Текст
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
В.В. КРИВЕНКОВ
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
Учебное пособие по курсу «Релейная защита и автоматизация энергосистем» для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика»
Под редакцией А.Ф. Дьякова
Москва
Издательство МЭИ
2004
УДК
621.311
К 82
УДК: 621.316.9 (075.8)
Утверждено учебным управлением МЭИ в качестве учебного пособия-— для студентов
Рецензенты: докт. техн, наук В. А. Строев,
канд. техн.наук Д.Ю. Масалев, \ :
канд. техн.наук Г.К. Зарудский
Подготовлено на кафедре релейной защиты и автоматизации энергосистем
Кривенков В.В.
Релейная защита и автоматика: учебное пособие по курсу «Релейная защита и автоматизация»/ Под ред. А.Ф. Дьякова - М.: Издательство МЭИ, 2004. - 32 с. ISBN-5-7046-1165-6
Рассмотрены принципы действия устройств релейной защиты с относительной и абсолютной селективностью, приведены условия выбора параметров срабатывания устройств защиты линий электропередачи с односторонним и двухсторонним питанием. Представлены принципы действия устройств автоматического включения линий электропередачи.
Предназначено для студентов четвертого курса института электроэнергетики.
Учебное издание
Кривенков Владислав Владимирович РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
Учебное пособие по курсу «Релейная защита и автоматизация энергосистем» для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика»
Редактор А.Ф. Дьяков
Редактор издательства Е.Н. Касьянова
ЛР № 020528 от 05.06.97_____________________________________________________________
Темплан издания МЭИ 2003 (II), учебн. Подписано к печати 14.09.04
Печать офсетная Формат бумаги 60x84/16 Физ.печ.л. 2,0
Тираж 200__________Изд. № 34 Заказ 217__________Цена 6 руб.
Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная, д.14
Отпечатано в типографии ЦНИИ «Электроника», 117415, Москва, просп. Вернадского, д. 39
ISBN-5-7046-1165-6 © Московский энергетический институт, 2004
ВВЕДЕНИЕ
Назначением устройств автоматики, устанавливаемых в энергосистемах, является:
быстрое отключение поврежденного элемента;
прекращение ненормальных режимов работы (например, перегрузки) элементов системы;
быстрое восстановление электропитания потребителей, автоматически отключенных от источника питания вследствие возникшего в системе повреждения;
поддержание на заданном уровне напряжения у потребителей;
пуск и останов синхронных машин;
отключение части потребителей при возникновении дефицита активной мощности в энергосистеме, от которой система электроснабжения получает питание, и их включение после ликвидации дефицита и т. д.
Исторически первыми и наиболее многочисленными устройствами автоматики являются устройства релейной защиты, отключающие поврежденный элемент от источника питания.
При отключении устройством защиты одного из элементов системы электроснабжения, например линии или трансформатора, часть потребителей электроэнергии обесточиваются. Восстановление питания таких потребителей осуществляется, как правило, автоматически устройствами автоматического повторного включения (АПВ) или автоматического включения резервного источника питания (АВР).
Поддержание заданного уровня напряжения обеспечивается воздействием на возбуждение установленных в системе синхронных машин (синхронных двигателей СД, синхронных генераторов СГ ТЭЦ или синхронных компенсаторов СК), изменением коэффициента трансформации понижающих трансформаторов или включением и отключением секций конденсаторных батарей (БК). Регулирование напряжения в системе электроснабжения проводится в основном автоматически, для чего синхронные машины оборудуются устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ), трансформаторы — устройствами автоматического регулирования коэффициента трансформации (АРКТ), а батареи конденсаторов — устройствами автоматического управления включением и отключением секций этих батарей (АУБК).
Появление дефицита активной мощности в энергосистеме вызывает понижение частоты. Наличие большого дефицита мощности чревато опасностью лавинообразного снижения частоты, результатом которого является развал системы, т. е. авария, вызывающая прекращение электропитания всех потребителей. Поэтому баланс генерируемой и потребляемой активных мощностей в энергосистеме при отсутствии необходи
мых резервов может быть восстановлен лишь путем отключения части менее ответственных потребителей. Эта задача решается с помощью устройств автоматической частотной разгрузки (АЧР), устанавливаемых на подстанциях. Отключенные устройствами АЧР потребители после ликвидации дефицита мощности и восстановления нормального значения частоты в энергосистеме автоматически включаются в работу устройствами частотного АПВ (ЧАПВ).
В энергосистемах автоматизируется также процесс подключения к сети синхронных генераторов СГ, синхронных двигателей СД, синхронных компенсаторов СК и других электроустановок.
Все перечисленные выше устройства относятся к устройствам локальной автоматики, так как они воздействуют на отдельные элементы энергосистемы по заранее заданному жесткому алгоритму вне зависимости от режима работы других элементов системы. Существует также общесистемная автоматика, под держивающая в нормальном режиме работы энергосистемы требуемые значения частоты, напряжения в узлах системы, перетоков активной и реактивной мощности, а также автоматика, предотвращающая развитие аварийных процессов в энергосистеме (про-тивоаварийная автоматика). Управление энергосистемой осуществляет диспетчер, который на основании данных о текущем состоянии принимает решения, соответствующие сложившейся ситуации. Для управления системой диспетчер с помощью телемеханики получает информацию о параметрах режима энергосистемы (перетоках мощности, токах, напряжениях) и положении выключателей.
В данном учебном пособии представлены принципы действия устройств релейной защиты (РЗ) как с относительной, так и с абсолютной селективностью. При этом в качестве объекта защиты рассмотрены линии электропередачи. Представлены также принципы автоматического включения линий электропередачи с целью повышения надежности электроснабжения потребителей.
1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Ни один элемент электроэнергетической системы (генератор, трансформатор, линия электропередачи, сборные шины и др.) не обладают абсолютной надежностью. С большей или меньшей вероятностью он может быть поврежден, причем подавляющее большинство повреждений сопровождается возникновением короткого замыкания. Режим короткого замыкания опасен для энергосистемы: устойчивая работа энергосистемы может быть нарушена, из-за существенного искажения параметров режима энергосистемы потребители электроэнергии теряют электропитание, длитель
ное существование токов короткого замыкания разрушает повредившийся элемент энергосистемы до неремонтопригодного состояния.
Назначением релейной защиты является выявление поврежденного элемента и быстрейшее его отключение от энергосистемы. Кроме того, устройства релейной защиты должны предупреждать повреждение элемента энергосистемы в случае возникновения ненормального и опасного для него режима работы (перегрузка, неполнофазный режим и др.).
Основные требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты.
Селективность. Под селективностью РЗ понимается способность устройства релейной защиты выявить и отключить именно поврежденный элемент энергосистемы, а не какой-либо иной, хотя при наличии короткого замыкания нарушается нормальная работа многих элементов энергосистемы.
Быстродействие, т.е. способность релейной защиты в кратчайший промежуток времени (лучше всего мгновенно) выявить и отключить поврежденный элемент энергосистемы.
Чувствительность. Под чувствительностью РЗ понимается способность устройства релейной защиты четко отличать режим короткого замыкания любого вида (трехфазное, двухфазное, однофазное короткое замыкание) от всевозможных, даже утяжеленных режимов работы защищаемого объекта при отсутствии короткого замыкания.
Надежность. Под надежностью РЗ понимается отсутствие отказов или ложных срабатываний релейной защиты, что обеспечивается как функциональной, так и аппаратной надежностью устройства защиты.
Устройства релейной защиты реагируют, естественно, на значения параметров режима защищаемого объекта (ток, напряжение, направление мощности и др.).
Функциональная схема защиты как устройства автоматического управления (рис. 1) содержит следующие основные органы:
Измерительный орган ИО, непрерывно контролирующий состояние защищаемого объекта и определяющий условия срабатывания (или несрабатывания) в соответствии со значениями параметров электрических сигналов, поступающих на его вход от измерительных преобразователей ИП.
Логический орган ЛО, формирующий логический сигнал при выполнении определенных условий. * ; v »
Рис. 1. Функциональная схема защиты как устройства автоматического управления
5
Исполнительный орган Исп. О, формирующий на основе сигнала логического органа управляющее воздействие УВ на выключатель защищаемого объекта.
Дополнительно в схеме защиты предусматривается сигнальный орган СО, формирующий логические сигналы о срабатывании защиты.
Защиты подразделяют на основные и резервные:
Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов КЗ в пределах всего защищаемого элемента со временем, меньшим, чем у других установленных защит [1].
Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного элемента при ее отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.
В соответствии со способами обеспечения селективности при внешних КЗ различают две группы защит: с абсолютной селективностью и с относительной селективностью.
Относительную селективность имеют защиты, на которые по принципу действия можно возложить функции резервных при КЗ на смежных элементах. С учетом этого такие защиты в общем случае должны выполняться с выдержками времени.
Абсолютную селективность имеют защиты, селективность которых при внешних КЗ обеспечивается их принципом действия, т. е. защита способна сработать только при КЗ на защищаемом элементе. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются без выдержек времени.
Короткие замыкания, как правило, сопровождаются возрастанием тока. Поэтому первыми в энергосистемах появились токовые защиты, действующие в тех случаях, когда ток в защищаемом элементе превышает заданное значение. Такие защиты выполняются плавкими предохранителями и реле. Токовые защиты могут, кроме полных токов фаз, использовать также слагающие обратной и нулевой последовательностей тока, практически отсутствующие в нормальном режиме. Если сравнивать действующее значение тока (или его симметричных составляющих) с заданными значениями, то защита будет иметь относительную селективность. Если же сравнивать комплексы токов по концам защищаемого элемента, то указанную защиту называют дифференциальной токовой. Этот принцип позволяет выполнить защиту с абсолютной селективностью.
В качестве измерительных органов применяются также минимальные реле напряжения, которые срабатывают, когда значение воздействующей величины становится меньше заданного.
Защиты напряжения могут фиксировать повреждения и по появлению слагающих напряжения обратной и нулевой последовательностей. В этих
6
случаях измерительные органы выполняются на основе максимальных реле напряжения.
В ряде случаев не удается выполнить защиты на основе отмеченных простейших принципов. Поэтому применяется дистанционный принцип, который предусматривает совместное использование тока и напряжения защищаемого объекта таким образом, что при КЗ в измерительном органе защиты (реле сопротивления) формируется сигнал, пропорциональный сопротивлению петли КЗ.
При реализации защит с относительной селективностью для элементов системы, получающих питание от двух или более источников питания, для обеспечения их селективности возникает необходимость фиксировать направление мощности КЗ и тем самым обеспечивать их действие при условии определенного направления этой мощности (например, от шин - в линию). В этих случаях рассмотренные токовые и дистанционные защиты выполняются направленными. Способность определять направление мощности обеспечивается применением специальных органов направления мощности (как правило, в токовых защитах) или приданием направленности действия измерительному органу (направленные реле сопротивления в дистанционных защитах).
2. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
Максимальная токовая защита линий получила наибольшее распространение в радиальных сетях с одним источником питания. Селективность максимальной токовой защиты обеспечивается соответствующим выбором тока и времени срабатывания. В радиальной сети с односторонним питанием защиты устанавливаются на каждой линии. Защита наиболее удаленной от источника питания линии имеет наименьший ток срабатывания и наименьшую выдержку времени. Защита каждой последующей линии имеет выдержку времени больше выдержки времени предыдущей защиты.
Ток срабатывания защиты выбирается больше максимального рабочего тока защищаемой линии. При этом защита обычно чувствительна к коротким замыканиям на предыдущих участках сети.
Параметрами срабатывания максимальной токовой защиты являются ток /с.3 и время гс з срабатывания защиты.
Время срабатывания (выдержка времени) защиты г-й линии в общем случае выбирается на ступень селективности Дг больше наибольшей выдержки времени fc.3(i-i)niax предыдущих защит (рис. 2, а).
^с.31 = ^c.3(i-l)max (1)
Ступень селективности Дг состоит из составляющих ”
^Ob(i-I) +гпогр i+^погр (г-1)+^и + ^зап’ . ’ * (2)
где Го,в (Г-1) ~ время отключения (z-l)-ro выключателя;
fnorpi _ отрицательная (в сторону уменьшения гс,3) погрешность i-й защиты;
гпогр (/-I) _ положительная (в сторону увеличения гс,3) погрешность (i-l)-fi защит;
ги - время инерции i-й защиты;
гзап - время запаса.
В зависимости от используемых аппаратов (выключателей и реле), Аг может иметь различные значения. При использовании вторичных реле косвенного действия Аг не превышает 0,2-0,6 с. При использовании менее точных реле прямого действия Аг может принимать значения 0,8-1 с [1].
Ступень селективности чаще всего принимается равной 0,5 с при использовании электромеханических устройств защиты и 0,3 с при использовании микропроцессорных устройств.
Максимальная токовая защита может иметь независимую от тока, а следовательно, и от места КЗ выдержку времени (рис. 2,а) или зависимую от тока КЗ характеристику выдержки времени (рис. 2,6). Наличие зави
Рис. 2. Время срабатывания максимальных токовых защит с независимыми (а) и с зависимыми (б) характеристиками выдержки времени в радиальной сети
симой от тока характеристики выдержки времени принципиально позволяет ускорить отключение больших токов КЗ.
Ток срабатывания максимальной токовой защиты, т. е. минимальный ток в фазах линии, при котором защита срабатывает, выбирается больше максимального рабочего тока защищаемой линии с учетом необходимости возврата защиты после отключения КЗ защитой предыдущего участка сети.
Рассмотрим в качестве примера, как будет изменяться ток в линии 3 (см. рис. 2) при отключении КЗ в точке К1. До момента возникновения КЗ (точка г0) ток в линии (рис. 3,а) равен рабочему току /раб- В течение отрезка
8
времени t\ - tQ = гс,32 по линии проходит ток КЗ /к. После сра- л3 батывания защиты 2 и отключения поврежденной линии (в Z момент времени ti) ток в ли- “п нии 3 спадает до значения /зап раб ” > /раб- Это объясняется тем, что г“ электродвигатели, получающие питание от подстанции 2, за время существования КЗ тормозятся, после ликвидации КЗ происходит их самозапуск и они потребляют ток 7зап,
больше рабочего /раб. Процесс самозапуска электродвигате-
Рис. 3. Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты по условию возврата реле тока после ликвидации КЗ (а) и по условию его несрабатывания после успешного АПВ (б)
лей может быть достаточно длительным. Во всяком случае, за время Дг ток самозапуска не успеет снизиться до значения рабочего тока.
Для обеспечения возврата защиты 3 после срабатывания защиты 2 ток ее возврата /В 3з должен быть больше тока самозапуска
Л.зЗ — Луге Лап, (3)
где ктс - коэффициент отстройки, больший 1.
Ток самозапуска может быть выражен через рабочий максимальный ток
Лап = Л/раб max > 00
где к3 -коэффициент самозапуска, определяемый конкретным составом нагрузки, получающей питание по защищаемой линии, к3 > 1.
Поэтому
/в.з 3 = Луге Л /раб max • (5)
Ток срабатывания защиты равен:
Л.зЗ=~- (6)
где кя - коэффициент возврата реле тока.
Окончательно, опуская индекс 3, относящийся к рассмотренному примеру, ток срабатывания максимальной токовой защиты на основании (3) - (6) можно выразить следующим образом:
t 9
к к _ л-отС*з .
'с.з , 'раб max-
Вторым условием выбора тока срабатывания является условие несрабатывания защиты при успешном автоматическом повторном включении (АПВ) аварийно отключившейся линии. Характер изменения во времени тока этой линии представлен на рис. 3,6. Ясно, что ток срабатывания защиты должен превышать ток самозапуска двигателей потребителей, т.е.
^с.з ~ ^отс ^з ^раб max • (^а)
Коэффициент самозапуска к3 > к3, так как время перерыва питания потребителей в случае успешного АПВ линии больше времени перерыва питания при отключении внешнего короткого замыкания.
В качестве тока срабатывания защиты выбирается ббльшее из двух значений.
Ток срабатывания (уставка) реле тока измерительного органа защиты определяется током срабатывания защиты и коэффициентом преобразования измерительного преобразователя (датчика) тока, в частности коэффициентом трансформации измерительных трансформаторов тока ТТ, а также схемой подключения реле к ТТ.
Ток срабатывания реле и чувствительность максимальной токовой защиты. Ток срабатывания реле тока измерительного органа защиты определяется следующим образом:
=—1сз (8)
*1
или с учетом (7)
7 — ^ОТС ^3 ^СХ , /Q\
'с.р t и- 'рабmax’ W
«вл1
где кск - коэффициент схемы, равный отношению тока, проходящего в реле тока защиты в симметричном режиме работы линии, ко вторичному току ТТ защиты;
К\ - коэффициент трансформации ТТ защиты.
Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом чувствительности кч, равным отношению тока в реле к току срабатывания реле при том виде КЗ и при том режиме работы электрической сети, при которых ток в реле имеет минимальное значение 7р.к.пйп
«г , ^p.K.min ,
кч=—.------• (Ю)
^с.р
10
Как правило, расчетным по чувствительности видом КЗ для защиты от междуфазных повреждений является двухфазное КЗ в минимальном режиме работы электрической сети.
Максимальная токовая защита линии считается чувствительной, если коэффициент чувствительности при КЗ на защищаемой линии не меньше 1,5-2, а кч при КЗ на предыдущем участке сети, на котором рассматриваемая защита должна действовать как резервная, не менее 1,2.
3. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА
Основной недостаток максимальной токовой защиты заключается в наличии относительно большой выдержки времени. Поэтому максимальную токовую защиту используют, если это оказывается возможным, совместно с быстродействующей токовой защитой - токовой отсечкой.
Принцип действия токовой отсечки. Токовая отсечка является быстродействующей защитой, не имеющей выдержки времени. Селективность токовой отсечки обеспечивается соответствующим выбором тока ее срабатывания. Ток срабатывания токовой отсечки выбирается больше максимального тока в месте
Рис. 4. Выбор тока срабатывания токовой отсечки
установки защиты /к. вн щах при КЗ в точках сети, расположенных вне защищаемой линии, ^с.з ~ ^отсЛевитах
(И)
где &отс - коэффициент отстройки, равный 1,2-1,3.
Отсечка, как указывалось выше, является защитой без выдержки времени. Время ее срабатывания определяется небольшой задержкой срабатывания исполнительного органа защиты tc. отс = 0,1 с, которая необходима для предотвращения ложного действия защиты на отключение линии при работе трубчатых разрядников, устанавливаемых на линиях для их защиты от перенапряжений.
11
Ж
4. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА СО СТУПЕНЧАТОЙ ;! ХАРАКТЕРИСТИКОЙ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
При совместном использовании максимальной токовой защиты и токовой отсечки обеспечивается надежная защита линии на всем ее протяжении.
Сочетание токовой отсечки и максимальной токовой защиты носит название токовой защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени. Такая защита может быть двухступенчатой или трехступенчатой. В двухступенчатой защите в качестве первой ступени используется отсечка; второй ступенью является максимальная токовая защита. В трехступенчатой защите вторая ступень представляет собой отсечку с выдержкой времени; максимальная токовая защита образует третью ступень. Назначением второй ступени защиты является отключение поврежденной линии при возникновении КЗ вне зоны действия первой ступени, т.е. в конце линии, а третья ступень резервирует действие защит смежного участка сети.
На рис. 5, а изображена радиальная сеть с односторонним питанием, участки которой (АБ, БВ) защищены трехступенчатыми токовыми защитами. Токи срабатывания первых ступеней защит /J3 выбираются как токи срабатывания отсечек (рис. 5, б)
/I -ь /<3> • 'с.з2 ~'‘отс'КЧтах’
—к Л3)
'с.зЗ котс2ЛГ2тах’
Время срабатывания первых ступеней
^с.з2 = ^с.зЗ — ОД с •
(12)
(13)
Токи и время срабатывания вторых ступеней защит отстраиваются от токов и времени срабатывания первых ступеней предыдущих защит /П _ ъ /I 2с.з2 _ Лотс'с.з1>
Л Н /, г!
2с.з — *отс 2с.з2>
(14)
гс.з2 ?с.з1+ДЛ ^с.зЗ — ^с.з2 + • (15)
Чувствительность вторых ступеней защит определяется минимальным током КЗ в конце защищаемой линии и считается приемлемой при кч > 1,3-1,5.
Параметры срабатывания третьей ступени выбираются как параметры срабатывания максимальной токовой защиты.
12
Рис. 5. Выбор тока и времени срабатывания ступеней трехступенчатых токовых защит
Из рис. 5 ясно, что при КЗ на линии действует или первая ступень (КЗ в начале линии), или вторая ступень (КЗ в конце линии). Третья ступень выполняет функции резервной защиты при повреждениях на соседних участках. Таким образом, токовая защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени является селективной и относительно быстродействующей защитой. Однако не любая радиальная линия с односторонним питанием может быть оборудована такой защитой так как чувствительность токовых отсечек часто оказывается недостаточной.
м 5. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ с ОТ КЗ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ J НЕЙТРАЛЬЮ
В сети с глухозаземленной нейтралью замыкание фазы линии на землю вызывает протекание токов КЗ, следовательно, поврежденную линию необходимо по возможности быстро отключить. При КЗ на землю возникают токи и напряжения нулевой последовательности, которые и используются для функционирования защиты.
13
Дня защиты линии от КЗ на землю применяются, как правило, токовые защиты нулевой последовательности со ступенчатой характеристикой выдержки времени. В качестве первых ступеней защит используются токовые отсечки нулевой последовательности без выдержки времени и с выдержкой времени.
Когда токи нулевой последовательности при КЗ на землю протекают только с одной стороны линии, что может иметь место в радиальной сети при отсутствии заземленных нейтралей у трансформаторов приемных подстанций, защита выполняется ненаправленной. В противном случае токовая защита нулевой последовательности с целью повышения ее чувствительности может быть дополнена органом направления мощности нулевой последовательности.
Реле тока всех ступеней защиты включаются на сумму токов трех фаз, что обеспечивает протекание по ним тока нулевой последовательности при однофазных и двухфазных КЗ на землю.
В нормальном режиме, а также при междуфазных КЗ без заземления ток в реле протекать не должен, так как 1А+1В+1С = 0. Однако вследствие погрешностей ТТ, обусловленных токами намагничивания, в реле будет протекать ток небаланса
, , ^Лнам ^Внам Л?нам „ ,,,.
'р = 'нб =-------------------* 0- По)
Ток небаланса /Нб не равен нулю, так как токи намагничивания ТТ разных фаз имеют разную величину и разные фазовые сдвиги по отношению к первичным токам ТТ из-за неидентичности характеристик намагничивания и нагрузок ТТ различных фаз. Кроме того, токи намагничивания несинусоидальны и содержат третьи гармоники, которые являются токами нулевой последовательности. Значение /Нб тем больше, чем больше первичные токи ТТ. Наибольшее значение /Нб имеет место при трехфазном КЗ.
Ток срабатывания последней (наиболее чувствительной) ступени токовой защиты нулевой последовательности необходимо отстраивать от тока небаланса. Его обычно принимают равным /с з = ктс /нб max, где ^отс =13-1,5;
I к =е/(3) (17)
zHOmax °2к z/
Е - погрешность ТТ (0, 1); - ток трехфазного КЗ при повреждении за
пределами защищаемой зоны (обычно за трансформаторами понижающих подстанций). Токи срабатывания токовых защит нулевой последовательности смежных участков сети согласуются по чувствительности.
ИЛИЮ- -
14
Время срабатывания последней ступени токовой защиты нулевой последовательности выбирается по ступенчатому принципу (рис. 6, б). Как правило, время срабатывания защит нулевой последовательности оказывается меньше времени срабатывания токовых защит от междуфазных КЗ, так как защиты нулевой последовательности не реагируют на КЗ за трансформаторами с соединениями обмоток Y/Yи Y/Д (рис. 6, а).
б)
? Рис. 6. Выдержки времени токовых защит сети с включением реле на полные фазные токи и на токи нулевой последовательности
Чувствительность последней ступени токовой защиты нулевой последовательности характеризуется коэффициентом чувствительности кч=^-, (18)
Л.з
где 3/Omin - минимальный ток нулевой последовательности при КЗ на землю в конце предыдущего участка сети. Чувствительность считается приемлемой при кч > 1,5.
6. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА
В сети с двухсторонним питанием (рис. 7) с помощью максимальной токовой защиты невозможно обеспечить селективную ликвидацию повреждения. Например, при КЗ в точке К1 защита 2 должна иметь меньшую выдержку времени, чем защита 3, а при КЗ в точке К2 выдержка времени защиты 2 должна быть больше выдержки времени защиты 3. Одновременно удовлетворить оба этих условия невозможно. Дополнение токовых защит органом направления мощности позволяет сделать их селективными. Для этого случая при осуществлении защиты на электромеханических реле последовательно с контактами реле тока (РТ) защиты
15
необходимо включить контакты реле направления мощности (РМ), срабатывающего только при направлении тока (мощности) от шин в линию.
Наличие РМ в схемах защит сети с двухсторонним питанием разделяет защиты на две группы: 7,3,5 и 2,4,6 (рис. 7).
Выдержки времени двух групп защит выбираются по встречноступенчатому принципу, что обеспечивает селективное отключение поврежденной линии. При этом учитываются также выдержки времени защит линий 7,8, 9,10, присоединенных к шинам подстанций А, Б, В, Г.
Анализ выдержек времени защит сети с двухсторонним питанием показывает, что не все защиты сети должны быть направленными. На одном из концов линий, где защита имеет большую выдержку времени (по сравнению с защитой противоположного конца), она может быть выполнена ненаправленной. Ненаправленными могут быть выполнены также защиты
Рис. 7. Защищаемая сеть и характеристики выдержки времени максимальных
токовых направленных защит
Ток срабатывания токовых направленных защит выбирается исходя из следующих условий:
1. Отстройка от переходных значений токов после отключения внешнего КЗ тЙШ ж.жда ' .q ЗД'ППзМ .»
, к к "’'i'4
.......... • /сз =-^-/рабтах- (19)
Под 7раб max здесь понимается максимальное значение рабочего тока в направлении действия защиты. Ток 7раб max имеет место при отключении одного из участков сети.
2. Отстройка от токов нагрузки, т. е.
16
'с.з = ^'нагр. (20)
*в
где /Нагр - ток, проходящий в направлении, противоположном направлению действия защиты в нормальном режиме работы сети.
Это условие выбора тока срабатывания предотвращает срабатывание защиты при ложном срабатывании органа направления мощности из-за неисправностей во вторичных цепях трансформатора напряжения.
3. Отстройка от переходных токов после успешного АПВ повредившейся линии
^с.з - ^отс ^3 /раб max • (21)
4. Согласование чувствительности одинаково направленных защит смежных участков сети. В частности, для защит сети на рис. 7 это условие имеет вид:
1с.з1 > /с.зЗ > 1с.з5; /с.зб > 1с.з4 > 1с.з2' (22)
Зона каскадного действия и мертвая зона защиты. При КЗ в кольцевой сети с одним источником питания вблизи шин противоположной подстанции ток КЗ, проходящий через место установки защиты 5, может оказаться недостаточным для ее срабатывания. После отключения линии с противоположного конца защитой 6 ток в месте установки защиты 5 увеличивается, что приводит к ее срабатыванию и отключению поврежденной линии. Невозможность срабатывания защиты вследствие ее недостаточной чувствительности при наличии КЗ на защищаемой линии до момента отключения линии с противоположного конца носит название каскадного действия защиты. Зоной каскадного действия называется доля длины защищаемой линии, при КЗ в которой защита не действует до отключения линии с противоположного конца.
При КЗ в зоне каскадного действия защиты 5, если не будет выполнено условие (22), до отключения выключателя 6 может сработать защита 3 смежного участка.
При трехфазном КЗ вблизи места установки направленной защиты напряжение, подводимое к реле направления мощности, может оказаться настолько малым, что реле направления мощности не сработает, а следовательно, защита откажет в действии. Доля длины защищаемой линии, при КЗ в которой защита не срабатывает из-за недостаточного напряжения, подводимого к реле направления мощности, носит название мертвой зоны.
Токовая направленная защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени. При реализации трехступенчатой токовой направленной защиты в качестве первой ступени используется, как правило, ненаправленная токовая отсечка без выдержки времени, ток
17
срабатывания которой отстроен от максимального тока внешнего по отношению к защищаемой линии короткого замыкания. Если зона действия этой отсечки перекрывает мертвую зону направленной защиты, исчезает вероятность отказа защиты при близком трехфазном КЗ. В качестве второй ступени используется токовая отсечка с выдержкой времени - направленная или ненаправленная. Ток и время срабатывания этой ступени защиты отстраиваются от тока и времени срабатывания первой ступени защиты смежной линии. Третья ступень представляет собой максимальную токовую направленную защиту.
7. ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Дистанционными называются направленные и ненаправленные защиты, выполняемые, например, с использованием реле сопротивления, действие которых определяется электрической удаленностью КЗ по отношению к месту включения реле.
Основным недостатком токовых защит является зависимость зоны их действия от величины тока короткого замыкания, что не позволяет в ряде случаев иметь достаточную чувствительность токовой защиты, особенно быстродействующих ее ступеней. Кроме того, селективность токовых защит не всегда может быть обеспечена (например, в кольцевой сети с двумя источниками питания).
Дистанционная защита реагирует на отношение подведенных к измерительному органу защиты напряжения и тока, т.е. на сопротивление. Режим короткого замыкания отличается от нормального режима работы сети пониженным значением напряжения и повышенным значением тока. Следовательно, сопротивление на входе измерительного органа защиты при коротком замыкании меньше, чем в нормальном режиме. Это обстоятельство и используется для выявления короткого замыкания.
Таким образом, дистанционная защита представляет собой защиту минимального сопротивления. Если на вход измерительного органа минимального сопротивления подается разность напряжений замкнувшихся фаз и разность токов этих фаз, то сопротивление на входе измерительного органа Zp оказывается равным сопротивлению линии от места установки защиты (начало линии) до места короткого замыкания:
Zp = Zya /к, (23)
где гуд - удельное сопротивление линии, 1К - расстояние до места короткого замыкания.
Так как Z^ - величина постоянная, защита реагирует на расстояние до места короткого замыкания, что и обусловило ее название. , t
TSii'-n
18
Сопротивление на входе измерительного органа защиты представляет собой комплексную величину. Сопротивление на входе защиты (например,
защиты 3 на рис. 8) в комплексной плоскости при коротком замыкании в точке К4 есть вектор БК1 (рис. 9), сопротивления линий БВ и ВГ - векторы БВ и БГ , а сопротивление до точки К2 и линии АБ - векторы БК2 и БА.
Рис. 8. Защищаемые зоны и время срабатывания ступеней трехступенчатой дис-
. ; танционной защиты линии с двусторонним питанием sv.h "•£гв«Ть<-
Угол наклона <рл этих векторов сопротивления определяется активным и реактивным сопротивлением защищаемых линий.
Сопротивление на входе защиты в рабочем режиме работы электрической сети отображается вектором сопротивления нагрузки, получающей питание по защищаемой линии (см. ZHarp на рис. 9). Этот вектор отличается от
вектора сопротивления короткого замыкания не только по величине, но и по фазе, так как коэффициент мощности нагрузки cos <рНагр = 0,8-0,95.
С целью повышения чувствительности защиты, т.е. с целью наилучшей отстройки защиты, как от внешних коротких замыканий, так и от режима нагрузки используются реле минимального сопротивления с различными характеристиками срабатывания (рис. 10).
Характеристики а) и б) (рис. 10) имеют соответственно ненаправленное и направленное реле
Рис. 9. Векторы сопротивления на входе защиты 3
19
полного сопротивления. Угол максимальной чувствительности у направленного реле, соответствующий максимальному значению сопротивления срабатывания реле ZcP „ш, равняется фл. Характеристика в) позволяет обеспечить чувствительность защиты при коротком замыкании через переходное сопротивление, а характеристика г) позволяет оптимальным образом отстроить защиту от сопротивления нагрузки.
Рис. 10. Характеристики срабатывания реле сопротивления ' ' Дистанционная защита выполняется, как правило, трехступенчатой. Первая ступень не имеет выдержки времени (рис. 8), а сопротивление срабатывания принимается несколько меньшим, чем сопротивление защищаемой линии. Например, для защиты 1 линии АБ Z<! 31 = K^Z^.
Коэффициент отстройки Ктс = 0,8-0,9 учитывает погрешности трансформаторов тока и напряжения, к которым подключено реле сопротивления, и погрешность самого реле сопротивления. Аналогично определяются сопротивления срабатывания первых ступеней всех защит.
Сопротивления срабатывания вторых ступеней защит отстраиваются от суммарного сопротивления защищаемой линии и сопротивления срабатывания первой ступени защиты смежной линии, а также от короткого замыкания за трансформатором приемной подстанции, например, 2С.з! — ^отс (^дб + Котс Zc 3бв ),
Zc.31=XotC(Zab+^tZt), (24)
где Кт = - коэффициент токораспределения, равный отношению
h\
суммарного тока короткого замыкания за трансформатором приемной подстанции к току в защищаемой линии, проходящему в направлении действия защиты.
Время срабатывания второй ступени защиты принимается на ступень селективности больше времени срабатывания первой ступени защиты смежной линии, т.е. *“з1 =4зЗ+Аг (см. рис. 8).
Назначением третьей ступени защиты является резервирование отказов защит и выключателей смежных элементов электрической сети. Сопротивление срабатывания третьей ступени определяется по условию 20
обеспечения чувствительности при коротком замыкании в конце смежной линии и за трансформатором приемной подстанции, а также по условию возврата защиты в исходное состояние после отключения внешнего короткого замыкания, например:
1) Z™1>(ZAB + ZBB)Ar4; J
’у 2) Z»]1>(ZAB + ^TZT)^4; | (25)
; 3) Z™}<^±, < ;л. >
Z
где Кч > 1,2; Кв = —— = 1,1 -1,15, ХГТ - коэффициент токораспределения.
^ср
При этом по первому условию вектор Z™ имеет угол <рл, а по второму условию фнагр (РИС. 9).
Время срабатывания третьей ступени защиты отстраивается от времени срабатывания третьей ступени защиты смежной линии (рис. 8).
Дистанционная защита может сработать ложно при качаниях в энергосистеме, а также при неисправностях в цепях трансформатора напряжения, приводящих к снижению напряжения на входе измерительного органа защиты. Поэтому в комплект дистанционной защиты обычно входит устройство блокировки защиты при качаниях и при неисправностях в цепях напряжения.
Дистанционная защита по сравнению с токовыми защитами обладает большей чувствительностью, имеет стабильную зону действия, однако она значительно более дорогая и технически сложная.
8. ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ А
ЗАЩИТА >т
Селективность токовых защит и дистанционной защиты обеспечивается соответствующим выбором параметров их срабатывания, т.е. эти защиты с относительной селективностью. Продольная дифференциальная токовая защита не реагирует на внешние короткие замыкания по принципу действия, т.е. относится к защитам с абсолютной селективностью, а следовательно, является быстродействующей защитой.
Измерительный орган (реле тока РТ) продольной дифференциальной токовой защиты включается на разность токов по концам защищаемого объекта (рис. 11, а).
В реле защиты проходит ток 1_р, равный разности вторичных токов измерительных трансформаторов тока ТА1 и ТА2 /12 и /22 При внешнем
21
коротком замыкании К1 токи /1 и /2 по концам защищаемого объекта одинаковы, и ток 1_р = /12 - /22 принципиально равен нулю (рис. 11,6).
а)
Рис. 11. Продольная дифференцальная токовая защита
При коротком замыкании на защищаемом объекте К2 в реле защиты проходит практически арифметическая сумма вторичных токов короткого замыкания от источников питания Ех и £2, и защита срабатывает (рис. 11, в).
Теоретически ток срабатывания защиты мог бы быть равен нулю. Однако, учитывая наличие погрешностей измерительных трансформаторов тока защиты, ток в реле защиты при отсутствии короткого замыкания на защищаемом объекте равен току небаланса, значение которого тем больше, чем больше ток в первичных обмотках трансформаторов тока. Поэтому ток срабатывания защиты отстраивается от тока небаланса, имеющего место при максимальном токе, проходящем через защищаемый объект при внешнем коротком замыкании:
/с.з = ^отс ’ 1нб max, (26)
где Ктс = 1,2-1,3 - коэффициент отстройки;
/нб max — * /кз вн max — максимальный ток небаланса,
Кй = 2 - коэффициент, учитывающий увеличение погрешности трансформаторов тока при наличии в первичном токе апериодической составляющей;
Кояя - коэффициент однотипности, Кодн = 0,5, если трансформаторы тока, установленные на защищаемом объекте одного типа, и А'одн = 1,0, если трансформаторы тока разного типа;
Е = 0,1 - относительная погрешность трансформаторов тока в условиях срабатывания защиты;
/кз вн max - максимальное значение тока, проходящего через трансформаторы тока дифференциальной защиты при внешнем трехфазном КЗ.
Различные модификации продольной дифференциальной токовой защиты широко используются для защиты от коротких замыканий генераторов, трансформаторов, сборных шин, мощных электрических двигателей и других объектов. Реализация такой защиты на линии электропередачи встречает серьезные трудности, связанные с большой протяженностью
22
Рис. 12. Поперечная дифференциальная токовая защита сдвоенной линии
этого защищаемого объекта. Необходимость прокладки вдоль защищаемой линии электропередачи проводной линии связи, требуемой для объединения вторичных обмоток трансформаторов тока защиты, усложняет и удорожает защиту, а также значительно снижает ее надежность. Поэтому продольная дифференциальная токовая защита используется для защиты линий электропередачи протяженностью не более 15 км и только в случае необходимости отключения короткого замыкания без выдержки времени.
9. ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА
Поперечная дифференциальная токовая защита, как и продольная, обладает абсолютной селективностью. Принцип действия защиты основан на сравнении токов одноименных фаз одного конца параллельных линий. На рис. 12 показана принципиальная схема поперечной дифференциальной токовой защиты сдвоенной кабельной линии. Ток в реле защиты
Lр = LВ1 - /В2 • (27)
При внешнем КЗ (точка К1) в реле проходит лишь ток небаланса 7р = /нд. Ток срабатывания реле должен превышать /нб, а 7С 3 определяется так же, как и для продольной дифференциальной защиты.
При КЗ на одном из кабелей защищаемой линии ток в реле защиты равен разности вторичных токов КЗ в поврежденном и неповрежденном кабелях и защита срабатывает. При КЗ на определенном участке в конце линии защита отказывает в действии, поскольку разность токов по мере перемещения КЗ вдоль линии уменьшается и становится меньше тока срабатывания защиты. Поэтому поперечная дифференциальная защита не может быть единственной защитой такой линии.
Недостатком рассматриваемой защиты является также то, что она не выявляет повредившийся кабель, а следовательно, не может использоваться на параллельных линиях.
Введение в схему поперечной дифференциальной токовой защиты органа направления мощности двухстороннего действия устраняет указанный недостаток. Принципиальная схема направленной поперечной дифференциальной токовой защиты представлена на рис. 13. Комплекты на-
Рис. 13. Направленная поперечная дифференциальная токовая защита параллельных линий: а - принципиальная схема; б - диаграмма, поясняющая действие защиты при перемещении точки КЗ по длине линии
правленной поперечной дифференциальной токовой защиты устанавливаются как на питающих, так и на приемных концах защищаемых параллельных линий.
Орган направления мощности двухстороннего действия имеет два выхода, в частности два контакта реле РМ (рис. 13, а). Один из них замыкается при положительном вращающем моменте, другой - при отрицательном.
При КЗ на одной из защищаемых линий реле направления мощности РМ обоих комплектов защиты ориентируются (замыкают контакты) таким образом, что отключающее воздействие подается на выключатели поврежденной линии.
Ток срабатывания поперечной дифференциальной
токовой защиты /с з параллельных линий в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью выбирается по двум условиям. Во-первых, ток срабатывания должен превышать максимально возможный ток небаланса при внешнем КЗ
/сз — ^отс^нбтах = ^-отс^нб + ^нб)- (28)
Ток /нб определяется погрешностью ТТ и вычисляется по формуле
А)б _ ^апер ^одн е Агентах ’ . , i (29)
где £апер > 1 - коэффициент, учитывающий наличие апериодической слагающей тока в переходном режиме внешнего КЗ;
Л0Дн-0,5-1 - коэффициент однотипности;
Е - допустимая относительная погрешность трансформатора тока.
24
Ток /нд обусловливается неравенством сопротивлений Zb Z2 парал-
лельных линий (если они выполнены проводами различных марок или имеют неодинаковую длину)
1 нб - ~“1 К.ВН max . ' Z]+Z2
(30)
Вторым условием является то, что ток срабатывания защиты должен быть больше максимального рабочего тока обеих линий для предотвращения ложного действия защиты при оперативном отключении одной из них
к г _ *ОТС У с.з , 7 раб max-
(31)
Выбирается большее значение тока /с з. Обычно определяющим является второе условие.
При КЗ на определенном участке конца линии, противоположного месту установки комплекта защиты, например на участке /К.Д2 (рис. 13, б), защита 2 срабатывает лишь после отключения выключателя поврежденной линии защитой 1. Поэтому участки /к.д1 и /К Д2 являются зонами каскадного действия защит 7 и 2 соответственно.
Чувствительность защиты определяется при КЗ в точке, равной чувствительности /р.ч, (рис. 13, б) при КЗ в которой токи в реле обоих комплектов защит равны (/1рт = 72рт), а также в зонах каскадного действия. Защита считается приемлемой по чувствительности при кч > 2.
10. НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ БЛОКИРОВКОЙ
Короткие замыкания на мощных линиях электропередачи, как правило, необходимо отключать без выдержки времени с целью сохранения устойчивости энергосистемы. Защиты с относительной селективностью обеспечить быстрое отключение поврежденной линии не могут, а продольная дифференциальная токовая защита линии, как отмечалось, имеет ограниченное применение. Для создания защиты с абсолютной селективностью необходимо иметь информацию с противоположного конца защищаемой линии.
При коротком замыкании в точке К (рис. 14) срабатывают органы направления мощности защит 1,3,4. Защита 2 не срабатывает, так как направление
Рис. 14. Радиальная электрическая сеть
25 :
мощности короткого замыкания на этом конце линии от линии к шинам. Защита 2 посылает высокочастотный сигнал, запрещающий (блокирующий) срабатывание защиты 7, а защиты 3 и 4 срабатывают и отключают
поврежденную линию.
Таким образом, рассматриваемая защита имеет две части: релейную и высокочастотную. Релейная часть защиты содержит измерительный орган направления мощности, два измерительных (пусковых) органа тока и логический орган. Ток срабатывания первого пускового органа отстраивается от рабочего тока линии, а ток срабатывания второго пускового органа превышает ток срабатывания первого на 10 %. Логический орган реализует пуск приемопередатчика высокочастотной части защиты при несрабатывании органа направления мощности и срабатывании первого пускового органа, а также обеспечивает действие защиты на отключение выключателя линии при срабатывании органа направления мощности, второго пускового органа тока и при отсутствии высокочастотного сигнала. Пусковые органы тока могут быть заменены дистанционными пусковыми органами.
Высокочастотная часть защиты обеспечивает генерацию, передачу и прием высокочастотного сигнала. Высокочастотный канал связи организуется по контуру провод одной фазы защищаемой линии - земля. Для
предотвращения распространения высокочастотного сигнала на соседние линии электропередачи и уменьшения затухания этого сигнала по концам выбранной фазы линии устанавливаются высокочастотные заградители ВЗ (рис. 15), представляющие собой большое сопротивление для тока высокой частоты (30...500 кГц) и практически нулевое для тока промышленной частоты.
Высокочастотная аппаратура защиты (фильтр присоединения ФП и приемопередатчик ПП, содержащий генератор ГВЧ и приемник ПВЧ высокой частоты) подключаются к проводу линии через конденсатор связи С, изолирующий эту аппаратуру от высокого напряжения защищаемой ли-
нии. Конденсатор связи представляет
Рис. 15. Подключение высокочастотной аппаратуры защиты к защищаемой линии
собой очень большое сопротивление для тока промышленной частоты ( более 1200 кОм ) и малое сопротивление для тока высокой частоты. Приемопередатчик ПП связан с фильтром присоединения ФП посредством высокочастотного кабеля ВК. Фильтр присоединения состоит из воздушного трансформатора ВТ и конденсатора С1. Обмотки ВТ имеют отпайки, что позволяет изменять число витков
26
обмоток, а следовательно, и индуктивность ВТ. Назначением ФП является согласование (настройка в резонанс на частоте ПП) сопротивлений ВК и С. Обмотка ВТ, подключенная к конденсатору связи С, защищена разрядником Р, что предотвращает попадание высокого напряжения на аппаратуру защиты в случае пробоя конденсатора связи С.
Направленная защита с высокочастотной блокировкой обладает абсолютной селективностью и имеет хорошую чувствительность, что предопределило ее широкое использование для защиты линий электропередачи. Поскольку при качаниях в энергосистеме защита может ложно сработать, если центр качаний находится на защищаемой линии, то защита оснащается устройством блокировки от качаний.
11. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНАЯ ЗАЩИТА
Принцип действия защиты основан на сравнении фаз тока по концам защищаемой линии. За условное положительное направление тока принимается направление тока от шин в линию. При КЗ на линии БВ (рис. 14) в неповрежденной линии (линия АБ) фазы токов 1 и 2 отличаются на 180°, а в поврежденной линии (линия БВ) совпадают. Информация о фазе тока передается на противоположный конец линии с помощью высокочастотного сигнала. Высокочастотный сигнал модулируется током промышленной частоты, т.е. генератор высокой частоты ГВЧ работает только в положительный полупериод тока. Приемник высокой частоты ПВЧ воспринимает сигнал высокой частоты как от своего ГВЧ, так и от ГВЧ комплекта защиты, установленного на противоположном конце защищаемой линии. На неповрежденной линии (линия АБ на рис. 14) высокочастотный сигнал в канале связи присутствует постоянно (рис. 16, а), т.е. ГВЧ1 и ГВЧ2 работают в разные полупериоды промышленной частоты. Постоянное наличие высокочастотного сигнала на входах приемников высокой частоты ПВЧ1 и ПВЧ2 блокирует срабатывание защит линии.
Рис. 16. Высокочастотные сигналы в линиях электропередачи
27
На поврежденной линии (линия БВ на рис. 14) ГВЧ1 и ГВЧ2 работают в один и тот же период промышленной частоты, т.е. высокочастотный сигнал на входах ПВЧ1 и ПВЧ2 прерывистый (рис. 16,6), что приводит к срабатыванию защит линии, и поврежденная линия без выдержки времени отключается с обеих сторон.
В дифференциально-фазной защите пусковые органы принципиально не требуются, так как в рабочем режиме защиты линии оказываются заблокированными. Однако в случае сбоя в работе одного из ГВЧ защиты сработают и отключат неповрежденную линию. Поэтому дифференциально-фазная защита имеет два пусковых органа тока, один из которых с меньшим током срабатывания запускает ГВЧ, а второй с большим током срабатывания разрешает защите срабатывать при наличии прерывистого высокочастотного сигнала в канале связи. Ток срабатывания пусковых органов тока дифференциально-фазной защиты выбирается так же, как и ток срабатывания пусковых органов направленной защиты с высокочастотной блокировкой.
Дифференциально-фазная защита широко используется для защиты линий ПО и 220 кВ.
.да
12. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ЛИНИЙ
С ОДНОСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ
• Для повышения надежности электроснабжения потребителей широко применяются два вида устройств автоматического включения линий. К первому виду относятся устройства, вновь (повторно) включающие линию после ее отключения устройством защиты. Они получили название устройств автоматического повторного включения — устройств АПВ. Другой вид устройств устройства автоматического включения резерва (АВР) предназначен для автоматического подключения к потребителю резервной линии в случае отключения рабочего источника питания.
Назначение и требования, параметры действия АПВ. Назначением АПВ, как указывалось, является автоматическое восстановление питания потребителей в случае отключения питающей линии устройством защиты путем ее нового (повторного) включения. Возможность восстановления таким образом питания потребителей объясняется тем, что большинство КЗ воздушных линий оказываются неустойчивыми. По статистическим данным однократное АПВ воздушных линий успешно в 65—70% случаев, а при двукратном АПВ удается восстановить питание в 90 % случаев отключения линий.
К устройствам АПВ предъявляется ряд требований:
• обеспечение установленной кратности действия;
• исключение возможности действия после отключения выключателя персоналом и при аварийном отключении выключателя от уст
28
ройств защиты сразу после его включения персоналом вручную, дистанционно или телемеханически;
• автоматический возврат схемы АПВ в исходное состояние.
Параметрами устройства АПВ являются время срабатывания и возврата в исходное состояние. Время срабатывания определяется условиями успешности его действия
?сАПВ >;д.с; гсАПВ >(г.п-
где Гд.с, /г.п - время деионизации среды в месте КЗ после его отключения и время готовности привода выключателя к включению, и зависит от способа запуска.
Запуск устройств АПВ может производиться или от несоответствия положения ключа управления и выключателя, или от релейной защиты.
В первом случае время срабатывания принимается равным большему из двух значений
гсАПВ = (д.с ~ ^в.в + Gan>
^сАПВ = Ап + Gan ’ _ (32)
где ?вв - время включения выключателя;
Gan - время запаса.
При запуске от релейной защиты Li. /!.• :<
АаПВ = Ас + Ав — А.в + Gan ’
АаПВ ~ Ап + А.в "* Gan 1 (33)
где f0B- время отключения выключателя.
Определяющим, как правило, является второе значение, поскольку tac =0,1...0,4 с, у
?гп = 0,2...1 с.
Обычно гс дпв не превышает 0,5 с.
Время возврата схемы АПВ в исходное состояние определяется необходимостью обеспечения однократности ее действия
А АПВ — ^рзтах + Ав + ААПВ '*‘Gan> (34)
где грз max - время срабатывания самой медленнодействующей релейной защиты линии.
Обычно время возврата принимается равным гв апв = 30 с.
Автоматическое включение резервных линий. Для повышения надежности электроснабжения потребители должны иметь несколько источников питания (по меньшей мере два). Выполнить это требование можно различным образом. Можно создавать кольцевые замкнутые сети (рис. 17). Однако при этом повышается уровень токов КЗ, а следовательно,
29
утяжеляются и удорожаются коммутационная аппаратура и кабели. Кроме того, усложняются устройства релейной защиты.
Более приемлемым путем повышения надежности электроснабжения является наряду с рабочим источником наличие резервного источника питания, который автоматически включается при исчезновении питания от рабочего источника (рис. 18). Наличие АВР позволяет использовать преимущества как радиальной, так и кольцевой электрической сети.
Рис. 17. Кольцевая электрическая сеть Рис. 18. Радиальная электрическая электрическая сеть с резервированием питания потребителей
К устройствам АВР предъявляются следующие требования:
• срабатывание при исчезновении питания от рабочего источника по любым причинам;
• однократность действия;
• быстродействие; '
• включение резервного источника только после отключения рабочего и только при наличии напряжения на резервном источнике.
Для обеспечения первого требования устройство АВР должно иметь пусковой орган, срабатывающий при исчезновении питания резервируемых шин подстанции. В качестве пускового органа чаще всего используется минимальная защита напряжения, часто называемая пусковым органом напряжения (ПОН). Второе требование предотвращает многократное включение выключателя резервного источника на устойчивое КЗ. Быстродействие устройства АВР требуется для сокращения времени перерыва питания потребителей, что необходимо в основном для обеспечения са-мозапуска электродвигателей потребителей.
Условие включения резервного источника только после отключения рабочего предотвращает угрозу развития аварии в случае КЗ на рабочей линии. Очевидно, что при отсутствии напряжения на резервном источнике включение его выключателя бесполезно.
30
Параметрами устройства АВР являются напряжение и время срабатывания.
Пусковой орган напряжения ПОН устройства АВР обычно представляет собой два минимальных реле напряжения, включенных на напряжения разных фаз.
Применение двух реле напряжения исключает ложное АВР при перегорании предохранителя в одной из фаз измерительного трансформатора напряжения.
Напряжение срабатывания минимальных реле напряжения определяется из условий
,, ^ОСТКЗВН ,~е,
к' К ЛотсЛи
.. _ ^рабмин , t
С.? r g ’ „ ,
ЛОТСЛИ
где {7раб мин - минимальное рабочее напряжение на резервируемых шинах (имеет место при самозапуске двигателей потребителей);
Ки - коэффициент трансформации трансформатора напряжения;
Котс - коэффициент отстройки (1,2-1,3);
/Тост кз вн - остаточное напряжение на резервируемых шинах при внешнем КЗ за сосредоточенным сопротивлением (реактором, трансформатором).
Время срабатывания
tc АВР = tc.3 + М (36)
где гс з - максимальная выдержка времени защит на линиях, связанных с рабочим источником питания, КЗ на которых сопровождается снижением напряжения на резервируемых шинах ниже t/c p.
В случае наличия на питающей линии устройства АПВ (,Ч1 .
‘с АВР = 2Гс.з + tc АПВ + АЛ • да:,дададада. 1
где гс.з - время срабатывания защиты питающей линии. “J'"
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие задачи решают устройства автоматики в нормальном, аварийном и по-слеаварийном режимах работы энергосистемы?
2. Какие требования предъявляются к устройствам релейной защиты?
3. Каким образом определяется ток срабатывания максимальной токовой защиты линии электропередачи?
4. Каким образом оценивается чувствительность максимальной токовой защиты?
5. Каким образом обеспечивается селективность максимальной токовой защиты?
6. Каким образом обеспечивается селективность токовой отсечки без выдержки времени?
31
7. Чем объясняется большая чувствительность и меньшее время срабатывания токовой защиты нулевой последовательности линии от КЗ на землю по сравнению с максимальной токовой защитой линии?
8. Каким образом обеспечивается селективность токовой направленной защиты линии?
9. Чем объясняется наличие «мертвой» зоны токовой направленной защиты?
10. Каков принцип действия дистанционной защиты?
11. Каким образом определяются параметры страбатывания ступеней трехступенчатой дистанционной защиты линии?
12. Каков принцип действия продольной дифференциальной токовой защиты?
13. Чем объясняется наличие «мертвой» зоны поперечной дифференциальной токовой защиты сдвоенной линии?
14. Почему поперечная дифференциальная токовая направленная защита не может быть единственной защитой параллельных линий?
15. Каков принцип действия направленной защиты линии с высокочастотной блокировкой?
16. Каким образом реализуется высокочастотный канал связи по проводам защищаемой линии электропередачи?
17. Каков принцип действия дифференциально-фазной защиты линии?
18. Какие требования предъявляются к устройству АПВ линии?
19. Как определяется время срабатывания устройства АПВ линии?
20. Какие требования предъявляются к устройству АВР линии?
21. Каково назначение и как определяются параметры срабатывания пускового органа напряжения устройства АВР?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. М.: Энергия, 1976. 560 с.
2. Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. М.: Энерго-атомиздат, 1998. 800 с.
3. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Издательство МЭИ, 2002. 296 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение....................................................................3
1. Основные принципы построения релейной защиты.............................4
2. Максимальная токовая защита.............................................7
3. Токовая отсечка........................................................11
4. Токовая защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени.........12
5. Токовая защита нулевой последовательности от КЗ на землю сети с глухозаземленной нейтралью...............................................13
6. Максимальная токовая направленная защита...............................15
7. Дистанционная защита...................................................18
8. Продольная дифференциальная токовая защита.............................21
9. Поперечная дифференциальная токовая направленная защита................23
10. Направленная защита с высокочастотной блокировкой......................25
11. Дифференциально-фазная защита..........................................27
12. Автоматическое включение линий с односторонним питанием................28
Контрольные вопросы........................................................31
Библиографический список...................................................32