткого замыкания в конце зоны, за-
щищаемой ступенью I защиты 2, чему соответствует точка КЗ, когда 1К —
= 1С j2, в от тока при КЗ за трансформатором (К4), где уже ие работает бы-
стродействующая зашита трансформатора:
Zcsl - Лзтс А:з2 ’ <4-5)
где а”с = 1,1—1,2 коэффициент отстройки ступени II. Принимается
большее значение , полученное из условий (4.5) и (4.6).
Целесообразность использования рассчитанной ступени П оценивается
значением коэффициента чувствительности при КЗ в конце линии
pi UujKO (
,П
'ср!
где 7р |П1|1 — минимальный ток в ИО|* при КЗ в КГ.
При недостаточном коэффициенте чувствительности, если определяю-
щим при выборе тока срабатывания явилось условие (4.5), вторая ступень
защиты I может быть отстроена от второй ступени защиты 2 по времени
62
(тие. вторые ступени отдельных защит будут иметь разные выдержки вре-
мени) и току:
/[' =4' + Дг« (1—1.1) с;
/" >*" I11
С3| — отс с.з2’
/“ >*” I
С.31“ СТС К4"
(4-8)
Третья ступень называется максимальной токовой заи/итой (иногда ее
называют чувствительной ступенью). Селективность без КЗ обеспечивает-
ся выбором тока срабатывания, а при внешних КЗ выдержкой времени.
Выдержки времени выбираются по ступенчатому принципу, начиная от
наиболее удаленней от источника питания зашиты. При этом каждая по-
следующая защита в направлении к источнику питания должна иметь вы-
держку времени Г|И)и| на ступень выдержки времени Л/ большей выдержки
времени предыдущей зашиты Г||рсд:
+ДГ и 9)
поел пред vT-,z
о ли _ ,Н1 III _ ,111
В рассматриваемом случае Гс 31 > /с з2 А/; /с 3। > 1С 3 т + А/; из двух
значений выбирается большее.
Ступень А/ определяется в настоящее время с учетом худших условий,
когда защита I может сработать с временем меньшим расчетного, а защита
2 - - большим расчетного. Тогда
?t> Пред + пред + Gjjiocn + *и.п + *зап’ (4.10)
где гс Г1ред — время отключения выключателя предыдущего участка; /(| 1фед
и /П1юсл — абсолютные значения положительной погрешности предыду-
щей защиты (увеличивает время) и отрицательной погрешности последую-
щей защиты (уменьшает время); г(|П — время инерционной ошибки рас-
сматриваемой защиты (возможность действия элементов защиты после от-
ключения КЗ) и /зап — время запаса. Стремясь снизить время срабатыва-
ния защит в сети, всегда выбирают Аг минимально допустимым, и, как
правило, Аг = 0,5 с.
Выбор тока срабатывания третьей ступени зашиты производится из не-
скольких условий.
I. Для исключения срабатывания зашиты при прохождении рабочего
максимального тока /ра5 |пах необходимо, чтобы
‘сз > ^paS max (4-11)
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 защи-
ты I и 2 содержат лишь одни третьи ступени (отсутствуют I и II). При КЗ
на W2 (например, К5) в зашитая I и 2 проходит ток 1К (рис. 4.2, с); изме-
рительные органы ИО,11 и ИО2 * этих защит срабатывают, и каждый за-
пускает свой орган выдержки времени третьей ступени (ОВ,11 и ОВ21),
которые начинают набирать выдержки времени. Так как выше было выбра-
но /с 3| > 1С з2, срабатывает Ою2 , отключает Q2, и ток в защите I снижа-
ется до тока I' > /ра5 тах, проходящего к потребителям подстанции. Юк /'
обусловлен самозапуском двигателей гютреб»ггелей, заторможенных при
снижении напряжения в режиме с КЗ, сопровождающимся снижением вра-
щающего момента Л711р (рис. 4-3,6). увеличением скольжения до s' и
уменьшением сопротпвиения двигателей до Z^B — R/s' з-/Х. После от-
ключения Q2 напряжение увеличится до а ток до 1\ = ^юоы^‘№-
Обычно /' оценивается коэффициентом запуска Л' как I' = A'/paSinax. Для
возврата HOj в исходное положение необходимо иметь /юз >/, или
с учетом коэффициента отстройки /в1, = 'ото 'раб шах- Значение Аотс -
“1,1- 1,2. С учетом (4.2)
(012)
Ток срабатывания измерительного органа с учетом (4.1)
о) 0 в)
1’нс.4.3. Ток е защите I при внешнем КЗ («}; характернстики «имейте*, аемнхроиных
дкигятелей (6) и ток в защити I в викле ЛИВ (в)
64
3. Измерительный орган третьей ступени не должен срабатывать после
успешного АПВ на защищаемой линии. При КЗ на WI срабатывает защита
7, отключает QI и ток снижается до нуля (рис. 4.3, в). После включения от
АПВ выключателя QI ток возрастает до тока запуска 7" > /', так как пере-
рыв питания потребителей был более длительным. Для того чтобы вернув-
шийся в исходное положение ИО*11 не сработал от тока Трастах»
с с. JII
необходимо,чтобы 7t3 >73:
7,Н — А1,*А"7 74 131
'сз — Лотс з paStnax" V»-"-»/
Значения к‘3 и Л" могут изменяться в широких пределах (1,2—4).
Из рассмотренных верным является условие, дающее большее значение
,111
'сз - Иногда в учебных и некоторых инженерных расчетах выбор /сз про-
изводится лишь по (4.12). которое и является определяющим.
Коэффициент чувствительности третьей ступени проверяется в соответ-
ствии с ее назначением: как основной в конце своего участка
ЯП fpmm(Xr)> 5 2 (4J4)
41 I1J
'ср!
и как резераной — в конце смежных участков
*” = , 2. = 4^,, 2 и 15)
^Ср| 'cpl
Токовые ступенчатые защиты могут выполняться трехступенчатыми,
содержащими ступени I, II и III, двухступенчатыми, содержащими ступени
I и 11, одноступенчатыми, соверисашдми. 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 зашита, содержащая третью ступень, обеспе-
чивает селективность при внешних КЗ лишь в радиальных сетях с одно-
сторонним питанием (только в этих сетях можно выбрать выдержки вре-
мени максимальной токовой защиты по ступенчатому принципу). От-
дельные части защиты — токовые отсечки — мотут обеспечить селек-
тивность в сетях любой конфигурации при соответствующем выборе па-
раметров срабатывания
Токовые ступенчатые защиты являются медленнодействующими. Без
выдержки времени КЗ отключается лишь на части линии в зоне первой
ступени (если она используется).
65
. gj tai
162 TA2
Inin “t
Зона первой ступени 71 значительно
изменяется при разных режимах работы
системы (рис. 4.4) и, в частности, может
отсутствовать. При этом коэффициент
чувствительности второй ступени мтакет
оказаться недостаточным. С учетом усло-
„ _ „ .ill
вий выбора для третьей ступени /сз ~
~ О 1,₽и этом ее коэффици-
ент чувствительности, достаточный при
КЗ в конце смежных участков линий, при
КЗ за трансформаторами понижающих
подстанций в ряде случаев мал
Ввиду простоты схемы защита явля-
ется одной in наиболее надежных.
, Защита применяется в распредели-
1« -1.4. О„™мх fit- тельнь„, , „ га, отх<)ЛЛ1ц,1х от
ЭКИ.МИХ
шин станшш, напряжением о IV кВ.
Широко используется одна ступень максимальная токовая защита
Трехступенчатая и двухступенчатая зашив ы 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 вре-
мени в ряде случаев является дополнительной к более сложным защитам.
4.3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ IОКОВЫХ ЗАЩИТ НУЛЕВОЙ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СО СТУПЕНЧАТЫМИ ХАРАКГЕРИСГНКАМИ
ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
Такие защиты широко используются в сетях с глухозаземяеиньилв ней-
тралями при 1/|ЮМ > НО кВ от однофазных и двухфазных КЗ на землю
(в сетях с двухсторонним питанием и кольцевых защиты выполняются как
токовые направленные нулевой последовательности). Измерительный ор-
ган тока включается на трехтрансфорыаториый фильтр тока нулевой по-
следовательности. Защита также выполняется трехступенчатой м содержит
первую ступень — отсечку без выдержки времени, вторую ступень от-
сечку с выдержкой времени и третью — чувствительную ступень. При КЗ
на землю токовая защита нулевой последовательности имеет ряд преиму-
ществ 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 липни WI и W2 и понижаю-
щих трансформаторов со схемой соединений обмоток Y/Zi-I |: 77 с зазем-
ленной нейтралью и Т2 — с изолированной. В защите I при КЗ на WI, W2
и в TL Т2 проходит ток 3/01. В защитах 2(3) при КЗ на W2 (в 72) проходит
66
Рис.4.5. Выбор параметров сраЬи ып»апн покипим ступенчатой занипы нулевой во-
елгдапя илышсти:
</ — схема сети; б — fKV)> luV)- в — fc а
гок 3IUk, равный току в месте КЗ и отличающийся от тока в защите / на
значение 3/рт, который обусловлен заземленной нейтралью Т2.
Ток срабатывания первой ступени выбирается большим из полученных
в рассмотренных ниже условиях.
I Ток /с а должен быть отстроен от максимальных токов 32Оз, проходя-
щих в защите при или Л^1,1 * в начале смежного участка:
Ас.з = ^отс3Аозвншах 16)
Для защит сети: 7^31 = Acj2 = Асге3/0к(О*)"
67
2. Ток /с з должен быть отстроен от броска тока намагничивания 7gp
трансформатора TJ при возрастании (восстановлении) напряжения на нем
(только для зашиты Г):
= *L'<SP = (3 ">>'„«, Г/
3. Ток /сз[ должен быть отстроен от тока 3/сг-, проходящего в тащите
I и обуслоаленного заземленной нейтралью 77, при КЗ у шин подстанции
(КЗ), где установлена защита:
=*«ic5,OT(A'J}- 0.13)
Часто определяющим яаляется (4.16), что и принято далее (рис. 4.5).
На рисунке отмечены зоны 7^ и /с, для сравнения первой ступени ну-
левой последовательности и первой ступени, включенной на фазные токи,
там же приведена зависимость тока трехфазного КЗ 7^(7). имеющая
меньший наклон, чем 3/О(7), так как удельное сопротивление прямой по-
следовательности линии Zly/1 меньше ее удельного сопротивления нулевой
последовательности. Поэт ому зона первой ступени отсечки нулевой после-
довательности /01 больше отсечки, включенной на полные токи фаз 7^.
Так как значение /( слабо зависит от режима работы системы и опреде-
ляется в основном достаточно стабильным режимом заземления нейтрали,
то длина защищаемой зоны оказывается и более стабильной.
Выдержка времени ступени II принимает ся, как для заицпы, включен-
ной на полные ч оки фаз (4 4).
При выборе зека срабатывания второй ступени учитываются также не-
сколько условий.
I. Если при выборе /сз условие (4.18) не явилось определяющим, то по
этому условию выбирается ток Zt" , а «Д ~ 0,5.
2. Ток отстраивается от тока в зашите / при КЗ в конце зоны пер-
вой ступени загдаты 2 (согласуется с током срабатывания первой ступени
защиты 2 с учетом коэффициента токораспределепия 7Т).
Так как при КЗ в конце зоны первой ступени защиты 2 (КЗ) в защите I
проходит ТОК З/щ, то
с"|=*”л. (->!’)
и ток срабатывания второй ступени определяется графически.
68
Отношение токов в защите /а и в месте короткого замыкания /к равно
коэффициенту токораспределения
«20)
например, при КЗ на шинах подстанции В. С учетом этого
'е‘,1 =*"сМ«.Л- (4-21)
3. Ток /^'з отстраивается от тока небаланса при за трансформатора-
ми подстанций [А'5, см. рис. 4.2, (4.3)]
где кяи | для ступеней с выдержками времени; АШ1|1 0,5 для однотип-
ных ТА.
Из полученных значений выбирается большее.
Если определяющим явилось условие (4.18) и при этом коэффициент
чувствительности при КЗ в конце защищаемого участка йч < 1,5, то ступень
может быть выполнена направленной, и тогда это условие не учитывается
(при коротком замыкании в КЗ защите не разрешит срабатывать орган на-
правления мощности). Если определяющим явилось условие (4.22), то эта
ступень одновременно выполняет функции чувствительной, поэтому необ-
ходимо проверять ее коэффициент чувствительности в конце смежного уча-
стка (см далее). Однако во многих случаях определяющим является усло-
вие (4.21), и тогда может оказаться целесообразной установка ступени III.
Выдержка времени третьей ступени защиты нулевой последовательно-
сти также выбирается по ступенчатому принципу. Однако выдержки вре-
мени этой чувствительной ступени оказываются меньше максимальной
токовой, включенной на токи фаз, так как не требуется их согласовывать
по времени с защитами потребителей (f„i) на стороне треугольника
трансформатора со схемой соединения Y/A-II (/1Й < /Г|) При поврежде-
ниях на стороне треугольника отсутствуют токи нулевой последователь-
III Г,
ности в рассматриваемой защите, поэтому *C33(qj = 0; *с32(0} = ^>5 с;
#сз|(0) = 1»0 с- графике заштрихован возможный выигрыш во времени
ступени III нулевой последовательности по сравнению с максимальной
токовой (/^зф на рис. 4.5, в).
Ток срабатывания третьей (чувствительной) ступени отстраивается от
тока небаланса по (4.22) и оказывается меньше, чем у максимальной токо-
вой защиты, отстраиваемой от максимальных рабочих токов. Поэтому чув-
ствительная ступень нулевой последовательности имеет более высокие
, иг
значения кч , чем максимвльная токовая.
69
При определении к\11 защиты / при КЗ в конце W2 следует учесть не-
равенство токов 37О на этих участках. Так, коэффициент чувспягтельноота
защиты / в точке К2 равен = /рц^^ср! » гле ^pi тОК в ,1жеРн~
тельном органе защиты 1 при или К*1, в точке К2 (меньший из них).
4.4. СХЕМЫ ТОКОВЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАЩИТ
Функциональная схема трехступенчатой защиты (условно на одну фа-
зу) приведена на рис. 4.6. При токе ^рй/ср срабатывает реле первой сту-
пени Кд и напряжение подается на выходное промежуточное реле KL, ко-
торое через последовательно включенное с ним указательное реле КН дей-
ствует на электромагнит- отключения К47 привода выключателя Q (см.
рис. 1.4) При токах, больших тока срабатывания реке ступени II (ступени
III), срабатывают реле КЛП (КАт) и запускают реле времени этих ступе-
ней КТ® (КТ111)- Набрав выдержку времени /"р эти реле далее дей-
ствуют на выходное реле KL.
Цепи тока токовых ступенчатых защит выполняются в соответствий
с приведенными на рис. 3.8; их оценка производится с учетом данных
табл. 3.1.
В сетях с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через
дугогасяшпе реакторы, схемы выполня-
ются двухфазными, так как должны сра-
батывать на отключение только при мно-
гофазных КЗ, кроме того, двухфазное вы-
полнение позволяет целесообразнее от-
ключать только одно место повреждения
X /(bl)
при двойном замыкании на землю
(см. рис. 2.5, б).
При использовании в такой сети одной
ступени — максимальной токовой защи-
ты и отсутствии трансформаторов со схе-
мой соединения обмоток У/Д-Н (защиту
которых резервирует защита сети) может
быть использована однорелейная схема
неполного треугольника, если она обеспе-
чивает необходимый коэффициент чувст-
вительности при всех видах к\г\
70
Если кч < Лчлоп, то в рассматриваемом случае следует использовать
двухрелейную схему неполной звезды, что дает повышение Лч по сравне-
нию с предыдущей схемой.
Двухрелейная схема неполной звезды может использоваться при нали-
чии трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Zi-Jl. если ее ми-
нимальный коэффициент чувствительности при за трансформатором
оказывается допустимым. В противном случае следует использовать трех-
релейиую схему неполной звезды, что вдвое повысит коэффициент чувст-
вительности
При выполнении в рассматриваемых сетях многоступенчатых защит,
содержащих отсечки, используются обычно двух- и трехрелейные схемы
неполной звезды. Использование схемы неполного треугольника нежела-
тельно, поскольку зона отсечки /' при двух видах оказывается снижен-
ной Действительно, если был рассчитан ток срабатывания защиты Z^3, то
в схеме неполного треугольника ток ?ср в J3 раз больше, чем в схеме не-
полной звезды, а т ок в реле при К® между фазами АВ и ВС одинаков
Для многоступенчатых защит ступени I и II выполняются обычно как двух-
релейные схемы неполной звезды, а ступень 111 — как трехрелейная схема
неполной звезды дяя повышения Ач к за трансформатором.
Использование трехфазных схем (см. рис 3.8) не приводит к повыше-
нию чувствительности к многофазным КЗ.
В сетях с глухозаземленными нейтралями используются только трех-
фазные схемы, необходимость кот орых обусловлена однофазными КЗ. Как
правило, для действия защиты при КЗ на землю используются токи нуле-
вой последовательности. В соответствии с этим применяются комбиниро-
ванные схемы неполной и полной звезды от междуфазных КЗ в сочетании
с фильтром токов нулевой последовательности.
На понижающих трансформаторах с заземленной нейтралью часто ис-
пользуются даух-, трехрелейные схемы полного треугольника для исключе-
ния токов 37с в защите трансфор-
матора при КЗ в сети высшего на- пряжения (см. рис. 3.9, в). В качестве примера рассматри- вается схема участка сети с глухо- заземленной нейтралью (рис. 4.7). Защита / выполняется трехступен- чатой от междуфазных КЗ с вклю- чением реле на полные токи фаз и двухступенчатой нулевой последе- G2 ТА2 , -%□ m к1 j у Ж к2^ К?Х Рис. 4.7. Схема сети
71
вательности от КЗ на землю, включенной на токи 3/0- На рис. 4.8, а приве-
дена принципиальная разнесенная схема цепей тока, а на рис. 4.8,б — раз-
несенная схема оперативных цепей постоянного тока. Реле тока ступеней
защиты I и |1 от междуфазных КЗ KAI, КА2 и КАЗ, КА4 соответственно
включены на токи /2/ и !гс по схеме неполной звезды. Реле тока третьей
ступени защиты от междуфазных КЗ КАЗ, КАб, КА7 (максимальной токо-
вой) включены по схеме полной заезды для повышения чувстаительности
Рис. 4.8. Приишшчал
а — цепи переменного тока; б — цепи оперативного постоянного тока
72
при К^ на стороне треугольника (КЗ). Реле первой КА8 и третьей КАР
ступеней защиты от КЗ на землю включены на ток 3/0 (ступень I - отсеч-
ка, ступень 111 чувствительная).
Вторичные обмотки ТА подключены к защитному заземлению, что ис-
ключает появление высокого напряжения в цепях защиты при нарушении
изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока.
В оперативных цепях реле тока первой ступени KAI, КА2 работают на вы-
ходное реле KLI защиты от междуфазных КЗ, а реле КА8 — на выходное
реле комплекта от КЗ на землю KL2. Реле KLI и KL2 имеют небольшое за-
медление па срабатывание (около 0,1 с), исключающее работу первых сту-
пеней на отключение при действии разрядников. Размыкающие контакты
KL1.1 и KL2 I исключают срабатывание указательных реле пераых ступе-
ней КН! и КН4 при действии разрядников и кратковременном замыкании
контактов KAI, КА2, КА8. Ступени с выдержками времени комплекта от
междуфазных КЗ (KTl, КТ2) и комплекта от замыканий на землю К7'3 име-
ют отдельные реле времени, так как выдержки времени этих комплектов
в общем случае могут различаться. Указательные реле КН2, КПЗ сигнали-
зируют о срабатывании отупений II и HI комплекта от тлежедфганйх КЗ
и КН4. КЦ5 — ступеней I и 111 комплекта нулевой последовательности;
КН6 и КН7 - срабатывание на отключение комплекта от междуфазных КЗ
и комплекта от КЗ па землю.
При замыкании контактов выходных реле KLI 2 или KL2 2 через замы-
кающий сигнальный контакт выключателя £ (замкнут при включенном вы-
ключателе) 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 кон-
тактами реле защиты при ее возврате, не рассчитанными на эту операцию.
4.5. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ СПУСКОМ 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 = (3—4)/ . При этом
трудно получить достаточную чувствительность третьей ступени — един-
ственной, выполняющей функции ближнего и дальнего резервирования.
Одним из способов повышения чувствительности третьей ступени — мак-
симальной токовой защигы (МТЗ) — является дополнение ее измеритель-
ным органом напряжения (ИОН), который разрешает действовать защите
только в случае возникновения КЗ.
73
Рис. 4.9. CrpjfKrjviiMi схема алгоритма tpeii.cit cnucim tokodod iauiirri>i с пуском
ио напряжению
Структурная схема алгоритма третьей ступени токовой защиты с пус-
ком по напряжению (условно для одной фазы) приведена па рис. 4 9. Алго-
ритм содержит операторы ввода напряжения t/(l) и /(/) от измеритель-
ных трансформаторов, определения текущих значений напряжения Ц, и
тока /р. Для пусковых органов (ПО) напряжения оператором введены зна-
чения Uc р и UK р, а для МТЗ фиксированы 4 р»4 р и /с р -
При выполнении условия срабатывания ИО напряжения и ПО тока,
фиксируемых метками KuN соответственно, запускается орган выдерж-
ки времени ОВ и обеспечиваются отключение выключателя Q, возврат
органа выдержки в исходное положение и возврат пускового и измери-
тельного органов
При невыполнении одного из условий срабатывания циклы повторяются.
Пуск защиты осуществляется или от реле минимального между фазного
напряжения, или от фильтра-треле 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 KF и действует совместно с
14
i’itc. 4.10. ®)iiniu<«iijiLiiaB cxciHii («) ч
схемы ucncii ii'pCMCiiiioiv ч.чпрчхепчч
(15) >i vticp»i niitioi'(> гока (e)
™сЪ KVtc
в)
реле KA измертсльного органа тока (HOT) по логической схеме И на пуск
реле времени КТ.
Во время КЗ, когда возрастает ток и уменьшается напряжение, срабаты-
вают оба измерительных opiana ИОН и НОТ и с заданной выдержкой вре-
мени МТЗ действует на отключение. Если же в результате перегрузки за-
щищаемого элемента токовое реле КА срабатывает, ИОН блокирует дейст-
вие МТЗ, поскольку реле напражения КУ не срабатывает. Иедействие ИОН
при перегрузке обеспечивается выбором уставки реле КУ такой, чтобы оно
не срабатывало при минимальном рабочем напряжении Благода-
ря этому ток срабатывания КА отстраивается ие от /ра6 |пах, а от тока на-
грузки нормального режима /р ||орм:
ке
Сравнив выражения (4.12) и (4.23), можно убедиться, что чувствитель-
ность 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 4.1С, б) Такая схема обеспечивает надеж-
ное 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 дейст-
вие от тока перегрузки, в схеме предусмотрена сигнализация при замыка-
нии контакта реле KL.2 (рис. 4.10, в).
Напряжение срабатывания ИОН определяется
</ =Чл™,,. и =
" *о,Л ’
гдеЛв = 1,1 1,25; Лстс = 1,1 -1,2; Opa6l1i|II остаточное напряжение при
самозапуске электродвигателей; Kff - коэффициент трансформации транс-
форматора напряжения.
При этом обеспечивается возврат реле минимального напряжение (раз-
мыкание контактов КГц?- XVсд) nocjie восстановления минимальною ра-
бочего напряжения в если после отключения внешнего КЗ.
Чувствительность ИОН при КЗ определяется коэффициентом кч =
Цгз^ктах»1516 Ц«в®к — максимальное значение остаточного напряже-
ния при КЗ в конце второго (резервируемого) участка МТЗ; при этом до-
пустимо, чтобы к., > 1.2.
Во втором варианте (рис. 4.11, а) ИОН выполняется комбинированным
из двух реле напряжения A'l7, KV2. Реле максимального напряжения KV2,
включенное через фильтр напряжения обратной последовательности ZV2
(013), служит для пуска МТЗ при несимметричных КЗ- Реле минимального
напряжения КК/, включенное через размыкающий контакт KV2, предна-
значено для действия ИОН при трехфазных КЗ. Такая схема ИОН по срав-
нению с первым вариантом (см. рис. 4.10) обеспечивает более высокую
чувствительность как при несимметричных, так и при симметричных КЗ.
При несимметричных КЗ появляется напряжение ОН, реле KV2 Срабатыва-
ет, обусловливая отпускание Кк'1. последнее замыкает контакт Л'К/, разре-
шая действовать МТЗ.
Рис. 4.11. Схемы комбинированного пуска от реле мииита.плого к реле
напряжении сбратаок иослеаовпелыюети (о) » цепей оперативного тока (б)
76
Напряжение ОП срабатывания реле КУ2 отстраивается от напряжения
небаланса J7f6 фильтра ZF2:
(«5)
При трехфазном КЗ в первый момент его возникновения кратковремен-
но (в течение 0,02—0,05 с) возникает несимметрия напряжений, сопровож-
дающаяся появлением напряжения обратной последовательности t/2.
В результате в первый момент КЗ срабатывает реле KV2 и затем после раз-
мыкания его контакта реле KVI. После исчезновения несимметрии контакт
KV2 снова замыкается и на реле ЛТ7 подается напряжение (/^, равное
остаточному напряжению в месте установки МТЗ. Реле ЛТ7 остается в со-
стоянии после срабатывания, если напряжение возврата t/B3> •
5
ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
СО СТУПЕНЧАТЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЛГ ОРИ1 МА
Токовыми иаправ-ченншии называются защиты, реагирующие на ток,
проходящий в защищаемом элементе, и фазу (направление) тока относи-
тельно 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, анало-
гичные используемым в токовых защитах, и измерительные органы направ-
ления (фазы) ПОНТ, разрешающие защите действовать лишь при направле-
нии тока, совпадающем с принятым положительным направлением.
Принцип действия направленной зашиты иллюстрируется соотноше-
ниями при КЗ на линии с двухсторонним питанием (рис. 5.1, а).
Следует напомнить, что в рассматриваемой сети максимвльная токовая
направленная защита ие может обеспечить селективное отключение КЗ.
Действительно, при КЗ в точке К1 через защиты 2 и 3 проходит ток »и
для селективного отключения выключателя 3 необходимо иметь выдержу
времени защиты 3 меньше выдержки защиты 2. Однако при КЗ в К2 через
а)
Рис. 5.1. Схема сети (л) и вектор-
ная диаграмма электрических ве-
личия при КЗ в KI w К2 ф )
эти же зашиты проходит ток /к2, и для селективного отключения выключа-
теля 2. наоборот, /2 < 1-у •
При КЗ в точке KI ток 7 к1 (рис. 5.1, б) смешен относительно ЭДС £С|
ив угол <рс j. и напряжение на шинах подстанции Б опережает ток 7 к1 на
угол ф,. Это напряжение подводится к ПОНТ защит 2 и 3 в качестве опор-
ной величины.
Поскольку ток 71(1 в защите 3 совпадает с принятым для нее положи-
тельным направлением, ток в ПОИТ этой защиты положителен и отстает
относительно U.. на угол ~ <р,. Относительно условного положительно-
го направления в защите выключателя 2 ток 7 к1 отрицателен: на диаграм-
ме ток — 2к1 откладывается в противоположном направлении; при этом
угол ф2 +л Если угловая характеристика ПОНТ такова, что он сраба-
|ывает при ф3 и не срабатывает при q> = q>3 +л, то при КЗв К1 защита2
срабатывать не будет. Обычно угловые характеристики ИОНТ с граничны-
ми участками фГр|. Ф1р2 выполняются с диапазоном углов срабатывания,
составляющим я (фгр2 ° <рГр! + я). 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 относи-
тельно селективные защиты, токовые направленные выполняются ступен-
чатыми — состоящими из отдельных ступеней» часто трех (иногда четы-
рех). При выполнении трехступенчатой защиты ступени | в П предназначе-
ны для ликвидации повреждений на защищаемом элементе» ступень Ш ре-
зервирует ступени I и 11 (ближнее резервировапне), а также отказы защит
или выключателей смежных элементов (дальнее резервирование).
Как и в рассмотренных ранее токовых защитах самым грубым является
ПОТ1, а самым чувствительным ПОТ111, т.е. 7'ср>^ср>^ср - При этом
ступень I выполняется без выдержки времени, ступень II — с небольшой
выдержкой времени, а ступень 111 - со значительно большими, как прави-
ло, выдержками времени.
Структурная схема алгоритма трехступенчатой токовой защипы (услов-
но на одну фазу) приведена на рис. 5.2. Из токов i(t) и напряжений u(t),
подводимых от измерительных трансформаторов, после обработки в бло-
ках Ф получаются текущие значения характеристических величин — тока
/р для ИОТ всех ступеней, а также напряжения t/p, тока 7р и угла <j)p для
реализации ИОНТ
79
Фиксируются заданные значения параметров срабатывания каждой сту-
,1 ,н ,П1 _ „
пени по току /ср, /€р и »ср, а также токи возврата второй и третьей сту-
„ ,и ,П1
пеней /вр н /„ р .
Диапазон изменения углов <рр> в пределах которого допускается сра-
батывание ИОНТ и зашиты в целом, обычно составляет л и ограничива-
ется условием <ргр < <рр < <р|р +я, |де значение <prj) задается. Там же при-
ведены допустимые по условиями работы ИОНТ минимальные значения
4; г mm 11 Ч р inin
Если условия срабатывания по /р, (7р и <рр выполняются (рис. 5.2, а),
направление тока в защите от шин в сторону линии фиксируется меткой
К - I и следует проверка условий срабатывания ИОТ отдельных ступе-
ней (рис. 5.2, б).
Если ^р>/ср» то при Л' "* 0 фиксируется повреждение в пределах зоны
ступени 1 и подается сигнал на отключение выключателя.
Алгоритм ступени II имеет особенности, обусловленные выдержкой
времени и условиями возврата ИОТ при /Jp< /с'р. поскольку всегда < 1.
При /р1 > /Jp срабатывание ИОТ11 фиксируется меткой L + 1, и при К> О
запускается ОВП. В процессе набора выдержки времени производится
проверка выполнения условия срабатывания (метка L > 1). При выпояне-
II Ji
нии условии по току и времени I >1С происходит отключение выключа-
теля и обеспечивается возврат С?/?11.
Если в процессе набора выдержки времени после отключения внешнего
КЗ окажется /рС/^р, то проверяется условие возврата ИОТ /р < /вр. При
его выполнении происходит возврат ИОТ (£ — С) и ОВ11. При /р >/вр на-
бор выдержки времени продолжается. Функции третьей ступени защиты
выполняются аналогично.
При работе ступени 1 с выдержкой времени схема не отличается от при-
веденных для ступеней 11 и 111 (рис. 5.2, б).
5.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ТРЕХСТУЛЕНЧАТОЙ
НАПРАВЛЕННОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
Первая ступень — отсечка без выдержки времени. Селективность в ре-
жимах без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором тока срабатыва-
ния 14ОТ. Время срабатывания принимается для первой ступени защит
81
5.3. Ri ifioji unpHnir rjion сряГ>я'1шнипн>1 ctjiiciih 1
всех участков одинаковым и равным 4 j в ® - Практически, когда это требу-
ется, для отстройки от работы трубчатых разрядников, создающих кратко-
временное КЗ. вводится некоторое замедление с.
Ток срабатывания ступени I на линиях с двухсторонним питанием вы-
бирается следующим образом (рис. 5.3).
1 Ток срабатывания НОТ1 ступени 1 должен быть выбран больше урав-
нительного тока /ур в линии при качаниях или выходе генераторов из сия
хронизма, так как измерительные органы направления в этих режимах мо-
гут срабатывать, а действие защит на отключение в указанных режимах ие
допускается
Наибольшее значение тока /ур упрощенно определяется в предположе-
нии равенства модулей ЭДС Е, = Е2 = Ем при расположении их в проти-
вофазе друг относительно друга:
'yp-2»Z£. (5|>
где Z% — сумма сопротивлений систем ZltZ2 и линий Z4.
Ток срабатывания первых ступеней защит / и 2:
^С.З ~ ^СГС^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 НОТ1 при внешних КЗ. В сети любой конфигурации первые ступени то-
ковых защит могут быть выполнены ненаправленными, если будут ©дно-
82
временно выполнены условия отстройки от токов внешних КЗ, как при на-
правлении тока от шин в линию, так и в случае направления его к шинам,
т.е. при коротких замыканиях в точках К) 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 Ki:
4.31 “ 4-Д = Лот</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 су-
щественно меньше зоны /J пли вообще исчезнуть.
3. Для повышения защитной способности первой ступени защиту со
стороны маломощной системы целесообразно выполнять направленной.
При внешних КЗ в точке К/ срабатывание защиты 2 будет исключаться
ЙОНТ. Поэтому ес ток /J слеДУст вместо (5.3) выбирать только по ус-
ловию отстройки оттока в защите при КЗ в точке К2:
4.з2н = Кпх/к!' С* 4)
Очевидно, что зона /7|1 увеличивается
Если при выборе /сз1 определяющим явилось условие (5.2), то выпол-
нение первом ступени защит направленными нс имеет смысла. Таким об-
разом оказывается, что в сетях сложной конфигурации первые ступени це-
лесообразно выполнять направленными, только когда при этом повышает-
ся их защитоспособиость.
Вторая ступень — направленная отсечка с выдержкой времени — основ-
ная защита части участка, где уже не работает ступень I. поскольку /к </сэ
Селективность без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором вре-
мени срабатывания (выдержки времени) г*3 и тока срабатывания /Д
Обычно выбирается всех защит одинаковым (как и для простых то-
ковых) и на ступень выдержки времени А/ - 0,5 с большим выдержек вре-
мени первых ступеней или быстродействующих защит предыдущих эле-
ментов, например защит трансформаторов:
/“=/'+At = (0,5—0,6) с.
83
Особенности выбора /сз в общем случае рассматриваются примени-
тельно к защите сети с питанием на промежуточной подстанции (рис. 5.4).
Все защиты предварительно приняты направленными и дейсгвуюшими
в направлениях, обозначенных стрелками. В этом случае выбор /**3 может
производиться независимо для группы зашит только одного направления,
например зашит / и 3.
При принятых выдержках времени гсз может быть допущено срабаты-
вание измерительного органа тока второй ступени защиты / (НОТ'') при
КЗ на части предыдущего участка линии W2 или в трансформатор Т, где
еще гарантируется срабатывание первой ступени защиты 3 или быстродей-
ствующей защиты трансформатора Т, действующих на отключение выклю-
чателей 3 и 5 соответственно, прежде чем будет набрана выдержка време-
ни органом выдержки времени второй ступени защиты / (ОВ?1).
Следовательно, ток срабатывания второй ступени должен быть выбран
ббльшим тока в защите / при коротком замыкании в конце зоны, защищае-
мой первой ступенью защиты 3, чему соответствует точка К2, когда
/з3 = /сз3, а также ббльшим тока при КЗ за трансформатором (КЗ), где
уже не работает быстродействующая защита трансформатора.
В4
При КЗ в точке К2 /з1 = /', (рис. 5.4), поэтому
рч
I ок срабатывания второй ступени может быть определен графически или
пылитически.
Отношение тока в рассматриваемом защите / к току в защите 3 можно
определить коэффициентом токораспределения
*тл <5-Ф
который равен отношению токов + /„з) и остается неизменным
ори КЗ в произвольной точке поврежденного участка. Аналогично при КЗ
а трансформатором А1Т = /,|//35 • С учетом этого
(5-Л
&4М>-
где с - коэффициент отстройки вторых ступеней.
Из (5.7) и (5 8) принимается большее значение.
Целесообразность использования второй ступени с принятым значе-
нием оценивается коэффициентом чувствительности при КЗ в конце
защищаемого участка при минимально возможном токе короткого
,11 . /,П n Г ч
замыкания кч, = Л<ти/'сз1 • ^ля устойчивого срабатывания принимает-
ся*У> 1,3—1,5 [1].
При недостаточном коэффициенте чувствительности, если определяю-
щим явилось условие (5.7), для повышения чувствительности второй сту-
пени ток з । может быть выбран по условию отстройки от КЗ в конце зо-
ны второй ступени предыдущей защиты (не первой ступени) при одновре-
менном увеличении выдержки времени:
= (S’)
(5 10
Условие (5.8) остается неизменным. Следовательно, вторые ступени от-
дельных защит в сети могут иметь в общем случае различные выдержки
времени. Аналогично определяются параметры срабатывания зашит про-
тивоположного направления — 2 и 4.
85
Рис. 55. Оиредсисние выдержек времени макеимаяьи
ты третьей стувсни
милешюй няшн-
Если выдержки времени вторых ступеней защит с двух сторон одного
участка (например, защит / и 2) оказались одинаковыми» то ПОНТ необ-
,11 « г'<
ходим лишь в защите с меньшим /сч: защита с большим /CJ уже оказы-
вается согласованной с первой ступенью защиты другого направленна,
находящейся сзади.
Третья ступень— максимальная токовая направленная защита.
Селективность в режимах без КЗ обеспечивается выбором тока сраба-
тывания, а при внешних КЗ выдержкой времени
Выбор параметров срабатывания рассматривается применительно к се-
ти с двухсторонним питанием (рис. 5.5). Предварительно принимаются все
зашиты направленными. Выдержки времени в этом случае выбираются по
встречно-ступенчатому принципу, в соответствии с которым в группе за-
щит каждого направления выдержки времени выбираются независимо по
ступенчатому принципу (как для ненаправленных токовых), начиная с за-
шиты, наиболее удаленной от источника литания, обусловливающего про-
хождение тока заданного направления.
Для приведенной схемы: одна группа защит (начиная от наиболее уда-
ленной) 5,3, /, вторая — 2,4,6. Тогда:
*5 =(Ю +Аг; Г3 + А*, f3 ^<9 + Af; +Л/, l’A/J
/2 =^7+Л<; /4 S/2 +А*, ?4 ztg if ^(4 + Af, if +A/-
Выдержка времени каждой защиты принимается большей из получен-
ных для нее значений.
Анализ полученных значений выдержек времени позволяет определить
зашиты в сети, которые можно выполнить ненаправленными. Например,
если > г3, то защиту 4 можно выполнить ненаправленной, при коротком
86
замыкании на ИЗ защита 5 отключит выключатель 5 прежде, чем наберет
выдержку времени защита 4, так как /5 < ty.
Следовательно, на каждом участке сети третья ступень выполняется на-
правленной 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 не-
скольких условии.
1. Для исключения срабатывания защиты в режиме, когда проходит
максимальный рабочий ток «пах»необходимо, чтобы
<5||>
Поскольку при нарушении цепей напряжения МОНТ может срабатывать
излишне, при определении /р.({51лах следует учитывать также и токи, на-
правленные в нагрузочных режимах к шниам.
2. Измерительным орган тока третьей ступени после срабатывания при
КЗ на смежном участке должен вернуться после отключения КЗ выключа-
телем поврежденного участка. С учетом этого ток срабатывания защиты
<5|2>
ток срабатывания измерительного органа
<5|3>
где А^**с = 1,1—1,2 — коэффициент отстройки; А' — коэффициент запус-
ка; Ав — коэффициент возврата НОТ; Kf — коэффициент трансформации
трансформатора тока.
3. Для исключения срабатывания ИО после успешного АПВ на защищав -
,П1 - -
мои линии ток /с э должен быть выбран большим токов самозапуска элек-
тродвигателей в этом режиме, учитываемых коэффициентом запуска А'':
.in .in.//, /с ...
4з ^отсЛз^рабтах- (5-14)
Значения А' и Л" изменяются в пределах 1,2—4.
Учитывая кратковременность режимов, в некоторых случаях принима-
ют ^раб шах расч в (5.12) и (5.13) только направленными от шин, когда сраба
тывают ЙОНТ.
87
4. Ток срабатывания третьей ступени зашиты должен быть отстроен от
тока в неповрежденных фазах при КЗ на землю.
При наложении тока нагрузки и тока повреждения (аварийной состав-
ляющей) и неблагоприятной фазе между результирующим током в непо-
врежденной фазе /це1ТОир и напряжением» подводимым к ПОНТ, последний
может срабатывать неправильно. Для исключения срабатывания ступени
/1Н>/ (5.15)
'сз ^'иеповр
5. Третьи ступени защит одного направления должны быть согласованы
по чувствительности, т.е. защита, расположенная ближе к источнику пита-
ния должна иметь больший ток срабатывания.
г, .111 _ ,111 ,111 о г
В нашем случае (са, >!с&> Это условие необходимо, так как
обеспечивает несрабатывание защиты последующего участка в случаях,
когда защита предыдущего не срабатывает из-за недостаточной чувстви-
тельности. Из рассмотренных определяющим является условие, дающее
большее значение . Иншда в учебных и некоторых инженерных расче-
тах ток 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
.111 - Г 14
АЧ1 ' С5',б>
и как резервной в конце смежных участков
.Ш _ . ,.111 .111 _ , ,.111 .
Йч1 “ /р|1вш(К2)/,ср> Яч1 'plmhi(K4)z/cpl- р
В сетях с глукозаземпенными нейтралями напряжением UtVM > UC кВ
широко используются от однофазных и двухфазных КЗ на землю токовые
направленные защиты нулевой последовательности со ступенчатыми ха-
рактеристиками выдержек времени.
Измерительный орган тока и цепи тока измерительного органа направ-
ления включаются на трехтрансформаторный фильтр тока нулевой после-
довательности, а цепи напряжения подключаются к обмоткам трансформа-
тора напряжения, соединенным в разомкнутый треугольник — фильтр на-
пряжения нулевой последовательности.
При КЗ на землю токовая направленная защита нулевой последователь-
ности 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,
88
выдержки времени чувствительной ступени защиты нулевой последова-
тельности в ряде случаев оказываются ниже максимальной токовой зашиты;
чувствительная ступень защиты нулевой последовательности имеет
более высокие коэффициенты чувствительности, чем максимальная токо-
вая зашита.
Кроме того, при КЗ на землю, когда приходит в действие токовая на-
правленная 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 фа-
зах, что в ряде случаев повышает ее чуветвигеяъность.
Параметры срабатывания ступеней токовой направленной зашиты ну-
левой последовательности выбираются аналогично в соответствии с основ-
ными положениями, применительно к токовой направленной защите на
полных фазных токах и с учетом специфических особенностей, обуслов-
ленных заземлением нейтралей трансформаторов промежуточных под-
станции, бросками нама1 ничиваюшего тока трансформаторов с заземлен-
ными нейтралями, а также взаимоиндукцией параллельных линий [2,4].
В нормальном режиме работы кольцевой сети (рис. 5.6), когда все вы-
ключатели включены, в линиях проходят токи /ра61|Орм. При размыкании
кольца, например выключателями / или б, рабочие токи увеличиваются
'раб шах •
1. Выдержки времени защит 2 и 5 приемных сторон головных участков
WI и W3 могут быть приняты равными нулю
так как при внешних КЗ, например в KI, через зашиты кольца токи JK не
проходят и не срабатывает ИОТ, а при КЗ в точках К2 или КЗ не срабаты-
вает ионт.
2. Для зашит 2 и 5 приемных сторон головных участков можно принять
= 0, т.е. можно исключить ПОТ
так как во всех режимах нагрузки, а также и
при внешних КЗ в кольце, но за пределами
головных участков гоки в защитах 2 и 5
всегда направлены к шинам и ИОНТ не сра-
батывают. I г——-—-——1 ’ I
Практически возможно неправильное 5LrJ LJ 1_JL_ю
срабатывание ИОНТ в нагрузочном режиме рю тГ|
при перегорании предохранителя в цепях на- т g%
пряжения (рис. 5.7). Если, например, ИОНТ2
включен на напряжение (Z2fcc и ток ~—2а 1>ис’ S,6‘ Кольцевяй <сть * единю
источником питания
Гис. 5.7. Цени 1ЯИ|1>1ЖС1И»1 ПОНТ («) векторная диаграмма при leper орании предо-
хранители н факс С (6)
(знак минус учитывает направление к шинам), то в нагрузочном режиме
при угле Фр между напряжением и током он не срабатывает.
Однако при перегорания нредохра1нпгеля, например в фазе С, к ИОНТ2
подводится напряжение 0,51/2^. угол изменяется до ф" и ИОН2 может
сработать. Для исключения срабатывания запшт 2 и 5 при перегорании
предохранителя их выполняют с НОТ, но при этом токи 5 выбирают
по рабочему току нормального режима /рП{511СрМ и коэффициент запуска
принимают А' = I (маловероятны совпадения режимов перегорания пре-
дохранителей и внешних КЗ):
г —J = L t II
с.з2 сз5 отс раб норм' в"
3. Для правильной работы при КЗ в зоне каскадного действия защиты
каждого направления должны согласовываться по чувствительности (то-
кам срабатывания): защиты, расположенные ближе к источнику питания,
должны иметь больший ток срабатывания
Рис. 5.8. Каскадная работа макси-
мальной токовой ияпрянисинпй
зашиты в кольцевой ти
(см. рис. 5.6)
Каскадным называется такое действие
зашит одного участка, когда зашита одной
из сторон начинает действовать лишь по-
сле отключения выключателя с другой
стороны.
При перемещении точки КЗ на голов-
ном участке кольцевой сети (рис. 5.8) от
шин подстанции Б к шинам подстанции А
составляющая тока КЗ 1з2 в защите 2 при
90
замкнутом кольце может снижаться до нуля. На участке, в пределах которо-
го при КЗ /а2 < з2, защита 2 не срабатывает. Однако, поскольку КЗ распо-
ложено вблизи питающей подстанции, составляющая тока /3( в защите /
значительна, и се ИОТ срабатывает и пускает орган выдержки времени, по
истечении которой отключается выключатель /. После отключения выклю-
чателя / увеличивается ток в защите 2 до /'2 > ^с.з2 11 последняя срабатыва-
ет, 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 /с < lc з2 и < / | при КЗ в зоне каскадного действия зашита 4 мог-
ла бы сработать прежде или одновременно с защитой /, т.с. излишне от-
ключить W2.
5.3. ХЛРЛ1С1ЕРИСТНКИ, ПАРАМЕТРЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ
ИЧМЕРИ1ЕЛЫ1О10 ОРГАНА НАПРАВЛЕНИЯ
По определению токовой направленной защиты ИОНТ должны разли-
чать изменение фазы между напряжением Up и током /р при КЗ в на-
правлении от шин, кщда защита должна сраба1ыватъ, и яри КЗ в противо-
положном направлении, когда защита срабатывать не должна. Как показа-
но выше (см. рис. 5.1, б), при перемещении точки КЗ через место установ-
ки защиты в любом направлении фаза тока короткого замыкания изменя-
ется нал. Поэтому для определения направления к месту КЗ достаточно
фиксировать значение фазы тока КЗ относительно какой-либо мвло изме-
няющейся по фазе электрической величины, например остаточного напря-
жения на шинах подст анции.
Поскольку функцией ИОНТ является только правильное определение
направления к месту КЗ (ие измерение мощности), этой электрической ве-
личиной может быть как напряжение контура короткого замыкания, так и
любые другие из имеющихся ризных или междуфазных напряжений (ино-
гда токи) трехфазной системы*.
В общем случае ИОНТ выполняются на основе известных элементов
сравнения фаз электрических величин с ограниченной чувствительностью
как по току /с.рп11П, так и по напряжению Ц-рщь, [5, 6]. чувствительность
ИОНТ по току не должна быть ниже чувствительности ИОТ наиболее чув-
ствительной, например третьей, ступени, чтобы не ограничивалась чувст-
вительность защиты по току в целом.
* Во всех сжучияк, кроме первого, сочетание тока КЗ и нагряисепия других контуров не
отражает никакой реальной мощности, и поэтому правомернее говорить с тагрввленми тока
91
Высокая чувствительность ИОНТ по напряжению необходима, по-
скольку срабатывание ИОНТ возможно, если (7р > Ц.ргой), а при близком
трехфазном КЗ все фазные и междуфазные напряжения могут приближать-
ся к нулю.'Если при трехфазном коротком замыкании МОНТ не срабатыва-
ем, поскольку t/p < Ц-pmin- то данное повреждение находится в пределах
«мертвой» зоны защиты. Напряжения нулевой и обратной последователь-
ностей имеют наибольшие значения в месте КЗ, а с удалением последнего
снижаются и могут быть также меньше Ц, р .
Схема включения ИОНТ, т.е. сочетание полных фазных токов и напря-
жений или их симметричных составляющих на его входах, должна позво-
лять срабатывать ИОНТ во всем диапазоне изменения сдвига по фазе меж-
ду подведенными величинами во всех возможных случаях КЗ на защищае-
мом присоединении (виды КЗ, внутреннее сопротивление системы, пере-
ходные сопротивления) и не допускать срабатывания при противополож-
ном направлении тока.
Схемы включения выбираются также с учетом необходимости подведе-
ния возможно больших напряжений при всех условиях, когда защита
должна срабатывать.
В защите от междуфазиых КЗ при использовании в качестве поляри-
зующего напряжение контура короткого замыкания возможны отказы при
всех близких КЗ.
При пофазном включении ИОНТ лучше использовать фазные или ме-
ждуфазные напряжения, не принадлежащие контуру КЗ. В защите от ме-
ждуфазных КЗ обычно применяется девяностоградусная схема, когда к
каждому измерительному органу, включенному на один из фазных то-
ков, подводится напряжение между двумя другими (чужими) фазами:
',= '« и,=и„с; 2„=/,, (5.19)
Для приведенной схемы включения ИОНТ необходимо оценить возмож-
ные пределы изменения угла<рр между током /р и напряжением Up при
КЗ как в области срабатывания, так и в обратном направлении. Это позво-
лит определить требуемую угловую характеристику срабатывания ИОНТ
При трехфазных КЗ (рис. 5.9) за пределами «мертвой» зоны угол
изменяется от ф^ = я/2 при отсутствии переходного сопротивления до
(3) л
фк = U, когда в месте повреждения имеется значительное активное пере-
ходное сопротивление R„- Из диаграммы видно, что при положительном
токе X р = угол фр относительно напряжения (Jp изменяется в пре-
92
Гис. 5.9. Изменение при и дсвяко-
CTDi paqjciioii схеме включении ПОНТ
<слах —JT/2 < фр < О. При КЗ в противоположном направлении, когда
/р = — и 1401 IT не должен срабатывать, я > <р" > я/2 (углы положи-
тельные от напряжения к току по часовом стрелке).
При замыкании между даумя фазами пределы изменения угла <рр за-
висят как от значения /?п, так и от удаленности повреждения от места
включения I4OHT
В результате анализа векторных диаграмм при двухфазных КЗ с учетом
всех возможных условий и при положительном токе /р изменение угла
оказывается ограниченным пределами -2я/3 < фр < п/6. При противопо-
ложном направлении тока /р при этих же условиях п + п/6 > фр > п/3.
В неповрежденной фазе ток нагрузки может быть направлен как к шинам,
гак и в противоположном направлении. Поэтому работа I4OHT обычно кон-
тролируется ИОТ, отстроенным от наибольших токов нагрузки. Отсюда сле-
дует, что диапазон изменения сдвига фаз при входит в диапазон при
и, следовательно, необходимо учитывать пределы — 2л/3 < фр <я/6.
На рис. 5.10, а в полярных координатах лучами I—I' ограничен диапа-
зон изменения <р? при положительном /р, соответствующем направле-
нию срабатывания 14ОНТ, а лучами 2 -2*— при отрицательном /р или в
направлении несрабатывания. В этих условиях оптимальной является угло-
вая характеристика срабатывания ПОНТ в виде прямой О—0' равноотстоя-
щей от границ областей срабатывания и несрабатывания При этом дости-
гаются лучшие условия для срабатывания при положительном /р и <рр,
близких к граничным, а также максимвльно возможная отстроенность при
противоположном направлении тока.
Угловая характеристика идеального ЙОНТ с неограниченной чувстви-
тельностью представляет собой прямую, проходящую через начало коор-
динат, область срабатывания которой полностью определяется условием
“(я/2+ фмч)<ч>р < л/2—фмч
(5.20)
93
Fue.5.10. Ilihii'Hcmic v(1 Mini и ji.'icubic кярйктерпсгикп «щсйньвых (л) и реаль-
ных (»> ПОИТ
Здесь фмч угол максимальной чувствительности, образуемый перпен-
дикуляром к угловой характеристике 0—О' в начале координат. Угловая
характеристика реальных 1401 IT проходит не через начало координат, а на
расстоянии, определяемом чувствительностью 140 по напряжению Чрлцп
(рис. 5.10, б).
В этом случве при /р > ^рщц напряжение срабатывания при произ-
вольном q>p
!4Р !сГ.„./сгй(ч>,>‘1 Ч>,<) (5.21)
и только при = — <РМЧ орган срабатывает при минимально возможном
Ч р “ Ч р nun •
Для девяностоградусной схемы включения оптимальным является угол
ч>„. "И
В общем случае, независимо от элементной базы и способа выполнения
ИОНТ, его угловую характеристику срабатывания в соответствии с (5.21)
можно представить зависимостью:
С4рСО5(ч>р+ч>„,)-Ц.р11„„. (5.22)
где — алгебраическая величина.
Получение заданного угла максимальной чувствительности обеспечи-
вается только при определенном включении цепей тока и напряжения,
для чего обычно начала (концы) этих цепей маркируются. За начало од-
ной из цепей принимается произвольно любой, а за начало второй при
принятом начале первой, принимается тот ее конец, при котором обеспе-
чивается заданный <рмч. Принятые начала (концы) могут обозначаться.
например, звездочками.
94
Flic. 5.11. Коронин limn Hcanue ня п'м no
(<r), iM-Kropimii nini-рзмма («) u уиювйн
характеристика (c) I1IMIT при использо-
наиии iij'acBOH иосладоватеяопостн
Параметры угловой характеристики ИОНТ при включении на состав-
ляющие токов и напряжений нулевой последовательности должны опре-
деляться из соотношений при КЗ на землю в сети с гпухозаземленной
нейтралью (рис. 5. II). Напряжение нулевой последовательности макси-
мально в месте КЗ и равно нулю в нейтрали трансформатора. При вы-
бранном положительном направлении /0 к месту КЗ напряжение б/() щ
на шинах подстанции (в месте установки защиты), подводимое к ИОНТ
ш = 0 — . Так как сопротивление Zqt близко к индуктивному, а
переходное сопротивление /?п не может влиять на фазу t/0 |;|, то фр всегда
близок к —я/2. Практически, т ак как гок /0 может замыкаться через ней-
трали трансформаторов и линии других подстанций, угол фр отличается от
указанного и составляет —(я/2 + 6) ~ -2 л/З. Тогда для получения
наибольшей чувствительности при включении ИОНТ на составляющие ну-
левой последовательности, как и ранее, желательно иметь фыч = — <рр() -
= я/2 + 6.При фр = -2тг/3значение I7cp - l^pinm положительное и ми-
нимальное, что соответствует фыч. При граничных углах фр = — я/6 и
Фр = -(я + я/6)значение Ц,р —* ©°, т.е. ИОНТ ие срабатывает. Как сле-
дует из рис. 5.11, в, вектор /0 находится вне зоны срабатывания. Поэто-
95
му при подключении ПОНТ к ТА и TV необходимо изменить полярность
подключения цепей тока. Возможно изменение полярности цепей напря-
жения. Тогда часть нижией полуплоскости (рис. 5.11, в) будет зоной сра-
батывания, а <Р = —<71/2 -6). Угловая характеристика при этом описы-
вается выражением
'1,Л'4.,„.,Мфр № Ч.«’"ЧР “Ч 'Sir6pr +6).
В этом случае при 5 ~ л/6 и фр = я/3 значение Ц, р = Ц, р положитель-
ное и минимвльное, что соответствует <рмч.
При практической реализации I4OHT предусматривается изменение ха-
рактеристики: для девяностоградусной схемы <рмч — -(л/6 л/4), при
включении на слагающие нулевой последовательности 6 < 71/6.
В направленных защитах обратной последовательности к ПОНТ подво-
дятся напряжение 1/2. ток /2 и используются фильтры обратной последо-
вательности различных типов. Напряжение (72 от наибольшего в месте КЗ
снижается до нулевого значения в нейтралях генераторов и нагрузок. По-
этому напряжение 1/2. подводимое к защите, можно определить падением
напряжения на сопротивлении от ближайшей нейтрали до места установки
защиты. Угол между' напряжением U2 и током /2 определяется только со-
противлением до нейтрали и ие зависит от изменения /?Г| в месте КЗ. По-
этому, как и в случае пулевой последовательности, комплекс t/2 располо-
жен в третьем квадранте, а угол ф2 = — (я/2 +6).
При определений угла максимвльной чувствительности необходимо
учесть комплексные коэффициенты преобразования используемых фильт-
ров тока и напряжения обратной последовательности.
Возможно выполнение I4OHT с угловыми характеристиками срабаты-
вания различного типа. На рис. 5.12, а представлены угловые характери-
стики ПОНТ косинусного при фмч = 0 - линия /. синусного при <рмч =
эт/2 — линия 2 и смешанного типа — линия 3. На рис. 5.12, б показана уг-
ловая характеристика смешанного типа» представляющая зависимость
! с.Р =/(Ч>) при неизменном токе /р
Вольт-амперная характеристика устанавливает зависимость между
входными напряжением и током в условиях срабатывания Ucp ' при.
фр = фмч. Из угловой характеристики определено» что при <Рр ~ <РМЧ на-
пряжение срабатывания равно минимальному Ц.рпйп. Практически
Ц:рпчп не остается постоянным при изменении входного тока вследствие
изменений режимов работы нелинейных элементов н теперь.
96
Hut'. S. 12. >T иные характеристики HOUT в irojiHpiioii (л) и прямоугольник (С) снсте-
1ИЯХ КООрДТШПТ
Вольт-амперная характеристика Uc p =
= /(/p) ПР*1 4>p = Фмч АЛЯ ИОНТ на основе
аналоговых интегральных элементов приве-
дена на рис. 5.13.
На основании изложенного основными ха-
рактеристиками ИОНТ являются: угловая ха-
рактеристика Ц.р /(фр) при /р = /иом, ми-
нимальные напряжение срабатывания t4pmm
и ток срабатывания /с р lia-r при ф р = ф м ч.
«Мертвая» зона /мз токовых направленных
зашит при вблизи места установки защи-
ты и включении ИОНТ по девяностоградусной схеме определяется напря-
жением в конце этой зоны;
^3)-
Рис. 5.13. Волы-амперная ха-
рактеристика
(5.23)
где — ток при на шинах подстанции, где установлена зашита
(определение при на шинах, а не в конце зоны на расстоянии /ыз
от шин дает допустимые погрешности); Ки — коэффициент трансформа-
ции IV, к которому подключен ИОНТ.
Длина «мертвой» зоны определяется из условий (5.21) и (5.23):
(ЗМ)
Современные ИОНТ имеют относительно небольшие C7cprnjn (доли
вольта) и незначительные /м 3. При необходимости эти зоны должны быть
защищены ненаправленными отсечками.
97
Для ИОНТ, включенного на слагающие кулевой последовательности,
проверяются его коэффициенты чувствительности в зоне резераирования
чувствительной ступени. Так как на работу этого органа ие оказывает
влияние переходное сопротивление в месте КЗ, то он работает всегда вбли-
зи угла максимальной чувствительности. Поэтому его коэффициенты чув-
ствительности по току и напряжению.
= 3/0з11111/К, 4рши1» (5.25)
(5.26)
где 3/оЗП1Ш, 31/р3|П|П — минимальный ток и напряжение в защите при КЗ
в конце зоны резервирования.
Возможность использования ИОНТ в этом случае оценивается требова-
нием Кч > 1,2.
При недостаточной чувствительности в некоторых случаях может быть
использован блокирующий ИОНТ при направлении /к к шинам он запре-
щает защите действовать, а при направлении /к от шин его срабатывания
для действия защиты на отключение ие требуется. Возможность использо-
вания такого органа определяется требованием его сраба тывания npi КЗ с
направлением тока к шинам подстанции н значением тока, равным току
срабатывания чувствительной ступени.
5.4. СХЕМЫ ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ. ОЦЕНКА И ОБЛАС ТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТ
Функциональная схема трехступенчатой токовой направленной зашиты
(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 141 и через выходной элемент (ВЭ)
Put. 5.14. Функциональная схема трех-
сзупспчаюн направленной токовой за-
щиты (условно на одну фазу)
защита действует па отключение вы-
ключателя.
При КЗ в зоне ступени II при дей-
ствии ИОНТ сигнал с выхода 142 при-
водит к запуску органа выдержки вре-
мени ОВ11 и после набора выдержки
времени з зашита также действует
на отключение выключателя ().
Аналогично действует ступень 111
Если как.1я-то из ступеней не контро-
лируется ИОНТ, из схемы исключает-
ся соответствующий элемент 14.
Цепи тока в схемах токовых на-
правленных защит, как и в токовых,
98
в сетях с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через ду-
гогасящий раактор, выполняются двухфазными (от всех видов КЗ). Наибо-
лее часто используется схема неполной звезды. При недостаточном чувст-
вительности к КЗ за трансформатором Y/A-l 1 применяется трехрелейная
схема неполной звезды.
В сетях с 1лухозаземленными нейтралями используются только трех-
фазные схемы, необходимость которых обуслоалена однофазными КЗ.
Как правило, для действия при КЗ на землю используются слагающие
нулевой последовательности. В соответствии с этим применяются комби-
нированные схемы неполной или полной звезды от междуфазиых КЗ в со-
четании с фильтрами токов нулевой последовательности.
Цепи напряжения подключаются к вторичным обмоткам TV комплекта
от междуфазиых КЗ на междуфазиыс напряжения, а комплект нулевой по-
следовательности к вторичным обмоткам, соединенным по схеме ра-
зомкнутого треугольника.
В качестве примера рассматривается схема защиты для сети с глухоза-
землеиной нейтралью Защита выполняется трехступенчатой от междуфаз-
ных КЗ с включением ее измерительных органов на полные токи и напря-
жения фаз и двухступенчатой нулевой последовательности от КЗ на зем-
лю, включенной на токи 3/0 и напряжения ЗЦ>. В качестве измеритель-
ных opiaiioB направления используется реле направления KIV, измери-
тельных органов тока — реле тока K7I, органов выдержки времени — ре-
ле времени КТ; промежуточные реле KL применяются для размножения
контактов измерительных органов и в качестве выходных элементов,
действующих на электромагнит отключения выключателя, указательные
реле КН сигнвлизируют о срабатывании отдельных частей защиты.
Принципиальные разнесенные схемы цепей тока и цепей напряжения
защиты приведены на рис. 5.15, а, 6.
Зашита от междуфазиых КЗ содержит реле направления KIVI и KW2,
реле тока первой ступени КА/ и КА2, второй ступени КАЗ и КА4 и
третьем ступени КА5 и КЛб.
KW3 КА1 КАЗ KAS
а)
б)
Гиг. 5.15. Схемы пене» тока (я) и напряжения (й) токтаей иапранленной зашиты
09
Защита от КЗ на землю содержит реле направления KIV3, реле тока КА7
и КА8 соответственно первой и третьей ступеней и реле напряжения КУ.
Токовые цепи зашиты от междуфазных КЗ выполнены по схеме непол-
ной звезды с включением реле на токи фаз А и С Реле направления вклю-
чены по девяностоградусной схеме: KWI — -р ~ -2а» — р = —21>с*
KIV2 — 2 р - 1гс и — р = ~2аЬ~ Токовые цепи зашиты от КЗ на землю
включены на ток 3/п> а цепи напряжения KIV3 и KF — на напряжение 3[/0.
Вторичные обмотки TV и ТА подключены к защитному заземлению, что
исключает появление высокого напряжения в цепях зашиты при наруше-
нии изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Защита выполнена на оперативном постоянном токе (рис. 5.16).
При КЗ на землю на контактах КА8 I и КУ выводится из работы ком-
плект от междуфазных КЗ. что позволяет ток срабатывания реле тока не
100
отстраивать от тока в неповрежденных фазах. Реле напряжения KV ис-
ключает вывод комплекта при срабатывании КА8 от тока небаланса при
междуфазных КЗ. Реле КА8 исключает вывод комплекта от междуфаз-
ных КЗ при двухфазном КЗ на землю, если чувствительность КА8 при
этом виде КЗ недостаточна.
Контакты KW1 и KW2 «размножаются» промежуточными реле KLI и
KL2, а контакт KW3 —реле KL4.
В защите от междуфазных КЗ ступени I и II выполнены направленными
(контакты KLL /. KL1.2, KL2.I и KL2.2Y а ступень III — ненаправленной.
В схеме оперативных цепей направленных ступеней осуществляется
пофазное управление реле KL {КТ) последовательно соединенными кон-
тактами реле KLI {KL2) и КА, включенными на ток одной и той же фазы.
Это исключает возможность излишних срабатываний защиты при КЗ на
чужих участках оттоков нагрузки в неповрежденных фазах. При КЗ на Я7
(рис. 5.17) в защите 3 могут, например, сработать КА4 (проходит ток /к) и
реле KWJ (замкнется контакт KL1.2Y так как /нагр направлен от шин, но
«+» к реле КТ1 подан ие будет.
В оперативных цепях реле тока первой ступени КА / и КЛ2 работают на
выходное реле защиты от междуфазных КЗ — KL3, а реле первой ступени
КА7 комплекта нулевой последовательности — па выходное реле KL5.
Реле KL3 и KL5 имеют небольшое замедление на срабатывание (-0,1 с),
исключающее работу первых ступеней на отключение при действии раз-
рядников. Размыкающие контакты KL3 / и KL5 / предотвращают срабаты-
вание указательных реле ступеней KHI и КН4 при действии разрядников и
замыкании контактов реле тока и направления.
При замыкании контактов KLI.2 {KL2.2) и КАЗ {КА4) пускается реле
времени KTI, 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 КПЗ 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 КПЗ вторая ступень зашиты
Рис. S. 17. Распределение токов с учетом токи патрулей
101
Каждый комплект защиты имеет отдельные реле времени (как и в токо-
вых защитах), так как их выдержки времени могут быть различны.
При замыкании контакта выходного реле KL3 2 через удеупк¥®акущую
обмотку II реле KL3, обмотку указательного реле КНб и замкнутый сиг-
нальный контакт выключателя Q (замкнут при включенном выключателе)
будет подано напряжение на электромагнит отключения К47’. При его сра-
батывании выключатель отключится, а контакт Q разомкнется несколько
раньше главных контактов, что исключит разрыв цепи YATконтактами ре-
пе защит при их возврате, ие рассчитанными на такую работу. Указатель-
ное реле КН6 сигнализирует о работе комплекта от междуфазнык КЗ на
отключение выключателя. Аналогично работает на отключение комплект
от КЗ на землю KL5.2, КН7 (см. рис. 5.16)
Токовые направленные защиты от междуфазиых КЗ могут выполняться
трехступеичатыми, содержащими ступени I, II и III. двухступенчатыми,
содержащими ступени I в III или ступени II и III, или одноступенчатыми,
содержащими одну ступень III.
Токовая направленная защита от междуфазиых. КЗ нс может выпокпять-
ся без третьей ступени (максимальной токовой направленной или ненаправ-
ленной защиты), так как она, единственная, может обеспечить выполнение
основной и резервной функций. Ступень, обеспечивающая резервирование
смех<ного участка, обязательна в защите нулевой последовательности.
Токовая напрааленная защита, содержащая направленную третью сту-
пень, обеспечивает селективность при внешних КЗ в сетях такой конфигу-
рации, где можно обеспечить выбор выдержек времени по встречно-сту-
пенчатому принципу: в радиальной сети с любым числом источников пи-
тания и в кольцевой сети с одним источником питания. Отдельные ступе-
ни 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 вы-
держек времени являются медленнодействующими защитами. Без выдерж-
ки времени КЗ отключается лишь на части линии в зоне первой ступени.
Исключением является максимальная токовая направленная защита, рабо-
тающая без выдержки времени, на приемных сторонах головных участков
кольцевой сети с одним источником питания.
Зона первой ступени Г значительно изменяется при разных режимах
работы системы и сети и может быть равной нулю.
Первая ступень, направленная со стороны маломощной системы, позво-
ляет 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 то-
ковые 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 се-
ти (кольцевые сети). Чувствительные ступени токовых направленных за-
щит нулевой последовательности во многих случаях обеспечивают необ-
ходимую чувствительность в зоне резервирования. Следует учитывать ог-
раничения чувствительности измерительных органов напрааления: «мерт-
вые» зоны защит, включенных по девяностоградусной схеме, недостаточ-
ные коэффициенты чувствительности в зоне резервирования ИОНТ, вклю-
ченных на слагающие нулевой последовательности.
Наличие целей напряжения, требующих учета возможного их наруше-
ния, существенно усложняет защиту по сравнению с токовой и снижает ее
функционал ьную надежность.
Защита используется как резервная и основная в сетях 35 кВ. В некото-
рых случаях максимальная токовая направленная защита используется в
качестве третьей ступени в сетях 110 кВ, если удовлетворяет требованиям
быс гроты срабатывания и чувствительности.
Токовая направленная защита нулевом последовательности со ступен-
чатыми характеристиками выдержек времени в сетях различной конфи-
гурации напряжением ПО кВ и выше выполняет функции основ вой и ре-
зервной.
6
ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ СО СТУПЕНЧАТЫМИ
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
6.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ХЦютаипионной называется защита, измерительным органом которой яв-
ляется орган сопротивления (ИОС). Характеристической величиной, на ко-
торую он реагирует, является заданная функция выраженного в комплекс-
ной форме отношения входного напряжения U& к входному току / р
Далее (если специально не оговаривается) рассматриваются однофаз-
ные ИОС. Их характеристической величиной является отношение подво-
димых напряжения (Ур и тока . Это отношение принято называть со-
противлением на входе измерительного органа Zp.
В принятых схемах включения ИОС при определенных условиях со-
противление Zp оказывается пропорциональным расстоянию (дистанции)
/к от места установки защиты до места КЗ. что и определило название за-
щиты как дистанционной.
ИОС выполняется минимальным и срвбатывает при снижении характе-
ристической величины Zp до сопротивления срабатывания Ztp, а возвра-
щается при возрастании Zp до сопротивления возврата ZB р. Коэффициент
возврата минимального HOC:
*в =z»p/4p’i (6-0
Выполнение ИОС минимальным определяется изменением характе-
ристической величины при изменении режима от рабочего к режиму КЗ.
В рабочем режиме Up = U^, lp - /2р!б, a Z„ = — зиачи-
теиьно больше, чем при КЗ, когда напряжение снижается до Up = (72ост
(в ряде случаев до нуля), а ток возрастает до 1р “ /2к При этом Zp =
~ ^2ост^2к < ^рраб'
Следует отметить, что из даух ИОС более чувствительным является
тот, которым имеет большее Zc р (так как необходимо меньшее снижение
Zp до срабатывания).
104
Сопротивление Z может быть определено по первичным напряжению
— р и и ТОКУ L р п на входе измерительных TV и ТА:
z„(6.2)
гае Z . Z, ,,
первичное сопротивление или сопротивление защиты.
т.е. сопротивление на входе НОС, приведенное к первичным величинам.
Дистанционные, как и токовые (ненаправленные и направленные) от-
носятся к защитам с относительной селективностью. Они выполняются со
ступенчатыми характеристиками выдержки времени и состоят из отдель-
ных ступеней, часто трех. При этом ступени 1 и 11 предназначены для лик-
видации повреждений на защищаемом элементе электроэнергетической
системы, а ступень III резервируют свои ступени I и II (ближнее резерви-
рование) и отказы защит и выключателей смежных элементов (дальнее
резервирование). С учетом этого самым грубым являются НОС , а самым
чувствительным ИОС1,1, т.е. Z*p<Z^p< . Как и в ранее рассмот-
ренных относительно селективных защитах, ступень I обычно выполняет-
ся без выдержки времени, ступень II — с небольшой выдержкой времени,
ступень III — со значительной выдержкой, выбираемой по встречно-сту-
пенчатому принципу.
Дистанционные защиты на элементах с двухсторонним питанием вы-
полняются напрааленными: действуют при направлении тока от щни, где
установлена защита, к линии. В большинстве случаев направленными яв-
ляются ЦОС, однако в некоторых случаях могут использоваться ненаправ-
ленные ИОС, а направленность обеспечивается отдельным органом на-
правления мощности КЗ.
На рис. 6.1 приведена структурная схема алгоритма трехступенчатой
дистанционной защиты для одной фазы. В общем случае в блоках Ф, к ко-
торым подведены вторичные фазные ток i(f) и напряжение и(1), выполня-
ются функции формирования Zp для НОС1, НОС11 и ИОС111. Задаются па-
раметры срабатывания и возврата ступеней. Если Zp<z‘p, то срабатывает
ИОС1. При отсутствии блокирующих сигналов защита действует на от-
ключение выключателя. Блокирующие сигналы запрещают действовать за-
щите, например, при качаниях и неисправностях в цепях напряжения (см.
ниже). Срабатывание ИОС11 при отсутствии блокирующих сигналов фик-
сируется меткой К. При этом пускается орган выдержки времени второй
ступени ОВ11, набирающий заданное время срабатывания г11. Если
к моменту набора этого времени ИОС11 по-прежнему находится в сосгои-
105
Рис.6.1. C'lpyKiypuaii cxcma алпчжтмн чрсхступеичатой листяншилпгок aainniu
(условие ня одну фазу)
нии после срабатывания и отсутствует блокирующий сигнал, то защита дей-
ствует на отключение выключателя и возврат ОВ11. При увеличении значе-
ния Zp*>Z^p в процессе набора выдержки времени, но при Zp <Z^p на-
бор г*1 продолжается. НОС11 еще не возвращается. При возврате ИОс"
(например, заснет отключений внешних КЗ) присваивается значение метке
№ О и ОВ11 возвращается.
Аналогично работает ступень III при срабатывании ПОС111 и наборе
Если ступень I выполняется с выдержкой времени, то схема аналогична
приведенным для ступеней II и III.
Метка К исключает излишние запуски ОВИ, если анализ работы ПОС11
производится при значении Zp, отвечающем условию Zcp <Zp<Zep.
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 фаз-
ных токов и напряжений или их симметричных составляющих.
Основными требованиями, предъявляемыми к схемам включения, явля-
ются следующие.
Сопротивление на входе ИОС Zp желательно иметь пропорциональ-
ным расстоянию /к от места установки защиты до места КЗ: Zp = KZt /к,
где Z, удельное сопротивление защищаемого элемента (на единицу дли-
ны) для токов прямой и обратной последовательностей. Это требование по-
зволяет выполнить защиту с четким ограничением зоны для каждой ступени.
При разных видах метвллических КЗ в заданной точке, на которые
должен реагировать ИОС, сопротивление на его аходе Zp должно быть
одинаково.
Для действия при многофазных КЗ в сетях с глухозаземленными ней-
тралями и междуфазных КЗ в сетях с изолированными или резонансно-за-
земленными нейтралями ИОС включаются на междуфазные напряжения
одноименных фазных токов:
ИОС1 П . = 1У, / . = У,
— pi —zab’ —pi — za —lo’
ИОС2 U _ = U,.- I _ = /_. -
— pz —zee — pz — zb ~~zc
иосз V, = I/-, / , =
— p3 — zca ’ — p3 —2c Za
(63)
При на входе любого ИОС первичные L/pn - J31qZ\1k, /рп =
“V3/fl„Zp„ Ur„llr„ Z,\ ПриА^. например, между фазами ВС на
петлю КЗ включен ИОСЗ: 17рг = 2l^lZl /к> /р Г| -21ф» Zp fl = Z, /к
Следовательно, сопротивления Zpr на входе ИОС при рассмотренных
видах КЗ равны и пропорциональны расстоянию до места КЗ.
Сопротивления ZpTI на входах двух других ИОС (ИОС1 и ИОСЗ) будут
больше, поскольку ток /, неповрежденной фазы небольшой, а напряжения
UAB и UCA большие. Поскольку ИОС минимвльные, 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 по-
следовательности, для которых удельное сопротивление отлично от Z^. Од-
нако поскольку к ИОС подводятся междуфазное напряжение и разность
фазных токов, то Zp „ будет определяться только сопротивлением Z]. Пове-
дение ИОС при К^1'будет аналогичным их поведению при и К^.
При однофазных КЗ сопротивление Zp „ на входе ИОС больше, чем при
многофазных КЗ в той же точке. Поэтому при рассматриваемом включении
ИОС ие могут сработать излишне.
Для зашиты от всех видов многофазных КЗ при «жестком» включении
(без переключений) ИОС необходимо трехрелейное выполнение каждой
ступени, поскольку при twxx этих КЗ иссйходимо кмей» ИОС, включеиный
на петлю КЗ. Для действия при однофазных и двойных КЗ на землю ИОС
включается на фазное напряжение СУМ|МУ фазного тока /2ф 11 тока
компенсации При напряжение петли КЗ:
гД1) _ [/О)+ у j I^+U^ + Z I I^ + U^ + Z I
где + VkV + — Io — сумма напряжений прямой, обратной и нулевой
последовательностей в месте КЗ; Zx, Z7, Zp — удельные сопротивления
линии прямой, образной и нулевой последовательностей, причем Z2 — Z(;
токи в линии прямой, обратной и нулевой последова-
тельностей. Добавляя в выражение для слагаемые ±Z]/Kгруп-
пируя их с учетом + /р!) = / , получаем = Z(/K /J1* +
+ 4- Сопротивление Z*} = V^/l^ = /к [Zj(Z0 -Z,) x
x [^/не пропорционально lv и зависит от отношения /с и /ф.
Увеличение напряжения петли КЗ обусловлено дополнительным паде-
нием напряжения от токов /0 в междуфазиых сопротивлениях взаимоин-
дукции. Для удовлетворения требования пропорциональности Z3 (Zp) рас-
стоянию /к к ИОС подводят ток, равный сумме фазного и тока компенса-
ции: /з = /ф+Л10,гдеК=(гс -Zj)/Z], при этом Z3 = Zj/K.
108
6.3. ВИДЫ ХАРАКТЕРИСТИК
Анализ работы однофазных ИОС принято про-
водить в комплексной плоскости сопротивлений /?,
/X (рис. 6.2, а). При этом сопротивление на входе
ИОС определяется модулем Zp и аргументом
или активном Яр и реактивней Лр составляющими.
На этой же плоскости в другом масштаба можно
расположить сопротивление Z защищаемой ли-
нии: модуль Zr и аргумент <ри (рис. 6.2. б). Для ли-
ний ЦК!М > 35 кВ угол = л/3. Начало координат
целесообразно совмещать с местом установки ана-
лизируемой защиты.
Как и для любого ИО с двумя подведенными ве-
личинами, для ИОС необходимо выделить на плос-
кости область, в пределах которой разрешается его
срабатывание, т.е. харвктеристику срабатывания, за-
висимость Zc р /(<Рр). Для определения вида тре-
буемой характеристики срабатывания следует про-
анализировать возможные положения Z3 на ком-
плексной плоскости в разных режимах.
I. При металлических КЗ на защищаемой линии W2 (рис. 6.3) сопро-
тивление будет определяться некоторой долей длины защищаемой ли-
нии. В этом случае необходимая область срабатывания ИОС могла бы
быть ограничена узкой полосой, расположенной вдоль вектора ZJl2.
2. При КЗ через переходное сопротивление Rv (на рисунке не показано) в
той же точке и определении Z3 с учетом двухстороннего питания, например,
при Л-'3’(рис. 6.4) (/„ или?;, =?,/„ +
Рис. 6.2. И-«>(5ражсимс
сопротиьлспий 11
Z u комплексном
UTOCKOCIU
I I TAT
Рис. 6.3. (..хсмй сети н возможная характеристика
срабатывания
109
Рис. С-4. КЗ че|№1 К„ (л), положение вектора Z3 ори а * О (0 и при к = И (в)
В зависимости от значения угла <х сопротивление 7."х может оказаться
больше или меньше сопротивления 7.‘.л. При а = 0 (совпадают £ к1 и / 2)
падение напряжения в Кг оказывается чисто активным и Z, увеличивает-
ся. Так как почти все КЗ происходят через /?„ =f= О, следует обеспечить об-
ласть срабатывания ИОС, охватывающую Z3 при этих КЗ.
Для обеспечения срабатывания ИОС при КЗ через Яг необходимо
иметь большую Область срабатывания» чем изображенную на рис. 6.3» так
как желательно, чтобы в эту область входили и сопротивления Z''.
3. В нагрузочных режимах первичное сопротивление на входе ИОС оп-
ределяется как Zpa6 — U^U.^. При передаче больших активных мощно-
стей от шин в сторону линии аргумент <рраБ сопротивления Zpa6 неболь-
шой (<ppag S л/6), модуль может быть близок к Za.
Для исключения срабатывания ИОС в нагрузочных режимах жела-
тельно, 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 /ур, а напря-
жения в отдельных точках системы снижаются. Ниже рассматриваются со-
отношения между электрическими величинами для одной фазы линии с
двухсторонним питанием, поскольку качания являются симметричным ре-
жимом (рис. 6.5).
110
Рис. €.5. Качания (асинхронный ход) и систавс с двумя источникам» питании:
схема сети (с), иекюриая диаграмма (£;. зависимости /ур(8) (в) и Uli} (г)
Уравнительный ток можно определить:
'УР= (6.4)
где Zx = ZC1 + Z,+ ZC2 — суммарное сопротивление, определяемое со-
ярстивяенмямм систем ZC{ и ZC2 и линии Zn; S — угол между эквива-
лентными ЭДС систем.
Напряжение на шинах А и Б, где установлены защиты: 17Л = ЕА
- fypZCi и [/к = -Б+-ур—С2 <зиаки падений напряжений соответству-
ют приведенным условным положительным направлениям). Минимвльное
напряжение 17и будет в электрическом центре качаний, определяемом
перпендикуляром, опущенным из точки нулевого потенциала 0 (начало
координат) на отрезок 1?АБ падений напряжения в линии.
При изменении угла Б тони и напряжения изменяются в соответствии
с диаграммой на рис. 6.5, в, г. При 6 = п ток /уртйХ и напряжение 1/ц могут
быть равными нулю.
Для определения сопротивлений положения вектора Zp при качаниях
строится вспомогательная потенциальная диаграмма ЭДС, тока и падений
напряжений для простейшего случая равенства модулей Eh = ЕБ. Построе-
ние диаграммы основано на том, что при изменении угла Б сохраняется
пропорциональность между /ур и разностью ( ЕЛ - Е£), а также остаются
неизменными углы между падениями напряжений, так как последние так-
же пропорциональны /ур. Но при изменении Б необходимо изменять поло-
жение точки нулевого потенциала и масштаб диаграммы, так как значение
/ур зависит отБ. Геометрическим местом точек нулевого потенциала явля-
ется прямая, перпендикулярная отрезку, определяемому разностью ЭДС
Ед — ЕБ = ЕдБ, и делящая его пополам.
Поэтому на вспомогательной диаграмме (рис. 6.6, а) углам Би Б' соот-
ветствует положение точек нулевого потенциала 0 и ОС Падения напряже-
ний и направление Zyp на диаграмме остаются неизменными. Разная дли-
на отрезков ЕА и Е^ (Еб и Е£ ) при неизменных значениях ЭДС есть след-
ствие изменения масштаба диаграммы при углах Б и Б’.
Вектор напряжения в любой точке линии определяется расстоянием от
точки нулевого потенциала до соответствующей точки на отрезке (7А1> (на-
пример, векторы м 1/Б).
Переход к диаграмме сопротивлений (рис. 6.6, б) выполняется делени-
ем всех слагающих предыдущей диаграммы на ток J
что не меняет ее
УР
вид. Теперь составляющие представляет сопротивления ZC1, Zj(, ?С2>
Zr, а векторы £ft//yp и Е£/_/ур по-прежнему определяют направления
ЭДС и угол между ними.
Сопротивление на входе ИОС защиты у подстанции А определяется как
Z3 = исучетом(6.4)иЕА = ЕБ
Z, = ZI/(l-e/’) = Zc| (6.5)
представляет собой уравнение прямой, проходящей перпендикулярно век-
тору Z£ через его середину. Следовательно, концы векторов Z3 распола-
гаются на прямой, перпендикулярной вектору суммарного сопротивления
и делящей его пополам.
Диаграмму сопротивлений удобно перестроить, расположив начвло ко-
ординат комплексной плоскости сопротивлений в месте установки защи-
ты. например, у шин подстанции А (рис. 6.6, сг).
112
6.6. Вспомогательные иотсацналыпле диаграммы напряжений н 3J.VC при качани-
ях (о) и сопротивлений (6), определение сопротивления при качаниях (в)
Последовательность построения этой векторной диаграммы: в первом
квадранте откладываются сопротивления в направлении действия заши-
ты — Zn и Z(>2»в третьем — сопротивления противоположного направ-
ления — ZC1; строится вектор Z£ = Zcl + Zn + ZC2; через середину век-
гора Z£ перпендикулярно ему проводится прямая 0'—0" — геометриче-
ское место концов вектора Zp при качаниях.
ИЗ
На этой прямой указаны точки нулевого потенциала 0], 0j, Oj, 02 при
углах б]. 5|» В2 и б2 между Ед и - При изменении угла от б J до б]
(угол увеличивается) Zp уменьшается, далее при изменении угла от б2 до
б 2 (угол увеличивается) Zp увеличивается.
Чем больше в направлении прямой О'—0" область срабатывания
ИОС, тем в большем диапазоне углов б возможно срабатывание ИОС
при качаниях. При качаниях вектор Zp может располагаться в той же
области комплексной плоскости, что и при КЗ: ие удается их различать
ни по значению модуля Zp, ни по значению аргумента фр.
Выбором области срабатывания во многих случаях не исключается воз-
можность срабатывания ИОС при качаниях.
Так как при качаниях токи и напряжения изменяются в функции време-
ни и угла б, то сопротивление Zp находится в области срабатывания лишь
время, определяемое периодом качаний. Поэтому ступени с большим
(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 /ср (ступени 1
и 11). они снабжаются специальными устройствами, алгоритмы функцио-
нирования которых позволяют различать качания и КЗ блокировками при
качаниях (см. ниже)
Требования к характеристикам срабатывания ИОС противоречивы:
для надежного срабатывания при КЗ через йи желательна достаточно ши-
рокая область, охватываемая характеристикой при углах близких к фл, а
для снижения вероятности срабатывания при качаниях — более узкая, для
отстройки от' нагрузочных режимов область срабатывания вблизи фраб
должна быть небольшой.
Измерительные органы сопротивления могут выполняться как аналого-
выми, так и цифровыми (как ИОНТ).
При аналоговом выполнении ИОС широко используются схемы сравне-
ния электрических величин, формируемых из подводимых токов и напря-
жений. Схемы сравнения могут быть применены и для цифровых ИОС.
Однако при цифровой реализации используются расчетное построение ха-
рактеристики срабатывания и определение местоположения Zp относи-
тельно построенной характеристики.
До настоящего времени ИОС удавалось выполнять с характеристиками
срабатывания в виде окружностей (рис. 6.7, а, б), расположенных в ком-
плексной плоскости сопротивлений, сочетания окружности и прямой, эл-
липса (рис. 6.7, г). Ограничения в получении характеристик определялись
114
Рис. 6.7. Birju.i характеристик срабатывании НО соирггиплсиня
доступной элементной базой — электромеханическими и пассивными по-
лупроводниковыми схемами сравнения.
При аналоговой реализации с использованием интегральных микросхем
оказалась практически возможной реализация ЦОС с характеристиками
срабатывания в виде нескольких окружностей (рис. 6.7, й), четырехуголь-
ников (рис. 6.7. ж"), треугольников (рис. 6.7, з).
При цифровой (программной) реализации возможно получение пря-
мой (рис. 6.7,«) характеристики срабатывания практически любого за-
данного вида-
ИОС могут выполняться направленными и ненаправленными.
Ненаправленный ИОС. так называемый орган полного сопротивле-
ния, имеет характеристику срабатывания в виде окружности с центром
в начале координат (рис. 6.7, с). Зона срабатывания, как и для всех мини-
115
мвльных ИОС, находится внутри окружности. Сопротивление срабатыва-
ния не -зависит от угла фр. По сравнению с другими, рассматриваемый
ИОС срабатывает при КЗ через большие Я' (рис. 6.8, а).
Ненаправленный ИОС с широкой областью срабатывания 1 наиболее
подвержен влиянию качаний — ложная работа при качаниях возможна при
меньших углах 5, расхождения векторов ЭДС систем (рис. 6.9).
При отстройке этого ИОС от нагрузочных режимов (т.е. выборе Zc р <
не обеспечивается необходимая чувствительность при КЗ в зоне
резервирования, так как Zcp одинаково при <рра6 и (рис. 6.10).
116
При необходимости выполне-
ния дистанционной защиты на-
правленной, дополнительно приме-
няют рассмотренные выше ИОНТ.
Ненаправленные HOC широко
используются в сетях напряжени-
ем Ц1ОМ 35 кВ» так как обеспечи-
вают более четкую, чем направ-
ленные, работу при двойных КЗ на
землю [2].
Направленный ИОС с харак-
теристикой в виде окружности,
проходящей через начало коор-
динат (см. рис. 6.7, б), имеет зави-
симое от аргумента Zcp =
= Ze.p rax C0SWP “ «V-Л ™
Zepnmx максимальное значение
сопротивления срабатывания, со-
ответствующее углу максималь-
ной чувствительности <РМ ч. Обычно
Рте, Чуистпптс и» гость HOC при их
отстройке OI ZJ)a6
ч выбирается равным аргументу
сопротивления защищаемого элемента.
Этот ИОС обладает направленностью - не срабатывает при направ-
лении £к к шинам, когда Zp располагается в третьем квадранте ком-
плексной плоскости. Имея более узкую характеристику срабатывания,
этот ИОС может отказать при КЗ через меньшее сопротивление /?" (см.
рис. 6.8, а). Однако он меньше подвержен влиянию качаний — его сра-
батывание возможно при больших углах 62 (См- Рис- 6-9). Отстроенный
от нагрузочных режимов, этот ИОС имеет большую чувствительность,
так как при КЗ на линии увеличивается его сопротивление срабатыва-
ния Zcp/cosftppa6 фм.ч) ДО значения Z’pinax. Недостатком такого
ИОС является наличие «мертвой» зоны при КЗ вблизи места установки
защиты, когда подводимое напряжение 17р меньше минимального на-
пряжения срабатывания 17Ср|П1П, определяемого чувствительностью
реагирующего элемента схемы сравнения или разрешающей способно-
стью вычислительных средств.
Для исключения «мертвой» зоны используется «подпитка», при
вводится небольшая часть напряжения от третьей фазы, а при — кон-
туры «памяти», обеспечивающие за счет собственного переходного про-
цесса медленное снижение напряжения предшествующего режима в тече-
ние времени, достаточного для срабатывания.
При использовании ИОС для ступеней с выдержками времени допускает-
ся небольшое смещение характеристики в третий квадрант (см. рис. 6.7, в).
117
что исключает «мертвую» зову. Излишняя работа при КЗ «а смежном участ-
ке при направлении тока /к к шинам (КЗ «за спиной») исключена, так как
срабатывает ступень поврежденного участка с меньшей выдержкой времени.
Рассматриваемым HOC широко используется к сетях напряжением
17иоы >110 кВ для зашиты от междуфазиых КЗ.
Направленный ИОС с эллиптической характеристикой» проходя-
щей через начало координат (см. рис. 6.7. г) отказывает при меньших
R'" (см. рис. 6.8, а), но меньше подвержен алияиию качаний — его сраба-
тывание возможно лишь при углах 83 (см. рис. 6.9). Этот ИОС. отстроен-
ный от нагрузочного режима при фрар» имеет значительно большее значе-
ние Z"pniaS, т.е. лучше обеспечивает чувствительность при КЗ в зоне ре-
зервирования (см. рис. 6.10).
Направленный ЦОС с характ еристикой в виде двух пересскаюших-
ся окружностей (см. рис. 6.7,0), отстроенный от нагрузочных режимов,
так же, как предыдущий, обеспечивает лучшую чувствительность при КЗ
за счет больших значений Zcp maJC.
Направленный ИОС с характеристикой в виде окружнос ти, смешен-
ной в персы й квадрант (см. рис. 6.7, е), вообще не срабатывает при (Ppag.
Поэтому при его использовании для третьей ступени можно было бы вы-
брать сопротивление Zcpinax по условию обеспечения чувствительности
при КЗ в зоне резервирования. Однако смешение ограничено необходимо-
стью резервирования второй ступени и приведенная характеристика должна
иметь общую зону с первой ступенью
Направленный HOC с четырехугольной характеристикой (см.
рис. 6.7, эк). Небольшой наклон верхней стороны обеспечивает более чет-
кую работу при КЗ на линиях с двухсторонним питанием, наклон правой
стороны — отстройку от нагрузочных режимов с сопротивлением Zpat- при
направлении тока от шин, а наклон левой стероны - отстройку от реактив-
ных мощностей, направленных к шинам. При использовании такой характе-
ристики для ступеней без выдержки времени нижняя сторона должна про-
ходить через начвло координат, для ступеней с выдержкой времени нижняя
сторона смещается в третий квадрант для исключения «мертвой» зоны Па-
раметры приведенной на рисунке характеристики соответствуют ИОС на
ИМС, выпускаемых отечественной промышленностью [5].
Направленный ИОС с треугольной характерис тикой (см. рис. 6.7, з)
ие требует отстройки от нагрузочных режимов. Поэтому его сопротивле-
ние ZcpinBX может быть выбрано из условия обеспечения чувствительно-
сти при КЗ в зоне резервирования.
Направленный ИОС с характеристикой в виде прямой, параллель-
ной оси JR (орган реактивного сопротивления) (см. рис. 6.7, и), имеет по-
118
стоянное значение Аср = const. При КЗ через любого значения на ли-
нии с односторонним питанием ИОС надежно срабатывает. Однако на ли-
нии с двухсторонним питанием возможна излишняя работа при замыкании
через Я" (см. рис. 6.8, б).
За счет смещения по фазе между токами I к двух систем возможно
уменьшение сопротиаления Zp. Основным недостатком такого ИОС явля-
ется невозможность отстройки от нагрузочного режима, поэтому требуется
отдельный пусковой орган, запрещающий работу защиты в этом режиме.
В настоящее время такие HOC не применяются.
6.4. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ДИСТАНЦ1ЮШЮ11
ЗАЩИТЫ
Выбор параметров срабатывания производится на примере сети
(рис. 6.11,«), состоящей из двух участков линий WI и W2 с тремя источни-
ками питания и понижающим трансформатором Т. Все зашиты выполня-
ются с использованием направленных ИОС с характеристикой в виде ок-
ружности, проходящей через начало координат. Выбор параметров сраба-
тывания производится для защит одного направления — 1,3, 5.
Для иллюстрации выбора параметров срабатывания на комплексной
плоскости сопротивлений нанесены сопротивления линий с <рп = я/3 и вы-
бранные далее сопротивления срабатывания (рис. 6.11, б).
Первая ступень выполняется без выдержки времени. Селективность
в режиме без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором сопротивле-
ния срабатывания. Время срабатывания первых ступеней защит для всех
участков принимается одинаковым и равным tC3 = 0. Для отстройки от
работы разрядников, создающих кратковременное КЗ, вводится замедле-
ние <0,1 с. Для исключения излишних отключений линии сопротив-
ление срабатывания ИОС должно быть выбрано меньше, чем сопротив-
ление Z3 при КЗ в начале предыдущих элементов, т.е. меньше сопротив-
ления линии:
^ОТС^ЯР
"сзЗ ^отс^г
(6.6)
где &отс — коэффициент отстройки, принимаемый обычно 0,85—0,9
(меньше единицы, так как используются минимальные ИОС) и учиты-
вающий положительную погрешность ИОС (увеличение Zc ), погрет но-
119
сти измерительных трансформаторов и влияние переходного сопротивле'
ния в месте КЗ,
Вторая ступень предназначена для защиты части участка, где не работа-
ет первая ступень, когда Z3 > Zc 3. Селективность без КЗ в при внешних КЗ
обеспечивается выбором времени срабатывания (выдержки времени) 3 и
с -7*1
сопротивления срабатывания Zc 3.
120
Время срабатывания гс 3 для вторых ступеней выбирается одинаковым,
на ступень выдержки времени Аг =* О,4» с ббльщим врамени срабатывания
первых ступеней или быстродействующих защит (например, дифференци-
альной) предыдущих элементов, чем обеспечивается несрабатывание вто-
рых ступеней в зоне действия этих защит. Выбор сопротивления zj'3 про-
изводится в пределах группы защит, действующих в одном направлении.
При выбранных выдержках времени можно разрешить срабатывать изме-
рительному органу второй ступени защиты (14Ос{) при КЗ на части W2
(или в трансформаторе У), где еще работает первая ступень защиты 3 (или
быстродействующая защита Т) выключатель 3 будет отключен своей
первой ступенью (или выключатель 5 — защитой Г) прежде, чем наберет
выдержку времени орган выдержки времени второй ступени зашиты.
Следовательно, сопротивление Z^3i срабатывания второй ступени
должно быть выбрано меньше, чем сопротивление Z3 при КЗ в конце зоны,
защищаемой первой ступенью защиты предыдущего элемента, определяе-
мой ZC33, или при КЗ за трансформатором в режиме, когда его сопротив-
ление минимально (Z3, Z,. Г1|1]).
Первичное сопротивление Zs на входе HOC J1 при КЗ в указанных точ-
ках определяется как
7-г„ (6-т)
Z^Z^ + Z,^,/*,,, (6.8)
где krJ) = i„iUn2* Чт ~ — коэффициенты токораспределенмя при
КЗ на W2 и за трансформатором Т
Для сети на рис. 6.11, а значения этих коэффициентов меньше едини-
цы, что увеличивает значение Z*3, повышая чувствительность ступени
(см. ниже). В сети на рис. 6.11, в для защиты 1 при КЗ на значение Лт1| =
= l„i/l ,з больше елиницы, что снижает сопротивление Z*3 и коэффици-
ент чувствительности.
С учетом (6.7) и (6.8)
z", +‘;TCz;j3/*„); (6.9)
z" 1 ^" jzTI| (6.10)
121
где K^fC = a£„.c» *ot€ ~ 0,9 — коэффициент отстройки, учитывающий отри-
цательные погрешности НСС'3 защиты 3. Принимается меньшее значение
Z», полученное из (6.9) и (6.10).
Целесообразность использования рассчитанной ступени оценивается
значением коэффициента чувствительности при КЗ в конце защищаемой
линии:
*"=z"s,/Z„ г 1,25-1,3. (6.11)
При недостаточном значении коэффициента чувствительности, если
определяющим при выборе Z*3 явилось условие (6.9), вторая ступень за-
щиты / может быть отстроена от второй (а не от первой) ступени защшы 3
но времени (т.е. вторые ступени отдельных защит будут иметь разные вы-
держки времени) и сопротивлению срабатывания, а также с учетом (6 10)
г", * *" c(z„,+ (б-12)
Принимается меньшее значение Z*3, полученное из (6.10) и (6.12).
Аналогично определяются параметры срабатывания зашит другого на-
правления — 2 и 4.
Третья ступень выполняет в основном функции резервирования. Се-
лективность без КЗ обеспечивается сопротивлением срабатывания, а при
внешних КЗ — выдержкой времени. Выбор выдержек времени, как и для
токовых направленных защит, осуществляется по встречно-ступенчато-
му принципу.
Выбор сопротивления срабатывания производится с учетом двух ус-
ловий
1. Для исключения срабатывания ИОС в нагрузочных режимах его со-
противление срабатывания должно быть меньше минимального рабочего
сопротивления при <рр=<PpBg:
c<z„an.»,- <cli>
2. Измерительный орган третьей ступени, сработавший при КЗ на
смежном участке, должен вернуться в исходное положение после отключе-
ния КЗ выключателем поврежденного участка. Диаграмма изменения со-
противления в этих режимах для защиты 1 приведена на рис. 6.11, г.
При возникновении КЗ на W2 сопротивление на входе ИОС снижает-
ся от значения до значения ZK, а после отключения выключателя
122
3 возрастает до Znep т1Ц переходного сопротивления, обусловленного
пониженным напряжением при появлении токов самозапуска электро-
двигателей и определяемого как Znep mjn —
циент запуска, больший единицы
Для возврата ИОС в исходное положение его сопротивление возврата
ZB3 при <рр = <рраб должно быть меньше переходного сопротивления:
7 <7
из '“iicpninr
С учетом сказанного, а такхсе при кв - ZB 3ZZC 5:
z"1 =^™/(ОЛ)
При определении коэффициента чувствительности учитывается Zc 3 =
"Ги
Коэффициент чувствительности третьей ступени проверяется при КЗ
в конце своего участка (работа защиты как основной)
“Z’Vz.^l.S (6.15)
и в конце зоны резервирования — конце линии Ц'2 и за трансформатором Т
= Z"'1/Z>1г 12 (6.16)
Аналогично (6 7) и (6.8) при КЗ в конце линии W2
Zs,*Z„,+(Zn2/(6.17)
а при КЗ за трансформатором Т
z,, =Z„(6.18)
При нвлнчии нескольких источников питания разной мошности мини-
мальные значения коэффициентов токораспределення оказываются много
меньше единицы, a Z3 — значительными, что может приводить к недоста-
точным коэффициентам чувствительности. Для получения удовлетвори-
тельной чувствительности третьей ступени в зоне резервирования необхо-
димо иметь небольшие значения ZC3 при фраб и большие Z^. 3111ах при <рп-
Эти соотношения определяются характеристикой срабатывания ИОС.
Сточки зрения отстройки от Zpa6, худшими являются характеристики
в виде окружностей, особенно с центром в начале координат. Четырех-
угольная характеристика с наклоном превой боковой стороны позволяет
существенно увеличить Zc згпах, а треугольная характеристика в большин-
стве случаев вообше не требует отстройки от Zpa6, и ее ZC3 max может вы-
бираться из условия обеспечения чувствительности в зоне резервирования.
123
6.S. БЛОКИРОВКИ ПРИ КАЧАНИЯХ
Блокировки при качаниях (БК) предназначены для предотвращения
ложных и излишних срабатываний защиты. Алгоритмы их должны учиты-
вать следующие требования: запрещать защите срабатывать при качаниях
без КЗ и при внешних КЗ (если там работают свои защиты); при КЗ на за-
щищаемом участке должна быть обеспечена возможность срабатывания
защиты как мри отсутствии, так и при возникновении качаний
Блокировки при качаниях должны различать режимы КЗ и качаний:
возникновение КЗ в системе характеризуется появлением (хотя бы крат-
ковременным) несиммстрии, качания же являются симметричным режимом;
при возникновении КЗ и при качаниях скорость изменения дейст вую-
щих значений электрических величин различна: малые промежутки време-
ни приращения электрических величин при КЗ значительно больше, чем
при качаниях.
В измерительном органе БК реализуется алгоритм, основанный на од-
ном из этих признаков. По типу измерительных органов принято различать
дне группы блокировок.
Группа блокировок, использующая первый признак, вводит в работу
нормально выведенную защиту по факту появления иссимметрии. Защита
вводится на время достаточное для действия ее ступеней, после чего
выводится. Последующий ввод защиты может произойти либо сразу после
исчезновения несимметрни, либо через заданное время готовности блоки-
ровки z, к последующему выполнению своих функций (вводу защиты).
Достоинством первого является малое время, в течение которого зашита
выведена из работы Однако несимметрия может возникнуть вновь при от-
ключении внешнего К®\ а также при неуспешном АПВ (включение на ус-
тойчивое КЗ) на смежном участке при уже развившихся качаниях, что мо-
жет привести к излишнему срабатыванию защиты. Вывод защиты на за-
данное время <г, определяемое максимальными выдержками времени за-
щит сети с учетом неуспешных АПВ, исключает указанный недоствток, ио
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 качания-
ми, 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 сраба-
тывание, так как векторы ЭДС систем при возникновении качаний не успе-
вают разойтись на значительный угол, а следовательно, и не будет доста-
124
точного снижения Zp на аходе ИОС. Во втором случае быстродействую-
щие ступени могут сработать ложно при качаниях, так как сопротивление
Zp уже может оказаться меньше Zc р [2]. Если уменьшить время гв до не-
обходимого для срабатывания первой ступени» будет исключена возмож-
ность срабатывания вт орой 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 ра-
боты. если в момент появления несимметрии срабатывает ИОС11. Совпа-
дение этих двух факторов идентифицируется как возникновение КЗ в зо-
не 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 последовательно-
сти, сопряженные с соответствующим фильтром обратной последователь-
ности. Напряжение обратной последовательности появляется на выходе
фильтра мри включении на закороченные три фазы за счет неоднородного
замыкания фаз выключателя, а при — за счет переходных процессов
в фильтре. Параметры срабатывания этих ИОС отстраиваю гея от напряже-
ния или тока небаланса фильтров и составляющих обратной последова-
тельности, обусловленных несиммстрисй нагрузки
Напряжение небаланса на выходе фильтра напряжения обратной после-
довательности определяется в максимвльном нагрузочном режиме, а ток
небаланса фильтра током обратной последовательности при качаниях
Чувствительность этих ИО может оказаться недостаточной на длинных ли-
ниях (в месте установки защиты малы /2 и С72), а также из-за повышение»}
несимметрии в нагрузочном режиме.
Напряжение С/2щ (рис. 6.12), подводимое к защите, определяется паде-
нием напряжения от тока /2 в сопротивлений Z2c обратной последова-
тельности до нейтральной точки системы(/2iu = —22—2е (знак минус учв-
Рис. 6.12. К определению на-
пряженки компенсации
125
тывает разные положительные направления С'2 и 7?) и может оказаться не-
достаточным для получения требуемого кч. Для повышения его значения
в качестве воздействующей величины ИОН используется напряжение ком-
пенсации U2, равное падению напряжения в сопротивлениях системы Z2c
и компенсации ZK: С2 ~ ЛгС—2с+ — *) Обычно сопротивленце Z* =
= 0,5 ZB, и тогда модуль напряжения G' • t/2ui—®»^-2—л больше 1/21||.
Для повышения чувствительности ИОТ используется сумма выпрям-
ленных токов обратной и нулевой последовательностей |J2| + Aj/р|, а так-
же торможение от фазного тока (последнее снижает ток небаланса при ка-
чаниях и
В схемах БК используется дополнительный ИО, срабатывающий при
в качестве которого может использоваться минимальный ИОН, вклю-
ченный на одно из междуфазиых напряжений Однако он может срабаты-
вать и при качаниях, поэтому его работа контролируется ИО, определяю-
щим несимметрмю. Основное его назначение — фиксировать неотключив-
шееся внешнее К^\ при котором не следует вводить БК.
Структурная схема алгоритма логической части БК этой группы с го-
товностью к повторному действию через заданное время /г приведена на
рис. 6.13. Сначала выполняются основные функции ИО напряжения t/2
(тока /2) обратной последовательности.
В нормальном режиме при качаниях, пока напряжение t/2 < О2ср, про-
изводится лишь определение его значений. При кратковременном превыше-
нии напряжения срабатывания вводятся в работу ступени органов выдержек
времени: ОВв времени tBC, введенного состояния защиты и ОВГ времени
готовности БК к последующему действию. При /в > /вс выводятся бы-
стродействующие ступени защиты, а при > /Ы1 БК готова к новому (по-
следующему) действию: ОВв и ОВ( возвращаются в исходное состояние.
Ступени дистанционной защиты, стстроенвые ст качаний ио qpeweiw.,
могут не контролироваться БК — могут быть введены постоянно. Кон-
троль их БК производится вследствие изложенных ниже причин.
Недостатками ИО рассмотренной группы блокировок являются: слабая
чувствительность, особенно при значительной несимметрии нагрузки» воз-
можность 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 из-
лишнего срабатывания при возникновении КЗ и вводе зашиты на фоне уже
развившихся качаний.
126
Рис. 6.13. Структуряяя схема алгорит-
ма НК с заданным it
Группа БК, использующая второй признак, может держать защиту нор-
мально введенной в работу. Скорость изменения действующих значений
электрических величин может быть определена, например, при помощи
двух измерительных органов сопротивления (ИОС 1, ИОС2) разной чувст-
вительности. Измерительные органы сопротивления с Z€pt и Zcp2 при КЗ
(рис 6.14, с) срабатывают одновременно вследствие мгновенного измене-
ния Zp от Zpa6 до ZK. При качениях (рис. 6.14, б) между моментами време-
ни срабатывания этих ИОС проходит время ЛI, что идентифицируется как
появление качания. Защита при этом выводится из работы.
При Zp < Zcpl срабатывает ИОС, пускается ОБ (рис. 6.15), набираю-
щий заданное Д t. Если второй ИОС срабатывает (при Zp < Zc p2) ранее за-
данного &г, зашита остается введенной в работу. В противном случве за-
щита выводится.
127
Рис. 6.14. Изменение при КЗ (в) и при качаниях (6)
Рщ.6.15. Алгоритм определении различий в скорое i и изменения Xf
Сопротивление Zcpl отстраивается от сопротивления Zpa6inin нагру-
зочного режима: ZCJj2 должно быть в 1,5—2 раза меньше, обеспечивая при
этом достаточную чувствительность при КЗ в конце ступени, контролируе-
мой блокировкой от качаний. Это может ограничить использование приве-
денной схемы.
Во вновь разработанных отечественных дистанционных защитах при-
меняются блокировки, измерительные органы которых различают КЗ и ка-
чания косвенно по скорости изменения электрических величин, а в логиче-
ской части в основном используют принципы рассмотренных выше блоки-
ровок 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. Измеритель-
ные органы, реагирующие на приращение вектора обратной последова-
тельности, не требуется отстраивать от несимметрии нагрузочного режима,
а также от установившихся небалансов, гак как на них они не реагируют.
Эти ИО более чувствительны.
128
Рис. б.|6. Структурная схема выделекия
авария >ieii слагающей тока обратной
последовательности
ФТОП
1иэ Ыне 1-4
Использование аварийных слагающих прямой последовательности по-
вышает чувствительность к симметричным КЗ.
Для выделения аварийных слагающих, например, обратной последова-
тельности выходной сигнал фильтра тока обратной последовательности
(ФТОП) подается на инерционный элемент (ИЭ) (рис. 6.16). Сигнал с вы-
хода ИЭ инвертируется и суммируется с выходным сигналом ФТОП. Пара-
метры схемы подбираются так, чтобы в установившемся режиме на выхо-
де сумматора сигная был близок к нулю (е( + е2 ~ 0). При КЗ, характери-
зуемом скачкообразным изменением вектора /2, сигнал на выходе ИЭ ус-
танавливается с задержкой, определяемой его постоянной времени. Поэто-
му до окончания переходного процесса в ИЭ на выходе суммктора появля-
ется сигнал q te2# о, что и обеспечивает срабатывание ИО.
Медленно изменяющиеся токи при качаниях ие вызывают переход-
ных 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 чувстви-
тельности. Грубый ИОТ1 ие срабатывает при коммутаций нагрузки и на-
дежно 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 /в и последую-
щему их выводу на время t,. в течение которого может возникнуть КЗ на
защищаемом элементе. Для исключения возможности отказа в этом режи-
ме обеспечивается их немедленный ввод при срабатывании грубого ИОТ1
Для второй ступени допускается набор до тех пор, пока ИОС11 нахо-
дится в положении срабатывания, даже если время истекло.
При возникновении качаний с небольшим периодом векторы ЭДС сис-
тем могут успеть разойтись на значительный угол за малое время, близкое
к /вс. Поэтому при вводе быстродействующей ступени она может излишне
срабатывать. Этот режим идентифицируется по факту нахождения ИОС11
в состоянии после срабатывания в течение времени А/ при отсутствии не-
симметрии (не срабатывают 140 БК). При этом запрещается ввод быстро-
действующих ступеней.
129
Рис. 6.17. Струк rj риая схема алгоритм» БК с диумя ПО разной чувствительности
По истечении времени trjl допускается возврат БК в исходное положе-
ние лишь при отсутствии асинхронного хода. Режим асинхронного хода
в этом случае идентифицируется по факту хотя бы кратковременного сра-
батывания ИОС11.
Структурная схема алгоритма содержит шесть каналов.
Первый канал ввода быстродействующих ступеней защиты при сраба-
тывании чувствительного ИОТ2 состоит из элементов ИЛИ], И1, OBI,
НЕ1, И2, аналогичный второй канал ввода медленнодействующих ступе-
ней при срабатывании грубого ЙОТ1 MJ1I42, ИЗ, ОВ2, НЕ2, И4; элемент
HJW5 o6ui«ii В третий канал ввода медленнодействующих ступеней
при срабатывании ИОТ2 или ИОТ1 входит элемент ПЛИЗ. Четвертый ка-
нвл вывода быстродействующих ступеней по факту кратковременного сра-
батывания ПОС11 до срабатывания ИОТ2 и ИОТ1 образован элементами
ИЛИ6, ОВ4, НЕ4, ИЛИ7, И5. Пятый канал набора времени frJl состоит из
элементов ПЛИЗ, ОВЗ, а шестой канвл блокировки защиты после набора
/гд при асинхронном ходе— из элементов НЕ5, ОВ5; элементы 116, ИЛИЙ,
НЕЗ — общие для этих каналов.
130
При срабатывании ИОТ2 и разрешающем сигнале на входе 2 И1 (от-
сутствует блокирующий сигнвл по пятому и шестому) фиксируется его
даже кратковременное срабатывание ИЛИ1, пускается ОВ1, набирающий
заданное 1ЪС и через ПЛИЗ пускается ОВЗ, набирающий запанное /гл, а
также появляется сигнал на входе 2 — И2. Пока не набрано заданное 1Ъ с,
отсутствует сигнал на входе НЕ1, не появляется сигнал на входе Z И2.
При разрешающем сигнале на входе 3 — И2 (отсутствует блокирующий
сигнал четвертого канала) через ИГЛЛЗ поступает сигнал на ввод быстро-
действующих ступеней
При срабатывании ИОТ1 аналогично работает второй канал. Чет вертый
канал разрешает подготовку цепи ввода быстродействующих ступеней
лишь тогдв, когда при срабатывании ИОС11 появилась несимметрия через
время не большее заданного ОВ4. В этом случае еще отсутствует сигнал на
входе НЕ4, есть сигнал па входе I ИЛИ7 и входе 2 И5. При несимметрии
появляется сигнал на входе / П5 и входе 2 ИЛИ7 - далее схема реботает
независимо от состояния ИОС11
В пятом канале при наборе времени Zlzl ОВЗ появляется сигнал на вхо-
де / Иб. В шестом канале сигнал па входе 2 И6 появляется лишь в том
случае, если ИОС11 не срабатывал хотя бы кратковременно в течение вы-
держки времени ОВ5, т.е. отсутствовал асинхронный ход. При этом поя-
вится сигнал на входе I ИЛИ4 и входе НЕЗ, что приведет к исчезновению
сигналов на входах 2 И1 и ИЗ — БК вернется в исходное состояние. Эле-
мент ИЛИ4 предназначен для быстрого возврата БК в исходное положе-
ние при отключении выключателя защищаемого объекта. Эта цепь вво-
дится накладками SX.
6.6. БЛОКИРОВКИ ПРИ ИЕМСПРКВИОС'ТЯК ЦЕПЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ
В цепях измерительных трансформаторов напряжения возможны неис-
правности, при которых исчезает напряжение, подводимое к защите- обры-
вы цепей, их замыкание, срабатывание автоматов или пврегорание предо-
хранителей, ошибки псрсонвла
При неисправностях могут отказывать одни ИО и ложно срабатывать
другие. Для обнаружения этих неисправностей используются блокировки
при неисправностях в цепях напряжения (БН). При обнаружении неисправ-
ности БН либо выводит защиту из действия (если сна может ложно срабо-
тать на отключение), либо действует на сигнал. К БН предъявляются требо-
вания: срабатывать при любой неисправности во вторичных цепях не
срабатывать при КЗ в первичных цепях, обладать быстродействием (боль-
шим, чем защита), если требуется выводить защиту.
131
Рвс.бЛЯ. Схема б.ижировкп танины при нармпепинх цепей нъпрягьнпто
Широко используются БИ, сравнивающие напряжение аторичных обмо-
ток ТУ, соединенных в звезду и в разомкнутый треугольник (рис. 6.18. а, б).
Сравнение этих напряжений (токов) позволяет различить повреждения во
вторичных и первичных цепях ТУ. Схема БН (рис. 6.18, в) состоит из про-
межуточного трансформатора TL с тремя первичными обмотками w,, п>2,
w3, вторичной обмстксйи^, резисторов /?1—JR5 и реагирующего органа РО,
включенного на выход выпрямителя F5. Резисторы R1—-R3 подключены к
обмоткам ТУ, соединенным в звезду. Выбирая, например, /?/ (фаза Л) не-
сколько меньшим (или большим), чем R2 - R3, получаем в обмотке
включенной на сумму токов этих резисторов, ток /( / О в нормальном ре-
жиме. Обмотка iv3 через резистор /?5 включена на ток этой же фазы обмот-
ки ТУ, соединенной в разомкнутый треугольник, поэтому токи I, и £3
совпадают по фазе (рис. 6.18, г). Число витков встречно включенных обмо-
ток »Я] и w3, значения сопротивлений R1 и 6*5 подбираются так, чтобы маг-
нитодвижущие силы этих обметок были равны, т.е. компенсировали друг
друга. При повреждениях в первичной сети, не связанных с замыканиями
132
на землю (L/c = о), компенсация сохраняется, так как напряжения на вто-
ричных обмотках TV, соединенных в звезду и разомкнутый треугольник,
изменяются пропорционально.
При КЗ на землю в первичной сети (L/o О) нарушается компенсация,
так как не одинаково изменяются напряжения на обмотках TV, соединен-
ных в звезду и траугольник. Компенсация в этом случае восстанавливается
за счет МДС, создаваемом током /2 в обмотке включенной на выход ра-
зомкнутого треугольника TV(3U0).
При повреждениях во вторичных цепях: обрывах, отключений цепей
звезды или треугольника, КЗ в этих цепях нарушается компенсация; при
этом появляется напряжение t/tl и изменяются гокм в и, изг3 либо исчеза-
ет напряжение на одной из этих обмоток.
6.7. СХЕМЫ ДИСТ АНЦИОННЫХ 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 элек-
тромагнитные реле полного сопротивления с большим потреблением энер-
гии от измерительных трансформаторов жестко (без переключений) вклю-
чались на токи и напряжения фаз. Переключения в их цепях были недопус-
тимы, в том числе и из-за низкой коммутационной способности вспомога-
тельных (переключающих) реле. Для трехступенчатой дистанционной за-
щиты требовалось девять таких реле, причем ИОС были существенно бо-
лее 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 приме-
нять пусковые органы.
Пусковые органы не должны срабвтывгаъ б рабочих режимах к лоткпы
срабатывать при КЗ в пределах защищаемых зон дистанционной защиты.
В схемах пусковые ор1аны выполняли ряд функций: при уменьшенном
числе HOC определяли поврежденные фазы и переключали на них требуе-
мый HOC; осуществляли переключение ИОС с одной ступени на другую;
в случае общего органа выдержки времени для разных ступеней пускали
era В качестве пусковых использовались НОТ и ИОС. Такие органы, от-
строенные от рабочих режимов и срабатывающие при КЗ, естественно,
могли срабатывать н при качаниях, тх. 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 междуфазиых 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 измеритель-
ных органов третьей ступени защиты. Такне схемы широко использова-
лись в сетях 35 кВ. В сетях 110—-220 i<B использовались схемы, где три
ИОС жестко включались на токи и напряжения фаз (на петлю КЗ), но в це-
пях напряжения остапись переключения с первой на вторую зону. Три
ИОС третьей ступени одновременно выполняли оставшиеся функции пус-
ковых—управляли переключениями ступеней, пускали ОВ
Существенным недостатком этих схем были искажения в работе ИОС,
являвшиеся следствием переходных процессов, возникающих при пере-
ключениях в их цепях. Для устранения этого требовалось усложнение
схем, что снижало надежность. Кроме того, выполнение ИОС с характери-
стиками в виде эллипса, четырехугольника привело к еще большему ус-
ложнению схем.
При использовании электронной элементной базы выполнение различ-
ных ИО релейной зашиты оказалось одинаково. Поэтому в схемах современ- |
ных дистанционных защит, выполненных на ИМС, в трехступенчатых дис-
танционных 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 защи- '
ту. Поэтому часто БК называют пусковым органом. При использовании
в БК измерительных органов тока обратной последовательности при не-
исправностях в цепях напряжения защита не будет введена в реботу, что
исключает ее ложное срабатывание. Этим объясняется то, что БК вводит
все ступени, даже отстроенные от качаний по времени. К БН предъявляет-
ся требование лишь подавать сигнал о неисправности, а значит, не являет-
ся актуальным быстродействие БН. При использовании в БК измеритель-
ных органов напряжения обратной последовательности защита при неис-
правностях в цепях напряжения будет введена, что может привести к ее
ложному срабатыванию. Поэтому требуются БН с высоким быстродейст-
вием для обеспечения выводе защиты. В общем случае схемы строятся та-
ким образом, что для действия защиты на отключение необходима инфор-
мация БК и БН (рис. 6.19).
134
135
Для защиты от междуфазных КЗ ЦОС всех ступеней включены на со-
ответствующие токи и напряжения (рис. 6.19, а): ИОС (Л В); ИОС (ВС) и
ИОС (СА).
Входные элементы (трансформаторы, грансреакторы, автотрансформа-
торы) ИОС первой, второй и третьей ступеней включены следующим обра-
зом: ИОС (АВ). — р ~ 1й1||р5кение подпитки от
третьей фазы У под = L'?f позволяет исключить «мертвую» зону при
в месте установки защиты, когда = 0; ИОС (ВС): /р = 12в~ tic'
иг=Игвс- ИОС (04): /Р=/2Г-/И. Ор = у2СЛ,
Л™ =
Блокировка при качаниях реагирует на приращение вектора тока (или
напряжения) обратной последовательности.
Блокировка при неисправностях цепей напряжения выполнена в соот-
ветствии с рис. 6-18.
Срабатывание одного (или более) ИОС соответствующей ступени фик-
сируется схемами ИЛИ1, ИЛИ2, И ЛИЗ (рис. 6.19, б).
Сигнал на отключение первой ступени без выдержки времени появляет-
ся, если имеется сигнал на выходе ИЛИ1, на выходе 1 БК (ввод первой
ступени на заданное время) и на выходе БН. т.е. на всех входах И1.
Сигнал на выходе 1-12 появляется при наличии емгнвла на выходе схе-
мы ИЛИ2 (срабатывает хотя бы один из ИОС), выходе 1 БК (ввод на за-
данное время) и выходе БН. Этот сигнал пускает орган выдержки време-
ни второй ступени ОВИ. При наборе /”р защита действует на отключе-
ние 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 ме-
тут выполняться двухступенчатыми, содержащими первую и третью ступе-
ни. 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 вы-
бор выдержек времени по встречно-ступенчатому принципу: в сети из це-
пи одиночных линий с любым количеством источников питания; в кольце-
136
вой сети с одним источником питания. Первая и вторая ступени метут
обеспечить селективность при внешних КЗ в сетях любой конфшурации
при соответствующем выборе параметров срабатывания.
Дистанционные защиты являются медленнодействующими. Без выдерж-
ки времени КЗ отключается ииндь на части янннн в "зоне первой ступени
Зона первой ступени I стабильна, не зависит от режима работы сети,
вада КЗ и т.п. и составляет для линий без ответвлений до 85 % длины ли-
нии. Поэтому вторая ступень во многих случаях имеет достаточные коэф-
фициенты чувствительности.
Чувствительность третьей ступени в зоне резервирования на линиях с
подпитками на промежуточных подстанциях удается обеспечить при ис-
пользовании специальных характеристик срабатывания, позволяющих
иметь значительные Zc р 1пах.
Устойчивость быстроты срабатывания ступени 1 на двиииых линиях
1/иом — ЗЗС 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 сравне-
нию с защитами без этих цепей (токовых). Такое же влияние оказывает на-
личие 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 интеграль-
ные микросхемы выполнение ИОС не является более сложным, чем ИОНТ.
Диствнционвал защита используется в сетях 10 кВ, 35 кВ в качестве ос-
новной и резервной, если токовые и токовые направленные защиты не
обеспечивают необходимую чувствительность и быстродействие.
В сетях 110—220 кВ защита используется как резервная от всех много-
фазных КЗ и как основная - если допустимо отключение КЗ в конце ли-
нии со временем второй ступени. Допустимость этого оценивается крите-
рием остаточного напряжения при (рис. 6.20).
Если напряжение = Уз ZK0,85Z|/>0,6UHOM —допустимо исполь-
зовать диствнционную защиту как основную. В сетях С/ком > 330 кВ дис-
танцнониая защита используется только как ре- зервная от многофазных КЗ. Основным достоинством этих защит явля- ется выполнение ими функций как основных, так и резервных. Все относительно селективные являются защитами с выдержками времени, т.е. медлен- _ , /(Э) к Рис. 6.20. К определению
137
недействующими. Без выдержки времени КЗ отключается лишь на части
линии в зоне первой ступени.
Длина зоны первой ступени токовых и токовых направленных зашит,
изменяясь при разных вадах КЗ, в различных режимах может быть доста-
точно мала (и даже равна нулю). Существенным преимуществом дистан-
ционных защит является стабильность зоны первой ступени. Поэтому и
вторые ступени дистанционных защит обладают большими коэффициента-
ми чувствительности
Третьи ту пени всех защит отстраиваются от нагрузочных режимов.
Токи срабатывания третьих ступеней токовых и токовых направленных за-
шит должны быть больше рабочих максимальных (/J*1>Правшах)• Мини-
мальные токи срабатывания третьих ступеней дистанционных защит
AiTinin < ^раб пих’так как ГРИ этом значительное напряжение Upflg препят-
ствует срабатыванию ИОС П|.
Чувствительность третьих ступеней дистанционных защит при исполь-
зовании 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 быст-
родействие. Если требуется выполнение более сложной защиты, имею-
щей цепи напряжения, целесообразно использовать от многофазных КЗ
дистанционную защиту, а от КЗ на землю — токовую направленную ну-
левой последовательности. Это обусловлено тем, что при современной
элементной базе ИОС не оказываются более сложными, чем ИОНТ, а
функциональные возможности дистанционной зашиты больше, чем токо-
вой направленной.
7
ЗАЩИТЫ С КОСВЕННЫМ СРАВНЕНИЕМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
7.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ АБСОЛЮТНО СЕЛЕКТИВНЫХ
И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЗАШИТ
Работа абсолютно селективных зашит, достоверно различающих КЗ
в защищаемом элементе и вне его и обеспечивающих возможность отклю-
чения КЗ без выдержки времени, основаны на одновременном использова-
нии информации о значениях электрических величин во всех присоедине-
ниях защищаемого элемента. Поэтому абсолютно селективные защиты,
в отличие от относительно селективных, например ступенчатых, в общем
случае требуют применения специальных каналов связи (КС) (рис. 7Л).
В качестве каналов связи используются проводные (вспомогательные или
соединительные проводе), высокочастотные и радиоканалы. Возможно ис-
пользование и волоконно-оптических линий связи.
Проводные каналы состоят из жил кабеля с изоляцией до 1000 В. Ин-
формация 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 ис-
пользуются и для цепей телемеханики и специальной связи Недостатком
таких проводных КЗ является высокая стоимость прокладки кабеля, а так-
же возможность повреждения его на неохраняемой территории вне под-
станции. Поэтому для защит линий применение проводных КС ограничи-
вается небольшой длиной линии, приблизительно до 20 км. Для защит ли-
ний в пределах подстанции, защит генераторов, трансформаторов, двигате-
139
Рис. 7.2. Принциииальняя схема ВЧ капала
леи и шин применяются проводные КС с жилами контрольных кабелей.
В этих случаях длина вспомогательных проводов не превышает несколь-
ких сот метров, провода находятся в пределах подстанций (станций).
Высокочастотные каналы (ВЧ) функционируют по проводам защищае-
мой линии, для чего производится высокочастотная обработка линии.
Обычно обработке подвергается одаа фата и ВЧ сигналы передаклся со
схеме фаза -земля (передача происходит по всем трем фазам за счет ин-
дуктивной и емкостной связей между проводами фаз).
Для релейной защиты используются ВЧ каналы, работающие на часто-
тах 40—500 кГц.
Высокочастотный канал (рис. 7.2) содержит следующие элементы: про-
вода фазы защищаемой линии, заградители 2 и 2' конденсаторы 3 и 5' за-
щитные устройства 4 и 4", фильтры присоединения 5 и 5* ВЧ кабели бнб’
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 со-
седние участки, исключен тем самым возникновение помех на этих уча-
стках, излишнее расходование мощности приемопередатчиков, а также
позволяют чаше использовать одинаковые частоты канала, например че-
рез два-три участка линии.
Высоковольтный конденсатор связи изолирует ВЧ аппаратуру от высо-
ковольтной линии и создает путь токам высокой частоты, для которых
предстааляет малое сопротивление, а также препятствует токам промыш-
ленной частоты, для которых гредставляет большое сопротивление.
140
Защитное устройство состоит из разрядника (от перенапряжений) и
заземляющего разъединителя для безопасности выполнения наладоч-
ных работ.
Фильтр присоединения 5, состоящий из воздушного трансформатора и
конденсатора, согласует волновое сопротивление ВЧ кабеля и входное со-
противление линии, что исключает потери энергии на отраженные волны.
Заземление обмотки трансформатора создает путь токам промышленной
частоты, исключая их попадание в приемопередатчики. Фильтр присоеди-
нения вместе с конденсатором связи 3 образует полосовой фильтр, пропус-
кающий определенную полосу частот.
Высокочастотный кабель б соединяет приемопередатчик с фильтром
присоединения, выполняется одножильным, экранированным с малым за-
туханием для ВЧ сигналов.
Приемопередатчик состоит из передатчика — генератора ГВЧ и при-
емника высокой частоты ПВЧ. С каждой стороны линии приемопередат-
чики настроены примерно на одну и ту же частоту. Поэтому ПВЧ прини-
мают 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 приемопере-
датчики мощностью 20—35 Вт, перекрывающие затухание по линии до
17 -20 дБ. Затухание резко увеличивается при неблагоприятных погод-
ных условиях (гололед, мокрый сиег). что учитывается при проектирова-
нии канала и эксплуатации защиты. При и на обработанной фазе
канал может нарушаться за счет возросшего затухания в месте КЗ, что
также учитывается при проектировании защиты.
На ВЧ канал большое алияние оказывают помехи, обусловленные высо-
ким напряжение линии — коронирование проводов, операции с коммутаци-
онными аппаратами, соседние ВЧ каналы. Влияние помех снижает порог
чувствительности ПВЧ, а также определяет способы выполнения защит.
Радиоканалы работают на ультракоротких, дециметровых и сантимет-
ровых волнах (/'= 300—30 000 МГц). Волны таких частот распространяют-
ся вблизи поверхности земли, не огибают ее выпуклостей. Поэтому такие
каналы могут использоваться в пределах прямой видимости, т.е. на неболь-
ших расстояниях между антеннами — от 40 до 60 км. Для линий неболь-
шой протяженности принципиальная схема радиоканала (рис. 7.3) состоит
Рис. 7.3. UpnnKanasjii>ii»il схема
радиоканала
2'
141
из приемопередатчиков / и /' линий связи приемопередатчиков с антенной
2 и 2', направленных антенн 3 и 3' и пространства между ними
Радиоканалы большой протяженности для усиления радиосигналов со-
держат промежуточные приемопередающие радиоствниии. Такие радиока-
налы носят название радиорелейных линий. Радиоканалы имеют преиму-
щества по сравнению с ВЧ каналами; работа их меньше зависит от повреж-
дений на линиях электропередачи, им доступна более широкая полоса час-
тот. Однако радиоканалы дороги из-за промежуточных трансляторов и в
энергетике используются мало.
Высокочастотными называются защиты, использующие ВЧ каналы.
Передатчики пускаются и останааливаются сигналами релейной защиты,
а сигналы с выходов приемников поступают в цепи релейной защиты и
обусловливают выполнение ею заданных функций. Различают два спосо-
ба использования ВЧ сигналов для релейной защиты с разрешающими и
блокирующими сигналами.
В защите с разрешающими сигналами ВЧ сигнал, поступающий с про-
тивоположной стороны линии (рис. 7.4, а), разрешает защите поврежден-
ного участка действовать на отключение При КЗ в Л-/ на IV i зашита 1 на
подстанции А может действовать на отключение, если поступит сигнал от
ГВЧ защиты 2 подстанции Б. Однако при нарушениях ВЧ канала, напри-
мер при или на обработанной фазе, ВЧ сигнал может не пройти и
защиты могут отказать. При внешних КЗ (Л2) и нарушениях ВЧ канала из-
лишних срабатываний быть не может, так как на неповрежденных участ-
ках обмена ВЧ сигналами не требуется.
При использовании разрешающих ВЧ сигналов нарушение канала и от-
сутствие такого сигнала с противоположной стороны может привести к от-
казу защиты при внутренних КЗ, но исключаются излишние ергбетывания
при внешних КЗ. Блокирующие сигналы, поступающие с противополож-
ной стороны, запрещают действие защит неповрежденных участков на от-
ключение. При КЗ в KI на IVI для действия зашит 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 нено-
С1 A A irz> Е nw В С2
Рис. 7-4, Использование
в)
б)
разрешающих н блокирую-
щих ВЧ сноваюв (о), необ-
ходимость ПО разной чув-
ствительности (б)
142
врежденного участка может излишне действовать на отключение. Таким
образом, при использовании блокирующих ВЧ сигнвлов отсутствие такого
сигнала с противоположной стороны не может привести к отказу защиты
поврежденного участка, но может обусловить излишнее срабатывание за-
щит 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 ие лущены.
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 ре-
жимах и должны срабатывать только при возникновении КЗ в сети. Пуско-
вые 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 сим-
метричные составляющие, органы направления мощности, включенные на
симметричные составляющие, а также реле минимального сопротивления.
Однако наличие ПО обусловливает возможность излишнего срабатыва-
ния 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 вы-
ходе ПВЧ сигнал будет соответствовать КЗ в зоне, и комплект со сработав-
шим ПО может излишне подействовать на отключение. Для исключения
излишних срабатываний при внешних КЗ с уровнем электрических вели-
чин. близким к значению параметра срабатывания, когда мояевт сработать
ПО только с одной из сторон, в ВЧ защитах с блокирующими сигналами
предусматриваются две группы ПО разной чувствительности. Чувстви-
тельный ПО6л 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) срабогает чувствительный ПО только с одной стороны, напри-
мер в защите /, и ие сработает в защите 2, то вследстане недостеточной
чувствительности не сработают более грубые ПО в обеих защитах, а сле-
довательно, ие будут подготовлены цепи отключения этих защит.
Ток срабатывания чувствительных ПО, включенных на полный ток фа-
зы, отстраивается от значения тока максимального рабочего режима:
/с.зч — ^отс^рвб max ^в- (7-0
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 зашиты на от-
ключение и поэтому к3= 1.
Ток срабатывания аналогичного грубого ПО:
2)4.„. (72)
Ток срабатывания чувствительного ПО тока обратной последовательно-
сти /с зч2 должен быть отстроен от суммы токов небаланса фильтра
гока обратной последовательности при внешних КЗ или качаниях и тока
несимметрии нагрузочного режима /2„ес-.
Ас.зч2 Аогс(^2нб +^2иес)^в- (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 комби-
нированный ПО тока обратной и нулевой последовательности, реагирующий
на сумму токов (/ J /с|, где к— коэффициент фильтра, обычно к > 1.
На длинных линиях используются ПО напряжения обратной последо-
вательности, к которым подводится напряжение |^4 + -2—к|» где —2 и
/2 — напряжение и ток обратной последовательности в месте установки
защиты; Z* — сопротивление компенсации, принимаемое равным поло-
вине сопротивления линии.
Для повышения чувствительности к симметричным КЗ в качестве пус-
кового используется измерительное реле сопротивления, отстроенное от
минимального сопротивления рабочего режима:
(74)
где Лотс > 1.
В каждом отдельном случае используются те ПО, которые обеспечива-
ют достаточный требуемый коэффициент чувствительности (кч > 2) при
КЗ в конце защищаемой линии. При определении Лч органа минимального
сопротивления следует определить Zc 3 тах при <ры ч
7.2. НАПРАВЛЕННАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ 5АЩИГА
Направленными с косвенным сравнением электрических величин назы-
ваются абсолютно селективные защиты, сравнивающие по фазе электриче-
ские величины по концам линии (продольные) или на параипеяьнь\х лини-
ях (поперечные) с помощью сигналов от измерительных органов, переда-
144
I’itc.7.5. К iiohciiciiiuo принципа действия папраьленной ВЧ защиты
ваемых по каналам связи. Направленные высокочастотные зашиты косвен-
но сравнивают иапрааления (знаки) мощности или тока КЗ по концам за-
щищаемой линии при помощи ВЧ канала связи. Принцип защиты рассмат-
ривается применительно к одной фазе линии (рис. 7.5). Па участке с каж-
дой его стороны установлен измерительный орган направления тока. Ус-
ловные положительные направления токов приняты от шин в линию. Толь-
ко на поврежденном участке W2 при КЗ в К2 направления токов в защитах
обеих сторон совпадают с заданными условными положительными направ-
лениями от шин в линию. При этом защитам разрешается действовать
на отключение Q3 и Q4.
На неповрежденных участках VVI и W3 в защите одной стороны, бли-
жайшей к месту внешнего КЗ, ток всегда направлен противоположно при-
нятому положительному направлению, т.е к шинам. При этом запрещает-
ся 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, принима-
ется и расшифровывается в логической части защиты.
В направленных высокочастотных защитах оказываются достаточными
и используются двухуровневые, или двоичные, 0(1) сигналы, блокирую-
щие ВЧ сигналы, и поэтому такие защиты иногда называют направленны-
ми с ВЧ блокировкой. В нормальных режимах ГВЧ не пущены и ВЧ сигнал
отсутствует. В защите необходимы две группы пусковых органов: чувстви-
тельные, пускающие ГВЧ и блокирующие защиту, -— ПО6л и грубые, кон-
тролирующие цепи отключения выключателя,— ПОот.
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 ПОНТ при
КЗ в зоне;
направленный только при внешних КЗ чувствительными ПО и МОНТ 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 — повышает-
ся надежность срабатывания, поскольку при КЗ на защищаемом участке
пуск ГВЧ не происходит. Но при этом снижается надежность несрабаты-
вания при внешних КЗ. При направленном пуске ГВЧ необходимо согла-
145
сование по чувствительности ие только ПО, но и ИОНТ, действующих на
пуск ГВЧ, где ток направлен к шинам, и ИОНТ, разрешающих отключе-
ние выключателей в защитах, где ток направлен от шин. Кроме этого не-
обходимо обеспечить упреждение по времени работы ИОНТ, действую-
щих на пуск ГВЧ, где ток направлен к шинам относительно ИОНТ, разре-
шающих 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 появяяется ток
Лич - Следовательно, наличие тока на входе ПВЧ /рпч * О свидетельству-
ет о внешнем КЗ, и зашите 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 схемвх при-
нято обозначение <«р в зоне» при направлении тока от шин в линию, а
при противоположном —«вне зоны». В схемах пуска использукугся про-
стые максимальные ПО, срабатывающие при превышении характеристи-
ческой величиной //значения срабатывания Нср.
При ненаправленном пуске на рис. 7.6, как и в общем случае, в блоке
выполняются операции, в результате которых из подводимых от изме-
рительных трансформаторов тока z(r) и напряжения г/(г) получают теку-
щие значения характеристических величин, необходимых для реализации
оперят еров блокирующих и отключающих Нст пусковых органов, а
также угол соответствующий направлению тока в защите, для измери-
тельного органа направления тока.
Далее вводятся (задаются) параметры срабатывания Нелср, Нотср и
возврата Ншвр пусковых органов, диапазон Д<ргр ограничивает диапазон
изменения утла<р, соответствующий направлению тока от шин в линию.
После определения значений характеристических величин для ПО и
МОНТ гроверяюгся условия работы по каждому из них.
В нормальном режиме работы сети ПО защит в состоянии до срабаты-
вания и ГВЧ не пушены. При КЗ в сети и выполнении условия Нбп >
> «бл с р запускаются ГВЧ и элемент времени ОВ1, задающий интервал вре-
мени tf, в течение которого должна обеспечиваться работа ГВЧ до отключе-
ния внешних КЗ резервными защитами (при отказе основной быстродейст-
вующей).
При внешних коротких замыканиях в защите, где ток направлен к ши-
нам и ИОНТ фиксирует положение «вне зоны», происходит останов ГВЧ
npHt>/|.
В защите удаленного от внешнего КЗ конца линии направление тока все-
гда от шин в линию, и ИОНТ фиксирует «<р в зоне», но ГВЧ осганавливает-
146
Рис. 7.6. Схема алгоритма ненаправленного пуска ГВч
Рис. 7.7. Схема алгоритма направленного пуска ГВЧ
ся с задержкой t > t2, задаваемой элементом ОВ2, достаточной для переда-
чи блокирующего ВЧ сигнвла от комплекта защиты, ближайшего к месту
КЗ, где направление тока к шинам, и запрета пуска ГВЧ ие происходит.
Таким образом, при внешних КЗ в защите, ближайшей к месту КЗ, ГВЧ
запущен в течение f </j, а в защите, удаленной от места КЗ, — в течение
t < /2,т.е. пока ие 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 комплек-
тах одинакова: при выполнении условия «<р в зоне» с выдержкой времени
/2 останавливаются ГВЧ. При отсутствии тока /пвч, после проверки со-
стояния ПОИТ и отключающих ПО появляется сигнал отключения выклю-
чателей Q и возврата ОВ2.
В алгоритме направленного пуска (рис. 7.7), как и выше, после определе-
ния текущих значений характеристических величии оценивается состояние
пусковых органов ПОбл (условие Н$л > НбЛСр) и органа направления тока
ИОНТ. При отсутствии КЗ в сети все органы в состоянии до срабатывания.
При внешних КЗ и срабатывании ПОбл защит линии WI запускается
элемент времени ОВ1, задающий необходимое время работы ГВЧ по ус-
ловиям 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 отключе-
ние выключателя на время, достаточное для передачи ВЧ сигнала на про-
тивоположную сторону линии, где направление тока от шин в линию и
ГВЧ ие запускается.
При КЗ на защищаемой линии W2 («ср в зоне») в соответствии с состоя-
нием ИОНТ (условие «ср в зоне») пуск ГВЧ не происходит, и останавливать
их, как при ненаправленном пуске, не требуется.
При = О, сработавшем состоянии пое1 (L > 1) проверяется состоя-
ние ИОНТ (/И > I), с задержкой времени t > /2 отключается выключатель Q
и происходит возврат ОВ2.
После возврата ПО в t > t। 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 качвний Ц (рис. 7.8, с) расположен на защищаемой
линии, то напряжения, подводимые к ИОНТ в защитах выключателей Q1 и
Q2 (рис. 7.8, б), равны.
/]Zj/j , или, так как Vu — О,
U31'4*6^2= 4^2'
149
a)
О
Put. 7.8. Поведение на-
пряв лен ной ВЧ защи-
ты при ка iaiin«>
Напряжения, подводимые к ПОНТ, одинаково ориентированы относи-
тельно токов /( и Zj и» если при этом угловом соотношении сработает
ПОНТ в защите выключателя Q1, то сработает ПОНТ и в защите выключа-
теля Q2. Поэтому при качаниях может отсутствовать блокирующий сиг-
нал, что приведет к излишнему срабатыванию защиты. Кроме того, такие
ПОНТ имеют «мертвую» зону при вблизи места установки защиты.
В связи с этим в направленных ВЧ защитах не используются МОНТ, вклю-
ченные на полные токи и напряжения.
На качания не реагируют ПОНТ, включенные на слагающие обратной
или нулевой последовательности, которые при качаниях отсутствуют.
В неполнофазном режиме работы в сетях с пкукозвземпенньош ней-
тралями появляются слагающие обратной и нулевой последовательно-
стей [2], и МОНТ, реагирующие на слагающие обратной последователь-
ности, при определенном их подключении, а именно к шинам могут
срабатывать в нагрузочном неполнофазном режиме и излишне отклю-
чать линию. Поэтому при непоянофазном режиме, в частности, однофаз-
ного автоматически повторного включения (ОАПВ) направленные защи-
ты выводятся мз 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 (КТ) достаточно срабатывания
пускового органа только в защите выключателя Q3 с наибольшим током
Рис. 7.9. Работ» ВЧ зашит на ливнях с ответвлениями
150
Z3 = Zj + 22- Это является достоинством направленной защиты по сравне-
нию с другими ВЧ защитами, например дифференциально-фазной.
Для действия при симметричных КЗ могут использоваться направлен-
ные ИОС, работа которых контролируется блокировкой при качаниях. При
трехфазных КЗ могут срабатывать ИОНТ, включенные на слагающие обрат-
ной 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 ие контролироваться блокировкой при качаниях, так как появ-
ление обратной последовательности уже указывает на возникновение КЗ.
При ненаправленном пуске используются пусковые органы тока (напря-
жения) обратной последовательности, котсрыс могут срабатывать и при
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 излиш-
них срабатываний при качаниях. Поэтому применяется пусковой орган
сопротивления (ПОС) с направленными ИОС, срабатывающими при на-
правлении тока к шинам. Характеристика срабатывания располагается в
третьем квадранте (рис. 7.10, а).
Ниже рассматриваются основные положения выполнения одной из мо-
дификаций направленной ВЧ защиты. В качестве измерительного органа
при всех видах несимметричных КЗ используются ИОНТ обратной после-
довательности, а при симметричных — направленный ИОС, работа кото-
рого контролируется блокировкой при качаниях БК
Угловая характеристика ИОНТ обратной последовательности аналогич-
на характеристике ИОНТ нулевой последовательности (см. рис. 5.11, в)
ИОНТ срабатывает при направлении тока от шин, вольт-амперные ха-
рактеристики приведены на рис. 7.10, б.
151
Характеристика срабатывания направленного измерительного органа
сопротивления (рис. 7.10, а) имеет вид эллипса, расположенного в пер-
вом квадранте, с большой осью, равной (1,5—2JZ,,, т.е. с запасом охваты-
вает всю защищаемую линию и проходит через начало координат. Работа
ИОС контролируется блокировкой при качаниях БК, запрещающей оста-
нов ГВЧ при качаниях.
В качестве пусковых органов при несимметричных КЗ используются
комбинированные органы тока /2 и напряжения t/2 обратной последова-
тельности: чувствительные (блокирующие) запускают ВЧ передатчик
при одновременном срабатывании (/2 > 1гбл и U2 > б/2сл ), а грубые под-
готавливают цепи отключения, также при одновременном срабатывании
02 > her и ^2 > ^2от)
При выполнении требования одновременного срабатывания органов то-
ка и напряжения обратной последовательности их параметры срабатыва-
ния можно отстраивать лишь от небалансов нормального режима. так как
при больших токах внешних КЗ и качаний не будет срабатывать орган на-
пряжения, а при повышенном напряжений - орган тока.
Как следует из характеристик, приведенных на рис. 7.10, б, обеспечива-
ется более высокая чувствительность ПОНТ отатхвтельно ПО. Поэтому
при срабатывании ПО и запуске ГВЧ ПОНТ должен уже надежно срабо-
тать и правильно определить направление тока /к.
Пусковым ори симметричных КЗ является орган сопротивления ПОС с
характеристикой в виде эллипса, расположенной в третьем квадранте и на-
дежно охватывающей начало защищаемой линии (рис. 7.10, о). Следова-
тельно, пуск ВЧ передатчиков при несимметричных КЗ выполняется нена-
правленным ПО как ори внешних, так и при внутренних КЗ, а останов -
ПОНТ, срабатывающим при направлении /к от шни в линию.
Направленный пуск ВЧ передатчиков при симметричных КЗ выполня-
ется направленным органом сопротивления при внешних КЗ. Гак как ха-
рактеристика органа смещена в первый квадрант, то при пуске ВЧ передат-
чика при КЗ в зоне его останов производится измерительным органом со-
противления, срабатывающим при направлении тока КЗ от шин.
Работа ПОС на пуск ВЧ передатчиков контролируется пусковыми бло-
кирующими органами тока (/2бя) и напряжения (С2бл). Возможен допол-
нительный контроль блокировкой при качаниях, что. однако, увеличит вре-
мя срабатывания защиты.
Действие на отключение ИОС контролируется дополнительно грубыми
ПОтока (72t>l) и напряжения (б/2от).
Защита каждой стороны участка линии срабатывает на отключение
при срабатывании грубых ПО, одного из измерительных ПОНТ или ИОС
и отсутствии тока на входе ПВЧ (/рвч = 0), что свидетельствует об оста-
нове ГВЧ с обеих сторон 4
52
Структурная схема упрощенного влгоритма направленной защиты
состоит из трех групп функционально связанных операторов.
пусковых органов блокирующих — ПОбл, рис. 7.11, а;
измерительных органов рис. 7.11, б;
отключающих пусковых органов — рис. 7-11, в.
Прежде всего выполняются операции, в результате которых из подво-
димых /(г) и «(/) получаются текущие значения характеристических ве-
личин, необходимые для реализации операторов блокирующих и отклю-
чающих пусковых органов, а также значение угла 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 напря-
жения 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 сраба-
тыванием органа минимального сопротивления Z^n с характеристикой сра-
батывания, расположенной в третьем квадранте (см. рис. 7.10, я). Одновре-
менно с ГВЧ пускается элемент времени OBI, 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 несиммет-
ричных КЗ определяется ИОНТ обратной последовательности, состояние
которого фиксируется в условии «ф в зоне», а при симметричных КЗ до-
полнительно органом минимального сопротивления ZKO с характеристи-
кой срабатывания в первом квадранте (см. рис. 7.10, а).
Работа ZMO контролируется блокировкой при качаниях БК, и останов
ГВЧ возможен только при получении разрешения от БК.
При коротком замыкании в защищаемой зоне для отключения выклю-
чателя Q необходимо, чтобы отключающие пусковые органы ПОот в схе-
ме влгоритма на рис. 7.11, в находились в состоянии после срабатывания, а
на входе ВЧСл не было тока /рвч-
Положение ПОотк в состоянии после срабатывания определяется усло-
виями /2от > ^отср и —2от > —2отл.р" Если 7ПВЧ = ° й выполняется усло-
вие О 1, то ори t > i-i разрешается отключение Q и происходит возврат
элемента ОВ2.
При внешнем коротком замыкании и возврате ПОстк выполняются ус-
ловия /2от < /2отвр и ?22от>—2отвр и ПРИ 1 - *1 обеспечивается останов
IЪЧ и возврат OB 1.
153
154
вчел| 7пвч
I пвч 1
е)
Рис. 7.11. Окончание
Направленная ВЧ защита обеспечивает селективность действия в сетях
любой конфигурации с любым количеством источников питания, но требу-
ет дополнить ее резервной защитой с относительной селективностью.
В некоторых случаях на менее ответственных линиях напряжением
ПО—-220 кВ могут использоваться, например, дистанционная защита
с ВЧ блокировкой и обычная дистанционная ступенчатая зашита. 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 зашита наиболее быстродействующая из известных ВЧ за-
щит. Время срабатывания определяется временем срабатывания ПО и ИО,
а также временем прихода ВЧ сигнала с противоположной стороны линии
При выполнении специальных ПО и ИО зашита обеспечивает необходи-
мую чувствительность как на длинных сильно нагруженных линиях, так и
на линиях с ответвлениями.
Защита можег ложно сработать при качаниях» если ее измерительные
органы включены на полные токи и напряжения фаз. Поэтому работа изме-
рительного органа сопротивления контролируется блокировкой от качаний
Защита может сработать ложно в неполнофазных режимах. Поэтому
при возникновении такого режима, например ОАПВ, защита должна выво-
диться из действия, либо переводи сься в режим работы дифференцивлыю-
фазпой защиты.
Отечественная промышленность выпускает защиты в двух модифи-
кациях:
для луший V—33Q кВ, не ©бору дежанних ОМ®, приспюсобленная для
работы на линиях с ответвлениями;
для линий напряжением 500 кВ и выше, которая в неполнофазных ре-
жимах работает как дифференциально-фазная.
Предполагается широкое использование защиты в качестве основной
для линий 110 кВ н выше.
7.3. ДМФФЕРЕНЦИЛЛЫЮ-ФЛЗНЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЗАЩИ ТА
В отечественной практике дифференциально-фазная защита (ДФЗ) при-
меняется 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 — оп-
ределяется угол сдвига фаз между ними. Использование для действия за-
щиты информации только об угле между токами упрощает защиту, так как
необходима передача с каждой стороны по ВЧ каналу только одного сиг-
нала. Кроме того, исключается влияние на работу защиты переходных про-
цессов при возникновении КЗ, сопровождающихся большими токовыми
погрешностями. С двух сторон защищаемой линии (рис. 7.12, с) установле-
ны 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 Zj п Z(| совпадают с условными положительными на-
правлениями и могут быть сдвинуты на угол <р < я/2, определяемый сдви-
156
б) в)
1’кс. 7.12. К принципу работы Дв>3
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 ср = я (/|( противоположен условному положи-
тельному направлению) и защите запрещается действовать на отключение.
Практически при внешних КЗ угол отличается от указанного, что обуслов-
лено следующими причинам»?: конечной скоростью распространения ВЧ
сигналов, что приводит к появлению углового (временного) запаздывания
сигнала с противоположной стороны; влиянием поперечных активных и
емкос тных проводимостей линии, изменяющих фазу тока в начвле 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 <рб;| ~тг/4—тг/З. При
этом максимальные углы, при которых защита действует на отключение,
^Рсзшах “ ^(л —Ф&Л
Измерительный орган фаз определяет угол сдвитс фаз между током в
месте установки защиты и током противоположного конца, отстоящего на
десятки и сотни километров. Информация о фазе удаленного тока переда-
ется ВЧ сигналами. Для этого в комплекте каждой стороны линии имеется
орган управления передатчиком ГВЧ, называемый органом манипуляции
(ОМ) (манипуляция — частный случай фазовой модуляции). Орган мани-
пуляции разрешает работу ГВЧ лишь в положительные полупериоды то-
ков 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 фазак токов трехфазной сети, используются симметричные составляю-
щие токов. На ОМ каждой стороны подаются напряжения выходов комби-
нированных фильтров токов прямой /t и обратной /2 последовательно-
стей (/, + Л/2), м (/| + A/2)fI
157
С<ф<п
Рис. 7.13. Временная
ноясняюиьш принцип работы ДФЗ при ф
Следовательно, в защите определяется угол между токами /( +Л/2
с двух сторон линии. Недлинных линиях высокого напряжения в схеме за-
щиты предусмотрена компеневция емкостного тока линии для снижения
угловых погрешностей в определении угла между токами.
Приемники ВЧ (ПВЧ) «закрываются» ВЧ сигналом на их входе. Диа-
грамма работы защиты при изменении угла <р ~ 0°—я приведена на
рис. 7.13. При <р = п 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
a)
Рис. 7.14. Схема включении РО на выход
ПИЧ (н) и фазная характеристика
заарпи (6)
V
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 < <р <7t в ВЧ канале
появляются скважности (интервалы) между пакетами ВЧ импульсов, дли-
тельность которых (ск = [я |ч>| 1/(0. На интервале /ск открываются ПВЧ и
на их выходе появляется импульс тока длительностью гн = /ск, а в РО —
его среднее значение (рис. 7.14. с).
При <р = 0 в ВЧ канале появляются скважности /ск = я/со, а на выходе
ПВЧ — импульс максимальной длительности 1м — эт/<й. Среднее значение
тока ff>Q за полпериода промышленной частоты Тпропорционвяьпо:
'ро~[* |ф|]/0.5соГ (7J5)
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 (Л|+^/2)| и (/[+&/2)ц’ пРивеДейа на рис. 7.14. б, а возможное
выполнение РО, замеряющего среднее значение тока на выходе ПВЧ, — на
рис. 7.14, с. Практически для того, чтобы обеспечить надежное закрытие
ПВЧ при ф = я, длительность пакета ВЧ сигнала на выходе ГВЧ немного
больше полпериода промышленной частоты. Поэтому ток /ро = 0 в диапа-
зоне углов тг ± Дф, где Дф — увеличенная ширина импульса. Требуемый
угол блокировки задается током срабатывания 1С 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
О) б)
Рис. 7.15. 3.1П11СИК10СТ1. ипшульсов от токи па входе фильтра:
& I * Лии
Чувствительность органа манипуляции оценивается током надежной
манипуляции /им: минимальным током на входе фильтра, при котором
длительность импульса на выходе ГВЧ равна половине периода промыш-
ленной частоты. Работа при токах, меньших тока надежной манипуляции,
может привести к отказу защиты при КЗ на линии (рис. 7.15, с, 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 Груп-
пы отличаются по чувствительности в 1,5—2 раза. В каждой группе име-
ются отдельные органы для симметричного и несимметричных КЗ. В боль-
шинстве модификаций защиты в группе чувствительных пусковых органов
для симметричных КЗ используется ПОТ, включенный на фазный ток /^ч,
а для несимметричных — ПОТ обратной (и нулевой) последовательности с
током /2ч. В ряде случаев ток N не обеспечивает необходимой чувстви-
тельности при КЗ в конце линии. Однако в момент возникновения КЗ мо-
гут сработать ПОТ с током /2ч за счет кратковременной несимметрии По-
этому фиксируется на заданное время, достаточное для срабатывания за-
щиты, 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, вклю-
ченный на фазный ток /ф гр, и при недостаточной чувствительности до-
полнительно 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 канвла, ложных срабатываний ПОС (ПОН) при нарушении
цепей напряжения цепь на отключение выключателя линии подготавлива-
ется ПО в следующих случаях: находятся в состоянии после срабатывания
ПОТ, включенные на и на /2 — их срабатывание четко определяет на-
личие КЗ; находится в состоянии после срабатывания ПОС (ПОН) и еще
не набрана выдержка времени фиксации срабатывания ПОТ с /2 — нали-
чие этих двух факторов также идентифицируется как КЗ (а не неисправ-
ность в цепях папражения).
Приемопередатчики можно пускать лишь при значениях электриче-
ских величин в линии, превышающих надежную манипуляцию. Несо-
блюдение 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 за-
щиты приведена на рис. 7.16.
Измеритедьнс-пресбразс1вагельнь\е. части ИПЧ1 и ИПЧ2 двух, яопуюял-
плектов зашиты подключаются к первичным измерительным преобразова-
телям — трансформаторах! напряжения TV и тока ТА. Они состоят из пус-
ковых и измерительных органов релейного действия [2,4,5]:
пусковых органов фазного тока (максимальные измерительные реле то-
ка КА на рис. 7.16,«), токов обратной /2 и нулевой /0 последовательностей
(фильтр-реле тока KXZ^q) и сопротивлений (направленное измерительное
реле сопротивления К2);
измерительных органов сравнения фазных токов но концам лнини JC46;
измерительных органов управления ВЧ передатчиком ZA।2.
Пуск ВЧ передатчика производится дискретным сигналом, формируе-
мым фильтром-реле KAZiG, состоящим из фильтров токов обратной Z^2
(рис. 7.16,0 и нулевой ZAV последовательностей и их выпрямителей (на
схеме не показаны); сумматора AW «эпемента сравнения. суммы амплитуд
(ЭСА) токов (непрерывного сигнала ЕЕ) с заданным (запоминающим эле-
ментом ЗЭ) значением Е2 = Езл 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 чувствительно-
сти 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 Л„ на пуск управляемого передатчика GMI проходит через
161
логический элемент OWI (ИЛИ) от KAZ2 р, сигнал которого, если он крат-
ковременный. запоминается на определенное время элементом памяти ОТ,
или от реле тока КА.
Орган управления высокочастотным передатчиком содержит измери-
тельный преобразователь в виде комбинированного фильтра токов ZA।2
прямой в обратной последовательностей, обеспечивающий управление вы-
сокочастотным передатчиком током прямой последовательности при сим-
метричных и током обратной последовательности при несимметричных
КЗ. Его сигнвл Лм представляет собой напряжение промышленной часто-
ты, пропорциональное сумме токов + К1_2 прямой и обратной /2
последовательностей. Управление генератором заключается в формирова-
нии импульсов токов ВЧ в течение положительного полупериода тока на
выходе ZA12.
Орган сравнения фаз токов КА 6 на выходах фильтров ZAt 2 двух полу-
комплектов устройств защиты представляет собой элемент сравнения фаз
двух синусоидальных величин релейного действия (ЭСФ РД). Он форми-
рует дискретный потенциальный сигнал при углах сдвига фаз между то-
ками, соответствующих КЗ на защищаемой линии W. Сигнал поступает на
верхний вход элемента ОХ (И) логической части (ЛЧ), на нижний вход ко-
торого приходит дискретный сигнал от элемента DW2 (ИЛИ) при поступ-
лении на его вход одного (или всех) сигнала от KAZ2q, КА или KZ. При
этом электромеханическими (реле КО) или тиристорными исполнитель-
ными элементами формируются отключающие воздействия •*у1» ХуЪ на
выключатели (21, (22 линии.
Измерительное реле сопротивления KZ предусматривается для обеспече-
ния чувствительности и надежности действия зашиты на отключение при
симметричных КЗ с относительно небольшим током, при котором реле фаз-
ного тока КА не действует, а сигнал otKAZ20 отсутствует ввиду симметрии
трехфазной системы токов КЗ. Оно также состоит из нескольких функцио-
нальных элементов (рис. 7.16,6): измерительных преобразователей ПП1,
ИП2 напряжения V и тока /, задающего элемента ЗЭ, операционных пре-
образователей — сумматора AW и вычитателя АН, формирующих синусои-
дальные ЭДС Е/ и Е2, и элемента сравнения релейного действия ЕА ЭДС
EI и Е2 по амплитуде (ЭСА) или фазе (ЭСФ) измерительное реле со-
противления выполняется на любом из них в зависимости от того, какими
функциями V и / являются ЭДС EI, Е2 [5]
Исполнительные части ИЧ1, ИЧ2 полу комплектов защиты представля-
ют собой электромагнитные реле KL с относительно мощными контакта-
ми, формирующие управляющие воздействия Ау,, Jfy2 на электромагниты
отключения выключателями (21, £22 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 GMI, GM2 и их при-
емники DMI, DM2.
Дифференциально-фазная защита селективна в сетях любой конфигура-
ции с любым числом источников питания и требует ее сочетания с резерв-
ной относительно селективной защитой.
Зашита быстродействующая, однако пока ие удается выполнить ее для
линий сверхвысокого напряжения с временем срабатывания, меньшим 20 мс.
Повышенное время срабатывания вызвано необходимостью задержки в цепи
отключения па время прохождения блокирующего ВЧ сигнала к удаленному
от места внешнего КЗ комплекту, а также замедлением при работе вблизи
<1? с з шах за Счет Дипольного блокирующего сигнала.
Чувствительность органа манипуляции (ток надежной манипуляции)
и ПО удовлетворительна для любых двухконцевых линий. Однако на ли-
ниях с ответвлениями (см. рис 7.9). имеющими питание с приемной сто-
роны, оказывается необходимым дополнительно загрублять ПО, контро-
лирующие цепи отключения. В случае внешнего КЗ (KI) и равенства то-
ков с двух сторон /j = /2 ток /3 = 2/ j. Па двухконцевой линии, когда
при внеш нем КЗ токи с двух сторон равны, ПО, контролирующие цепи
отключения, вдвое грубее ПО, пускающих приемопередатчики. В рас-
сматриваемом случае эти ПО необходимо загрублять в четыре раза по
сравнению с чувствительными.
Защита ие реагирует на качания независимо от того, где расположен
центр качании (на защищаемой линии или вне), так как в любом случае то-
ки с двух сторон защищаемой линии сдвинуты на угол я.
Защита не срабатывает при отсутствии КЗ в неполнофазном режиме,
гак как на защищаемой линии в этом режиме отсутствует источник песим-
метрии, а значит, токи с двух сторон по-прежнему сдвинуты пая.
Отечественная промышленность выпускает ДФЗ, хорошо зарекомен-
довавшие себя в эксплуатации. Этой защитой оборудованы почти все ли-
нии напряжением V> ПС кВ. Однако наметилась тенденция к более ши-
рокому использованию направленных ВЧ защит, обеспечивающих боль-
шее быстродействие В непоянофазном 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, необхо-
дима информация о значениях электрических величин одновременно во
всех присоединениях элемента к системе. Поэтому абсолютно селектив-
ные защиты, в отличие от относительно селективных, например ступенча-
тых, используют специальные каналы связи, объединяющие все стороны
защищаемого элемента (рис. 8.1). В качестве каналов используются про-
водные (вспомогательные или соединительные провода), высокочастотные
и радиоканалы. Здесь рассматриваются лишь продольные дифференциаль-
ные защиты с соединительными проводами. В пределах станции (подстан-
ции) 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 диф-
ференциальных токовых защитах с проводными каналами определяется
геометрическая сумма или разность токов всех сторон защищаемого эле-
мента*. всех концов защищаемой линии, всех сторон защищаемого транс-
форматора (автотрансформатора) при общей дифференциальной защите,
двух сторон (в нейтрали и на выводах) генератора, в полной дифферен-
циальной защите шин
Принцип действия защиты рассматривается при ее выполнении для од-
ной <]>азы линии небольшой протяженности (рис. 8.2, a). С двух сторон ли-
нии установлены трансформаторы тока с одинаковым коэффициентом
трансформации Kf. Условные положительные направления первичных то-
ков каждой стороны приняты от шин, где установлена зашита, в линию.
Гис. 8.1. Каналы связи абсолютно селектив-
но» зашиты
165
«) б) в) г)
Flic. 8.2, Ррппцнгмвльпяя схема продольной дифференциал!. i токщлй защиты па
липин с двучстор<н<ш1м питанием (о), исьторпые диаграммы текил при внешнем (й)
и пиутренпем (в) КЗ, пример выполнения запциы ця липни с <1гнслшмнисм (г)
Вспомогательными проводами соединены попарно зажимы трансформато-
ров тока, обращенные внутрь и вовне защищаемого элемента, а на геомет-
рическую сумму их вторичных токов включен измерительный орган тока
ИОТ, в котором ток
'„-'а*'» <81>
Такое подключение ИОТ на сумму (или разность) токов с разных сто-
рон элемента (или в разных элементах) принято называть дифференциаль-
ным, а сами защиты дифференциальными.
В рассматриваемом случае в нормальном режиме, при качаниях и внеш-
них КЗ (W) на векторной диаграмме первичные токи с двух сторон пинии
равны по модулю, но при выбранных положительных направлениях сме-
шены по фазе: /,, = -*2|ц Без учета намагничивающего тока ТА таким же
соотношением связаны вторичные токи /2| = ^22П’ и согласно (8-1)
/р-0 (рис. 8.2,6).
При КЗ в защищаемой зоне токи 2ц и /1П в общем случае неодинако-
вы и ток 2р = (2ц + 2щ)^1» илй —р s 2|{/^/> гае 2К —' полный ток
КЗ (рис. 8.2, е). При /р > /ср 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 выноси-
мым ТА (КЗ) защитой воспринимается как внешнее. Зона действия защи-
ты ограничивается трансформаторами тока, установленными по концам
защищаемого элемента
На рис. 8.2, г приведена линия с отаетвленмем, 7А которого не включен
в схему дифференциальной защиты, т.е. получена схема неполной диффе-
ренциальной защиты.
166
В нагрузочном режиме при внешних
КЗ (распределение токов указано стрелка-
ми) 2цП - /([ + JU|, атокв НОТзащи-
™ 1„ = L2, + Z21, - L„„ /К,, ще К, -
коэффициент трансформации первичных
измерительных трансформаторов тока.
Следовательно, если в зоне защиты
имеется ветвь, трансформатор тока кото-
рой отсутствует в схеме дифференциаль-
ной защиты, то в ее ИО проходит ток
этой ветви. Это следует учитывать при
выборе тока срабатывания для исключе-
ния ложных и излишних срабатываний.
В соединительных проводах нормаль-
но циркулируют токи, что и определило
название продольной дифференциаль-
б)
Нис. 8.3. Ilciicn|>anaccii> пеней про-
дольной дифферент!» плюй защиты;
обрыв (с] и замыкание (б) соедини-
тельных прополов
ной защиты этого типа — защиты с циркулирующими токами.
При неисправности соединительных проводов возможны ложные и из-
лишние срабатывания, а также отказы защиты.
При обрыве соединительных проводов (рис. 8.3, о) 12ц = 0,а/р = Г21.
В нормальном режиме /р = /ра6/Kt, а при внешнем КЗ /р = т.е. току
внешнего КЗ, проходящему по защищаемой линии. Если ток срабатывания
/ср < /pgg/К/, то защита ложно сработает при обрыве и отключит защи-
щаемый элемент. При условии /ср > 1раЪ/К{ защита не сработает
в нормальном режиме. Но если при обрыве произойдет внешнее КЗ, то за-
щита излишне отключит неповрежденный элемент.
При замыкании соединительных проводов (рис. 8.3, б) НОТ защиты
оказывается зашунтнрованным. При КЗ в защищаемой зоне (К2~) защита
может отказать. Исправное состояние соединительных проводов является
необходимым условием надежного функционирования защиты.
8.2. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ
С ПРОВОДНЫМ каналом
При учете намагничивающих токов (см. рис. 3.2) ток в измеритель-
ном органе определяется
-р = -21+ “211 в (211 + 2|11)" (loi + /он) (8-2*
или
где ток небаланса — сумма приведенных намагничивающих токов из-
мерительных трансформаторов тока.
167
Ток в защите (первичный)
',= ^1, -1^. (S3)
где /иб, — первичный ток небаланса.
При КЗ в зоне X/j = - току в месте КЗ, причем /к »7^, поэто
му в (8.3) им можно пренебречь, тогда J3 = 1К. При внешнем КЗ Ь1( =0
и73 = /цб|-
Следователыю, при практическом выполнении зашиты при внешних
КЗ в ее измерительном органе проходит ток небаланса, определяемый
намагничивающими токами реальных первичных измерительных транс-
форматоров тока.
С учетом того, что при внешних КЗ первичные токи смещены пая, гео-
метрическая сумма намагничивающих токов ТА оказывается не больше на-
магничивающего тока одного из них |Е /J < /0. Дополнительное снижение
этой суммы учитывается коэффициентом однотипности принимае-
мым равным 0,5—0,7 для однотипных ТА и единице дня разнотипных.
В установившемся режиме внешнего КЗ относительное значение на-
магничивающего тока определяется полной погрешностью е и по аналогии
с (3.11) ток небаланса
^пб! “ ^сдн ви них»
(8.4)
где 1К tel) 1Т1ЙХ — максимальный ток. внешнего КЗ.
В переходном режиме КЗ токи небаланса возрастают, что определяется
различной трансформацией периодической и апериодической составляю-
щих переходных токов iK, а также различными постоянными времени пер-
вичной 7] и вторичной ?2 цепи ТА.
Цри возникновении КЗ в момент максимального значения периодиче-
ской принужденной составляющей первичного тока короткого замыкания
*fnep появляется равная ей и противоположная по знаку апериодическая со-
-1/Т,
ставляющая /1еп: = /wcosco/-/we . Так как обе составляющие из-
меняются во времени, то они трансформируются, распределяясь в схеме за-
мещения (см. рис. 8.2, б) между ветаями намагничивания и вторичной об-
ратно пропорционально их сопротивлениям. Для периодической составляю-
щей сопротивление вторичной цепи, определяемое как Z — H+jtaL, много
меньше, чем сопротивление ветви намагничивания Z2nep « ZOliep. Поэтому
f inep замыкается по вторичной цепи и в ветвь намагничивания ответвляется
лишь небольшая часть. Для апериодической составляющей соиротивленне
168
Рис.8.4. Ток небаланса при переходном процессе внешнего КЗ
определяется Zan = R — LIT. Иля реальных ТА сопротивление ветви намаг-
ничивания для апериодической составляющей оказывается много меньше.
чем или периодической составляющей ZOan « 2дпер, поэтому zfian » /Опер
(рис. 8.4), т.е. апериодическая составляющая трансформируется во вто-
ричную цепь значительно хуже периодической. Так как в индуктивном
сопротивлении ветви намагничивания ток скачком не возрастает, появля-
ется свободная составляющая тока *саЁП, обусловливая в начальный мо-
мент суммарный ток в ветви намагничивания, равный нулю: fpj = О. Со-
ставляющая <1ВЁГ затухает с постоянной времени вторичной иепи >:> ?j.
Поэтому через несколько периодов после возникновения КЗ намагничиваю-
щий ток, а следовательно, и определяемый им ток небаланса, могут достичь
максимального значения, существенно превышающего ток небаланса в ус-
тановившемся режиме. Повышенные значения этого тока оцениваются ко-
эффициентом апериодичности Лап, большим единицы:
^нбI шах ~ ^ап^Оди ®^kjbiimax- (8-5)
С учетом реальных соотношений йап = 2—3. Ток срабатывания защиты
^с.з “ ^отс^нб! шах» (8-6)
169
где йо.ге — коэффициент отстройки, учитывающий неточность расчетов и
принимаемый равным 1,3—2,0. Ток сребатывания измерительного органа
CF=*SV*/-
Коэффициент чувствительности защиты определяется минимальным то-
ком в ИОТ при КЗ в защищаемой зоне
(8-0
С учетом приведенных выше значений коэффициентов /сз = 0,4/КВИП1ах
и в некоторых случаях при КЗ в зоне и /к /КПИ|] (например, при односто-
роннем питании) необходимая чувствительность не обаспечивастся.
8.3. СПОСОБЫ ПОНЫ!ПЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТЫ
Для повышения чувствительности защиты необходимо уменьшить ее
ток срабатывания. Для этого в соответствии (8 5), (8.6) можно уменьшить
значение &а„ или обеспечить меньший ток срабатывания защиты при КЗ в
зоне по сравнению с его значением при внешнем КЗ.
В нервом случае будет снижено значение учитываемого тока небаланса
в переходном режиме, во втором — обеспечено автоматическое повыше-
ние тока срабатывания защиты при переходе точки КЗ из защищаемой зо-
ны вовне.
Снижение значений йа(1 может быть достигнуто способами без сниже-
ния отстроенности.
1. Замедлением действия защиты (до 0,3 с) на время, в течение которо-
го переходный процесс заканчивается. Однако сейчас этот способ приме-
няется редко, так как к защитам предъявляются все более высокие требова-
ния по быстродействию.
2. Включением последовательно с ИОТ гока добавочного сопротивле-
ния, снижающего апериодические слагающие тока в нем в большей степе-
ни, чем периодические Способ применялся ранее, когда для дифференци-
альных защит использовались обычные электромагнитные реле тока.
3. Сравнением в измерительном органе фаз токов, а не их комплекс-
ных значений (дифференциально-фазная защита). Намагничивающие то-
ки трансформаторов тока даже при переходном процессе КЗ не изменяют
угол между токами /2[ и /2|(, близкий к я при внешних КЗ, до значений,
соответствующих диапазону углов при КЗ в защищаемой зоне. Таким об-
разом устраняется условие отстройки от тока небаланса при внешних КЗ.
Измерительный орган, реагирующий на разность фаз двух токов, мо-
жет (й>[ть выполнен различными известными способами. Дифференцивль-
но-фазный способ используется в абсолютно селективных защитах линий
электропередачи (см. § 7.3).
170
4. Использованием апериодической слагающей в переходном токе неба-
ланса для увеличения тока срабатывания ИОТ (затруднения его). Это дости-
гается разными способами. Возможно выполнение ИОТ, содержащего рабо-
чую иепь. включенную дифференциально, с током /раБ, обуслоаливающим
срабатывание, и тормозную цепь, в которую подается тормозной ток /тор с
выхода фильтра апериодической составляющей, препятствующий срабаты-
ванию. При КЗ в зоне в рабочей цепи проходит ток /ра6 = 1к1К/, а
в тормозной цепи ток отсутствует, так как апериодическая составляющая
iK быстро затухает (приблизительно 30 мс), т.е. /тор ~ О. Этому ооответст-
вует /срп1П1, определяющий чувствительность. При переходном процессе
внешнего КЗ /гор * 0, и поэтому ток срабатывания ИОТ автоматически
увеличивается до нового значения /с р > /cpinjn
Широко используются специальные реле КАТ, содержащие промежу-
точные насыщающиеся трансформаторы ТАЕТ и реле тока КА (рис. 8.5, а}.
Ток в реле определяется ЭДС Е2 вторичной обмотки w2 трансформа-
тора, значение которой, например среднее, пропорционвльно полному из-
менению ЕВ индукции в магнитопроводе за период, т.е. Е2 = 2КВ, где
К — коэффициент пропорциональности.
При КЗ в защищаемой зоне в первичней обмотке ТАЕТ проходит ток
ip = <'K/Kf, практически не имеющий смещения относительно оси времени
(апериодическая составляющая быстро затухает), изменение индукции по
симметричному частному циклу достигает ЕВ > 2ВС и среднее значение
Е2 > 2К~2Вк - 4ДсК(рио. 8.5, б). Током срабатывания реле КАТ считается
наименьший ток /р в первичной обмотке ТАЕТ, при котором срабатывает
реле. Между током /р и вторичным током в реле КА связь нелинейная.
с)
О
в)
Гис. 8.5. Дифференциальная защита с КАТ (о), перемагничивание ТАЕТ при КЗ в зоне
(С) в при внешнем КЗ (в)
171
При внешнем КЗ в первичной обмотке 7Ж7'проходнтток небаланса, пол-
ностью смещенный относительно оси времени за счет медленно затухающей
апериодической составляющей, и изменение индукции Д/? = Bs - Вг
(рис. 8.5,в). Поэтому среднее значение Е2 = К' 2(BS -Вг)< 4В<К, и реле
не срабатывает. Реле функционирует правильно, если Вс > 0,5(йА — Вг).
Апериодическая составляющая, подмагничивая сердечник TALT, умень-
шает его сопротивление намагничивания, и при этом большая часть как
апериодической, так и периодической составляющей тока небаланса про-
ходит по этому сопротивлению в схеме замещения, не попадая в реле КА.
О гстроснность защиты повышается, поскольку для срабатывания ре-
ле КА необходимо значение переходного тока небаланса в первичной об-
мотке 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 Ааи — I.
Торможение от токов плеч дифференциальной защиты используется
для снижения тока срабатывания защиты /сз при внутреннем КЗ по срав-
нению с его значением при внешнем КЗ, определенным по (8.5), (8.6).
Принцип этого торможения рассматривается применительно к измеритель-
ным органам тока, в которых сравниваются две электрические величины,
сформированные из токов /21 и /2П.
Рабочее значение выбирается равным геометрической сумме токов
— раб ~ -лиф = -21 + -2П* т'е" представляет собой рассмотренный выше
ток в дифференциальной цепи и обусловливает срабатывание реле.
В качестве тормозной, препятствующей срабатыванию, выбирается гео-
метрическая толу разность токов I тор = 0,5 (2ZI
Характеристика срабатывания ИОТ (рис. 8.6, а), представляющая зави-
симость /с р = f(Ltop), описывается выражением
А: р Ар mm *^ТГррАгор’ (8-9)
где /ср - ток срабатывания ИОТ, изменяющийся при изменении /тор;
ЛТОр — коэффициент торможения, определяющий угол наклона характе-
ристики а = arctg А^р, а /сртга — минимальный тюк срабатывания реле
|ФиАгч>“®-
В условиях срабатывания /ра6 — /ср. Характеристика срабатывания де-
лит плоскость на область срабатывания, расположенную выше, и область,
где защита ие срабатывает, расположенную ниже характеристики.
При внешнем КЗ, когда угол между токами /21 и /2ц близок к л
(рис. 8.6, б), рабочий ток мал и равен /раб = /й6, а тормозной /^р =
172
Рис. 8.6. Характеристика срабатывания реле (с) и гектириые final риммы токок при
внешнем КЗ (с) и КЗ 11 зоне (в)
= 0,5(2/кв||Гпах)/К/ значителен, что соответствует точке А’ (рис. 8.6, о),
расположенной в области несрабатывания.
Для срабатывания при токе f'Dp по характеристике срабатывания необ-
ходимо иметь /ра6>/;р.
При КЗ в зоне, когда угол между токами и Z^ii невелик (ие превы-
шает десятых долей я), рабочий ток /раб = /г/^[ значителен (рис. 8.6, в), а
ток 7"ор существенно меньше и точка А" расположена в области срабатыва-
ния. Току/^ор по характеристике срабатывания соответствует Z"p <1^р-
Следовательно, если б защите без торможения ток срабатывания оста-
ется неизменным при внутренних и внешних КЗ и равным /ср /'р, то
в защите с торможением при внутренних КЗ возможно снижение тока сра-
батывания в пределе до /ср1ПП1 и повышение чувствительности к коротким
замыканиям. Повышение чувствительности иллюстрируется в координатах
/раб и /тор заштрихованной областью на рис. 8.7, а.
В сети (см. рнс. 8.2, с) при любых внешних КЗ (К/, К2, КЗ) в любых ре-
жимах (одно- или двухстороннее питание) в защите имеется торможение,
Рис. 8.7. Сравнение чувствительностн дифферепинялыган мютпы с торможением
и без торможения (а), внрелсленпс fc,PI№C4 (В)
173
определяемое токами I2j « ^zil (либо одним из них). Если принять ток рав-
ный /Сртш, то для исключения срабатывания защиты при внешних КЗ
следует выбрать такой коэффициент торможения Агор, чтобы при макси-
мальном токе /К.ВНП1ВХ ток срабатывания оказался равным току (или боль-
шим) /' р, а при КЗ в зоне снижался до 7"р (см. рис. 8.6, а)
Торможение от токов плеч является автоматическим увеличением тока
срабатывания защиты при увеличении тока внешнего КЗ. Этому соответст-
вует порядок расчета параметров защиты с торможением: определяется
A: pmm ПРИ отсутствии торможения, затем выбирается коэффициент тормо-
жения Лгор таким, чтобы при токе /к В|| тих обеспечивался ток /с р боль-
ший, чем токи небаланса в его ИОТ.
Так как в защите с торможением при снижении тока КЗ (например, при
замыкании через переходное сопротивление) снижаются оба гока /рэ6 и
/тор, то коэффициент чувствительности принято определять графически.
На графике (рис. 8.7, б), где изображена характеристика срабатывания,
строится прямая изменения /раб при изменении тока /к. Прямая проходит
через начало координат и точку К, ордината которой определяется мини-
мальным током /К|п,п/К[, а абсцисса — током /тор при указанном токе в
рабочей цепи.
Пересечение построенном прямой с характеристикой срабатывания оп-
ределяет расчетное значение /с р расч, и тогда
k inir/ А р расч
(КТО)
При определении требуемого значения коэффициента торможения
Агор следует учитывать возможность одностороннего питания КЗ (от-
ключен, например Q2, см. рис. 8.2, а), когда /раС = /2|, а /тор = 0,5/2|, и
кч может оказаться недостаточным. В защитах с торможением ктор =
= 0,15—0,5.
При аппаратной реализации ИО с
линейными характеристиками его эле-
ментов (рис. 8.8) влияние переходного
тока небаланса не снижается, поэтому
в (8.5) Лап = 2—3.
•III Q2
Араб t
*2^
Ксхеме сравнения
Рис. 8.8. Принципиальная схема ИО
с 1 орможенисм
Широко используется магнитное
торможение, позволяющее снизить
влияние переходного тока небаланса
(принять в расчетах кап = I), а также
обеспечить одновременное снижение
тока срабатывания при внутренних КЗ.
174
Put. 8.9. Принципиальная
схема реле с магнитным
торможением («) и его ха-
рактеристика срабатыва-
ния (б)
Для этого применяется измерительный орган KAW с промежуточным насы-
щающимся грансфррматором 7'А1Т(рис. 8.9, а) с первичной рабочей обмот-
кой M'pggi, включенной в дифференциальную цепь, т.е. на геометрическую
сумму токов /2[ и /2|[, и вторичной рабочей обмоткой к которой
подключается реле тока КА.
В тормозных обмотках w.iDp, расположенных на крайних стержнях, то-
ки /21 и /211 создают магнитодвижущие силы FTop, а соответствующие
им потоки обусловливают эффект торможения. Обмотки м>тор включены
так, что в режимах нагрузки и при внешних КЗ (или кгманнях) создавае-
мые ими потоки (сплошные стрелки) подмагничивают крайние стержни
практически до насыщения и затрудняют трансформацию тока небаланса
из обмотки и>раб1 в обмотку Жрабг- В обмотках 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 Жр.^ проходит ток 1к1К/ (пунктирные стрелки), создавае-
мый рабочий поток индуцирует в Жрад2 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 то-
ка при внешнем КЗ.
Использование нелинейного элемента (насыщающегося трансформа-
тора) в создании торможения обусловливает нелинейную характеристи-
ку срабатывания
175
Так как в реле с промежуточными насыщающимися трансформаторами
7И£7'токи срабатывания устанавливаются изменением числа витков TALT,
то характеристики реле КАИ7 изображаются в координатах магнитодвижу-
щих сил Fp!<5 У\ор). как на рис. 8.9» б.
Апериодическая составляющая переходных токов небаланса также
подмагничивает сердечник TALT, ухудшая трансформацию /,гб из обмот-
ки м'рэ61 в Wpagi- Поэтому измерительный орган с магнитным торможе-
нием повышает чувствительность зашиты как за счет снижения /ср при
внутренних КЗ. так и снижения влияния переходных значений по-
зволяя принять кЫ1 = 1
9
ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
9.1. ОСОБЕННОС ТИ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ
ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА (АВТОТРАНСФОРМАТОРА)
В соответствии с ПУЭ дифференциальная защита обязательно уста-
навливается на одиночно работающих трансформаторе* мощностью
£т > 6,3 МВ-А и на параллельно работающих трансформаторах собст-
венных нужд мощностью £т > 4,0 МВ - 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 МВ-А н больше) считается необходимым иметь
/с з ~ 0,3/,юм; для трансформаторов меньшей мощности /с 3 < (1,5—2,0)/,l(w,
а в некоторых случаях для маломощных трансформаторов при достаточном
коэффициенте чувствительности допустим /сз = (3—4)/11ПМ.
Продольная дифференциальная защита может быть выполнена отдель-
но для каждой обмотки и общей для всех обмоток.
Одиако 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 коли-
чество измерительных органов тока, и, кроме того, такая защита принци-
пиально не реагирует на витковые КЗ в трансформаторе. Действительно,
в замкнувшихся витках (рис. 9.1,6) циркулируют токи /к, однако токи fj
б)
Рчс. 9-1. Отдельные дифференциальные защиты обмоток трансформатора (о),
витковые КЗ в обмотке (fi), общая дифференциальная защита (в)
177
и /ц одинаковы; соотношение такое же, как и при внешнем КЗ. Отдельные
защиты не устанавливаются.
Общая продольная дифференциальная защита всех самоток (рис. 9.1, в)
существенно проще, в ней меньшее количество ТА и ПОТ, и она реагирует
на витковме КЗ. Токи /( и /п 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/A-l I (рис. 9.2, а).
В симметричном нагрузочном режиме первичные (вторичные) токи на
стороне звезды и треугольника сдвинуты на угол эт/ 6 (рис. 9.2, б).
В ИОТ защиты проходит разность этих токов, котореа при /2у = /2£, =
= /? равна Л/ = 2/2sin7t/l2 и может привести к ложным или излишним
срабатываниям при Д/>/са.
Фазовый сдвиг токов /у и ликвидируют за счет различных схем
соединений групп ТА с разных сторон защищаемого трансформатора.
При выполнении общей продольной дифференциальной зашиты ТА со
стороны звезды и треугольника защищаемого трансформатора следует со-
единить по схемам, которые компенсируют фазовый сдвиг токов /у и 7^-
Для схемы Y/Zi-I | возможны два варианта соединений ТА.
Как правило, на стороне звезды защищаемого трансформатора 7’обмот-
ки соединены в треугольник по I i-й группе, а на стороне треугольника —
в звезду (рис. 9.3, с). При этом ток в цепи циркуляции (в плече защиты) на
стороне звезды / пу оказывается смешенным на л/6 относительно /2у и
совпадает по фазе с током в цепях циркуляции на стороне треугольника
(Р™. 9-3,6).
При заземленной нейтрали трансформатора такое соединение исключа-
ет токи нулевой последовательности в ИОТ при внешних К^ и К*1,
Рис. 9.2. Однолинейное изображение дифферепинн.чьпон защиты травеформатора (п)
I векторчаи диаграмма токов |47)
178
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 / оказывается сдвинутым на эт/ 6 относитель-
но тока /2Zx и совпадает с током 1цу = 22y (РиС- 9-3»г).
Для однотипных схем и трансформаторов с изолированной нейтрвлью
применяется первый вариант соединения ТА
Так как в схеме (рис. 9.3, а) в симметричном режиме ток в цепи цир-
куляции и вторичный ток связаны соотношением /цУ = »/3 /2У • то яля
получения в цепях циркуляции токов, близких ко вторичным номиналь-
ным токам 7А, коэффициенты трансформации последних выбираются с
учетом соотношений:
А у ном “ l/Y ,гом; /[ иом = ST/J3 ном;
Г <9,)
^Т Y ном ~ A Y ном^2 пом* IЛ ~~ Л А пом^З иом’
гАе UY ном • ^А ном . Л Y пом и 'jA пем — номинальные значения тока и на-
пряжения на стороне звезды и треугольника защищаемого трансформато-
ра; /зпоы — номинальный вторичный ток ТА (I или 5 А).
179
2. Защитное заземление токовых цепей защиты (вторичных цепей
ТА) выполняется у ИОТ (а не у каждой группы ТА). Это исключает появле-
ние 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 каж-
дой группы ТА создает контуры, шунтирующие их вторичные обмотки.
3. Необходимость учета намш мичпваюшего тока защищаемого
трансформатора. В соответствии со схемой замещения двухобмоточного
трансформатора и указанным направлением токов (рис. 9А, а) ток
/о = ~ /д •а в ИОТ условно изображенной дифференциальной защиты
ток 1р = (/у - /д)/Kf - где К, — коэффициент трансформации
трансформатора тока. Следовательно, в дифференциальной цепи обшей
продольной дифференциальной защиты трансформатора проходит его на-
магничивающий ток. Это означает, что в зоне защиты имеется ветвь с то-
ком, не включенным в цепь дифференциальной защиты.
В нормальном режиме работы трансформатора его намагничивающие
токи малы (3—5 % /||0Ы) и могут не учитываться при выполнении защиты.
180
Однако при скачкообразном возрастании напряжения на трансформа-
торе, 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 на-
магничивания (БИТ).
Для иллюстрации рассматривается включение трансформатора на хо-
лостой ход в момент, когда напряжение и = 0 (рис. 9.4, б, в) и должно со-
блюдаться равенство Фуст = Фусти. Однако значение Фустп1 при 1=0
скачком установиться не может, появляется свободная апериодическая со-
ставляющая Фсв, начальное значение которой равно (~Фустя)), а резуль-
тирующего потока Ф£ нулю. Примерно через полпериода значение Ф£
возрастает до Фх > Фус.гяг .
Даже небольшое увеличение потока приводит к насыщению магнито-
провода трансформатора и к резкому увеличению его намагничивающего
тока, достигающего /БН-|- = (6 -8)/||ЮИ> что значительно превосходит допус-
тимые токи срабатывания защиты. Здесь номинальный ток /110Ы для транс-
форматора определяется номинальной мощностью и номинальным напря-
жением, соответствующим среднему ответвлению от обмотки высшего
напряжения трансформатора с УРПН (устройством регулирования напряже-
ния под нагрузкой). Для автотрансформатора ток /|1СМ рассчитывается по
его электромагнитной мощности (а не проходной), так как БИТ определяет-
ся объемом ствли сердечника, который соответствует этой мощности
Для того чтобы различить в дифференциальной цепи токи внутренне-
го КЗ, требующие срабатывания защиты, и БИТ. могущие привести к
ложному срабатыванию, анализируются форма и гармонический состав
этих токов [2,4]. При этом приходится учитывать, что насыщение магни-
топровода, которов и определяет БИТ возможно лишь в пределах части
периода промышленной частоты, а в оставшейся части насыщение отсут-
ствует и = 0. Возможны броски намагничивающего тока ма-
лой кратности, близкие к /иоы, без апериодической составляющей, но с
большим содержанием втором гармоники. Результирующая кривая тома
имеет интервал времени Д /01, в котором »ehti = 0 (рис. 9.5, «)-
При значительных БИТ »gHT кривая смещена по одну сторону оси
времени и характеризуется наличием апериодической составляющей и
второй гармоники Результирующая форма БИТ также имеет интервал
Д *01 с * бн и ~ однако меньщей, чем в первом случае, длительности (на
рис. 9.5, а не показана).
181
. ек(Выжцд TAVy
Vwc.9.5, Форма кривой чоков при till Г и КЗ в первичной цеп» (л), во вторичной ikiiii
Е4 (/>). ЭДС выходе траисрейктора ZXF («)
Форма вторичных токов дополнительно искажается за счет насыщения
ТА защиты. При малых значениях БИТ интервал Д/02 с *ВП2 умень-
шается. При значительных БНТ во вторичной цепи появляется апериодиче-
ская составляющая в ^пт2 > обусловленная насыщением ТА (рис. 9-5, б).
При значительных токах внутреннего КЗ iK во вторичном токе также
появляются вторая гармоника и интервал времени ДСОк с = 0.
В устройствах дифференциальной защиты трансформатора использует-
ся производная вторичного тока, получаемая при помощи трансреактора от
ЭДС еЕН| (рис. 9.5, в). Трансреактор оказывается корректирующим зве-
ном, так как производная обратной полуволны, имеющей малую крутизну,
существенно уменьшается по сравнению с ее значением на входе трансре-
актора'. возможна отстройка от нее. Траисреактор также исключает аперио-
дическую составляющую и увеличивает интервал времени и высшие
гармоники как в токе /БНТ, так и в /к. Следовательно, во всем диапазоне
кратностей тока нельзя различить по одному из признаков БИТ ток внут-
реннего КЗ. Действительно, если БИТ идентифицировать по наличию ин-
тервала ДГ0, то зашита откажет при больших токах внутреннего КЗ.
Если БЫТ идентифицировать по наличию апериодической составляю-
щей, то ток срабатывания защиты следует отстроить от БИТ, близких к /|10М
(возможно отсутствие апериодической составляющей) Тогда при внутрен-
них КЗ такая защита может загрубляться и замедляться. Последнее относит-
ся к случаю идентификации БИТ по содержанию токов второй гармоники.
182
Наконец, БИТ можно учесть значением /Внт = Ф—8)/110М- Тогда при
внутренних КЗ с током, большим указанного, такая грубая зашита будет
без замедления действовать на отключение.
Для трансформаторов малой мощности зашита может выполняться
с небольшим замедлением, при этом значение БНТ снижается, и ток сра-
батывания грубой зашиты — дифференциальной отсечки принимается
В разработках Новочеркасского политехнического института предлага-
ется идентифицировать БНТ произведением максимального мгновенного
значения /И1Т (ияи iK) и длительности интервала Д#о. Это позволяет рас-
ширить диапазон токов внутреннего КЗ, при котором защита их отличает
от БИТ: при одинаковых максимальных мгновенных значениях iBHT и iK
первый будет иметь больший интервал A f0.
Дифференциальную зашиту трансформатора для отстройки от БНТ вы-
полняют в виде нескольких независимых каналов, объединяемых на выхо-
де схемой ИЛИ. Ни один из каналов не должен срабатывать при любой
мрачности БНТ. При внугренпих КЗ с током, большим /ujrnjn, должен сра-
батывать хотя бы один канал. В дифференциальной защите трансформато-
ра применяется реле с насыщающимся трансформатором TAL7' (см. пре-
дыдущую главу), в котором отстройка от БНТ, как и от переходных Zfl6,
обеспечивается за счет содержащейся в них апериодической состааляю-
щей. Защиты выполняются на ток /С31шп > (1,3—1,5)/|10М и при внутрен-
них КЗ срабатывают с небольшим замедлением, определяемым наличием
апериодической составляющей в токе КЗ.
Для мощных трансформаторов (автотрансформаторов) применяется
двухканальная дифференциальная зашита типа ДЗТ-21 и ДЗТ-23. Чувст-
вительный канал с током /с jnim = 0.3/IIOM использует производную вто-
ричного тока, получаемую с выхода трансреактора TAV, и идентифициру-
ет БНТ наличием интервала Агс с 1Б]П = 0, большего, чем при iK = О
(времяимпульспый принцип). Применяется также торможение от второй
гармоники. Грубый канал (дифференциальная отсечка) выполнен с током
срабатывания /сз = (6—9)7ПОМ.
функциональная схема, реализующая времяимпульсный принцип,
приведена па рис. 9.6. На вход формирователя прямоугольных импуль-
сов ФИ поступает выпрямленная ЭДС трансформатора 7'АУ, пропорцио-
нальная производной дифференциального тока. Так как БНТ могут со-
держать отрицательную полуволну, ток срабатывания формирователя
импульсов /ср должен быть больше амплитуды этой полуволны. На вы-
ходе ФИ появляются малые интервалы АгОк между импульсами при токе
на входе iK и значительно большие при
183
Гис. 9Л. Схема (с) и график (С), иллюстрирующие отстройку зашиты от Elll,
ТОрМОШая характеристика (в)
Элемент временной памяти ВП не успевает вернуться между импульса-
ми тока fK, и па его выходе оказывается непрерывный потенциальный сиг-
нал 7В г. Поэтому на выходе элемента временной задержки ВЗ через неко-
торое время (-20 ыс) также появляется потенциальный сигнал обу-
словливающий действие зашиты.
Элемент ВП успевает вернуться во время интервала А Г06 между им-
пульсами тока с, а элемент временной задержки ВЗ не успевает при
этом сработать.
Зашита содержит автотрансформаторы тока для выравнивания МДС от
токов плеч и промежуточные трансформаторы для формирования тормоз-
ных величин, определяемых токами плеч. Торможение осуществляется
арифметической суммой выпрямленных токов плеч. Включенный в эту
цепь стабилитрон обеспечивает начало торможения при заданных токах
/тн = —1)/иом (рис. 9.6, в), что повышает чувствительность зашиты при
малых токах внутренних КЗ (отсутствует торможение).
К выходу вторичной обмотки м<2 трансреактора TAV дифференциаль-
ной цепи после выпрямителя VS подключен фильтр второй гармоники, по-
дающий к реапруюшему элементу (РЭ) тормозную величину, пропораио-
184
пальную этой гармонике. Такое торможение исключает срабатывания при
'бит со значительной отрицательной полуволной, когда может появиться
дополнительный импульс на выходе ФИ.
Рабочая величина подается к РЭ с выхода отдельной обмотки ЭИК
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 (пли сработать с замедлением), так как насыщение 7Й
приведет к смещению кривой iK и появлению второй гармоники.
В разрабатываемой программной дифференциальной защите трансфор-
матора предполагается выполнить три основных канала и одни спеииаяь-
ный_ Основной чувствительный канал с /С31П|П 0,3/иом идензифицирует
БИТ описанным выше произведением производной mi новенных значений
пифферепциалыюго гока и интервала Д/у. Средний по чувствительности
капая с /с3111|11 (1,0—1,5)/|10Г1| использует в качестве рабочей величины
отфильтрованную составляющую промышленной частоты дифференциаль-
ного тока, а в качестве тормозной (идентифицирует БЦТ) — его апериоди-
ческую составляющую. Грубый основной канал — дифференциальная от-
сечка с 1СЗ — б/„ом — реагирует па 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 режи-
мах» при которых БИТ не появляется. Поэтому /сэ определяется другими
факторами (см. ниже).
4. Необходимость учета дополнительных составляющих тока неба-
ланса, вызванных неравенством токов в плечах циркуляции /цУ * /1|Л,
причина которого поясняется примером.
Пусть номинальные токи защищаемого трансформатора со схемой со-
единения обмоток Y/A-l 1 равны /у яом “ 330 А, /^ 110М = 5200 А. Выбрать
трансформаторы тока дифференциальной защиты со вторичными номи-
нальными токами /2ном ~ 5 А
Трансформаторы тока выбираются из стандартного ряда с первичными
поминальными токами, ближайшими к заданным с учетом схем соедине-
ния их вторичных обмоток. В соответствии с (9.1) на стороне звезды си-
лового трансформатора при расчетном значении первичного тока
•/З /у иом - -[З - 330 - 570 А принимается ТА с Kf -600/5 = 120, а на сто-
роне треугольника соответственно при /^ ||ОЫ = 5200 А с Kf = 6000/5 — 1200.
При этих значениях К/ в номинальном режиме в цепях циркуляции
проходят токи со стороны звезды /иУ = 330 • ^3/120 - 4,7 Ап со
стороны треугольника /,,л ном = 5200/1200 = 4,2 А.
185
В нормальном режиме в реле проходит доля номинального тока Д^Ь1р =
= ('uY.™ = (4.7-4^4.7 “0.1 (при приведении тока
/к к стороне звезды силового трансформатора), а значение этого тока
/р = 0,1/цуиом. Соответственно при внешнем КЗ /р — 0,1/к, что учитыва-
ется при выборе тока срабатывания ИОТ.
5. Необходимость учета регулирования напряжения, создающего
дополнительные токи небаланса, так как при этом изменяется коэффици-
ент транс фермаиии защищаемого трансформатора в диапазоне ± ДЦ,СГ, а
следовательно, и соотношение между токами /у и /Л.
Рассмотренные особенности учитываются при выборе параметров сра-
батывания зашиты.
Расчетное значение тока небаланса при внешних КЗ /„5расч определя-
ется суммой абсолютных значений трех составляющих [2]:
+ (’3
где /'р составляющая тока небаланса, определяемая погрешностью ТА
в переходном режиме КЗ; /''б — составляющая, определяемая регулирова-
нием напряжения на трансформаторе; 1"^ — составляющая, определяемая
неравенством токов в цепях циркуляции.
При выборе параметров срабатывания все составляющие пропорцио-
нальны токам внешних КЗ в заданной точке или токам качаний /К1пах.
Значение определяется по (8.5). Следует отметить, что для трехоб-
моточных трансформаторов, и особенно автотрансформаторов, эта состав-
ляющая может быть значительной при питании точки КЗ с двух сторон (см.
рис. 9.7,б). /„бшах при КЗ в К1 будет определяться током / ш — + _/н -
Составляющая определяется диапазоном регулирования напряже-
ния ±Д{/рег:
Ал — ^^perAtmax- (9-3)
Составляющая /'£ определяется значениями номинальных первичных
токов ТА, которые выбцэаются по стандартной шкале. С этими значениями
могут не совладать номинальные первичные токи разных сторон защищае-
мого трансформатора, а следовательно, рассчитанные по ним токи в цепях
циркуляции окажутся различными:
ЛЛыр ~ UuY ном Ai/. ном^Ас irtax^AiY ном’ 1
^Нб ~ ^-^вьфАлпах" J
186
С учетом рассмотренных особенностей общей дифференциальной за*
щиты трансформатора ток срабатывания выбирается ббльшим из двух ус-
иовий:
отстройки от возникающего при скачкообразном возрастании напряже-
ния на трансформаторе броска намагничивающего тока, который оценива-
ется кратностью относительно номинального тока
4з >Л/|К)М, (95)
|де к — коэффициент, принимаемый в зависимости от способа идентифи-
кации БНТ (0,3 -6);
отстройки от расчетного тока небаланса, определяемого при гоках
внешнего КЗ или качаний
4.3 - *отс1 нб расч ’ ^-б)
де йстс — 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
ргзиых режимах. Максимальные значения (9.5) соответствуют скачкооб-
разным возрастаниям напряжений при включений на холостой ход, пере-
напряжениях, в момент отключении внешних КЗ, а максимальные значе-
ния по (9.6) в переходном режиме внешнего КЗ.
Выбор параметров срабатывания производится обычно для модифика-
ции зашиты, определяющей значение ее минимального тока срабатывания
по условиям отстройки от БНТ Поэтому если определяющим явилось ус-
ловие (9.5), то для данной модификации нет возможности снизить ток сра-
батывания защиты. Если ббльшим получилось значение по (9.6), необходи-
мо использовать возможные способы снижения /с 3-
Так, для снижения /'1б следует рассмотреть мероприятия, позволяющие
снизить влияние переходных значений Г^, приняв Аап — I: применить НОТ
с насыщающимися трансформаторами или с торможением апериодической
составляющей, использовать ИОТ с трансформаторами, дифференцирую-
щими эту составляющую, использовать для действия защиты принужден-
ную периодическую составляющую промышленной частоты и тд.
Для снижения составляющей /'"б в любых исполнениях предусматри-
вается выравнивание токов в цепях циркуляции промежуточными транс-
форматорами или автотрансформаторами тока либо выревнивание МДС
специальным выбором числа витков обмоток промежуточных трансфор-
маторов. В программной реализации дифференциальных токовых зашит
юки мсиут корректироваться умножением на постоянные или перемен-
ные коэффициенты.
187
Рис. 9.7. I linn львовянке торможении
дли imj Хобмогочпого ч]1Я1н ф|)рмяи)ра с вдносго-
ропнипт iiirifiiiitcM (с) и <|прс;н-м«11чс ,(|дпЦ|х в.
-Г0Ч1Ю110 трансформатора (6)
ой эаимпе ^рооСмо-
Если и при сниженных значениях Г11Б и новое значение /|;з, полу-
ченное 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 |П||) от токов /|1б до
начала торможения.
На двухобмоточном трансформаторе с односторонним питанием при ис-
пользовании в качестве /тор тока трансформатора ТАЗ (рис. 9.7, а) торможе-
ние имеется только при внешних КЗ и отсутствует при КЗ в зоне. Поэтому
ток сраба1ывания может быть выбран лишь по (9.5) - он будет током сра-
батывания при внутренних КЗ. Для исключения срабатывания защиты при
внешнем КЗ по (9.6) определяется /сз при /к01|тах и при условии /гор =
= /КВн1пах рассчитывается необходимый коэффициент торможения.
На автотрансформаторе, как и. на трехобшугочн.см трансформаторе,
для торможения используют ток от ТАЗ (рис. 9.7, б), так как при этом от-
стройка от токов небаланса при внешнем КЗ с наибольшим током (А7) бу-
дет обеспечиваться торможением, а при КЗ в защищаемой зоне торможе-
ние будет отсутствовать. При необходимости дальнейшего снижение тока
срабатывания дополнительно обеспечивается торможение током TAI или
ТАЗ, однако при этом и при КЗ в зоне защита также работает с торможо-
нием и ее
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 7 и ТА2
имеют одинаковые К1г токи /j и /ц в плечах защиты равны по модулю в
нормальном режиме и ори внешних КЗ. При наличии параллельных вет-
вей к схеме соединений ТА по рис. 9.8, б 7А1 и ТА2 имеют разные и то-
ки /] и /и в указанных режимах могут различаться. Для исключения со-
ставляющей (9.4) необходимо выравнивание токов (или МДС)
в плечах защиты (см. § 8.3).
Рассматриваемая защита используется лишь от многофазных КЗ в об-
мотках и на выводах статора. Для генераторов при замыкании в обмотке
ток в запейте может быть мал. В этом случае желательно иметь возможно
меньшим и ток срабатывания защиты.
Для действия защиты при двойных КЗ на землю защита должна выпол-
няться трехфазной. Действительно, при (рис. 9.9), когда одно место
„(1.1) „(1,1)
находится в зоне защиты генератора К‘вВ , а второе л^в(-. 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 к, , дей-
ствующей на отключение, на нее возлагаются функции защиты от .
К продольной
дифф защите
Рио. 9Л. Соединение цепей при одинаковых К, 7At и ТА2 (с), при различных Hf ТА1
и ТА2 (0
189
TAI
В этом случае продольная дифференциальная токовая защита может вы-
полняться двухфазной.
При однофазных замыканиях в обмотке статора защита не сраба-
гываст, так как ток /3 несоизмеримо меньше возможных токов срабаты-
вания продольной дифференциальной защиты.
Рассматриваемая защита (независимо от значения ее /сз) не реагиру-
ет на витковые КЗ в обмотке статора» как и отдельная защита обмотки
трансформатора.
Для любой дифференциальной защиты заземление выполняется в од-
ной 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), рас-
считывается для режима как внешнего КЗ с током /ке|1П1ах, так и асин-
хронного с током /ас,пах. Этот ток определяется значением угла между
ЭДС генератора и эквивалентной ЭДС системы, равным д, т.е. результи-
рующая £рсз ~ 2Еф г. При определении тока /иЪ в асинхронном режиме в
(8.5) принимается кап 1, поскольку переходной ток отсутствует
Коэффициент однотипности принимается равным 0,5 при однотипных
ТА на фазных выводах и выводах к нейтрали, в противном случае ЛОД11 = 1.
2. Значение Лап определяется способом отстройки от переходного тока
небаланса: включением последовательно с МОТ добавочного резистора не-
большого сопротивления, позволяющим принять Лап = 1,5—2; использова-
нием апериодической составляющей в переходном токе небаланса внешне-
го КЗ для увеличения тока срабатывания НОТ в этом режиме. В настоящее
время для этой цели применяются МОТ с промежуточными насыщающи-
мися трансформаторами, что позволяет принять кяп = 1
190
3. Для снижения влияния установившегося тока небвланса при внеш-
нем КЗ и асинхронном режиме используются торможения от токов плеч.
Комбинация способов по п. 2 н 3 позволяет снизить влияние как переход-
ного. так и установившегося тока /цдрасч- Примером такого решения явля-
ется применение ИОТ с магнитным торможением
Модификации эксплуатируемых защит различаются способом сниже-
ния влияния токов небаланса {отстройки от /„g).
На генераторах небольшой мощности, работающих, например, на необ-
служиваемых ГЭС, в некоторых случаях во избежание отключения при об-
рыве вспомогательных проводов (ВП) выбирается /сз большим номинвль-
ного тока генератора /с 3 = ктс /ном г где Лтс 1.3. При этом дополнитель-
но следует проверить, что полученное значение /сз не меньше, чем в (8.6).
В схеме защиты необходим контроль исправности ВП в нормальном ре-
жиме работы. В органе контроля {ОК) (рис. 9.10) суммируются токи ИОТ,
включенных в дифференциальные цепи. В нормальном режиме и при меж-
дуфазных КЗ в ОК ток отсутствует. Однако для исключения сигнализации
неисправности при внешних КЗ, когда ток в ОК равен утроенному току гу-
левой последовательности, в схему вводится выдержка временя большая,
чем у защит, отключающих внешнее КЗ.
На генереторах средней мощности по уровням токов при КЗ в обмот-
ках статора необходимо иметь продольную дифференциальную защиту с
током срабатывания меныцим номинального, т.е. kol(.lt^vac4 < /ном. При
условии, что исполнение схемы защиты снижает влияние переходного то-
ка небаланса, позволяющее принять Лап < 1 при токе трехфнзного КЗ на
выводах генератора 7К Mmax 7)/цОМ> 11 пРи мйло отличающихся то-
ках /tl6 расч при внешнем КЗ и асинхронном режиме, согласно {8.5) и {8.6)
получается/сз <{0,5—0,6)/ном.
Для защиты с указанным /са используются ИОТ с насыщающими
трансформаторами {типа РНТ). Несколько пераичных обмоток трансфор-
матора РНТ позволяют при необходимости выровнять МДС, обусловлен-
ные неравными токами в плечах защиты. При наличии реле РНТ с указан-
ным током /сз 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 wo.
Обмотки с числом витков включены в дифференциальные цепи, а об-
мотки с числом витков wo = 0,5wc соединены последовательно между со-
бой и обмоткой ОК и включены в обратный провод защиты. Пусть ток
срабатывания ИОТ равен /ср = 0,6/номг, а МДС срабатывания Гср =
= /6|)»с = 0,6/ц^рМ^. При обрыве ВП фазы А не срабатывает МОТ1, так
191
как при этом /р] = /ИОМД«4. — ~ rwc. что меньше /с р, а ИОТ2 и
ИОТЗ не срабатывают, так как Fp2 3 = Люм г'*'©» чт0 такж® меньше /с р. Од-
нако при использовании этой схемы зашита будет загрубляться при
К^*’1 , так как при токе /с р окажется Fp Ic pwo, что меньше Fc р. Опыт
эксплуатации показал, что при надежном выполнении цепей тока и их сис-
тематической проверке практически отсутствуют обрывы ВП. Поэтому
признано возможным эксплуатировать защиту с током срабатывания мень-
шим 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 минималь-
ным током срабатывания, не превышающим (0,1—0,2)Л|1ОМ. Это может
быть достигнуто использованием торможения оттоков плеч с одновремен-
ным 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 ми-
нимальным током /к). Для защиты генератора минимальный ток срабаты-
вания /с 3 |1И|) (при тормозном токе /, = 0) может быть принят каким угодно
малым, так как в режимах внешних КЗ и асинхронных появится торьюже-
ние Значение /СЧ|Пт определяется реальными возможностями выполне-
ния 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
ПОТ с магнитным торможением (реле ДЗТ), обеспечивающий /V J1Tlin =
= {0,2—0,3)/1IOM г Число витков тормозной обмотки wr определяется в со-
ответствии 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 зоив
несрабатывания расположена ниже характеристики, то F“rtg<x > AOTCFpa6.
При внешних КЗ FT - lTwT. a Fpa6 = ltl6 paC4wpa6. С учетом приведенных
соотношений
Р-7)
Для схемы с магнитным торможением кап = 1.
Чувствительность рассматриваемого варианта при КЗ на выводах прове-
рять не требуется, так как при указанном 7С 3 она выше требуемого ПУЭ.
За рубежом используется защита с высокоомным сопротивлением
в дифференциальной цепи и ПОТ, минимальный ток срабатывания —
0,05/1ЮМГ[2Г
9.3. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ
Д1ТФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ ДЛЯ ШИН
ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И ПОДСТАНЦИЙ
Для шин используется полная дифференциальная защита, в токовые це-
пи которой включены ТА всех подсоединенных элементов, а также непол-
ная дифференциальная защита, где к токовым цепям подключены ТА неко-
торых подсоединенных элементов {обычно питающих).
193
Ниже рассматривается полная дифференциальная защита, в которой ТА
всех элементов соединены ВП, к которым дифференциально подключает-
ся ИОТ. Условные положительные направления токов приняты, как все-
гда, в сторону защищаемого элемента, т.е. к щинам. При КЗ на шинах (КГ)
в ИОТ проходит ток £к = /j + /п + /щ + /,v, равный току в месте КЗ
(рис. 9.11, с). При внешнем К2 сумма этих же токов равна току небаланса.
Продольная дифференциальная защита используется ст 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 изо-
ляции, действующей на сигнал.
При выполнении продольной дифференциальной защиты шин учитыва-
ются следующие особенности.
1. Число присоединений, на которых устанавливается ТА защиты, со-
ставляет 3—5 и более. Поэтому желательно иметь меньшее количество
проводов, которые соединяют место установки ТА (распределительное уст-
ройство) и ИОТ (щит у прев ления, релейные щиты). На рис. 9.11, а ВП всех
194
ТА собраны вблизи места их установки, а к ИОТ подходит лишь один про-
нод на фазу. При этом в нормальном режиме в дифференциальной цепи
ток отсутствует, и ВП можно выполнить с меньшим сечением. Однако та-
кое соединение используется, если защита выполняется с торможением от
гоков плеч. При разных коэффициентах трансформации ТА К л +
(рис. 9.11, б) также приходится увеличивать число проводов для возмож-
ности 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 непосредст-
венно к ИОТ подведены фазные токи всех присоединений, позволяющие
более гибко организовать цепи защит. Можно, например, выполнить циф-
ровую дифференциальную защиту без дифференциальных цепей — гео-
метрическая сумма токов присоединений может быть получена расчетным
путем. Для уменьшения сечений ВП вблизи ТА {в распределительном уст-
ройстве) устанавливаются промежуточные трансформаторы тока TALt сни-
жающие ток до долей ампера-
2. Большое число присоединений повышает опасность обрыва ВП, по-
этому защита снабжается органом контроля, например, включаемым в об-
ратным провод дифференциальной цепи {либо иным). Параллельно органу
контроля может быть включен миллиамперметр, нормально шунтирован-
ный 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 слу-
чае включения на КЗ должен отключаться тот выключатель, которым про-
изводится опробование. Если КЗ при этом не ликвидировалось, то с вы-
держкой времени отключения указанного выключателя отключаются ос-
тальные 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 не-
достаточной, так как уменьшается /к. Поэтому в ряде случаев в схеме за-
щиты имеется дополнительный чувствительный ИОТ, который вводится на
ограниченное время после срабатывания защиты и АПВ. Этот ИОТ ис-
пользуется также при оперативном опробовании щии, запрете АПВ при-
соединений при опробовании шин и др.
6. Короткое замыкание на шииах мощных станций и подстанций может
сопровождаться как большими токами /кгпах, вызванными многосторон-
ним питанием места КЗ, так и много меньшими /к при отключении час-
ти питающих линий, т.е. большим диапазоном кратностей /ктах^кшт-
195
Поэтому при КЗ на шинах значительны токи небаланса как в установив-
шемся, так и в переходном режиме внешнего КЗ.
Для снижения влияния переходных значений тока небаланса исполь-
зуются. например, торможение апериодической составляющей и проме-
жуточные насыщающие трансформаторы. Для снижения установивших-
ся токов небаланса способ торможения оттоков плеч ограничен, в основ-
ном, защитой ошиновок, когда в цепь защиты выедят два-три. присоедм.-
нения. Для шин с 'большим числом присоединений трудно выполнить
торможение традиционным способом, включив тормозную цепь в каж-
дое плечо (рис. 9 11). Действительно, если обеспечить надежное тормо-
жение при внешних КЗ, зашита окажется недопустимо затрубленной при
КЗ в зоне. Поэтому тормозной ток, определяемый токами плеч, прихо-
дится получать различными способами
Один из способов выполнения дифференциальной защиты шин с тормо-
жением приведен на рис. 9.12. При четырех присоединенных элементах за-
щита одной фазы выполнена тремя реле тока КА1—КАЗ с двумя тормозны-
ми полуобмогками wT и рабочем обмоткой му. Цепь на отключение образо-
вана последовательно соединенными контактами этих трех реле. В последо-
вательно 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 1_КЛ1 = JLf—Li*
J-Ki? — - /2 —f-КАЗ — /| ~-2 —“3 —-4 ^1ри внешнем КЗ их абсо-
лютные значения максимальные. По крайней мере, сднс из реле КА1—КА4
не срабатывает: цепь отключения остается резервацией.
Рис.9.12. Вариант дифференциальной токовой защиты с ТОрпюжепнем оттоков плеч
196
Специальное формирование тормозной величины применяется в экс-
плуатируемой дифференциальной защите шни 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) приведе-
на на рис. 9.13, а. На присоединениях установлены ТА с разными коэффи-
Рнс.9.13. Однолинейная крии-
цнпматьная схема защиты оди-
ночной системы щ»П[ (о) и схе-
ма ее оперативных целей (Д)
197
циентами трансформации: TAI и ТА2 — Кп, ТАЗ и ТА4 — КГ2- Поэтому в
промежуточном TAL ИОТ выравнивает МДС токов -/[V. ИОТ вклю-
чается на геометрическую сумму токов всех присоединений. К обратному
проводу дифференциальных цепей подключается орган контроля 'исправ-
ности ВП. Последовательно с ОК включен миллиамперметр, шунтирован-
ный кнопкой SBI, для периодического измерения токов небаланса.
Орган выдержки времени {рис. 9.13,6) 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 после-
довательности. Промежуточное реле KLI выполняет функции: выводит из
реботы дифференциальную защиту при обрыве проводов {KLI /), само-
удерживает реле KLI (KLI.T), снимаемое кнопкой SB2, замыкает цепь сиг-
нализации обрыва (KLI3). Накладка Sx служит для оперативного вывода
зашиты. Если защита введена в работу, то при срабатывании ИОТ сраба-
тывают выходное реле KL2 и последовательно включенное с ним указа-
тельное реле КН. Па контактах реле KL2 замыкаются цепи отключения
выключателей I 4.
Ток срабатывания ИОТ выбирают ббльшмм из двух приводимых ниже
условий. Как для любой дифференциальной зашиты, ток /сз должен быть
отстроен от расчетного тока небаланса Для исключения срабатывания за-
щиты при обрыве ВП, ее /с 3 также выбирается ббльшим максимального
рабочего тока наиболее нагруженного элемента
А; з ~ ^отс ^раБ шах (9-8)
Коэффициент отстройки выбирают кстс — 1.5. Возможность использо-
вания схемы определяется значением коэффициента чувствительности
>2. Ток срабатывания ОК отстраивается оттоков небаланса /ра61пах, а
выдержка времени ОВ принимается большей защиты от внешних КЗ.
Для станций и подстанций с двойной системой шин и одним выключа-
телем на присоединение принято нормально работать одновременно на
обеих системах шин с включенным шинссоединительнкм выключателем.
Во многих случаях при этом присоединенный элемент закрепляется за оп-
ределенной системой шин. Одиако их можно переключать с помощью
разъединителей на другую систему шин (работа с нарушенной фиксацией).
При этом не допускаются переключения в целях зашиты, которые могут
привести к снижению эксплуатационной надежности.
Продольная дифференциальная токовая защита двойной системы
шин с фиксированным распределением присоединенных к шинам эле-
ментов отключает только поврежденную систему шин. Однако при нару-
шении фиксации зашита отключает и поврежденную, и неповрежденную
систему шин. Допущение излишнего срабатывания при нарушении фикса-
198
ции позволяет не усложнять защиту. Распределение присоединенных
к шинам элементов и подключение зашиты показаны на рис. 9.14
К первой системе шин С1 подключены элементы I и 2, ко второй С2 —
J и 4, (?5 нормально включен. Выключатель Q6 подсоединяет любой эле-
мент к обходной системе шин. Испытательными блоками SG/ трансформа-
тор тока 7X6 подключается к первой системе, SG2 - ко второй, SG3 зако-
рачивается 7Z6 при отключенном Q6. Пусковой орган тока включен на гео-
метрическую сумму токов всех элементов, поэтому при нарушении фикса-
ции присоединений ток в нем не изменяется.
Два трансформатора тока ТАЗ и ТАЗ' в цепи Q3 включены так, что в це-
пи ПОТ их токи взаимно вычитаются.
Измерительный орган ИОТ1 включен па геометрическую сумму токов
элементов первой системы, а ИОТ2—второй.
Для действия защиты на отключение первой системы шии необходи-
мо срабатывание ПОТ и ИОТ1, а второй ПОТ и ИОТ2. Для отключе-
ния первой и второй систем при нарушении фиксаций достаточно сраба-
тывание ПОТ.
При фиксированном распределении в нормальном режиме (рис. 9.14)
и при внешних КЗ (рис. 9.15, о) в цепях ПОТ, ИОТ1 и ИОТ2 проходит
199
б)
Рис.9.15. Токораспределеиие при фиксированном присоединении:
а — КЗ внешнее; 6 — КЗ В зоне
200
лишь ток небаланса, от которого защита отстроена выбором тока сраба-
тывания. При фиксированном распределении и КЗ на первой системе
шии (Я2) в ПОТ и ИО'П проходит вторичный ток 1К (рис. 9.15, б), что
приводит к их срабатыванию, и защита действует на отключение QI, Q2
и Q5. При нарушении фиксации (например, элемент QI подключен ко
второй системе шин) при внешнем КЗ (рис. 9.16, с) в ПОТ по-прежнему
проходит ток небаланса, и он не срабатывает. Но в ИОТ1 и ИОТ2 прохо-
дит 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 за-
щиты. Работа схемы разрешается при несрабатывании ОК или на заданное
время при срабатывании ОК
При срабатывании ПОТ выполняются следующие операции: сразу по-
дается сигнал на отключение Q5 (@б) (см. рис. 9.14), проверяются сигналы
оперативного опробования и включения Q5 (Q6). Дальнейшая работа схе-
мы определяется сюлученивимл сигналами и распределением присоединен-
ных элементов (фиксированное и с нарушением фиксации).
Сигнал на отключение без выдержки времени всех элементов первой
и второй систем при нарушении фиксации подается при условии сраба-
тывания ПОТ и при оперативном опробовании системы шии после ре-
монта (в этом случае допускается отключение всех выключателей одно-
временно с Q5(Q6)
Сигнал на отключение с выдержкой времени, большем времени отклю-
чения Q5 (Q6), всех элементов первой и второй систем при нарушении фик-
сации подается при условии срабатывания ПОТ и получения сигнала на
включение Q5 (Q6). Сигнал на отключение без выдержки времени элемен-
тов 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 присое-
динении подается при условии срабатывания ПОТ, ИОТ1 и получения сиг-
нала на включение Q5 (Q6). Аналогично формируются команды на отклю-
чение элементов второй системы при фиксированном присоединении.
Программная защита для одновременной работы па двух системах
шии с выключателем @5, отключающим поврежденную систему как
при фиксированном присоединении элементов, так и при нарушении
фиксации. Программа контролирует текущую информацию о присоедине-
нии каждого элемента к соответствующей системе шин. В защите отсутст-
вуют дифференциальные иепм, физически суммирующие токи в цепях ТА.
201
zoz
эпос в £Я — 9 ^энтпэня — о
imramAtlvn Hdu MiiairMfadiiMdoxoj. ЭГб ’эи<1
(9
п ~ f —
U Г ПОИ * «г ;гил(н SVJ.
н> г .... ]l . lit [_
—
пои о гэ[ < HI ,э[ ]’ »[ г ]Ш
п=^ Н,г i™ £ ! т Ш ^гкг
U «J_ иаи X- г» г 1 1 —
Геометрическая сумма токов в ПОТ определяется ресчетным путем для
присоединенных к данной системе элементов, поэтому не имеет значения
присоединение фиксировано или фиксация нарушена. Рассмотранные вы-
ше 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. Сраба-
тывание ИОТ при внешних КЗ не приводит к излишней работе защит, и
срабатывание ИОТ1 при КЗ на второй секции может привести к отключе-
нию неповрежденной секции.
Дифференциальная защита с торможением ДЗШТ применяется для
(войной (рис. 9.17) и одиночной систем шин. С тормозными цепями, орга-
низуемыми косвенно, выполняется лишь ПОТ. В его рабочей цепи прохо-
дит ток, определяемый модулем геометрической суммы токов всех присое-
(ииений (при однополупериодном выпрямлении):
= j2|Ef.|/n,
(9.9)
(де [j — ток f-го присоединения, i = 1,2,3,4.
Тормозной ток l.t определяется арифметической суммой токов всех
присоединений:
(9.10)
В тормозной цепи ПОТ проходит ток /' = /т - — разность тормозно-
го и дифференциального токов на входе ПОТ- Рассматриваемый косвенный
7И/5Г ТА2
t>ix ценен ДЗШТ
способ формирования /' 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) /т — S/f. 1В — /иБ>
а ток /' = Е /. — /д значителен.
При КЗ в зоне (рис. 9.18, б) ток /' оказывается много меньше, так как
токи Z а и l_.s близки к S/j (определяются разницей между модулем гео-
метрической суммы и суммой модулей при небольших углах между тока-
ми. совпадающими с условными положительными направлениями). Тор-
мозная характеристика / (рис. 9.19) /с р =/(/^) — зависимость тока в диф-
ференциальной пени оттока в его тормозной цепи. Одиако для сопоставле-
ния с обычным формированием /т пользуются зависимостью /ср =
= которая в общем случае при /д - /сргпш + Л'/т может быть лриве-
денакввду/я =^Pmin + Wt“za)-
204
Далее определяют:
Приняв Л'/(1 + к' ) = кч, получают (1 +А')= 1/() -Лт)и
4р-'ё1т,г+*'т. («|2>
где/СЗ|Л1Г| — /^рпщ/П —кт)
Выбор минимального тока срабатывания ^csmm не отличается от ра-
нее рассмотренного — также отстраивается от расчетного тока небалан-
са (9.6) и рабочего максимального (9.8). Необходимость отстройки опре-
деляется тем, что при обрыве цепи с /рар1Т1ах в дифференциальной цепи
проходит этот ток, ток /т в худшем случае будет определяться мини-
мальным значением
'т-5;1/1,.с™1. О’»)
Л ~ Е 1'г.С .„1г I - 'цГ. га, “’‘И"Г 6|‘" ь близок К И/ЛЮ.
Допустимое значение выбирается. Одним из случаев, который огра-
ничивает максимальное значение кг также является КЗ на включаемой от
АПВ системе шин при большой нагрузке на второй работающей системе,
когда при малом 1П будет значительным /т, определяемый током нагрузки.
Следовательно, тормозная характеристика / (рис. 9.19) /ср =/(/^) не отли-
чается ст таковой для традиционного ПОТ с током в тормозной цепи /' _ /т
(а ие разности (/7 — /л)]. При традиционном ПОТ для расчета значения kv
определяется увеличенное значение /ср при токе в Дифференциальной це-
пи/* и тормозном/'. = /р//ср.
Однако для ПОТ с током /' при КЗ на шинах приведенная характери-
стика не может быть использована. При малых токах /к, определяющих
допустимые значения йч, защита будет срабатывать при токах близких
кА>.ри,ш < ^ср* т-е- *ч повысится. Характеристика 2 предстааляет собой
зависимость/ср = /</;> ток/*р1ШЯ больше/сримп в 1/(1 - кг) раз, а к'г
больше йг в 1/(1 -Лб)раз.
ПОТ в защите ДЗШТ выполнен односистемным с двумя выходами (см.
рис. 9.17), в нем сравниваются трехфазные системы дифференциальных то-
ков первой и второй систем шин. Так как в поврежденной системе ток /д ра-
вен вторичному току /к, а в неповрежденной — 1^, то на первом выходе
появляется сигнал на отключение присоединений первой системы шин.
Аналогично при КЗ во второй системе па втором выходе появляется сигнал
205
на отключение присоединений. В защите ИСТ 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 защи-
ты также включен орган контроля исправности ВП При использовании за-
щиты для одиночной системы шин ИОТ применяется в качестве чувстви-
тельного органа при опробовании шин в цикле АПВ или оперативно.
Неполные дифференциальные токовые применяются дяя защугш
шин генераторов, имеющих большое число присоединенных элементов.
Ранее*-рассмотренные полные дифференцмвльные защиты оказались слож-
ными ввиду большого числа включенных в схему трансформаторов тока
ТА с разными коэффициентами трансформации Kt. В большинстве случаев
выключатели отходящих питаемых линий ие рассчитаны на отключение
КЗ до реактора, поэтому эти КЗ идентифицируются как КЗ на шинах
В схему неполных дифференциальных токовых защит включаются ТА, ус-
тановленные на питающих элементах. К ним относятся генераторы, транс-
форматоры связи, трансформаторы собственных нужд (для исключения
действия защиты шин при КЗ в зоне его быстродействующей зашиты) в це-
пях секционных выключателей при их включенном положении. В ИОТ
проходит геометрическая сумма токов этих ветвей /ио-р = ^2ПИТ1 •
В нормвльном режиме и при внешних КЗ суыматоковвео; присоединений
T.I ГИТ1 = 0 и /иот = , где [п — токи элементов, на которых ие ус-
тановлен ТА. Следовательно, в нормальном режиме в HOT проходит ток,
равный геометрической сумме токов присоединений ТА, которые ие вклю-
чены в цепи неполной дифференциальной токовой зашиты, что следует
учитывать при выборе ее тока срабатывания.
Неполную дифференциальную токовую защиту называют также сум-
марной токовой зашитой питающих присоединений. Защита выполняется
двухступенчатом (рис. 9.20). Первая ступень (ИОТ1) отсечка без вы-
держки времени, и третья ступень (ИОТЗ) — максимальная токовая защи-
та. Первая ступень предназначена для действия при КЗ на шинах и КЗ на
отходящих линиях до реактора, третья ступень резервирует первую и осу-
ществляет защиту отходящих линий. На рисунке показано, что в ИОТ
в нормальном режиме проходят токи элементов € и Т. = Хб+ £7.
Первая ступень действует без выдержки времени на отключение питаю-
щих элементов, а также трансформатора собственных нужд (для ускорения
пуска АВР). В некоторых случаях генератср не отключают этой ступенью,
что обеспечивает его последующую работу с нагрузкой секции при выго-
рании ошиновки и погасании дуги. Третья ступень с выдержкой времени
отключает все питающие элементы.
206
Fnt. 9.20. Тиковые цепи неполной дифференциальной токовой зашиты
Выбор параметров срабатывания. Ток срабатывания первой степени
должен быть отстроен от максимального тока в защите при внешних КЗ за
реактором в питаемых линий (например, EI на рис. 9.20), при котором за-
щита срабатывать не должна. Этот ток определяется суммой токов
- к вн шах»тока нагрузки защищаемой секции шин / м (присоединения 6 и 7)
при работе всех секций и дополнительного тока нагрузки этих же присое-
динений /нлоп при отключении одной из секций:
А>з = *отс| - к-впшах + М ' я * - Hjior?] ’ Ф
«де Аотс — коэффициент отстройки, Аотс = ],2; Ли — коэффициент нагруз-
ки, учитывающий увеличение нагрузки за счет напряжения при медленном
отключении КЗ за реактором, Лн = 1,2—1,3.
Первая ступень может быть использована при на шинах, если ко-
эффициент чувствительности S 1,5.
207
Выдержка времени третьей ступени примерно на ступень больше вы-
держек времени зашит отходящих линий = г”1 + Аг. Ток срабатывания
третьей ступени выбирается ббльшим из приводимых ниже условий. ИОТЗ
должен вернуться в исходное положение после отключения зашитой линии
КЗ за реактором с учетом увеличенного тока нагрузки:
[ 111 _ *отс1-ч + -«Jionl
сз А,
Ток срабатывания ИОТЗ должен быть больше тока в защите при пере-
ключении от АВР приемных подстанций нагрузки отключаемой секции на
защищаемую:
4'“ = 4C,<A'1U1„|. CUO
где - коэффициент запуска, учитывающий торможение двигательной
нагрузки при КЗ на смежной секции (А( = 2,5 3)
Рассматриваемая третья ступень может быть использована при значе-
нии кч > 1,2 при за реактором, если она выполняет функции резерв-
ной, и кч > 1,5, если на нее возлагается функция основной.
Способы повышения чувствительности зашиты. Ери недостаточной
чувствительности первой ступени может быть использована комбиниро-
ванная отсечка по току и напряжению, когда для срабатывания ступени не-
обходимо срабатывание ИОТ1 и минимального ИОН1. Ток срабатывания
определяется Ач > 1,5 при на шинах:
= <917>
Следующим условием является отстройка от длительного тока нагрузки,
что исключает срабатывание ступени при нарушении цепей напряжений
/сз = *©тс(Л<+ ^нлоп) Напряжение срабатывания IIOT1 отстраивается от
подводимого к нему минимального напряжения (при за реактсром от-
ходящей линии и токе /д 3) и равно ц!3 = </3 k^X^/k^, где Х^ — сопро-
тивление реактсра.
При недостаточном значении коэффициента Ач 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 вхо-
де, определяемого током нагрузки.
208
Рис. 9.21. Токсине пени исполним дифференциальном чащжтм t третьем ступенью
ibiiiieHiioii чу вс пмтсньвое ги
При недостаточной чувствительности третьей ступени для уменьшения
г1» , ,
значения /сз можно уменьшить значения /„и /|IJ(t)n, включив дополни-
тельно в дифференциальную цепь ТА несколько мощных присоединений
(рис. 9.21). Ток /„ будет определяться только токами нагрузки присоедине-
ний (6, 7, 10, if), так как ТА8 и ТА9 включены в дифференциальную цепь.
Однако при КЗ на присоединении 8 (КГ) 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 9 установлен допол-
нительный ИОТЗ, включенный на их сумму токов. Его ток срабатывания
отстраивается ст токов запуска этих присоедлнемлй. Так как TAB и ТХ9
имеют значительно большие коэффициенты трансформации, чем осталь-
ные ТА в дифференциальной цепи, дополнительные ИОТЗ включаются че-
рез промежуточные трансформаторы тока TAL.
Дифференциальная зашита с торможением для ошиновки транс-
форматора (автотрансформатора), подключаемого через два и более
выключателей на стороне высшего ^среднего) напряжения
(рис. 9.22). Тормозная обмотка включена в одно из плеч выключателей.
209
Когда отключены QI и Q2, при КЗ на ошиновке (Я/) торможение отсут-
стчует,«1сз
9.4. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ Т ОКОВЫХ ЗАЩИТ ЛИНИИ
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 кило-
метрами, и необходимость двух комплектов защиты, действующих на от-
ключение ближайшего выключателя. Эти отличия определяют ряд положе-
ний- которые приходится учитывать при выполнении защиты.
1. Ввиду протяженности ВП и повышенной вероятности повреждений
необходим контроль их исправности, так как замыкание проводов приво-
дит к отказу защиты при КЗ в зоне, а их обрыв — к излишним срабатыва-
ниям при внешних КЗ (§ 8.1). Так как защиту обычно стремятся выполнить
с током срабатывания меньшим рабочего, контроль должен обеспечить вы-
вод защиты из действия быстрее времени срабатывания защиты.
2. Во вспомогательных проводах, проложенных вдоль трассы линии,
при КЗ на землю в сети наводятся ЭДС влияния £вл, определяемые удель-
ным сопротивлением взаимоиндукции между кабелем и линией, длиной
линии и утроенным током нулевой последовательности. При исправной
защищаемой линии ЭДС £вл в мейлах кабеля направлены в одну сторону и
практически равны, поэтому ие создают тока в измерительном органе за-
щиты. Для исключения опасности £вл для обслуживающего персонала и
аппвретуры релейной защиты ВП подключают через разделительные
210
(изолирующие) трансформаторы. Однако при замыкании на землю вспо-
могательного провода в ИОТ появляется ток. определяемый £вл п емко-
стным 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 /р — 1'ц — /2п (рис. 9.23» о), обу-
словленный наличием двух измерительных прганов и сопротивлением
проводов /?ч * 0. Ток /j] обусловлен своим ТА, а 1^п — ТА противополож-
ной стороны. При сопротивлении проводов /?п = 0 (рис. 9.23, а) ток /р = 0,
так как |/2] | = l/jn I- С увеличением /?п ток /р увеличивается, так как
уменьшается /2Н - При Rn —* °° ток /р “ /2(» 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/р 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 Си шунтируют ИОТ, уменьшая /р.
Следовательно, с увеличением длины соединительных проводов уменьша-
ется чувствительность защиты при том же уровне токов /к, так как увели-
чивается значение С „.
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 + kl_2 (или Zf -Л/2), где ко-
эффициент фильтра к = 4—8. При симметричном КЗ ЭДС па выходе
фильтра Е^ (рис. 9.23, б) определяется током прямой последовательно-
сти. При несимметричных КЗ и указанных значениях к ток А/2 » /], т.е.
работа ИО определяется токами 2[ 2. 1ц 2 °Ч!ат,,()й последовательности.
Это исключает возможность отказа защиты при несимметричном КЗ
(рис. 9.24), когда по неповрежденным фазам проходит ток нагрузки / ,
являющийся током прямой последовательности и направленный к мощ-
ной нагрузке (как и при внешнем КЗ). Направление токов обратной после-
довательности жестко фиксировано напряжением U2 в месте КЗ
б. Для снижения нагрузки на Е4, определяемой сопротивлением вспо-
могательного провода уменьшается ток в проводах выбором коэффи-
циента трансформаций изолирующих трансформаторов токов Kt > I.
При этом приведенное сопротивление проводов R'n уменьшается в t.f
раз. Однако во столько же раз увеличивается электрическая емкость ме-
жду жилами, а также в К/ раз увеличивается напряжение на проводах,
поэтому < 3.
Даже с учетом рассмотренных мероприятий сопротивление вспомогатель-
ных проводов ограничивает возможность использования защиты линий. Со-
отношения между сопротивлениями Ra и токами в ВП при их синусондаль-
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) пред-
ставляется своими ЭДС и Д|)Н (не учитываются внутренние сопротив-
ления фильтров), половина длины ВП замещается Г-образной ЕС-схемой с
приведенными сопротивлениями (учитывается их включение через изоли-
рующие трансформаторы) Е и С'/2 Тормозная цепь ИОТ с сопротивлени-
ем ZT включена наток /п, а рабочая Zp — на напряжение Un. Тогда мож-
но представить, что измерительный орган защиты определяет сопротивле-
ние на входе ВП ZH = €/,//,,» так как является идеальным органом со-
противления. При КЗ в зоне защиты увеличивается напряжение в рабочей
цепи Un н снижается ток в тормозной цепи / н. ИОС должен выполняться
как максимальный, т.е. срабатывать при увеличении Zf< сверх заданного
сопротивления срабатывания Zcp.
Так как ZT много меньше Ен, то 1/г=Е^. Токи по концам защищаемой
линии /j и /(1 определяют значение напряжение и ЭДС, т.е. С/п1 =
= Едо = А/( и €/п1| = Е^ц = А/,, Для ВП как четырехполюсника указан-
ные величины связаны соотношениями (см. рис. 9.23, в):
Л, = Щ, Д,-12,;
гаеД1 -Т22 и ?12 = Т2|;
-<1+7<2СЛ)/|(2+,,:<«)«!
И
1,2 = < 2= |/[(2+7«0СЛ>Л1. (9.19)
Обозначив связь между токами по концам линии /(( = ЛЕ, можно оп-
ределить
1„1 = *2,(Д,-<Г21); = */,(122-<<12,); (9.20)
2,=(2+7V»Cy?)/!/(I+/toC/! Л). (9.21)
При внешних КЗ 1, = -/г; А = -I и Zr№ = R‘r. При КЗ в зоне рас-
сматриваются граничные случаи: одностороннее питание А = 0; Z„ о -
-(2 + ><оСЕ)/(1 + JtoCR) ~ (2 (О2С2/?2 -усоС/?)/(| + со2С2/?2) и КЗ
при равных токах с двух сторон А — I н Zrp = /? + 2/jtoC. Эти векторы
построены в плоскости Е„,(рис. 9.25, а). При использовании макси-
213
Гис. 9.25. Характерам писи тащи гы п комплексной плоское»
мвльного ИО полного сопротивления (характеристика /) его Zcp =
“^стс^лвп- Значение Лстс > I учитывает токовые и угловые погрешности
ТА и фильтров, поэтому при внешних КЗ 0 < А < I. Очевидно» получение
необходимого коэффициента чувствительности кч — ^п</^пви определя-
ет допустимую длину ВП.
Как следует- из приведенных выражений, с увеличением длины вспо-
могательных проводов возрастают Си, модуль ZIIBn и уменьшается
модуль Zne. Характер изменения этих сопротивлений приведен на
рис. 9.25, б. Допустимое сопротивление ВП может быть увеличено при
использовании, например, органа сопротивления с характеристикой в ви-
де окружности 2, центр которой расположен в определенной (заданной)
точке плоскости /?1|,/Л'1|. Уравнение срабатывания такого ИОС может
быть onvxawo как
|гср-г111!1,|>*т|?1,1111|. (9.22)
или при переходе к напряжению и току
Iе'.,. (9.23)
Разность напряжений в (9.23) называют напряжением компенсации. По-
следнее выражение (9.23) поясняет физический смысл рассматриваемых
характеристик ИОС. С каждой стороны к рабочей цепи ИО подводится на-
пряжение, близкое к приведенному напряжению ВП. При внешних КЗ на-
пряжение 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
Fite. 9.26. Принципиальные упрощенные схемы коиiроля исправности проволок {а)
и завлгги ДХЛ-2 (6)
ный ток. Постоянный ток возбуждается источником стабилизированного
выпрямленного напряжения ИСН (рис. 9.26, а). Между вторичными по-
луобмотками изолирующих трансформаторов TALI и TAL2 включены
конденсаторы С/, С2, которые создают разрыв электрической цепи для
постоянного тока и мвлое сопротивление для переменного На одном
конце защищаемой линии устанавливается комплект контроля с реле
KLI и KL2, на другом — реле KL1* Реле KLI и KL1' нормально возбужде-
ны, т.е находятся в состоянии после срабатывания, и их контактами
замкнута цепь на отключение выключателей. При обрыве ВП реле воз-
вращаются, разрывая эти цепи. При замыкании проводов резко снижает-
ся ток в KL1", его контакты размыкаются, позволяя выявить неисправ-
215
кость. При замыкании жилы ВП на землю срабатывает KL2 и подает так-
же сигнал неисправности.
Отечественной промышленностью выпускается защита ДЗЛ-2, предна-
значенная для ВЛ 35—220 кВ длиной до 20 км. В защите используется
(рис. 9.26, б) комбинированный фильтр Ф токов согласующий
трансформатор TALI, па выходе которого включены газоразрядные стаби-
лизаторы, обеспечивающие переход схемы в режим сравнения фаз т оков с
двух сторон защищаемой линии. Тормозная обмотка ИОТ KL.t. включена
на выпрямленный приведенный ток ВП, а рабочая KL$ — на разность то-
ков (см. рис. 9.23, с). Конденсатор С компенсирует ток намагничивания
изолирующего трансформатора TAL2. Достоинством защиты является сра-
батывание двух полукомплектов даже при одностороннем питании. Это
достигнуто выбором параметров элементов схемы: сопротивление схемы,
измеренное со стороны изолирующих трансформаторов, превышает сопро-
тивление срабатывания ее ИО.
10
ПОПЕРЕЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ
ЗАЩИТЫ
10.1. ПРИНЦИП ДЕЙСГВМЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАШИТЫ
Поперечная дпфференцивльная токовая направленная зашита применя-
ется па двухцепных параллельных линиях с одинаковыми или приблизи-
тельно одинаковыми параметрами, подключаемых к шинам чераз отдель-
ные для каждом цепи выключатели.
В поперечных дифференциальных токовых направленных защитах непо-
средствечно сравниваются комплексы электрических величин одноимен-
ных фаз или одноименных симметричных составляющих параллельных це-
пей. Поэтому для пояснения принципа и основных особенностей выполне-
ния защиты достаточно однофазной схемы замещения двухцепной линии
АБ в общем случае с двухсторонним питанием (рис. 10.1) Условные поло-
жительные направления токов, как обычно, приняты от шин, где установле-
ны защиты, в линию. Защиты устанавливаются с двух сторон линии и долж-
ны действовать на отключение ныключателей только поврежденной цепи.
Предполагается, что в цепях линии установлены 7У11- ТА4 с одинаковыми
коэффициентами трансформации К{, которые соединены однотипными
проводами дифференциально, т.е. так, чтобы к органам зашиты подводи-
лась разность вторичных токов одноименных фаз L^ = 1\2~^-П2*
-pH = -ш2——iv2 В качестве измерительных, выбирающих поврежден-
ную цепь при КЗ на линии используют органы направления мощности (то-
ка), обозначенные как измерительные органы фаз (ИОФ), также включае-
мые на геометрическую разность токов одноименных фаз двух параллель-
Рис. 10.1. Подключение ПОТ и ИСФ к ТА и TV
217
Рас. 1(1.2. Распределение токов при пнсшпнх КЗ (if), КЗ на зйацпгцаепюп линии (Л),
ctmofnii.it .циягряммы покои 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 девяностогрйдусной
схеме и имеет угловую характеристику tpw ч эт/<5—я/З Для действия при
КЗ на землю используются составляющие напряжения и тока нулевой по-
следовательности и соответственно ИОФ с <рмч =—2эт/3 (синусный орган
напрааления). Напряжения к ИОФ под водятся от трансформатора TV, уста-
новленного на шинах подстанции.
Комплект ИОФ1 включен наток /р1 = Zjj—Д12. а И0Ф2 — на ток
— pi ~ -Н2“Д 2 » комплект ИОФЗ и И0Ф4 — аналогично на токи /р3 -
= -III2“-(V2 И -р4 = —IV2~—Ш2"
В режиме нагрузки, как и при внешних КЗ, например в А7 (рис. 10.2, а),
токи в обеих щелях линии имеют одно направление и равны, а в защите и
в реле /р = 0. Защита не срабатывает и, следовательно, по принципу вы-
полнения является абсолютно селективной защитой. При КЗ в пределах за-
щищаемых линий (рис. 10.2, б) в зависимости от того, на какой из цепей
расположено КЗ (К2 или Ю), фаза токов / р3 и Z изменяется на проти-
воположную (рис. 10.2, в, г). Поэтому ИОФ могут четко определять повре-
жденную цепь. Если при КЗ на W1 (К2) и токе /р1 срабатывает ИОФ1 и от-
ключает выключатель Z, то при КЗ на W2 (КТ) будет срабатывать ИОФ2 и
отключать выключатель 2. Аналогично действуют органы защиты в ком-
плекте противоположного конца линии.
Возможно выполнение комплекта защиты только с одним ИОФ с двумя
выходами (двухстороннего действия), включенными на Zp=Z(2-/|I2.
При КЗ на линии в зависимости от фазы Zp сигнал появляется только на
выходе, разрешающем отключение поврежденной цепи.
218
При дифференциальном включении ИОФ в его цепи тока практически
всегда проходит ток небаланса обусловленный разностью намагни-
чивающих токов групп трансформаторов тока. При внешних КЗ (А7) и
случайно направленном токе остаточное напряжение на шинах мо-
жет быть достаточным для излишнего срабатывания ИОФ. Загрублемнс
ИОФ для исключения таких срабатываний нежелательно» так как приво-
дит к увеличению «мертвой» зоны. Поэтому, как и в токовых направлен-
ных защитах, ИОФ выполняю! ся с максимально возможной чувствитель-
ностью, допускающей их срабатывания при токах небаланса в условиях
внешних КЗ. Пусковой орган тока защиты отстраивается от токов неба-
ланса и разрешает защите действовать только при возникновении КЗ в
пределах защищаемой линии.
Поперечная дифференциальная токовая направленная является абсо-
лютно селективной защитой: в режиме без КЗ и при внешних КЗ защите не
позволяет срабатывать пусковой орган Измерительный орган при КЗ в зо-
не определяет поврежденную линию.
Повреждение между выключателем и выносным ТА (К4) защитой вос-
принимается как внешнее. Зона действия защиты ограничена трансформа-
торами тока, установленными по концам защищаемой линии.
10.2. ОСОБЕННОСТИ ПОПЕРЕЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ
НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИ1Ы
При отключении одной из цепей (рис. 10.3, а) в защите проходит ток
второй цепи Z дЛ / — зашита перестает быть дифференциальной и
становится токовой направленной без выдержки времени. Для предот-
вращения ее ложного срабатывания без КЗ ток срабатывания следует вы-
Рис. 10.3. Поведение зашиты при отключении И7 (с) и при отключеиип
выключите™ 3 (6)
219
брать больше максимального рабочего. Однако при внешних КЗ в защите
проходит ток короткого замыкания fu = / к - который может привести к
срабатыванию Поэтому при отключении одной из параллельных цепей
защита должна автоматически выводиться из действия для исключения
сс излишних срабатываний. При одностороннем отключении одной из
цепей (рис. 10-3,6) комплект защиты противспопожной стороны должен
выводиться оперативно (персоналом) во избежание излишних срабатыва-
ний 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 м «мертвые» зоны. Каскадной называется
такая работа защиты, когда комплект защиты с одной стороны линии мо-
жет и начинает работать только после отключения выключателя противо-
положной стороны. До отключения выключателя противоположной сторо-
ны 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 /] снижается, а /и растет. Ток в защите /зЛ, равный раз-
ности этих токов, уменьшается до нуля при КЗ у шин подстанции Б. Поэто-
му на участке /кА, где 1^< защита А не срабатывает. В защите Б
(рис. 104,6) ток /зБ - /Ц| - (— ZIV) = 2fu, наоборот, значителен, и ком-
плект Б срабатывает и отключает выключатель 3. После этого весь ток КЗ
направляется по одной цепи н, если /зЛ > /СЗА (рис. 10.4, в), защита А сра-
батывает и отключает выключатель [. Каскадная работа обусловлена ко-
нечной чувствительностью ПОТ— необходимостью выбора /сз > 0.
Значение зоны каскадного действия /кЛ определяется решением систе-
мы уравнений, которые справедливы при КЗ на границе зоны каскадного
действия, когда токи совпадают или противоположны по фазе:
= ^1 + Лн ’
— сзА = -1 -II
и падения напряжений:
/I2|a-ZKA)=2|[Z/+J[HIZI/I{A,
где/—длина линии; Z| —ее удельное сопротивление
220
Гис. 10.4. Зоил кяскадкогомемсгвия (а), токи Л-*и в пенях линии и в защите /1Д до
отключения (б) и после отключения выключателя 3 (в)
Тогда значение /кЛ получается равным
1кК = ’ (10- 0
где определяется приближенно при КЗ на шинах подствнции Б.
При КЗ у шин подстанции А в К2 аналогично работает зашита Б — кас-
кадно после отключения выключателя I. Зона касквдного действия защиты Б
(«Б ~ 1к ib111 к(К2)> (Ю.2)
|де /К(^2) принимается приближенно равным току при КЗ на шинах А. Таким
образом, зоны каскадного действия соответствующих комплектов расположе-
ны у шин противоположных подстанций. Полная зона /к = + /кБ. Зона
должна быть меньше длины линии I. При < I исключаются перекрытие 1кА
221
и /кБ и отказ в действии обоих комплектов защиты, С учетом возможности
КЗ через переходное сопротивление желательно, чтобы < 0,51.
Время отключения КЗ гсгк определяется временем срабатывания заши-
ты fC3 и временем отключения выключателя гов. При <с.3д.= 4сзЬ и одина-
ковых /ов при КЗ вне зоны каскадного действия время отключения fOTJ( =
*csa + *ов в *с.зБ * а “Ри каскадном действии tCTK 1сзК + 1оп 1-
+ ZC3lj + (t> В — 2fcnt.
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 I. После отключения выключателя I ток
7 зЛ = / Ц (/[ = 0), ИОФ переориентируется на отключение выключателя 2
до отключения выключателя 3.
Для предотвращения отключения неповрежденной линии при КЗ в зо-
не каскадного действия необходимо сразу же после отключения выклю-
чателя поврежденной линии автоматически выводить из работы подейст-
вовавший комплект.
«Мертвая» зона защиты /ыз наблюдается при девяностоградусной схе-
ме включения ИОФ при вблизи места установки защиты, обусловлена
конечной чувствительностью ИОФ и определяется £4рЯ1В1 > О. При
в точке К2 (рис. 10.4,47) 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 I, т.е грехфаз-
ное КЗ на линии рассматриваемой защитой не отключает ся.
При КЗ в «мертвой» зоне комплекта он отказывает. При КЗ в «мертвой»
зоне одного комплекта и в зоне каскадного действия комплекта у шин про-
тивоположной подстанции ие сработают оба комплекта. Это следует учи-
тывать при выполнении всего комплекса защит линии.
10.3. АЛГОРИ ГМ ФУНКЦИОНИРОВАЛ НЯ
Структурная схема алгоритма поперечной дифференциальной токо-
вой направленной зашиты (условно на одну фазу) приведена на рис. 10.5.
В качестве варианта рассмотрен вягормтм: параллельно выполняется рабо-
та ПОТ и ИОФ, последовательно реализуется работа логической части.
Выполнение алгоритма возможно лишь при наличии следующих условий:
включены выключатели I и 2 (см. рис. L0.4). защита оперативно введена
в работу. ПОФ1 действует на отключение QI и ИОФ2 на отключение Q2,
определяется значение характеристических величии 1л, и .
222
Рис- 1U.5. Сгрукгурняя схема алгоритма поперечной nu$i]>ep<'iiiiiia.'ii>iioii токовой ваврав-
ЛОНЮМ №Ж1Ы
При срабатывании ПОТ1 и ИОФ1 защита действует на отключение QI.
Если не работает ИОФ1 (ч>я1 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 излиш-
нее срабатывание ПОТ либо отказ ИОФ.
Ток срабатывания токового ПОТ, включенного на полные токи фаз, вы-
бирается из следующих условий.
I. Ток срабатывания зашиты должен быть отстроен (выбран большим)
от максимального расчетного тока небаланса /цбтах ПРИ внешнем КЗ на
шинах противоположной подстанции /с з = Ао-гс/нбшах. Ток небаланса оп-
ределяется различием погрешностей е измерительных трансформаторов
тока (как для любых дифференциальных защит), а также возможным нера-
венством сопротивлений параллельных линий
223
Рис. 10.6. Работа 11О<1> в зашигс приемной стороны [н), определение ч (£),
ироюерка А , н каскаде (о)
При одинаковых параметрах учитывается лишь первая составляющая.
В этом случае
'с з ~ ^отс^одн ^япЕ Леви гпах^“« (10.3)
где коэффициент отстройки Лоте = 1,2; коэффициент однотипности Лодн =
= 0,5 (трансформаторы тока двух цепей обычно однотипны); коэффици-
ент апериодичности кгхп = 2—3 (защита без выдержки времени); полная
погрешность Е = 0,1; максимальный ток внешнего КЗ 1К В|1 П1ах (по каждой
цепи проходит половина этого тока).
2. Ток срабатывания ПОТ должен быть определен с учетом необходи-
мости его возврата после отключения внешнего КЗ в режиме работы линии
с односторонним отключением одной из линий (рис 10.6, а). В таком ре-
жиме комплект зашиты А выведен из действия оперативно, например сня-
тием накладки, во при внешнем КЗ его ПОТ срабатывает. Если ие будет
обеспечен после отключения внешнего КЗ его возврат при рабочем макси-
мальном токе (раб щах в линии, то при оперативном вводе зашиты она мо-
жет ложно сработать. Поэтому
— ^отс^рабтах^в- (Ю.4)
224
На линии с односторонним питанием на приемной стороне (комплект Б)
пусковой орган можно ие отстраивать от /рабГ1ах ло (Ю-8), так как ИОФ не
сработает на отключение выключателя 4t IIV = 0, / ш направлен к шинам.
3. Необходимо также обеспечить несрабатывание защиты иеновреж-
денной линии при каскадном отключении несимметричных КЗ ввда
или В этом случае в неповрежденных фазах проходят токи, полу-
чающиеся в результате наложения токов предшествующего режима и то-
ков повреждения, а полные токи могут оказаться даже больше рабочих
максимальных. Поэтому /сз > Определяющим является ус-
ловие, из которого получается большее значение lc s.
Чувствительность зашиты, оцениваемая коэффициентом чувстви-
тельности пускового органа и зоной каскадного действия. Зона каскад-
ного дейст вия вычисляется по (10.1), (10.2).
Чувствительность ПОТ определяется при всех включениях выключате-
лей параллельных цепей и после отключения одного из выключателей при
каскадной работе зашиты.
При всех включенных выключателях определяется коэффициент чувст-
вительности к’ч при КЗ в точке KI равной чувствительности; чувствитель-
ность комплекта А равна чувствительности комплекта Б (рис. 10,6,6).
При перемещении КЗ от точки равной чувствительности в любую сто-
рону чувствительность одного из комплектов повышается. Чувствитель-
ность 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 рас-
стоянии /рЧ£, определяемом решением системы уравнений:
~ -1+-1П = + = -зА + ^ЗБ’]
(рч — / /зД //к; Лч — ~ ^сзБ»
^зБ ^зА ^с.зБ зА •
(р ч ~ ^4:.зА ^ОсзА + ^с.зб)-
При /сзА = (сзб длина/рч = 0,5/ и, следовательно,
ч — ^зА "с.з А ~ ^зБ — 2.
(Ю.6)
(10.7)
(10.8)
225
В режиме каскадного отключения коэффициент чувствительности
определяется после отключения выключателя, например, у шин подстан-
ции, противоположной месту установки защиты (рис. 10.6, в):
*4 =4а(/62)^/с.зА — Ь5. (10.9)
При к'ч > 2 выполняется условие 1К < 0,5.
Чувствительность комплекта от междуфазных КЗ, включенного на
полные токи и напряжения фаз. может быть повышена применением
комбинированного пускового органа максимального тока и минимально-
го напряжения, сигнал на выходе которого появляется только при сраба-
тывании обоих органов.
Ток срабатывания комбинированного пускового органа не требуется от-
страивать ет fpag |,1ах, так как при этом нс срйбитмвает орган напряжения,
напряжение срабатывания которого выбирается:
^е. «<>«*.. <Ю-Ю)
ткт 1.3; к, 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 ком-
плект, включенный на слагающие нулевой последовательности. Его ком-
бинированный ПО состоит из органа тока, включенного на разность токов
нулевой последовательности 3/0 линий, и органа максимального напряже-
ния, подключаемого к напряжению нулевой последовательности fJ0, полу-
чаемому от обмоток измерительного трансформатора напряжения, соеди-
ненных 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 зашиты от междуфазных КЗ и раз-
решается работа комплекта от КЗ на землю.
Орган напряжения нулевой последовагевъвости предотвращает вывод
комплекта от междуфазных КЗ в случае срабатывания только органа тока
нулевой последовательности под воздействием токов небаланса при меж-
дуфазных КЗ вблизи места установки защиты.
Принципиальная схема поперечной дифференциальной токовой на-
правленной зашиты 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
В качестве пусковых используются реле тока КА1 и КА2 (рис. 10.7, а),
включенные на разность токов параллельных линий в фазах Л и С: /р1 =
= —«21 —— я2[1 и —р2 = -е21“-с21Г В качестве Г1ОФ используются реле
направления мощности KWI и КЖ2 двухстороннего действия, включенные
227
на эти токи и напряжения — Ubc и Т-е. по девяностогра-
дусной схеме (рис. 10.7, б).
В нормальном режиме и при внешних КЗ реле КА не работают, так как
/р = и меньше их тока срабатывания.
Контакты реле KWI I и KW2.1, подготааливающие пели на отключение
выключателя I (см. рис. 10.6), замыкаются в следующих режимах: токи
и _/ц совпадают с условными положительными направлениями и
| fj | >| /п|; ток /п = О. а /] совпадает с условным положительным на-
правлением; ток Iн противоположен этому направлению, что соответст-
вует Д = —ток Д — 0, и /ц противоположен условному положи-
тельному направлению.
Аналогично могут быть определены режимы, при которых замыкают-
ся контакты KW1.2 и KW2.2, подготавливающие цепи отключения вы-
ключателя 2.
Оперативные цепи защиты питаются от шин +0 и —0 (рис. 10.7, в), а
цепи отключения каждою из выключателей 7,2 (см. рис. 10.6) — от своих
шин: г I и —I, +2 и 2 (рис. 10.7, г). Защита введена в работу при замкну-
той цепи накладки SX, снимаемой при оперативном выводе защиты, замк-
нуты контакты реле положения выключателей KQCI и KQC2. Действи-
тельно, при включенном выключателе I замкнут его сигнальный контакт
и реле KQCI находится в возбужденном состоянии — положении после
срабатывания. При отключении выключателя его сигнальный контакт раз-
мыкается, обесточенное KQC возвращается, размыкая цепь оперативного
тока защиты.
При КЗ на WI, например между фазами А и В, срабатывают реле КА1
и KWI (рис. 10.7, с). При этом замыкаются контакты KAI и KWI.I, что
приводит к срабатыванию реле KL1 — обтекается током его рабочая об-
мотка KLI.I (рис. 10,7, в). При замыкании его контакта KLI подается на-
пряжение на электромагнит отключения YATI, отключается выключатель
I и возвращается реле KQCI. Удерживающая обмогка KL1.2 реле KLI ис-
ключает срыв отключающего воздействия при возможной вибрации кон-
тактов реле KWI или KW2
При возврате KQCI с защиты снимается +0, что исключает кзямижее
срабатывание при каскадном действии защиты.
Аналогично работает схема при КЗ на W2, действуя на отключение вы-
ключателя 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 оСрьтом
двух диниЙ WI и W2 (см. рис. 10.6)- Поэтому она часто называется допол-
нительной быстродействующей зашитой. При КЗ в зоне каскадного дейст-
вия время отключения увеличивается, что особенно важно при медленно-
действующих выключателях.
Чувствительность защиты, определяемая пусковыми органами, во мно-
гих случаях оказывается достаточной. Измерительный орган направления
отказывает в действии при вблизи места установки: защита имеет
«мертвую» зону.
При КЗ с обрывом провода защита излишне отключает неповрежден-
ную линию (рис. 10.8). Комплект Б правильно отключает выключатель 4, а
комплект А неправильно выключатель /, поскольку ток /н — 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 зашита используется на син-
хронных генераторах с параллельными ветвями обмоток статора от витко-
вых КЗ (К’*1*) (рис Ю-9)- Защита выполняется односпстемной, ее ИОТ
реагирует на геометрическую разность двух токов (А, /н), каждый из ко-
торых является геометрической суммой токов трех фаз одной и второй па-
раллельных ветвей. Трансформатор тока ТА включается в цепь между ней-
тралями, образованную соединением обмоток ветвей звездой.
В нормальном режиме и при внешних КЗ токи в параллельных ветвях
обмотки равны, и поэтому в ИОТ ток отсутствует.
При разных видах виттовых КЗ в ИОТ появляется ток, и при /р > /ср
он срабатывает. Токораспределекие при разных ввдах приводится
229
в [2 J для простого случая — отключенного (выключатель 0 от сети гене-
ратора G (рис. 10.9).
При замыкании между витками одной фазы К/ через защиту проходит
ток незакороченной части поврежденной фазы. При уменьшении доли
замкнувшихся витков <х увеличивается ток в контуре замыкания и умень-
шается ток б 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 допей замкнувшихся витков
<Xj = ot2 точки замыкания расположены на одинаковых расстояниях от
нейтрали, потенциалы их равны, ток в защите /3 = О, т.е. имеет место
«мертвая» зона. При замыкании КЗ между двумя фазами разных ветвей об-
мотки через трансформатор тока зашиты проходит разность токов повреж-
денной и неповрежденной ветвей со стороны нейтрали
i,= '|A-'.IB = 11I3-JUA ООП)
Поскольку этот вид повреждения является замыканием между разными
фазами, то «мертвая» зона имеет место только при замыкании вблизи ней-
трали генератора при —* О и ct2 -* О.
При замыкании К4 между фазами одной ветви через защиту проходит
разность токов поврежденной и неповрежденной ветвей со стороны ней-
трали-.
13 = Да'-НС = -1В~А(С (10.12)
Как м в предыдущем случае, «мертвая» зона возможна только при замы-
кании вблизи нейтрали при одновременном а ( —» О и (Х2 —’ 0.
230
При однофазных замыканиях на землю
(рис. 10.10) в зашите проходит ток
/J1), однако много меньший ее тока сраба-
тывания 7С3.
20
16-
12
8
4.
Как известно [2, 3], при замыкании на
землю в обмотке возбуждения генератора в
одной {первой) точке его работа не наруша-
ется. Однако при замыкании во второй точке
обмотки возбуждения искажается форма
кривой МДС в воздушном зазоре мекщу ро-
тором и статором. Витки параллельных ветвей обмоток статора, располо-
женных в разных пазах, оказываются в магнитном иоле 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 зашита реагирует на разные ви-
ды замыканий: в одной фазе, между ветвями разных фаз и К3 Однако
при разных /с'У она имеет «мертвую» зону, а при К3 не срабатывает
из-за малых значений и недостаточной чувствительности. Поэтому
защита используется только от витковых замыканий в одной фазе по при-
чине просто™ исполнения и из-за отсутствия более совершенных защит
от этих видов повреждений.
Как и для любой дифференциальной токовой защиты, ее ток срабаты-
вания должен быть отстроен от максимального тока небаланса
при внешних КЗ. Основная составляющая тока /tIg определяется наличи-
ем в ЭДС генератора высших гармоник, в основном третьей гармоники и
кратных ей, так как они во всех обмотках совпадают по фазе и арифмети-
чески суммируются, создавая токи 7(, /н нулевой последовательности.
Для уменьшения вличния гармоник защита выпускается с реле РТ-40/Ф и
содержит резонансный (полосовой) фильтр промышленной частоты, со-
стоящий из реактора — вторичной обмотки трансформатора TAL и кон-
денсатора С. параллельно которому включен реагирующий элеменс схе-
мы (см. рис. 10-9) При увеличении частоты снижается сопротивление
конденсатора, шунтирующего реагирующий элемент схемы. На
рис. 10.10 приведена характеристика загрублеиия РТ-40/Ф в зависимости
от частоты. При частоте 150 Гц зашита загрубляется примерно в 8 раз
Расчет токов небаланса защиты при внешних КЗ. обусловленных выс-
шими 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 пере-
счетом последнего для значений тока /к внешних КЗ. Однако с запасом по
отстройке от /|1б выбирается ток;
4, =(0,2_0.2)/„,,.г (№13)
При таком /с э защита надежно срабатывает при витковых КЗ, однако
не может работать при сопровождающихся токами не более десят-
ков ампер.
На генераторах с косвенным охлаждением проводников обмоток при
срабатывании ИОТ пускается реле времени, разрешающее защите срабаты-
вать на отключение с временем 0,5—I с. За счет этого предотвращается от-
ключение генератора при кратковременных замыканию; ив землю во вто-
рой точке цепи возбуждения.
На генераторах с непосредственным охлаждением проводников обмо-
ток при срабатывании ИОТ защита действует без замедления в связи с по-
вышенной 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 зазем-
ленной через дугогасящий реактор нейтралью не является аварией. Потре-
бители, включенные па меэкдуфазныс напряжения, продолжают нормально
работать. Это дает возможность выполнять защиту от замыкания на землю,
действующей на сигнал. В сетях простой конфигурации допускается при-
менение только общего устройства неселективной сигнализации, контро-
лирующего состояние изоляции в системе данного напряжения. Схема уст-
ройства состоит из трех минимальных реле напряжения, включенных на
напряжения фаз относительно земли (рис 11.1, с), или из одного макси-
мального реле напряжения, включенного на напряжение нулевой последо-
ЕжгедшестлА (рис. 11.1,6). Устройство ситиализелвдл ооикрлочвотся к
трансформаторам напряжения, установленным на шинах.
11.2. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Длительная работа сети при замыкании одной фазы на землю недопус-
тима из-за возможности нарушения междуфазной изоляции в месте повре-
ждения ц перехода однофазного замыкания в многофазное. Возможны так-
же случаи двойных замыканий на землю вследствие повышения в </3 раз
напряжений неповрежденных фаз относительно земли. Поэтому в протя-
женных сетях сложной конфигурации, когда определение поврежденного
участка затруднено, наряду' с общим устройством неселективной сигнали-
Рис. ПЛ. Схемы устройства неселекгивнон ии нмлизаиии ирн замыканиях мм землю
233
зации необходимо предусматривать селективную защиту на каждом при-
соединении. 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 одно-
фазных замыканий в многофазные максимальный ток замыкания на землю
в сетях напряжением 3—20 кВ, имеющих железобетонные и металличе-
ские опоры, и во всех сетях 35 кВ должен быть ие более < 10 А;
в сетях, нс имеющих железобетонных и металлических опор при напряже-
нии 3—6 кВ, - нс более < 30 А, при напряжении 10 кВ — не более
^зтп <20 А и при напряжении |5—20 кВ - нс более /J^ax < 15 А [4].
В протяженных и разветвленных сетях токи замыкания на землю могут
быть больше указанных значений. В таких случаях для их компенсации
применяются лугогасящие реакторы.
Таким образом, допустимые токи замыкания на землю меньше рабочих
токов защищаемого элемента, поэтому токовая защита от замыкания на
землю, например линии IV? (рис. 11.2), выполняется с включением реле на
фильтр тока нулевой последовательности. Она приходит в действие благо-
даря прохождению по поврежденному участку тока нулевой последова-
Рис. 11.2. Распределение енкостжых чоков при однофазном замыкании на землю
в сети с изо.1нринаннсГ[ вситралмо
234
тельности З^оэк» обусловленного емкостью всем электрически связанной
сети С’Оэк без учета емкости С01 поврежденной линии.
Распределение токов нулевой последовательности в системе таково, что
при условном направлении тока / к месту повреждения токи нулевой
последовательности неповрежденных линий 3_/и ^ZoP • пР°к°ля через
емкости С02 и Он* налрааляются к шинам подстанции и далее по повреж-
денной линии от шик к месту замыкания К. Ток 3/^Р, как и ток в оди-
ночной липни, проходит по участку между местом повреждения и точкой
присоединения конденсатора С01 Таким образом, от шнн по поврежденной
линии направляется ток нулевой последовательности /0зк» определяемый
емкостью всех неповрежденных линий:
-0»к ~ Лй + -03 + С03> =-/1йС-’0эк^ф • (П.1)
В случае замыкания на землю на линии W2 или W3 по линии IVI (непо-
врежденной) к шинам проходит ток 3/С£. Бели Zo3K>/o(> 70 на Ливии
IV1 в качестве защиты от замыкания на землю можно использовать токо-
вую защиту нулевой последовательности. Защита не должна срабатывать
при повреждениях на других присоединениях сети, когда по защищаемой
линии проходит ток 31{)!! = 3/Of, обусловленный емкостью линии. При
этом для обеспечения нсдействия зашиты ее ток срабатывания выбирают
^сз ~ ^отс^Ол" (11-2)
Коэффициент отстройки определяется броском емкостного тока в мо-
мент замыкания На основании опытных данных для зашит без выдержки
времени = 4- -5; для защит с выдержкой времени с учетом характера
замыкания коэффициент Лстс = 2—2.5. Без выдержки времени выполня-
ются зашиты, действующие на сйгнвл, зашиты линий торфяных разрабо-
ток и других сетей, находящихся в подобных условиях, где при замыка-
нии на землю линии для безопасности должны отключаться без замедле-
ния В таких сетях токи однофазного замыкания на землю не превышают
/<[) < 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
Рис, 11.3. Jaaunx «т замыканий ня
ютило I: кабельным ТИП
ния прикосновения достигают недопус-
тимых значений и могут явиться причи-
ной несчастных случаев. Для уменьше-
ния вероятности возникновения опас-
ных двойных замыканий защиты от за-
мыканий на землю в рассматриваемых
сетях выполняются с действием на от-
ключение без выдержки времени. Чув-
ствительность зашиты характеризуется
(11-3)
Гок 3/Нэк определяется минималь-
но возможным числом включенных
пиний. Чувствительность защиты счм-
твется достаточной, если для воздушных линий > 1,5, а для кабельных
Лч > 1,25
Для выполнения защиты в качестве фильтра тока нулевой последова-
тельности используется трансформатор тока нулевой последовательно-
сти (ТИП) TAZ (рис. 11.3). При замыкании в сети на землю токи повреж-
дения могут замыкаться как через землю, так и по проводящей оболочке
кабеля, в том числе и неповрежденного, что может вызвать неправкиьтюе
действие защиты. Поэтому кабель на участке от ТИП до воронки изоли-
руют от земли, а заземляющий провод присоединяют к воронке кабеля и
пропускают через отверстие магнитопровода ТИП в направлении кабеля.
При таком исполнении цепей защиты токи, проходящие по Броне и про-
водящей оболочке кабеля, компенсируются токами, возвращающимися
по заземляющему проводу.
Чувствительность защиты характеризуется минимвльным первичным
током замыкания на землю. При использовании электромагнитного реле
с трансформаторами тока нулевой последовательности можно выпол-
нить защиту, действующую при минимальном первичном токе замыка-
ния ва землю ~ 5 А.
11 Л. НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Если в установившемся режиме собственный емкостный ток линии
/Оп в сетях с изолированной нейтралью соизмерим с полным током замы-
кания на землю» то токовую защиту, реагирующую на установившееся
значение емкостного тока» осуществить нельзя. В таких случаях приме-
няется 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 последова-
тельности (см. рис. 5.11) следует, что максимальной чувствительностью
обладает реле направления мощности с внутренним углом а — я/2 Поэто-
му для выполнения защиты требуется реде, подключаемое к фильтрам на-
пряжения и тока пулевой последовательности. Защита не имеет измери-
тельного органа тока, поэтому для исключения неправильного ее срабаты-
вания 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 па землю необходимо авто-
матически отключать дугогасящие реакторы или изменять на них ответв-
ления так, чтобы емкостный ток, проходящий по поврежденной линии,
оказался достаточным для срабатывания защиты. Отключать дугогасящме
реакторы не требуется, если для действия защиты используется не емкост-
ный ток» а активная составляющая тока замыкания на землю, обусловлен-
ная потерями в дугогасяшсм реакторе и активной проводимостью фаз сети.
Необходимо отметить, чго так как ток компенсации и емкостный ток в по-
врежденной линии имеют противоположные направления, то в переком-
пенсированной сети направление тока в поврежденной и неповрежденной
линиях одинаковое. Поэтому для действия направленной защиты можно
использовать только активный ток, который не превышает нескольких про-
центов от полного тока реактора. Реле нипраапения мощности должны об-
ладать высокой чувствительностью по углу, а фильтры нулевой последова-
тельности иметь малые погрешности.
В схемах можно использовать индукционные реле направления мощ-
ности высокой чувствительности. Однако такие реле потребляют боль-
шую мощность. Защита же в целом, как показывает опыт эксплуатации,
работает ненадежно.
Более совершенная направленная зашита нулевой последовательности
от замыкания на землю 3311-1 на полупроводниковой элементарной базе
предназначена для селективного отключения защищаемою присоединения
при однофазных замыканиях на землю в сетях торфяных разработок, карье-
ров, шахтных и тяговых сетях электрифицированного транспорта напряже-
нием 2—10 кВ с током замыкания на землю от 0,2 до 20 А. Защита имеет
малую потребляемую мощность и реагирует на ток замыкания, составляю-
щий = 0,07—2 А. Она состоит (рис. 11.4, с) из вторичного измеритель-
ною преобразователя тока нулевой последовательности в виде промежуточ-
ного трансформатора TAL, нагруженного конденсатором Сб (называемого
согласующим устройством), двухкаскадного избирательного усилителя пе-
ременного тока на транзисторах ГТ/ и ГТ2, схемы сравнения фаз на ГТЗ и
237
a)
3ft
ЗЙ
e)
0
VD3
Рис. 11.4. Схема направленной за-
шиты от замыкания на землю
ЭЗП-1 н векторные диаграммы
VT4 двух электрических величии» пропорциональных току 3/(| и напряже-
нию 3U0 нулевой последовательности, и реагирующего элемента ЕА.
Согласующее устройство преобразует ток 3/0 в напряжение (на конден-
саторе Сб), смещенное по фазе на угол я/2 относительно тока нулевой по-
следовательности, позволяет изменять ток срабатывания защиты (измене-
нием числа витков обмотки трансформатора) и обеспечивает термическую
стойкость зашиты при двойных замыканиях на землю (разрядник FF).
Двухкаскадный усилитель переменного тока выделяет в усиливает со-
ставляющую промышленной частоты выходного напряжения согласующе-
го устройства. Для этой цели на выходе усилителя включен резонансный
контур С2 - TL с частотой Jq = 50 Гц.
Схема сравнения осуществляет сравнение фаз двух синусоидальных ве-
личин: напряжения Uo вторичной обмотки трансформатора 7L, пропорцио-
нального току нулевой последовательности 3 и смещенного по фазе от-
носительно пего на угол зт/2, и напряжения UK автотрансформатора TVL,
пропорционального напряжению нулевой последовательности 3Ug. Срав-
нивается время совпадения /с их мгновенных значений по знаку с установ-
ленным временем . Реагирующий элемент ЕА срабатывает при tc > .
Из векторных диаграмм тока 3 /0 и напряжения 3 £/() следует, что при за-
мыкании на защищаемой линии, когда через защиту к точке замыкания про-
ходит ток обусловленный емкостями неповрежденных линий, срав-
ниваемые напряжения Up и 17 к совпадают по фазе (рис. 11.4,6). На непо-
врежденной линии ток 3 , обусловленный собственной емкостью линии,
направлен к шинам, а сравниваемые ее защитой напряжения смещены по
фазе на угол я (рис. 11.4, в). Из этого следует, что защита срабатыввет, имея
максимальную чувствительность, если угол сдвига фаз между Up и 17 к ра-
вен нулю, и не действует при <р = л. Таким образом, зона срабатывания опре-
деляется углом сдвига фаз -я/2 < <р < я 12. На рис. П.4, б, в она ограничена
пинией нулевой чувствительности, совпадающей с вещественной осью.
Схема сравнения является даухполупериодной. Па ее выходе включен
реагирующий элемент ЕА в виде поляризованного реле. Ток в обмотке ре-
ле в один полупсриод определяется состоянием транзистора ГТЗ и диода
ИОЗ, а в другой полупернод — 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 транзисто-
ров и диодов зависит от полярностей мгновенных напряжений и0 и «к.
239
Они открыты, если эти напряжения имеют одинаковую полярность. При
совпадающих по фазе lJa и 17 к в течение одного из полу периодов откры-
ты VT3 и VD3, в течение другого - VT4 и VD4. При этом ток в обмотке
реагирующего элемента ЕА максимальным. По мере увеличения угла сдви-
га фаз между и б/к время совместного открытого состояния соответст-
вующих транзистора и диода в каждом полупериоде сокращается, поэтому
среднее значение тока в обмотке ЕА уменьшается.
Для получения зоны срабатывания ток срабатывания реагирующего эле-
мента выбран равным среднему значению тока три <р=я/2.
11.4. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА, СРАЬЛТЫВЛЮЦИЯ ОТ ГАРМОНИЧЕСКИХ
СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА НУЛЕВОЙ ПО (ЛЕДОВА ГЕЛЬ НО С'1 И
Высшие 1армонические, содержащиеся в токе и при нормальном режи-
ме, 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, ?;арактера нагрузки и конфигурации се-
ти порядок высших гармонических и их амплитуды изменяются.
При возникновении однофазного замыкания на землю содержание
высших гармонических в сети резко увеличивается, причем их содержа-
ние в токе нулевой последовательности поврежденной линии во много
раз больше, чем в токе нулевой последовательности неповрежденной ли-
нии. Такое положение наблюдается в сети как с изолированной, так и с за-
земленной через дугогасящий реактор нейтралью при любой степени ком-
пенсации емкостных токов Дугогасящий реактор только увеличивает со-
держание высших гармонических в токе нулевом последовательности по-
врежденной линии
Разработаны устройства, например, УС’3-2/2. УСЗ-ЗМ и УСЗ-З, предна-
значенные 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
гоке нулевой последовательности. Упрошенная принципиальная схема уст-
ройства УСЗ-2/2 (рис. 11.5) содержит согласующий трансформатор TL, из-
мерительно-преобразовательную, логическую и исполнительную части. Для
защиты устройства от пиковых напряжений при даойных замыканиях на
землю установлен разрядник VF. Согласующий трансформатор TL служит
для согласования работы устройства с резличными типами ТНП.
Измерительно-преобразовательная часть определяет наличие высших
гармонических в установившемся токе пулевой последовательности. Она
состоит из LC -фильтра, настроенного на резонансную частоту, близкую к
240
I*ne. ILS. Схема устройства сслсктпииоИ сигпшппяяии при -«амыкаиии на тем но
и каСельналх сетях УСЗ-И2
50 Гц, конденсатора С7, переменного резистора R1 и выпрямительного
моста F.S’ Конденсатор С! фильтрует высшие гармонические
составляющие частотой 2 кГц и выше. Таким образом, выпрямленное на-
пряжение па выходе измерительной части оказывается пропорциональ-
ным содержащимся в токе нулевой последовательности всем высшим гар-
моническим частотой более 50 Гц, но менее 2 кГц. Это напряжение пода-
стся на вход VTI логической части. Переменный резистор /?/ служит для
дискретного изменения тока срабатывания: 25, SO, 100 и 250 А.
Логическая и исполнительная части содержат транзисторы КТ/, РТ2,
диоды VDir VD2, тиратрон с холодным катодом F73, конденсатор С2, вы-
ходное реле KL и резисторы /?2—R8. В исходном состоянии при отсутст-
вии повреждения напряжение на выходе измерительной части тоже отсут-
ствует При этом транзистор VTI открыт (R3 > R4), а диод КО/ закрыт. За-
ряд конденсатора С2 мал, он определяется падением напряжения на от-
крытом транзисторе VT1. Транзистор VT2 закрыт, так как потенциал его
базы в связи с открытым состоянием транзистора VTI оказывается поло-
жительным 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 по-
вреждения на защищаемом участке на выходе измерительного элемента
и соответственно между эмиттером и базой транзистора УН появляется
выпрямленное напряжение, открывающее диод VD1. Потенциалы эмитте-
ра и базы транзистора VT1 оказываются одинаковыми, и транзистор за-
крывается. Конденсатор С2 начинает заряжаться. Через некоторое время
напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на базе транзистора VT2
достигает значения, равного падению напряжения на резисторе /?7. Тран-
зистор открывается, реле KL срабатывает, контакт KL.1 размыкается, и ти-
ратрон утЗ зажигается. Таким образом, при помощи конденсатора С2 дос-
тигается задержка на срабатывание около 30—50 мс, что достаточно для
241
правильного действия защиты при перемежающихся замыканиях и от-
стройки ее от переходных процессов.
Действительно» если транзистор VTI открывается до истечения вы-
держки времени» создаваемой зарядом конденсатора С2, то конденсатор
быстро разряжается через открытый транзистор VTI»а транзистор VT2 или
совсем не открывается» или ток его коллектора ие успевает достичь значе-
ния, 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 VTJ, VT2 и
рене KL возвращаются в исходное состояние, а тиратрон VT3 продолжает
гореть до размыкания его цепи кнопочным выключателем SB. При внеш-
них повреждениях уровень высших гармонических и пропорциональное
им выпрямленное напряжение оказываются недостаточными для открыто-
го диода VD1 и устройство нс действует.
Несколько иную схему имеют устройства УСЗ-ЗМ и УСЗ-З, Конструк-
ция устройства УСЗ-ЗМ предусматривает возможность его применения в
качестве стационарного и переносного. Устройство УСЗ-З применяется со-
вместно с токоизмерительными клещами.
11.5. ЗАШИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ОБМОТКЕ СТАТОРА
I ЕНЕРАТОРА
Токовая защита. Па синхронных генераторах, работающих непосред-
ственно на шины генераторного напряжения в качестве защиты от замыка-
ний на землю в обмотке статора используют токовую защиту нулевой по-
следовательности, реагирующую на токи установившегося режима. Защи-
та подключается к трансформатору тока нулевой последовательности, ус-
тановленному со стороны шинных выводов генератора При повреждении
в обмотке статора из сети в точку замыкания на землю направляется ток
нулевой последовательности 3f0,K, который определяется емкостью всех
неповрежденных элементов схемы генераторного напряжения СОэк. При
внешних однофазных замыканиях на землю от генератора в сеть проходит
ток 3/Ог, обусловленный емкостью генератора СОг Обычно /Сэк > /Ог. Это
позволяет использовать токовый принцип для выполнения селективной с
достаточной чувствительностью защиты. При этом ток срабатывания за-
щиты ие должен превышать /сз = 5 А. На генераторах для повышения чув-
ствительности защиты устанавливается трансформатор тока нулевой по-
следовательности TAZT с подмагничиванием [2] от измерительного транс-
форматора напряжения ТУ (рис. |1.6).
При внешних многофазных коротких замыканиях в реле, подключен-
ном к ТИП, появляется большой ток небаланса. Отстройка по току сраба-
тывания оттоков небаланса при внешних коротких замыканиях недопусти-
242
мо загрубляет защиту генератора от замыканий на землю Чтобы не за-
грублять защиту, ее выводят из действия защитой генератор® от внешних
коротких замыканий, но при этом ©ив оказывается выведенной и при двой-
ных замыканиях на землю. Поэтому на генераторе предусматривают защи-
ту от двойных замыканий на землю, когда одно из них находится в сети
Она объединяется с защитой от замыканий на землю в обмотке статора ге-
нератора. Получается устройство, содержащее реле тока разной чувстви-
тельности, подключенных к одному ТИП. Принципиальная схема такой
комбинированной защиты от однофазных и двойных замыканий на землю
с использованием ТИП с подмагничиванием ТА1Т показана на рис. 11.6.
Чувствительное реле КА I действует на отключение с выдержкой времени
/сз = I—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 KAI при
внешних коротких замыканиях. Грубое реле КА2 дейстаует на отключение
без выдержки времени.
Ток срабатывания чувствительного комплекта зашиты выбирают с уче-
том того, что одновременно с однофазным замыканием на одном из при-
соединений к тинам может возникнуть двухфазное КЗ между другими фа-
зами другого присоединения, отключаемое с выдержкой времени, большей
времени дейстаия чувствительного комплекта. Таким образом, ток сраба-
тывания /с з1 необходимо отстроить от тока, содержащего емкостный гок
генератора и ток небаланса, обусловленный внешним двухфазным КЗ [2]:
^С.31 (^ОТС 4?Г + ^ОТС Анб 1)^В
(И.4)
где /Сг = 3/Ог • ЗсоСгЦ.ном/</3 — установившийся емкостный ток за-
мыкания на землю защищаемого генератора (приводится в паспортных
двннык), А; — гок небаланса защиты, соответствующий току сраба-
243
тывания защиты от внешних многофазных коротких замыканий, А; Артс —
= 2—3 и к".к 1,3—1,5 — коэффициенты отстройки, учитывающие бро-
ски емкостного тока в неустановившемся режиме и неточность расчета то-
ка небаланса.
Ток срабатывания грубого комплекта защиты отстраивается от макси-
мального тока в реле при внешних коротких замыканиях. Пригашается
/сз2 = 100 А, что соответствует отстройке от указанного тока со значи-
тельным запасом.
В соответствии со схемой замещения трансформатора тока (см.
рис. 3.2) ток срабатывания реле /с р определяется через ток срабатывания
защиты как
z„(w2l. си.»
Подстановкой в (П.5) токов /сз1 и /сз2 определяются токи срабатыва-
ния реле КА1 и КА2. Достоинство рассмотренной защиты с ТИП состоит
в ее высокой чувствительности; недостатки — в сложности и наличии
«мертвой» зоны при повреждениях нейтрали генератора-
Селективнвл высокочувствительная защита типа ЗЗГШ-З (БРЭ 1301-03)
обеспечивает 100%-ную защиту обмотки статора- Защита реагирует «а
высшие гармоники токов фаз
Фиксация замыкания на землю в обмотках статора осуществляется
сравнением разностей составляющих токов непромышленной частоты,
протекающих по ИСТ двух неповрежденных фаз, с третьей — поврежден-
ной. 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 от-
сутствии замыкания на землю ток через ЙОГ не протекает. При внешнем
однофазном замыкании на землю, например в точке К1, токи непромыш-
ленной частоты в НОТ всех фаз определяются только емкостями Сс обмо-
ГОК статора !ссл, !сое, 1ССС.
При замыкании на землю на выводах одной из фаз статора в зоне
действия РЗ в точке К2 по двум неповрежденным фазам проходят и то-
ки непромышленной частоты , /СсД> ^СсС» обусловленные емкостя-
ми фаз сети Сс.
В поврежденной фазе токи складываются, поступая в точку замыкания
на землю. Со стороны фазного вывода по поврежденной фазе до точки за-
мыкания на землю проходят состааляющие остальной части тока замыка-
ния на землю. При этом уровни составляющих непромышленной частоты
разности токов поврежденной фазы, определяемые суммарной емкостью
сети, значительно превышают уровни соответствующих токов непсвреж-
244
Piik. 11.7. Рисиредслепкс к оков в А11ффсрсмю<л.,и>11в>1х цени* РЗ при олнсфошдх замы-
кйниях ня землю ня выводя* генератора К2
денных фаз обмотки статора, обусловленных их емкостями. Защюга сраба-
тывает с высоким коэффициентом чувствительности
Измерительный орган HOT содержит трансформатор, преобразующий
дифференциальный (разностный) ток в напряжение, содержание гармони-
ческих (непромышленной частоты) составляющих в котором увеличивает-
ся (ЭДС трансформатора пропорциональна производной тока), и частот-
ный фильтр, задерживающий составляющую тока промышленной частоты.
Зашм ia напряжения. При блочной схеме электростанции проблема се-
лективности защиты от замыканий на корпус в обмотках статора синхрон-
ного генератора отсутствует, поскольку нет электрической сети генератор-
ного напряжения. Поэтому применяется неселекишвпая защита напряже-
ния нулевой ггосче/)оватеяьности (рис. 11.8» а, б). Защита состоит из реле
напряжения KV, реагирующего на напряжение 3(J0 и с выдержкой времени
действующего на сигнал ня и на отключение энергоблока. Реле напряжения
KV подключается к фильтру напряжения нулевой последовательности,
в качестве которого служит первичный измерительный трансформатор на-
пряжения TV с соединением первичной обмотки звездой, а вторичной—ра-
зомкнутым треугольником. В нормальных условиях напряжение 3(7О - 0.
Однако из-за погрешности TV и наличия третьих гармоник в напряжении
на зажимах разомкнутого треугольника появляется напряжение небаланса:
245
Pile. 11-8. l.iBwia пт зямыкйкиб на
>a при работе его по блочной схеме:
« - с -грамсфорыатором жпрхпепия на пыводах генератора, о — с траясфороагором на-
пряжений и нсшраян генератора, ч — с двумя комгокетамм завяпы п кклочеппем пуско-
вых реле через фильтр зретьей гармошки
14^ = Ц16Л-’ + 4)3 • ^РИ внешннх КЗ на землю п сети за трансформатором
блока напряжение может увеличиться. Напряжение срабатывания реле
KV должно удовлетворять условию
(11.6)
При замыкании на корпус на расстоянии а (в относительных единицах
числа витков обмотки фазы) от нейтрали обмоток статора генератора появ-
ляется напряжение (70г = а^,,. Защита приходит в действие при условии
ЗСОг > Ц.3- Таким образом, рассмотренная РЗ имеет зону нечувствитель-
ности («мертаую зону») — она не действует, если Uc 3 > 3 Ц) ~ ах г.
Для повышения чувствительности РЗ на мощных генераторах 300 МВт
и более реле напряжения KV2 включается через фильтр 7.F, ие пропускаю-
щий напряжение третьей гармоники (рис. 1 1.8, в), что позволяет снизить
уставку реле напряжении. Из-за опасения появления феррорезонансного
повышения напряжения Зб’о предусматривается реле времени, позволяю-
щее отстроиться от внешних КЗ на землю в сети с заземленной нейтралью
с выдержкой времени, которая принимается па ступень Д t больше времени
действия РЗ линий от КЗ на землю-.
f3 =f4+Д*« I—1,5с. (11.7)
На мощных генераторах 200 МВт и более РЗ выполняется двухступенча-
той с действием на сигнал реле (КК/) и на отключение (KV2) (рис. 118, 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 сиг-нал. Защита как неселективная
действует при замыканиях на землю на всех элементах генераторного на-
пряжения (обмотках генераторного напряжения трансформатора блока и со-
единительных связях между ними и генератором).
Защита, не имеют пая зоны иечувс! вм'Гельиости («мертвой» зоны).
На мощных генераторах с непосредственным охлаждением имеется повы-
шенная возможность повреждения изоляции ц появления замыкания на
землю в любой точке обмотки статоре, в зом числе и вблизи нейтрали ге-
нератора. Если РЗ не реагирует на эти повреаденИя, то с течением време-
ни они переходят в витковые замыкания, а Затем в междуфазлые КЗ, кото-
рые сопровождаются значительными разрушениями. По этой причине для
мощных и дорогостоящих генераторов мощ>ЮСТЬю 200 МВт и более от за-
мыкания на землю необходимо применять 1^3, не имеющую «мертвой» зо-
ны. Разработана во ВНИПЭ и применяется в эксплуатации РЗ БРЭ-1 без
зоны нечувствительности Защита состоит Из двух комплектов KI и К2,
первый реашруст на основную гармоник}' напряжения нулевой последо-
вательности 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
I- 3 % фазной ЭДС генератора.
Первый комплект К1 (реле напряжения Основной гармоники) выполнен
по схеме, аналогичной приведенной на рис. j j g3 а, Измврмтельный орган
этого комплекта включен на трансформаторе напряжения ГК/, установлен-
ном на линейных выводах генератора, через фильтр, пропускающий только
основную гармонику = L7B.
Второй комплект К2 (реле с торможение!^) содержит рабочий и тормоз-
ной контуры. На вход рабочей цепи подается сумма векторов напряжений
| С в + С н| на вход цепи торможения — напряжение [1/J.
Устройство предусматривает раздельную сигнализацию срабатывания
исполнительных реле комплектов К.1, К2-. ну выходе I — удаленное
от нейтрали; на выходе II — К9(,) вблизи нейТрали.
В нормальном режиме векторы напряжете третьих гармоник по кон-
цам обмотки статора со стороны нейтрали и выводов генератора Св
равны по значению и находятся в противофазе, потенциал напряжения
247
Piiv. 11.9. Зашитя от 3fliui>iKHiiiiii «а зсмли> генератора. не имеющая зоны «чупепш-
те.1ыюсти
третьей гармоники в середине обмотки генератора равен нулю
(рис. 11.9, б, в). При этом в рабочем контуре суммарное напряжение
|t/B f {/ь| близко к нулю, и напряжение тормозного контура надежно
удерживает реле от срабатывания Zc 3 < ZW(J1 ру
При металлическом замыкании в нейтрали генератора TV2 сказывается
зашуитированным (рис. II.9,г). В этом случае напряжение €/lf = 0, и вто-
рой комплект приходит в действие. При удалении точки замыкания на
землю от нейтрали приблизительно при <х > 50 % второй комплект переста-
ет действовать и будет работать первый комплект РЗ
Во ВНИНЭ разработан второй вариант защиты с использованием со-
ставляющих третьей гармоники БРЭ-1301.02 (ЗЗГ-1.2). Он основан на раз-
личии скорости изменения напряжения третьей гармоники Ов 3 мри изме-
нении нагрузки и возникновении замыканил на землю. В первом случае из-
менение напряжения происходит медленно, во втором — быстро н защита
срабатывает. Это объясняется различием постоянных времени, определяю-
щих скорость изменения электрических величин в переходном процессе.
248
Измерительный орган зашиты выполняется в виде реле, реагирующего на
скорость изменения Ue 3 - на производную dl/B 3/d i.
Как и предыдущая, защита состетгг из двух комплектов-, блока, реаги-
рующего на 3€7О, и блока третьей гармоники, реагирующего на dt7B3/df.
Оба комплекта включаются на трансформаторе напряжения, подключен-
ном к выводам генератора. Трансформатор напряжения в нейтрали генера-
тора не требуется (рис. 11.9, а).
Релейная зашита ЗЗГ-1.2 неэффективна при отсутствий переходного
процесса, например при постепенном снижении уровня изоляции обмотки
статора или при подъеме от нуля напряжения на повреждаемом генерато-
ре. Учитывая это, для генераторов большой мощности предпочтительнее
использовать релейную защиту ЗЗГ-1.1.
12
ВЫПОЛНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ РЕЛЕЙНОЙ
ЗАЩИТЫ
12.1. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРТ АНОВ
При аппаратной технической реализации устройств релейной защиты
(УРЗ) измерительная часть содержит отдельные конструктивно оформлен-
ные измерительные органы: измерительные реле тока ИОТ, напряжения
ИОН. направления тока (мощности) ИОНЫ, полного сопротивления
ИОПС и направленные реле сопротивления НИОС. В настоящее время
функции измерительных органов выполняются программно. Поэтому под
микропроцессорными измерительными органами понимаются соответст-
вующие программные функции.
В начаяе развития электроэнергетики и до появления полупроводнико-
вой электроники электротехнической промышленностью выпускались по-
стоянно совершенствовавшиеся электромеханические измерительные ре-
ле Некоторые из них выпускаются до сих пор, повсеместно находятся
в эксплуатации и безотказно служат в соответствии с требованием высо-
кой надежности функционирования УРЗ [2].
Развитие интегральной электроники обусловило разработку и промыш-
ленный выпуск статических измерительных реле на аналоговых (инте-
гральных операционных усилителях) н дискретных (компараторах, тригге-
рах. логических элементах) микросхемах. Однако наступило время широ-
кого внедрения в технику релейной зашиты методов и технических средств
обработки информации цифровой вычислительной техникой. Появились и
развиваются микропроцессорные интегрированные УРЗ. выполняющие
функции нескольких видов релейной защиты и непосредственно связан-
ных с ней устройств собственно протавоаварийной автоматики, в особен-
ности устройств автоматического повторного включения отключенных ре-
лейной защитой выключателей.
12.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ
Электромеханические измерительные реле тока и напряжений являются
электромагнитными устройствами, релейность действия которых обуслов-
250
шнается свойственной электромагнитному устройству сравнения внутрен-
ней положительной обратной связью [4, 5].
Электромеханические измерительные реле направления мощности и со-
противления выполняются на индукционном устройстве сравнения фаз то-
ков в двух его обмотках [5].
Электромагнитное измерительное реле тока состоит из электромаг-
нита / (рис. 12.1, с) с подвижным (поворотным) якорем 2, к которому при-
креплен подвижный контакт 3: неподвижная его часть расположена на кор-
пусе реле, как и пружина 4 и упор 5, удерживающие якорь в начальном по-
ложении <хи; контакт 3 находится в разомкнутом состоянии. Ток в об-
мотке создает электромагнитный вращающий момент, пропорциональный
квадрату тока и скорости возрастания (по мере увеличения угла О', притяги-
вания якоря) индуктивности L — положительной ее производной [5]:
d"dn- <121)
где Л,м —- коэффициент пропорциональности.
После начинающегося при токе срабатывания реле /ср, создающем на-
чальное значение вращающегося момента Л/эмсн, поворота яксря вращаю-
щий момент Л/эм с возрастает в функции увеличивающегося угла а интен-
сивнее (рис. 12.1,6). чем противодействующий повороту якоря момент
удерживающей пружины Л/лр. Этим и обеспечивается скачкообразный (ре-
лейный) переход якоря из начвльного а„ в конечное <хж его положение
(рис. 12.1, /?). В конечном положении А/эм с . к > А/лр, их разность—избыточ-
ный момент М1иб создает нажатие в контакте, что обеспечивает его на-
дежную работу. Для возврата реле в исходное положение необходимо сни-
зить ток ио значения возврата f чему соответствует конечный вращаю-
щий момент при возврате Л/т1)К. Коэффициент возврата кв = /вр//ср —
— Мэм в vf с к и тем вмше*чем меньше M119li. В измерительных орга-
нах тока желательно иметь высокий йв ~ 0.8- 0.85 [2J. Поэтому реле конст-
руируются с малыми W113g, т.е. маломощным контактом.
На рис. 12.2 показана конструкция серийного электромагнитного из-
мерительного реле тока РТ-40. Реле имеет П-образный электромагнит / с
еу
Рис. 12 Д. Kom i pj кипи элск 1 ромящитдого измерительного реле тока серии 1’Т-10
252
Г-образным якорем 2, который жестко связан с подвижным элементам кон-
такта 4. Неподвижные элементы контакта 5 с контактными пружинами б
(рис. 122, б) расположены на корпусе, реле имеет замыкающим и размы-
кающий контакты (рис. 12.2, а). Якорь удерживается в начальном положе-
нии спиральной пружиной 3. Рычаг 7, указатель положения которого пере-
мещается по шкале, изменяет момент противодействующей пружины Мпр
и, следовательно, ток срабатывания реле /с .
Требуемая для обеспечения релейности действия и достижения необхо-
димого значения kB зависимость Мвр(а) обеспечивается общей конструк-
цией. формой якоря и полюсов.
Электромагнитное реле напряжения содержит измерительный пре-
образователь источника ЭДС, каким является первичный измерительный
граисформатар напряжения, в источник тока — балластный резистор, со-
противление которого значительно превышает индуктивное сопротивле-
ние его обмотки: она выполняется проводом с высоким удельным сопро-
тивлением (константан) [5]. Промышленностью выпускается реле напря-
жения серии РН-50.
Индукционные измерительные реле выполняются на индукцион-
ном устройстве сравнения фаз токов <|, z2 в двух обмотках, расположен-
ных на разных магнитолроводах (рис. 12.3, а). Они наводят (индуциру-
ют) токи 11 и »' в подвижном (вращающемся) проводящем (медь, алю-
миний) якоре — диске или цилиндре. В результате взаимодействия токов
'|, f2 М г2» *1 создается индукционный вращающий момент, пропорцио-
нальный произведению токов в обмотках и синусу yt ла сдвига фаз V ме-
жду ними (рис. i2.3, б):
(12.2)
Измерительное реле направления мощности выполняется на четы-
рехполюсном магнитопроводе / (рис. 12.3, б) с внутренним цилиндриче-
ским сердечником 2 и цилиндрическим якорем 3, расположенным в воз-
душном зазоре магнитопровода. По одной обмотке w, тока проходит ток
/j - Jp, а по другой и»2 — ток /2 = /(•’ ®03®УжДаем,,,й напряжением
1/р и определяемый результирующим комплексным сопротивлением об-
мотки ZcB и балластного Zg (рис. 12.4, а):
2,K = zol!+zI5 =z3KZ". (12.3)
253
Его аргумент у у определяет угол v сдвига фаз между токами , /2
в зависимости от угла фр сдвига фаз между напряжением L/p и током
(см. рис 12.4, б) и, следовательно, характеристику срабатывания в ком-
плексной плоскости (см рис. 5.10).
Вращающий момент Мл имеет положительное значение при 0 < ф < тс:
якорь 3 поворачивается по часовой стрелке, контакты реле 5, 6 замыкают-
ся (см. рис. 12.3, б). Вращающий момент Мп отрицателен, если л< цс <2 тс:
якорь поворачивается против часовой стрелки и удерживается упором.
Спиральная пружина 4 служит для удержания якоря в начальном положе-
нии (контакт разомкнут) при отсутствии тока в одной (или обеих) обмотке,
поскольку вреыаюгций момент Ми = 0.
Измерительные реле сопротивления. Для функционирования изме-
рительного реле полного сопротивления, определяемого отношением аб-
солютных значений напряжения и тока, на индукционном устройстве
сравнения фаз необходимо формирование сравниваемых по фазе токов
254
Гис. 12.4. Схема (л) и нсктариа» iitai рямма (n) xicKijnincicux величин ihji}i<iiiioiiho-
rn n «мсрпгел>Л1<>1Ч> pc.ic uaii|iaiiiiiiiiu мсщпопii
Гис. 12.5. Схемы iiicayKiiiioiiiioiii) нзмершельного реле полного сопротивления
/|, /2 операционными преобразователями ОП1, ОП2 (рис. 12.5, а) из на-
пряжения t/p и тока /р:
I, -<{/p+Z/I,yZ3111;|
(12.1)
При этом угол ip =(/],/2) оказывается функцией Zp = |L/p// J [5J
255
Из схемы (рис. 12.5, б) индукционного реле видно, что токи /.. /2 воз-
буждаются двумя ЭДС
Д =KVU 4.JXU1^
I (12-5)
£2 = адр^|/',,.1
создаваемыми автотрансформатором напряжения TVL с коэффициентом
трансформации Кг м ЭДС /Л'Л//р в двух вторичных обмотках трансреак-
тора TAV [5] с сопротивлением взаимоиндукции между каждой из них и
первичной, равным Фазы токов , /2 устанавливаются аргумента-
ми сопротивлений обмотки и>| и результирующего сопротивления
последовательно соединенных обмотки Zc(52 и балластных резистора /?е
и конденсатора Сб: Ze •= /?б-уЛоСб.
Направленное индукционное измерительное реле сопротивления полу-
чается исключением из первого соотношения (12.5) составляющей
[5] . Установленные сопротивления срабатывания измерит ельных
реле определяются изменяемыми сопротивлением/Лд/И коэффициентом
трансформации К^, автотрансформатора TVL.
12.3. СТАТИЧЕСКИЕ II 1МЕПГГЕ.ЛЫ1ЫЕ РЕЛЕ
Принцип действия. Измерительные реле унифицированы и состоят из
единых функциональных элементов. Элементы сравнения функционируют
по времяммпульсиому способу сопоставления амплитуды синусоидально-
го напряжения (тока) с установленным значением и сравнением двух сину-
соидальных электрических величии по фазе [5]. Способ сравнения предпо-
лагает формирование промежуточного времяимпульсного сигнала — по-
следовательности прямоугольных импульсов постоянного напряжения с
изменяющейся длительностью в функции амплитуды, фазы или частоты
синусоидальной величины, последующее преобразование длительности
импульсов в пропорциональное максимальное напряжение пассивным
(ЛС-цепь) или активным (на ИОУ) интегратором и его сравнение с уста-
новленным постоянным напряжением.
Релейность действия обеспечивается классическим релейным элемен-
том —- триггером Шмидта, выполняемым на НОУ с положительной обрат-
ной 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 RR преобразующим входной ток /р в напряжение
256
R20
Рис. 12.6. Схема t«) ч временные диаграммы (в) максимального измерителмюго ре-
те така РС'Т-13
UR, и выпрямителя PS; резисторного (/?5—Rfc R9—RI3} установочного эле-
мента напряжения t/y; элемента сравнения (ИОУ А1) мгновенного выпрям-
ленного |пл | и постоянного Ц, напряжений; пассивного интегратора—че-
рез резисторы R7, К8; зцзяжающегося конденсатора С2 релейного элемен-
257
та сравнения (ИОУ А2) напряжения на конденсаторе с фиксированным
(резисторы RI5, Мб положительной обратной связи) отрицательным на-
пряжением его срабатывания Ц, и положительным t/B возврата; выход-
ного транзисторного усилителя VT1 с исполнительным электромагнитным
реле (герконом) KLL
Интегральный операционный усилитель AI в режиме переключения
формирует время! импульсное положительное напряжение U6 в интервале
времени tt, в течение которого мгновенное выпрямленное напряжение |пЛ|,
поступающее на инверсный вход усилителя, меньше напряжения 17у> и от-
рицательное ~ия в течение интервала времени /2»когда |нл | больше б/.
При действующем значении тока 1р, меньшем тока срабатывания /ср
(график / напряжения | на рис. 12.6, б), конденсатор С2 заряжен до поло-
жительного напряжения Uc.r, ограничиваемого стабилитроном VD3, или.
перезаряжаясь через диод VD2 и резистор R8 под воздействием отрищмель-
ного напряжения t/a в течение времени /21 (график 2), не успевает сни-
зить напряжение до отрицательного напряжения срабатывания —(7С. На
выходе А2 создается отрицательное напряжение —бф» удерживающее тран-
зистор VTI в закрытом, а реле KLI в невозбужденном состоянии.
По мере нарастания тока /р (трафик 3) время 12 перезаряда конденса-
тора увеличивается, и при /р > /ср конденсатор успевает за время /22
зарядиться до отрицательною -Ц. напряжения срабатывания. Напряже-
ние б/т на выходе А2 становится положительным: отрицательное напря-
жение 2: |-Uc | поступает на инверсный вход усилителя А2. Поло-
жительное напряжение Ц возбуждает прямой ток эмиттера транзистора
J'77, который, переключаясь в открытое состояние, током коллектора
возбуждает геркон KLI.
Измерительное реле максимального тока срабатывает (момент юреме-
«и'ср)
После снижения тока /р < /вр (график 4) конденсатор в течение време-
ни i 1л снова перезаряжается (через резистор R7) до положительного напря-
жения 17в возврата. Напряжение 17т становится отрицательным, транзи-
стор Jz77 закрывается, отключая геркон KL1. Измерительное реле тока воз-
вращается в исходное состояние (момент времени 1В р).
Измерительное реле напряжения отличается от реле тока только вход-
ным трансформатором: вместо TAL с резистором Е/ устанавливается
вторичный измерительный трансформатор напряжения TVL (на схеме ие
показан).
258
Напряжение Ц,р и ток 2ср срабатывания измерительных реле устанав-
ливаются путем изменения напряжения С/у переключением резисторов
RP—R13 при помощи кнопок SBI—SB5 с фиксацией их положений.
Анаксгячио функционируют и времяиьдаупъсные измерительные реке
направления мощности и реле сопротивления. Принципиальное их отли-
чие обуслоаливается сравнением фаз двух синусоидальных величин в ре-
ле направления мощности входного напряжения Up и напряжения, про-
порционального входному току IpZ^ (рис. 12.7, а) и сдвинутого по фазе
на угол, равный аргументу комплексного сопротивления ZE; в реле сопро-
с)
б)
Рис. 12.7. Схемя (о) и временные диаграммы (£) формирования сравниваемых во фа-
зе напряжений измерительного реле направления мощности
259
тивления — напряжений Cj и , являющихся функциями, аналогичны-
ми (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-
пуяьсного сигнала. В частности, соотношения (12.5) реализуются активны-
ми (на ИОУ) сумматором (АГР) и вычитателем {АН).
Время импульсный сигнал (см рис 12.7,6), аналогичный (см.
рис. 12.6, б), формируется [5, 6] логическим перемножением (операция И)
мгновенных значений двух напряжений с инверсией (измененном фазы на
угол л) одного из них. Длительность /2 отрицательного импульса получа-
ется равной времени несовпадения по знаку мгновенных напряжений, т.е.
пропорциональной углу сдвига фаз, а дянтепьност ь t j положительного им-
пульса - дополнительному углу.
Параметры и характеристики срабатывания измерительных реле опре-
деляются соотношением между длительностями /2 импульсов, соответ-
ствующих срабатыванию реле. Перезаряд конденсатора происходит по экс-
поненциальной (от источника ЭДС) ияи линейной (от источника тока) за-
висимости.
Релейные элементы сравнения напряжения на конденсаторе с установ-
ленным постоянным напряжением используются в статических реле вре-
мени, 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 ЯРЭ22С1. ЯР2202.
Производятся следующие статические измерительные реле:
максимального тока PCT1I—РСТ14, различающиеся пределами уста-
навливаемых токов срабатывания от 0,05—0,20 до 30—120 А;
максимального тока высоком чувствительности РТ351 для защиты от
замыканий на землю в сетях напряжением 6— 10 кВ и с током срабатыва-
ния от 0,02 до 0,12 А;
дифференциального тока РСТ23 (аналог электромеханического реле
РНТ567);
максимального и минимального напряжений РСН14 и РСН15 с диапазо-
ном напряжений срабатывания от 12 до 240 В;
фияьтр-реле напряжения прямой или обратной последовательности
РСН13,
направления мощности PMll, РМ13 и активной ияи реактивной мощ-
ности РСМ13;
фильтр-реле направления мощности обратной последовательности
РМОП2-1;
сопротивления БРЭ2801.
260
Также выпускаются:
статические реле времени серий РВО] и РВОЗ общего назначения с вы-
держками времени срабатывания и возврата и специализированные (для се-
лекции сигналов по времени) типов РСВ14 и РСВ01-1;
статические устройства сигнализации УСЗЗ и защиты ЗЗП1 от однофаз-
ных замыканий на землю в сетях напряжением 6—10 кВ, присоединяемые
к первичным измерительным трансформаторам тока нулевой последова-
тельности кабельной конструкции.
Комплектные устройства ЯРЭ2201 и ЯР2202 выполняют все необходи-
мые функции релейной защиты собственных нужд электростанций м под-
станций и распределительных сетей. Они представляют собой наборы
функциональных элементов, из которых состоят статические реле. Различ-
ные 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 ре-
зервирования отказов действия выключателей на отключение КЗ
Функциональные элементы размещены в кассетах унифицированных
конструктивов БУК-6.
Комплектные устройства специализированы. Они исполняются для ра-
бочего ввода КРУ, секционного выключателя, линии электропередачи,
трансформаторов напряжением б—10/0,4 кВ, в том числе собственных
нужд электростанций, синхронного и асинхронного электродвигателей,
конденсаторных установок.
12.4. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ПРОГРАМЛИЫХ 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 из-
мерительной части зашиты и автомагики на основе ортогональных состав-
ляющих синусоидальных напряжений и токов, обеспечивающие практиче-
ски безынерционное действие измерительных реле с высокой точностью.
Программные алгоритмы адаптивной фильтрации напряжений и токов элек-
тромагнитных переходных процессов КЗ позволяют выделять синусоидаль-
ные напряжения и токи и их ортогональные составляющие за минимальное
время. На основе ортогональности составляющих осуществимы быстродей-
ствующие многофункциональные измерительные преобразователи режим-
ных параметров электроэнергетических систем и систем электроснабжения
в сигналы информации [6], используемые измерительной частью интегри-
рованных микропроцессорных комплексов.
261
о)
6)
Рис. 12.8. Функциональная (л) сгруктурнан (#>) схемы
реле максимального 1Х1КЛ
На рис. 12.8 приведены функциональная схема цифрового измеритель-
ного реле максимального тока и структурная схема его программы, иллюст-
рирующие реализацию комплектов РЗ [7]. Из синусоидального входного то-
ка — его дискретных после аналого-цифрового преобразования мгновенных
значений гр(и7) — выборок, следующих во времени с интервалом дискре-
тизации, например Т= 1С1 с (21 выборка за период промышленной часто-
ты), программной операцией L/6Z формируются ортогональные — синус-
ная Ips(riT) и косинусная Ipc(ril") составляющие тока. Возведением их
в квадрат (операциями перемножения ZX) и суммированием (операция SM)
2
вычисляются дискретные значения квадрата амплитуды тока /рга(и7). Про-
262
изводится сравнение двоичного цифрового кода квадрата амплитуды тока
с установленным значением — уставкой реле .
По результатам сравнения (1рт ) формируется дискретный сигнал
(логическая единица) срабатывания измерительного реле
Вся программа выполняется за вычислительное время микропроцессо-
ра, меньшее интервала Т дискретизации входного тока. Поэтому информа-
ция на выходе реле (наличие или отсутствие дискретного сигнала — логи-
ческой единицы) обновляется после каждого интервала дискретизации. т.е.
каждую миллисекунду (при Т= fC J с). Измерительное реле практически
безынерционно, а его точность определяется разрядностью аналого-цифро-
вого преобразователя.
12.5. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНО-ЛОГИЧЕСКИЕ МОДУЛИ И ТЕРМИНАЛЫ
МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Цифровые интегрированные комплекты релейной защиты (термина-
лы) состоят из типовых вычислительно-логических и логических моду-
лей (табл. 12.1). В качестве примеров рассматриваются модули
SPCJ4D28 и SPCS4D11(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 графи-
ческими обозначениями, приведенными в табл. 12.2. В модулях приняты
обозначения установленных гоков срабатывания (уставок) первой 1»,
второй 1» и третьей /> ступеней, их задержек t »> и выдержек времени
/», t '> соответственно и напряжений срабатывания U> или U<-
Особенностью вычислительно-логических модулей является их «одно-
системность», или «однофазиость»: они состоят из одного комплекта про-
граммных измерительных реле. Информация к ним поступает от вторич-
ных измерительных преобразователей токов или напряжений трех фаз че-
рез макси-селектор (рис. 12.9) или мини-селектор (вдрутх модулях), вы-
деляющих наибольшее или наименьшее действующее значение тока или
напряжения. Вторичные измерительные преобразователи представляют со-
263
Таблица 12.1
У’словжыс графические сботвачекия Тфограммпъп элементов
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, выполняю-
щих функции полосовых частотных фильтров, выделяющих принужден-
ную составляющую фазных токов и тока нулевой последовательности /0
переходных процессов КЗ, измерительных реле с уставками / »>, /», 1>
264
Таблица J2 2
Функции и технические данные модулей защит
SPCJ4D28 Трехступенчатая iicxai ставленная ТЗ Ull0M = 1 или 5 A), / > (0,5—5)/„ом» /», />» - (0,5—40)/11Оы.г = 0,04—300 С Двухступенчатая ненаправленная от 033 (f11OM = 0.2 или 1 А), /0 > = (0.1-0Д)/ 1DM1 ic » = (0.1—Ю)/И0М, г= 0,05-300 с. Запрета от несимметричной работы нагрузки А/ = (0,1—1)/1|ом,1 = 1—300 с. Третья ступень — ГИТЗ и вторая ступень за«[цты 033 спряду с независимыми имеют обрапюзавкеммые характеристики, в том чнснс состьетствукшце ГЛ ЭК и два типа специальных характеристик Защиты шеюглва набора уставок, из- меняем! IX внешним сигналом пли имида по последовательной липни связи
SPC.HD34 Защита тепловой перегрузки /( (0.5—5)/„ом Защита пускового режима /л = = (1 -10)/,юм, lf =03—30с.Зашигаотмсжяу^азиыхКЗ/»=(0^5—20Уио„ или выведена, Г» = 0,04—30 с. Защита от замыкания на ЗСМЛЮ /0> = (0.01—1)/1юм- Зацита ст нссимьсзричных режимов работы Д/= (0,1—О»4)/вом или выведена, 1 = 20 120 с. Защита от поглокщшя тока нагрузки I < = (0,5—0,8)/,» 1 = 2—60 с Згпдпа от длительного иуска 1 = 5—500 с
SPCD3R53 Двухступенчатая диффсрси1«пал1>»1я защита ЗА/ > = (005—0,5)/1|ом»1 до 45 мс: ЗД/» = (5—30)/11ом, t до 40 мс Подстройка коэффщакнта трансформации (0,4—1.5)/11ом блокирование по второй и пятой гармоникам
SPCU3CI5 Ступени защиты пг междуфазного минимального ншфяженпя U< = - (0.4—I,2)U1IOU. г до 30 с, L/« = (0.1—l.2)l/1IOM1 Г до 10 с
SPCU3C6 Отучены защиты от максимального напряжения нулевой посяедсватьльвиС|Ц 1/0> = (0.02—1/0» = (0,1—<),8)1/иом. /с = 0J05- 100 с
SI4.R8C27 Регистратор аномальных режимов регистрирует междуфазные wripawciaui, фазные токи, ток и ывгряжеяне нулевой плсиедовагельности восемь цифровых еггналов Гр,,- = 12 с
Рис. 12.9. Функциональная схема вычислительно-логического модуля
265
и Iq», /о>» реле времени с независимыми задержкой первой ступени
t >» и выдержками времени I», 1$» срабатывания вторых степеней, ре-
ле времени с обратнозависимыми от тока характеристиками (их несколько
разновидностей) выдержек времени t >, Iq> третьих ступеней и логических
элементе® ИЛИ и ПАМЯТЬ (вход S записи RS-триггера). Модуль выполняет
функцию защиты от несимметричного режима операцией вычисления отно-
сительной разности наибольшего по амплитуде /(пах и наименьшего /|)1|п
фазных токов, поступающей на измерительные реле тока с уставкой Ы >,
воздействующего на программные реле времени с уставкой /Д>,
Модули содержат комплекты ключей задания функций: SGF — конфи-
гурации (набора функций) SGR, блокировок (запретов действия) SGB
кнопки возврата элементов в исходное состояние RESET, в частности, сня-
тия памяти (подачей логической единицы на вход R считывания триггера)
о действии зашиты на отключение TRIP (сигнальная дампа).
На схеме обозначены выходные сигналы SS о запуске ступеней защит и
TS о их действии на отключение.
Функциональной особенностью модуля SPCJ4D28 при пуске электро-
двигателя является автоматическое удвоение уставки первой ступени то-
ковой защиты от междуфазных КЗ />»х2 (рис. 12.9), повышающее в два
раза чувствительность при КЗ.
Вычислительно-логический модуль SFCS4DH(12) дополнительно со-
держит (рис. 12.10) программное измерительное реле направления мощно-
сти ф (фирменное обозначение) с изменяемым при настройке защупы ут-
Рис. 12.1(1. Функциональная схема вычислительно-логического модуля
266
лом максимальной чувствительности фмч. Реле подключается к наиболь-
шему по амплитуде фазному току Ifi или 1с и междуфазному напряже-
нию 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 вы-
держек времени через логические операции И их совпадения. Во входных
цепях напряжений и токов предусмотрены фильтры нижних частот, задер-
живающие апериодические свободные составляющие токов и напряжений
переходных процессов КЗ.
Ключом SGF1/5 включается программа управления (2х/>) установ-
ленного тока срабатывания третьей ступени при пуске или самозапуске
электродвигателей. Они идентифицируются по скорости нарастания тока
от 0,12/> до 1,25/ > за установленное врамя 60 мс: выходные сигналы
программных измерительных реле тока и реле времени с указанными ус-
тавками воздействуют на изменение уставки третьей ступени через логи-
ческую операцию И.
Ступени защиты могут иметь как не зависимые, так и сбраспоаавис™-
мые от тока задержки (первая ступень) и выдержки времени (вторая и тре-
тья ступени) срабатывания, устанавливаемые ключами SGR. Прадусмотре-
на (ключи SGF277, SGF2/8 и сигналы SSI, SS2) выдача информации с за-
держкой о запуске программной функции определения направления мощ-
ности В цепи отключения возможна задержка воздействия TS1. Про-
граммное формирование воздействия TS2 на отключение аналогично про-
изводимому в SPCJ4D28.
Из вычислительно-логических и логических программных модулей со-
бираются интегрированные микропроцессорные комплекты релейной за-
щиты и протпвоаварийной автоматики.
Предприятием АББ Реле-Чебоксары изготовляются различные термина-
лы релейной защиты SPA 300 и защиты и автоматики SPAC 800 собствен-
ных нужд электростанций и подстанций распределительных электриче-
ских сетей; REG, RET и REL защиты и автоматики синхронных генерато-
ров, трансформаторов и линии электропередачи [7J.
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 элек-
гроэнергетики [7] привело к созданию интегрированных комплексов, вы-
полняющих все функции традиционных устройств релейной защиты и ав-
томатики и обладающих широкими информационными свойствами и сер-
висными возможностями, существенно повышающими надежность и эф-
фективность функционирования технических средств автоматического
управления электроэнергетическими установками, особенно противоава-
рийного управления, осуществляемого релейной защитой.
Цифровые микропроцессорные комплексы РЗ яаляются интеллектуаль-
ными техническими средст вами. Им присущи:
многофункциональность и малые размеры (одно цифровое измеритель-
ное реле заменяет десятки аналоговых);
дистанционные изменения и проверка уставок с пульта управления;
ускорение противоаварийных стключетлй и. включений;
непрерывная самодиагностика и высокая надежность;
регистрация и запоминание параметров аварийных режимов;
дистанционная передача оператору информации о состоянии и сраба-
тываниях устройств РЗ;
возможность вхождения в состав вышестоящих иерархических уровней
автоматизированного управления;
отсутствие специального технического обслуживания — периодиче-
ских 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 REG2I6 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, двига-
тельном 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 генера-
тора и функционирования терминала;
регистрации информации об аварийных ситуациях и действиях про-
граммной защиты и противоаварийной автоматики.
В модификации REG316-4, предназначенной для электроэнергетических
блоков генератор-трансформатор, дополнительно предусмотрены функции
защитного отключения при перевозбуждении мапшгопровода и перегреве
обмоток трансформатора и повышении давления масла в его баке.
Функции релейной зашиты выбгфаются клавиатурой ПЭВМ из обшир-
ной библиотеки программ.
Терминалы состоят из набора электронных модулей ЭМ (рис. 13.1),
расположенных в кассете оборудования КО и образующих вычислитель-
ную часть ВЧ терминала, а именно модулей:
аналого-цифрового преобразователя АЦп с мультиплексором аналого-
вых сигналов, поступающих от измерительно-преобразовательной части
ИПЧ (модуль 216EA6I);
сигнального микропроцессора (модуль 2I6NG61);
модули главных микропроцессоров ГМП;
капала связи-интерфейса с ПЭВМ и принтером П (модуль 2I6VE61);
модули цифровых выходных сигналов 216AV61 и управляющих воз-
действий 216DB61.
Аналоговая измерительно-преобразовательная часть ИПЧ содержит
вторичные измерительные трансформаторы тока TAL, нагруженные балла-
стными резисторами /?б, напряжения на которых пропорциональны и сов-
падают по фазе с токами; трансформаторы напряжений 7VL' аналоговые
полосовые частотные фильтры, задерживающие апериодическую и колеба-
тельные свободные и гармонические принужденные составляющие напря-
жений и токов электромагнитных переходных процессов КЗ-
Выделенные фильтрами принужденные состааляющие напряжений и
токов промышленной частоты — входные аналоговые сигналы — поступа-
ют через стандартные разъемы РХ и оптоэлектронные элементы гальвани-
ческой развязки (на рис. 13.1 ие показаны)
Сигнальный процессор содержит программы нерекурсивных цифровых
частотных фильтров ортогональных (синусной и косинусной) составляю-
щих входных цифровых сигналов: программные измерительные реле за-
щиты и противоаварийной автоматики функционируют по быстродейст-
вующим алгоритмам, использующим ортогональные составляющие. Про-
граммы измерительных реле и логические операции выполняются главны-
ми микропроцессорами.
269
РИС. 13.1. Функциональная схема терминала REG216
Исполнительная часть ИЧ — блок выходов дискретных управляюиатх
воздействий на отключение синхронного генератора и дискретных входных
и выходных сигналов — состоит из электромагнитных реле с герметизиро-
ванными контактами (герконов) K.L, возбуждаемых от отдельных источни-
ков питания. На рис. 13.1 показан общий источник питания ОНП терминала.
Набор выполняемых функций релейной защиты и противоаварийной
автоматики определяется вычислительной способностью ГМП (их коли-
чеством).
Терминалы REG216 и REG316 выполняют следующие основные функ-
ции релейной защиты:
продольном дифференциальной токовой от КЗ в цепях генератора и
трансформатора блока генератор-трансформатор;
поперечной дифференциальной токовой от междувитковых КЗ в обмот-
ках 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
облапают рядом особенностей и достоинств, повышающих техническое со-
вершенство релейной защиты и противоаварийной автоматики синхрон-
ных генераторов и блоков генератор-трансформатор
Программно преодолеваются факторы, затрудняющие обеспечение
потенциально высокой чувствительности продольной дифференциаль-
ной токовой зашиты генераторов и особенно блоков генератор-трансфор-
матор, и достигаются:
высокая надежность несрабатывания защиты при больших токах внеш-
них (за пределами защищаемой зоны) КЗ и насыщении магннтопровода
первичных измерительных трансформаторов тока, обусловливающем
сильное возрастание их погрешностей и токов небаланса в целях зашиты;
снижение тока срабатывания защиты генератора за счет возможности
уменьшения расчетных погрешностей трансформаторов тока;
выравнивание абсолютных значений вторичных токов измерительных
трансформаторов дифферанциальной зашиты блока генератор-трансфор-
матор, неравенство которых обусловливается численным отличием отно-
шения их коэффициентов трансформации от коэффициента трансформа-
ции трансформатора блока;
компенсация дискретных изменений абсолютных значений вторичных
токов при действий микропроцессорного автоматического регулятора на-
пряжения трансформатора блока на его устройство ретулирования под на-
грузкой [7].
271
Рис. 13.2. Характеристика
срабитышшия мхкрппроисссорвоЛ
«|MMKM№l№ii дифферс in»» плои
тжовпи заиипы
Программная компенсация сдвига фаз между вторичными токами» обу-
словленного группой соединений обмоток низшего и высшего напряжений,
грансфорыггтсра, упрощает схему токовых цепей продольной дифференци-
альной т оковой защиты блока генератор-трансформатор: вторичные обмот-
ки 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 про-
граммной продольной дифференциальной токовой защиты, отличающаяся:
низким током срабатывания О,1/иом (номинального тока генератора);
повышением тока срабатывания (загрублепием защиты) током тормо-
жения
J, = J/^cosa, (13.1)
где Л,, — вторичные токи измерительных трансформаторов при
внешнем КЗ; <х —- угол сдвига фаз между ними, практически равный w^-
jwo;cds<x = 1;
при КЗ в генераторе или трансформаторе блока один из токов (обыч-
но /2 ) имеет противоположное направление, угол <х =» я и cos и ®=—1; под
квадратным корнем отрицательное число (корень мнимый) — торможе-
ние не действует;
программным запретом действия (блокировкой) защиты при значитель-
ных кратностях тока внешнего КЗ, начиная с кратности тока торможения
-<>“'.Я
отсутствием указанного запрета действия при внутренних КЗ — мни-
мом числе, определяемом по (13.1).
Такая характеристика обеспечивает достоинства программной продоль-
ной токовой зашиты генератора и блока генеретор^рансформатор.
Низкий ток срабатывания О,1/ном получается за счет малых токов неба-
ланса. Расчетный ток небаланса можно определить при сниженных погреш-
ностях измерительных трансформаторов тока, значительно меньших £<0,1
272
[2], по малой кратности b (рис. 13.2) тока внешнего КЗ, благодаря блокиров-
ке срабатывания защиты и без учета токов небаланса, обусловленных дис-
кретным изменением коэффициента трансформации при действии УРПН и
неточностью выравнивания их абсолютных значений.
Особенностями других программных защит и противоаварийной авто-
матики являются:
фиксирование первой ступенью токовой защиты (отсечкой) броска тока
намагничивания трансформатора блока при его включении или дискрет-
ном восстановлении напряжения после отключения внешнего КЗ;
вычисления выдержек времени 1С срабатывания третьей ступени токо-
вой защиты и токовой защиты обратной последоват ельности, учитываю-
щие теплодинамические характеристики генератора
(13-2)
<с2=*,/[(/2//е)2-*21. (13.3)
где /р— базовый ток. 1б= (С.5 -2,5)/1ЮЫ; /2 — ток обратной последова-
тельности; А1э кг — временные коэффициенты;
высокие (близкие к единице) коэффициенты возврата измерительных
реле напряжения и т ока.
13.3. ИНТЕГРИРОВАННАЯ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА 11 ПРОТИВОАВАРИЙНАЯ
АВТОМАТИКА ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Интегрированная релейная защита и противоаварийная автоматика
линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений функцио-
нирует на терминалах REL-5 UR, REL-52I и REL-561, выполняющих сле-
дующие функции:
дистанционной (на терминалах REL-56! продольной токовой диффе-
ренциальной) как от междуфазных, так и однофазных коротких замыканий
ступенчатой токовой нулевой последовательности от коротких замыка-
ний на землю;
ступенчатой токовой от междуфазных КЗ:
резервирования отказов выключателей в действии на отключение;
отключения при включении линии на КЗ (закорспжу);
запрета действия дистанционной защиты при качаниях в электроэнерге-
тической системе и повреждениях в цепях измерительного трансформато-
ра 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 п
реактивной мощностей в линии и частоты;
рагистрацим аварийных ситуаций
Терм иыалы обеспечивают программную настройку дистанционной за-
щиты на пять (три фиксированные и две расширяемые ускоренного отклю-
чения), а токовой нулевой последовательности на четыре зоны (ступени),
т.е. высокую степень дальнего резервирования. Возможность оперативного
выбора одного из находящихся в памяти микропроцессоров четырех набо-
ров установленных сопротивлений и токов срабатывания (уставок) прида-
ет автоматике защитных отключений свойство адаптивности к режимам
работы линий электропередачи.
Гибкое программное изменение уставок и обмен информацией по высо-
кочастотным каналам связи повышают быстродействие и эффективность
взаимодействия автоматики защитных отключений и повторных вкпючений-
Возможность оперативного пополнения библиотеки программ и вы-
полняемых ими функций придает интегрированной защите и прогивоава-
рийной автоматике линий электропередачи способность «самосовершен-
ствования».
Терминалы. естественно, производят самотестирование, автоматиче-
скую диагностику и имеют интерфейсы с ПЭВМ и выходы для подключе-
ний к ВОЛС — волоконно-оптической линии связи с АСУ.
Универсальный терминал на мультипроцессорной основе REL521 осу-
ществляет 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 сис-
темной подстанции.
Вычислительно-логическая часть ВЛЧ (рис. 133) терминала состоит из
нескольких микропроцессоров МП1—MflN, функционирующих одновре-
менно и выполняющих необходимые функции противоаварийной автома-
тики, вычислительные и логические операции. Один из них производит
фильтрацию информационных процессов, поступающих от АЦП, — выде-
ление принужденных составляющих напряжений и токов электромагнит-
ных переходных процессов при коротких замыканиях. Программно реали-
зуется рекурсивный полосовой второго порядка или нерекурсивный циф-
ровой частотный фильтр (6|.
Вычисли нельмо-логическая часть содержит главный контроллер ГК,
который принимает решения, основанные на информации, поступающей
от микропроцессоров. Они выдают информацию через интервал дискре-
тизации 1 мс.
Измерительно-преобразовательная часть ИПЧ состоит из комплектов
вторичных измерительных трансформаторов фазных (междуфазных) и ну-
274
Пис. 13.3. Функциональная схема терминала RELS2I
левой последовательности напряжений TVL, фазных и нулевой последова-
тельности токов TAL, нагруженных балластными резисторами /?6; аналого-
вых фильтров нижних частот первого порядка <РНЧ 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. Управ-
ляющие воздействия на отключение и включение выводятся контактами
комплекта выходных электромагнитных реле КВР с повышенной коммута-
ционной способностью, а анналы информации — герметизированными
магнитно-управляемыми контактами ГМК.
Вычислительно-логическая часть имеет стандартный интерфейс с
ПЭВМ и ВОЛС. Терминал снабжен клавиатурой КЛ (для настройки на вы-
бранные функции и параметры) и жидкокристаллическим дисплеем ДП
отображения информации.
Одной из особенностей функций дистанционной защиты является про-
граммная реализация измерительных реле полного сопротивления с много-
угольными характеристиками срабатывания и программируемой направ-
ленностью действия защиты во всех зонах не только при всех сочетаниях
ловрежиенных фаз междуфазиыми КЗ (междуфазных реле), но и при сдао-
фазных коротких замыканиях (однофазных реле). Последние функциони-
руют 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 операция-
ми DX1—0X3 (ЗАПРЕТ) цепи ненаправленного выбора (от фазных реле
полного сопротивления KZH^—KZHC} повреждениой фазы А, В и С. Через
операцию 0X4 формируется сигнал (от реле KAV напряжения и тока нуле-
вой последовательности) информации СИ о коротком замыкании на зем-
лю. Запрет производится единичным логаческим сигналом от програм-
мных реле блокировок КВ при повреждениях в цепях измерительных
трансформаторов напряжения и качаниях в электроэнергетической систе-
ме.
Операциями ЗАПРЕТ контролируется определение поврежденных фаз
программными направленными измерительными реле сопротивления: од-
нофазными KZA—KZe н междуфазными XZAB—Так, сигнал выбора
фазы А линии при ее коротком замыкании на землю формируется направ-
ленным однофазным измерительным реле сопротивления KZA при нали-
чии логических единиц на трех входах DXI (операция их совпадения), т.е.
276
и от реле фиксации А'ЛК короткого замыкания на землю и от DX4 (при
отсутствии на инверсном входе запрещающей единицы). Логическая еди-
ница с выхода DXi проходит через DlVf (ИЛИ) в виде сигнала» опреде-
ляющего воздействие на электромагнит отключения VAT выключателя фа-
зы А. Аналогично направленными однофазными измерительными реле
KZB и KZg через операции DX2, DX3 и DIV2, DW3 при наличии логиче-
ских. единиц, на выходах КЛК и DX4 формируются сигналы выбора по-
врежденной фазы В или С.
Сочетание поврежденных фаз при двухфазном КЗ на землю определяет-
ся междуфазными измерительными реле сопротивления. Так, при корот-
ком замыкании на землю фаз Л и В дискретный сигнал от реле прохо-
дит через DX4 при наличии логических единиц от реле KAV фиксации ко-
роткого замыкания на землю и DX4. Операции DWI и DW2 обеспечивают
выходные сигналы о повреждении фаз Л и В.
Логическими операциями DW4 и DX7 формируется сигнал информа-
ции СИ о направленном выборе поврежденных фаз при коротких замы-
каниях на землю.
277
При однофазном КЗ на землю отключается один поврежденный провод
линии электропередачи и запускается программа однофазного автоматиче-
ского повторного включения ОАПВ. При двухфазном КЗ на землю логиче-
скими операциями ЛО формируются воздействия на электромагниты YAT
отключения трех фаз линий и сигнал запуска программы трехфазного авто-
матического повторного включения ТАГ) В.
13Л. ОСОБЕННОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ЗАЩИТЫ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Микропроцессорная интегрированная релейная зашита трансформатора
SPAD 346С выполняет функции [7]:
продольной токовой дифференциальной защиты;
трехступеичатой токовой зашиты от междуфазиых КЗ;
дифференциальной токовой защиты нулевой последовательности от КЗ
на землю;
токовой защиты нулевой последовательности от однофазных замыка-
ний на землю на стороне высшего напряжения:
токовом защиты от КЗ на землю на стороне с напряжением 0,4 кВ;
зашиты от несимметричной работы.
Продольная токовая дифференциальная защита, благодаря ее про-
граммной реализации, обладает уникальными, реализуемыми только тех-
ническими средствами цифровой вычислительной техники, свойствами.
Они обеспечивают преодоление специфических факторов, затрудняющих
достижение высокой чувствительности продольной дифференцивльной
зашиты, а именно:
схемы соединений обмоток трансформатора, обусловливающей фазо-
вый 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, обу-
словленных численным отличием отношения их коэффициентов трансфор-
мации от коэффициента трансформации защищаемого трансформатора;
дискретное изменение коэффициента его трансформации при переклю-
чениях ответвлений от обмотки высшего напряжения автоматически
управляемыми УРПН.
Компенсация сдвига фаз н выравнивания абсолютных значений вто-
ричных токов производится программно-расчетными алгоритмами. Со-
ответствующие составляющие тока небаланса в дифференциальной цепи
защиты практически исключаются.
Однако ток небаланса, обусловленный погрешностями измеритель-
ных трансформаторов тока при больших токах внешних КЗ, остается на
прежнем уровне Поэтому в цифровой продольной дифференциальной
278
защите применяется известное торможение, автоматически заглубляю-
щее ес при внешних КЗ.
Используется и один из прежних способов обеспечения недействия за-
щиты на отключение трансформатора от броска тока намагничивания БИТ,
возникающего при подключении трансформатора к напряжению или пр®
дискретном повышении первичного напряжения после отключения внеш-
него КЗ. Применяется запрет действия защиты (ее блокировка) гармониче-
ской составляющей БНТ удвоенной частоты. При КЗ в трансформаторах
или на его выводах блокировка по аторой гармонике ограничивается спе-
циальным алгоритмом анализа особенностей формы кривой и скорости на-
раствния мгновенного дифференциального тока
В защите предусмотрена еще одна блокировка по пятой гармонике тока
намагничивания, возникающей при повышенном напряжении, вследствие
насыщения магнитопровода трансформатора (его перевозбуждении). Од-
нако при опасных дяя изоляции трансформатора перенапряжениях блоки-
ровка выводится из действия.
Продольная токовая дифференциальная защита двухступенчатая. Пер-
вая, 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 аторой гармоники бро-
ска 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 вычислитель-
но-логический модуль UI (рис. 13.5) типа SPCD3D53 (см. табл. 12.1).
Токовая защита нулевой последовательности (модуль U2 типа
SPCD2D55) от однофазных КЗ (при заземленной нейтрали сетей напряже-
нием ПО- 220 кВ) или однофазных замыканий на землю (при изолирован-
ной нейтрали сетей напряжением 6, 10,35 кВ) может функционировать как
продольная дифференциальная или двухступенчатая токовая защита. Она
подключается к нулевому проводу трехфазных измерительных трансфор-
маторов тока ТА! на стороне высшего напряжения и к одному из трансфор-
маторов тока ТАЗ или ТА4, установленных в нейтрали.
В продольной дпфферанциальной защите препусмгприваются торможе-
ние и возможность блокировки от второй гармоники тока в нейтрали и вы-
держки времени для отстройки от апериодической свободной составляю-
щей тока электромагнитного процесса однофазного короткого замыкания.
Ступенчатые токовая от междуфазных и токовая нулевой последователь-
ности от однофазных КЗ на стороне низшего напряжения программно реа-
279
Рис. 13-5. Схема подключения микроироадчхориой заирпы трансформатора SPAD
280
лизуются модулем L/3 типа SPCJ4D29. Модуль выполняет функцию защит-
ного отключения при несимметричной нагрузке. Особенностью защит явля-
ются обратнозависнглые, определяемые аналитически выдержки времени
Кроме вычислительно-логических модулей микропроцессорное интег-
рированное устройство защиты трансформатора SPAD 346С (рис. 13 5) со-
держит рслейио-коитактный модуль входов/выходов U4, источник питания
U5 и модуль U6 входных измерительных преобразователей тока с элемен-
тами гальванической развязки. На схеме подключения цифрового реле
SPAD 346С к первичным измерительным трансформаторам тока ТА!—ТА4
обозначены входные дискретные сигналы 13S1—BS5 настройки и оператив-
ного управления программными функциями защитных отключений, сигна-
лы SSI SS4 выходной информации и отключающие воздействия TS1
TS4. Показаны порт SERIAL PORT последовательного интерфейса, пере-
датчик Тл и приемник /?д волоконно-оптической линии связи. Обозначены
входные и выходные зажимы устройства микропроцессорных защит транс-
форматора AT), X I, Х2 с их порядковыми номерами
13.5. II HI EI РНРОВЛННАЯ ЗАЩ1Г1А И АВТОМАТИКА СОБСТ ВЕННЫХ
НУЖД 3J1EK1РНЧЕСКНХ СТАНЦИЙ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Комплексные цифровые автоматические устройства на микропроцес-
сорной элементной базе интегрированной защиты и противоаварийной ав-
томатики, предназначенные для комплектных распределительных уст-
ройств (КРУ) собственных нужд электростанций и распределительных се-
тей напряжением 3- 35 кВ, разработаны научно-производственной фир-
мой «Радиус» НИИ «Зенит» (г. Зеленоград) и научно-техническим центром
«Мсханотроника» (С.-Петербург) [7]. Объединенным ОАО «АББ Реле-Че-
боксары» поставляются терминалы серии SPAC 800. Они характеризуются
высокими показателями и обладают широкими информационными и сер-
висными функциями, свойственными техническим средствам обработки
информации цифровой вычислительной техникой.
Микропроцессорные устройства защиты и автоматики НПФ Ра-
диус. Микропроцессорные интегрированные устройства релейной защи-
ты и автоматики типов Сириус, Сириус-М (рис. 13.6) и Орион-М выпол-
няют 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
Пуск защиты
CD) Срабатывание зашиты Сброс
CD) Работа У РОВ /У
CD) Авгфийное стклочеиие и'
CD) Неисправность
CD) АПВ сработало CD) АПВблокиров.
Рис. |3*б. ЦифДОБое устройство защиты < aaroaumont гния Сириус
исполнения воздействий на отключение от дуговой защиты КРУ и газо-
вой защиты трансформатора;
автоматики резервирования отказа выключателя в действии на отклю-
чение КЗ (УРОВ);
автоматики повторного включения выключателей, отключенных защи-
той или автоматикой частотной разгрузки;
фиксирования и хранения обширной информации о девяти последних
аварийных ситуациях в системе электроснабжения, о запусках и действиях
устройства и произведенных протмвоаварийных отключениях и включениях.
Несколько типоисполиенмй микропроцессорных фиксирующих инди-
каторов (И МФ) обеспечивают автоматический поиск поврежденного при-
соединения при однофазном замыкании на землю или обрывах провода,
определение расстояния до места мемщуфазного КЗ, фиксирование значе-
ний составляющих нулевой последовательности напряжений и токов, не-
обходимых для расчетов расстояний до места однофазного повреждения.
282
Рис. 13.7. Схема otimtii структуры иифриных усгрийств еапшты и яитхичякикп типов
Сириус и Gpiiou-M
Ila рис. 13.7 приведена схема общей структуры устройств Сириус, Си-
рнус-М и Орнон-М Их вычислительно-логическая часть содержит микро-
процессор МП с аналого-цифровым преобразователем АЦП предваритель-
но обработанных аналоговыми активными частотными фильтрами АФ
мгновенных напряжений, пропорциональных вторичным фазным токам
Lo, lb, 1_с и току нулевой последовательности 3/0 первичных измери-
тельных трансформаторов и трансформатора тока нулевой последователь-
ности: токи преобразуются в напряжения вторичными измерительными
трансформаторами TAL, нагруженными балластными резисторами
Аналого-цифровой преобразователь, подключенный к указанным на-
пряжениям аналоговым мультиплексором МПЛ, с интервалом дискрети-
зации 7= 7п/12 = 1,66 с выдает дискретные в двоичном коде мгновенные
згачения напряжений U(nT) — выборки: 13 за период Тп промышлен-
ной частоты.
Микропроцессор выполняет функции цифровых частотных фильтров
принужденных составляющих напряжений, пропорциональных токам элек-
тромагнитного переходного процесса КЗ, выделяет их ортогональные—си-
нусную £/Д«7) и косинусную Uc(nT) — составляющие и симметричную
составляющую обратной последовательности и вычисляет сумму гармо-
ник (7-й и близких к ней) тока нулевой последовательности.
283
Через каждые три интервала дискретизации, т.е. периодически через
кремя ЗТ~ Тп/4 5 мс, необходимое для выделения указанных составляю-
щих, производится возведение в квадрат ортогональных составляющих и
их суммирование, вычисляются квадраты амплитуд наибольшего из фаз-
ных токов, тока обратной последовательности и сумма квадратов амплитуд
гармоник тока нулевой последовательное™.
После их сравнения с установленными значениями (уставками) токов
сребатывания защит при превышении ими уставок запускается таймер не-
обходимой задержки срабатывания первой ступени (отсечки) токовой за-
шиты от КЗ или выдержки времени се второй (МТЗ-1) и программы вычис-
ления Бремени срабатывания третьем (МТЗ-2) ступени токовой -йлвдты от
КЗ и других зашит При этом ушанки автоматически снижаются для обес-
печения высокого (близкого к единице) коэффициента возврата измери-
тельных реле максимального тока, что является одной из особенностей
микропроцессорного устройства.
Микропроцессор выполняет логические алгоритмы автоматики резер-
вирования отказа выключателя (УРОВ), повторного включения выключа-
теля. отключенного зашитой или автоматикой частотной разгрузки (АЧР),
частотного повторного включения, координацию сигналов уирааления вы-
ключателем и отображение информации.
При запуске, срабатывании и наборе задержек и выдержек времени за-
щиты и автоматики псрепрогрэммируется сторожевой WD-таймер, кото-
рый в обычном (ждущем) режиме устройства производит его периодиче-
ское тестирование и мог бы приводить к отказам действия зашиты и авто-
матики на отключение и включение выключателя.
Устройства могут обмениваться информацией с ПЭВМ или по ВОЛС
с вышестоящими уровнями иерархической автоматизированием системы
управления.
Па схеме структуры устройств (рис. 13.7) показаны элементы гальвани-
ческой (стройной) развязки ЭГР входных (выходных) цепей и микропро-
цессоров, комплекты испытательных (выходных) электромагнитных реле
с герметизированными магнитоуправляемыми контактами KBPI, КВР2
и источник питания МП постоянного или переменного (по бестрансформа-
торной схеме) тока.
Па передней панели расположены клавиатуре КЛ (Сириус), жидко-
кристаллический алфавитно-цифровой индикатор АЦП с платой управ-
ления 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 оттока Iк выдержек времени срабатывания
284
t> третьей ступени токовой зашиты, вычисляемых по соответствующим
аналитическим соотношениям.
Всего предусмотрено восемь различных обратнозависимых от тока ха-
рактеристик.
Особенностями устройства Сирмус-М являются направленность сту-
пенчатой токовой зашиты и наличие входных цепей напряжения.
Автоматическое устройство поиска поврежденного присоединения
ИМФ-10 представляет собой направленную защиту нулевой последователь-
ности с действием на сигнал. Применяется в сетях с изолированной или не-
докомпенснрованной нейтралью, поскольку функционирует на основе опре-
деления 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 соеди-
ненным по схеме разомкнутого треугольника обмоткам трехобмоточного
трансформатора напряжения TIq и к измерительному трансформатору тока
нулевой последовательности 7Х(; кабельной или специвлыюй для присоеди-
нении КРУ конструкции. Устройство выводит на алфавитно-цифровой ин-
дикатор АЦИ (рис. 13.8) следующую информацию:
номер поврежденного присоединения,
время и день возникновения замыкания на землю;
действующие значения первичных напряжения и тока нулевой последо-
вательности поврежденвого присоединения;
фазы токов нулевой последовательности во всех присоединениях.
Информация запоминается о девяти последних однофазных замыка-
ниях на землю.
Устройство выполнено на микропроцессоре KI810BM88, который про-
изводит фиксацию в течение двух периодов Ти промышленной частоты че-
раз интервал Т- 7^/12 дискретных мгновенных значений напряжения 3
Рис. 13.8. Функциональная схема устройства ПМФ-Ю
285
и токов 3J0 нулевом последовательности десяти линий, поступающих от
аналого-цифрового преобразователя АЦП- Напряжения и токи вторичных
измерительных трансформаторов ВИТ предварительно фильтруются актив-
ными аналоговыми частотными фильтрами АЧФ и через аналоговый муль-
типлексор МПЛ поступают последовательно во времени на А.ЦП.
Микропроцессор МП производит их окончательную фильтрацию, кор-
ректировку фаз токов, необходимую в связи с последовательным поступ-
лением их мгновенных значений в АЦП, определение углов сдвига фаз ме-
жду комплексными напряжениями 31/0 и токами 3/с и выявляет повреж-
денную линию, фаза тока нулевой последовательности в которой противо-
положна фазам токов неповрежденных присоединений. Номер линии, на
которой произошло однофазное замыкание на землю, высвечивается на ал-
фавитно-цифровом индикаторе АЦИ.
Периодически производится тестирование устройства, и при его неис-
правности 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 1-УГЦ «Механо-
троника» поставляются в виде комплектов многофункциональных микро-
процессорных блоков релейной.защиты и автоматики БМРЗ 04 и специаль-
ных зашит синхронных электродвигателей БМРЗ ДС.
Многофункциональный микропроцессорный блок БМРЗ 04 наибо-
лее универсален и выполняет функции:
направленной трехфазной или ненапрааленной двухфазной трехступен-
чатой токовой защиты с комбинированным пуском по напряжению с не за-
висимой и обратиозависимой от тока выдержкой времени;
направленной защиты от однофазных замыканий на землю;
защиты от нссимметрии нагрузки и обрыва фазы;
резервирования отказов действия выключателей на отключение (УРОВ);
автоматики повторного включения;
автоматики включения резервных выключателей;
автоматики ограничения снижения напряжения (зашиты минимального
напряжения),
исполнения воздействий автоматики ограничения снижений и повыше-
ний частоты и частотного АПВ;
определения меств повреждения и осциллографирования электриче-
ских величин в аварийных режимах;
электродуговой зашиты и самодиагностики.
Трехсгупеичатая токовая защита с контролем по напряжению и на-
правлению мощности КЗ и ускорением действия имеет независимые вы-
держки времени DTI первой (реле максимального тока КА/, рис. 13.9),
286
программ
Рис. 13Л Функциональная схема алгоритма релейнс
1й зашиты микропроцессорного устройства БРМЭ
DT2 второй (реле KAZ) ступеней и обратнозависимые (от тока) характери-
стики выдержек времени DT3 третьей (реле тока КАЗ) ступеней. Характе-
ристики определяются вычислениями времени срабатывания по аналити-
ческим соотношениям.
Характеристики устанавливаются ключами SCJO, SCH, а ключом SG9
вводится не зависимая от тока выдержка времени ТУГА.
Измерительная часть зашиты реализуется программными операциями
трех однофазных измерительных реле максимального тока КА!—К АЗ,
подключаемых ключами SGI- SG3 через макси-селектор к вторичным из-
мерительным трансформаторам тока TAL, нагруженным балластными ре-
зисторами /?т>;
одного измерительного реле минимального напряжения К172 с мини-се-
лектором трехфазного напряжения вторичных трансформаторов П'£;
фильтра Zl'2 и реле напряжения обратной последовательное!и К J'/;
«двух измерительных реле KW угла сдвига фаз (направления мощности),
включенных по девянос! оградусной схеме [4). с выходом через логиче-
скую операцию ИЛИ (на схеме не показана).
Все три ступени могут контролироваться [логические операции DA7—
ЛАЗ (14)] через ключи SG4- SG7) и операцию DWG (ИЛ14-НЕ) по мини-
мальному напряжению (ключ SGT);
напряжению обратной последовательности (ключ SG8);
направлению мощности КЗ (ключи SC!3, SGT4).
Первая {КАТ) и вторая {КА2) ступени с токами срабатывания, обозна-
ченными как / >», /» соответственно, действуют (операция DW2) на от-
ключение выключателя. Третья ступень (КАЗ) с током срабатывания />
действует в зависимости от положения ключа 3(317 на отключение или на
сигнализацию о перегрузке.
На схеме рве. 13.9 показаны особенности программной зашиты:
цепь {DV/3 и ключ SG16) формирования сигналов контактами реле KL,
запускающего логический алгоритм отключения шин распредустройства;
формирование (операция DX4) сигнала о запуске первой и второй сту-
пеней защиты,
цепь запрета (блокировки) АПВ от первой {КА /) ступени зашиты;
дистанционное управление настройкой (переключение программ) изме-
рительной и логической частей;
цепь ускоренного отключения VO
Устройство отключения замыканий на землю функционирует с контро-
лем или только напряжения, млн напряжения и тока, или направления
мощности нулевой последовательности (устанавливается программно) с
одной или двумя независимыми выдержками времени Устройство харак-
теризуется высокой чувствительностью — низкими токами (от 0,05 А,) м
напряжением (от 5 В) срабатывания.
288
Микропроцессорные терминалы SPAC800 являются автоматически-
ми устройствами с гибким, обеспечивающим адаптацию программирова-
нием. Кроме основных прямых операций но дистанционному оператив-
ному и автоматическом}' управлению выключателями ©ин выполняют
комплекс информационных и сервисных функций: дистанционное управ-
ление параметрами настройки, местные дисплеи отображения и вывода
информации о режимах работы и аварийных ситуациях. Терминалы ос-
нащены. снтоэпектрнческими преабу&заватешили сигналов да церелачв.
информации ио ВОЛС на более высокие уровни иерархической системы
управления. Автоматическое тестирование и самоконтроль с выдачей ин-
формации о неисправностях обеспечивают высокую надежность их функ-
ционирования.
Основными функциями терминалов SPAC800 как комплексных уст-
ройств РЗА являются'
местное и дистанционное управление выключателем, в том числе по
сигналам внешних автоматических устройств, с контролем готовности це-
пей управления и запретом (блокировкой) многократных включений;
РЗ от междуфазиых КЗ, перегрузки и несимметричных режимов работы;
защита от однофазных замыканий на землю;
автоматика резервирования отказов действия выключателей па отклю-
чение КЗ (УРОВ) [2,4];
АПВ аварийно отключавшихся выключателей [7];
ватоматика включения резервных источников питания [7];
автоматика отключений при снижениях напряжения и частоты с вклю-
чением выключателей после восстановления частоты.
Специфические, информационные и сервисные функции терминалов:
автоматическое тестирование и самодиагностика;
регистрация и запоминание параметров нескольких аварийных собы-
тий, происходящих последовательно во времени;
выдача информации о действиях (срабатываниях при наличии требова-
ний 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-опти-
ческим линиям связи.
Выпускаются различные модификации микропроцессорных термина-
лов SPAC800.
Терминал SPAC801.C1 содержит микропроцессорные измерительно-
вычислительный модуль SPCJ4D28 и модуль управления L2210.
Измерительно-вычислительный модуль выполняет функции РЗ:
трехступенчегой неналравленной токовой с уставками по току и време-
ни 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 устав-
ками по току нулевой последовательности и времени ступеней (см.
табл. 12.1);
защиты от несимметричных режимов с уставками по разности А/ наи-
большего и наименьшего фазных токов, отнесенной к наибольшему току и
времени 0,1 < (Л/) < /||ОМ; J < гЛ < 300 с.
Микропроцессорный блок управления выпопияет функции
двухкратного автоматического повторного включения:
ускорения действия второй ступени защиты при включении выключате-
ля оператором:
резервного отключения при отказе выключателя на отключение КЗ. |
Терминал SPAC801.02 защиты и автоматики секционного выключате-
ля кроме перечисленных дополнительно выполняет функцию защиты шин
КРУ и автоматического включения секционного выключателя как резерв-
ного, 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 электродви-
гателей содержит микропроцессорные измерительные модули SPCJ4D34
(см. табл. 12.1), выполняющие функции зашит:
от междуфазных коротких замыканий с автоматическим удвоением ус-
тавки при пуске электродвигателя;
от тепловой перегрузки электродвигателя с уставками тока, соответст-
вующего полной нагрузке, — длительно допустимого тока электродвигателя;
от пускового режима;
от однофазных замыканий на землю;
от несимметричных режимов с уставкой срабатывания по току несим-
метрии, равному разности наибольшего и наименьшего фазных токов, от-
несенной к большему току.
Тепловые уровни: действия на отключение; предупредительной теп-
ловой сигнализации 0,5 < 6О < 16,. Уставки- допустимого времени за-
клинивания ротора (нахождения электродвигателя в заторможенном со-
стоянии; 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 зашитой мини-
мального напряжения и функцию УРОВ.
Терминал SPAC803 защиты и автоматики синхронных электродвигате-
лей дополнительно содержит измерительный модуль SPCD 3D53, обеспе-
чивающий двухступенчатую трехфазную токовую продольную дифферен-
циальную 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 транс-
форматоров тока. Время срабатывания защиты не более 45 мс.
Терминал SPAC804 трансформатора напряжения шин КРУ выполнен
на микропроцессорных измерительных модулях SPCU ЗС15 зашиты меж-
дуфазного минимального напряжения и SPCU 1С6 зашиты максимального
напряжения нулевой последовательности. Защиты двухступенчатые с ус-
тавками по напряжению и времени срабатывания.
Микропроцессорный блок управления терминала производит пуск АВР,
сигнализацию замыканий на землю, контроль исправности цепей напряже-
ния измерительного трансформатора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I Правила устройства электроустановок — 7-е изд., псрераб. и доп с изм. М.:
I лавэисргонцлзор, 1998
2 Федосеев А.М. Релейная защита эпектршескмх систем М.: Эпер!ия. 1976.
3 Электротехнический справочник. М.: Эпсргоатомизлат, 1988 Т.З
4 Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем:
Учеб пособие для техникумов. М: Энсргоагомиздат. 1998.
5 . Дорогутшсв В.Г., Овчаренко Н.П- Элементы антомнгичсских устройств энерго-
систем: Учеб пособие для вузов. —2-е изд., псрераб и дон. М: Энергия, 1979.
6 . Овчаренко Н.И. Элементы автоматических устройств энергосистем Учебник
для вузов. М Эпср10агомиздат, 1995
7 . Дьяков Л.Ф., Овчаренко 11.11. Микропроцессорная релейная защита и автома-
тика 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 зашиты 5
I 2. Способы изображения элементов и устройств релейной зашиты.. 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 Измеритеиьныс трансформаторы гока...... 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 зашиты.
включенной на полные токи фаз - .. . . .................. 60
4 3. Выбор параметров срабатывания токовых защит нулевой последова-
тельности 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 зашиты 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.L Общие наложения...... ..... ________________ . 104
6.2 Схема включения измерительных органов сопротивления . 107
6.3 . Вады характеристик____. .......... .. ......... . 109
6.4 Выбор параметров срабатывания Д1кггаи[1ион|1ой 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 £ косвенным сравнением электрических величин........... 139
7.1 Общие положения выполнения абсолютно селективных и высоко-
частотных зашит........................................... 139
7.2 . Направленная высокочастотная защита...... .. 144
7 3 Дпфферспниально-флипя вмсоко*ыстот пая зашита.. . 156
8. Продольна» (нфференциальпая токовая защит.» .. 165
8.1. Принцип действия.............................. .. 165
8.2. Токи небаланса в дифференциальной защите с проводным каналом . 167
8.3 Способы повышения чувствительности зашиты................ . 170
9. Выполнение продольной дифференциальном токовой защиты ... . 177
9.1. Особенности продольной дифференциальной токовой замш тгы
трапсформатс-ра (автотрансформатора)...........................177
9.2. Особенности выполнения продольных дифференциальных токовых
защит синхронных генераторов, комнспсеторов и электро-
двигателей ............................................... |89
93. Особенности вы полпенни продольных дифференциальных токовых
защит для тин электростанций и подстанций................... 193
9.4. Особенности выполнения продольных дифференциальных токовых
зашит липни .... ............ ... .. 210
И. Поперечные дифференциальные токовые защиты 217
10.1 . Принцип дененшя направленной защиты...... ...........217
10.2 . Особенности поперечной дифференциальной токовой направ-
ленной защиты .............................. . .219
Ю.З Алгоритм функционирования ........ ..................... .. 222
10 4 Поперечная дифференциалы®» токовая защита синхронных
генераторов......... 229
11. Защита ©т замыкания на землю. ________ 233
II I. Общая »1£££яективнйя сигма лизания.. .. 233
11.2, Токовая защита нулевой последовательности. .. 233
11.3. Направленная зашита пулевой последовательности...........236
11.4. Токовая защита, срабтгывающая ст гармонических сое лапякхцих
тока пулевой последовательности..................... .. ..240
11.5. Зашита 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
125 Вычислительно-логические модули и терминалы микропро-
цессорной релейной защиты................... ... .. . 263
13. Микропроцессорная интегрированная релейная защита
и автоматика . ........ .. . 268
13.1. Особенности............................................ 268
13.2. Микропроцессорная интегрирования релейная защита генераторов
и блоков генератор-трансформатор _______ .. ................ 268
13.3. Интегрированная релейная защита и противоаварийная автоматика
линий электропередачи ...................................... . 273
13.4. Особенности микропроцессорной зашиты трансформаторов .. . 278
13.5. Интегрированная защита и автомат! н<а собственных нугад
электрических станций и распределительных сетей................281
Список литературы ............................................. 292