Дистанционная защита

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дистанционная защита



1.Назначение и принцип действия

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные МТЗ (НТЗ) не могут обеспечить селективного отключения КЗ. Так, например, при КЗ на W2 (рис.11.1) НТЗ 3 должна подействовать быстрее РЗ 1, а при КЗ на W1, наоборот, НТЗ 1 должна подействовать быстрее РЗ 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены с помощью НТЗ. Кроме того, МТЗ и НТЗ часто не удовлетворяют требованиям быстродействия и чувствительности. Селективное отключение КЗ в сложных кольцевых сетях может быть обеспечено с помощью дистанционной РЗ (ДЗ).

Выдержка времени ДЗ t₃ зависит от расстояния (дистанции) t₃ = f(l_р.к) (рис.11.2) между местом установки РЗ (точка Р) и точкой КЗ (К), т.е. l_р.к, и нарастает с увеличением этого расстояния. Ближайшая к месту повреждения ДЗ имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные ДЗ.

Например, при КЗ в точке К1 (рис.11.2) ДЗ2, расположенная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдержкой времени, чем более удаленная ДЗ1. Если же КЗ возникает в точке К2, то время действия ДЗ2 увеличивается, и КЗ селективно отключается ближайшей к месту повреждения ДЗ3.



Основным элементом ДЗ является дистанционный измерительный орган (ДО), определяющий удаленность КЗ от места установки РЗ. В качестве ДО используются реле сопротивления (PC), реагирующие на полное, реактивное или активное сопротивление поврежденного участка ЛЭП (Z, X, R). Сопротивление фазы ЛЭП от места установки реле Р до места КЗ (точки К) пропорционально длине этого участка l_р.к, так как Z_р.к = Z_yl_р.к; X_р.к = X_yl_р.к; R_р.к = R_yl_р.к, где Z_р.к, X_р.к, R_р.к - полное, реактивное и активное сопротивления участка ЛЭП длиной l_р.к; Z_y, X_y, R_y - удельные сопротивления на 1 км ЛЭП.

Таким образом, поведение дистанционного органа, реагирующего на сопротивление линии, зависит от расстояния до места повреждения.

дистанционный измерительный защита

В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует ДО (Z, X или R), ДЗ подразделяются на РЗ полного, реактивного и активного сопротивлений. Дистанционные РЗ реактивного и активного сопротивлений применяются редко, поэтому в дальнейшем рассматриваются только ДЗ, построенные на измерении полного сопротивления. Реле сопротивления, применяемые в ДЗ для определения сопротивления Z_р.к до точки КЗ, контролируют напряжение и ток в месте установки ДЗ (рис.11.3). К зажимам PC подводятся вторичные значения U, и I_р от ТН и ТТ. Реле выполняется так, чтобы его поведение в общем случае зависело от отношения U_p к I_p. Это отношение является некоторым сопротивлением Z_p. При КЗ Z_p = Z_р.к, и при определенных значениях Z_р.к PC срабатывает; оно реагирует на уменьшение Z_p, поскольку при КЗ U_p, уменьшается, а I_p возрастает. Наибольшее значение Z_p, при котором PC срабатывает, называется сопротивлением срабатывания реле Z_c.p:

Для обеспечения селективности в сетях сложной конфигурации на ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ необходимо выполнять направленными, действующими при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. Направленность действия ДЗ обеспечивается при помощи дополнительных РHМ или применением направленных PC, способных реагировать и на направление мощности КЗ.

2.Характеристики выдержки времени дистанционных защит

Зависимость времени действия ДЗ от расстояния или сопротивления до места КЗ t₃ = f(l_p.к) или t₃= f(Z_p.к) называется характеристикой выдержки времени ДЗ. По характеру этой зависимости ДЗ делятся на три группы: с плавнонарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенчатыми и комбинированными характеристиками (рис.11.4). Ступенчатые ДЗ действуют быстрее, чем ДЗ с наклонной и комбинированной характеристиками и, как правило, получаются проще в конструктивном исполнении. Наиболее распространенные ДЗ со ступенчатой характеристикой выполняются обычно с тремя ступенями времени: t_I, t_II, t_III, соответствующими трем зонам действия ДЗ (рис.11.4).



3.Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью ступенчатой дистанционной защиты

На ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ устанавливаются с обеих сторон каждой ЛЭП и должны действовать при направлении мощности от шин в ЛЭП. Дистанционные РЗ, действующие при одном направлении мощности, необходимо согласовать между собой по времени и по зоне действия так, чтобы обеспечивалось селективное отключение КЗ. В рассматриваемой схеме (рис.11.5) согласуются между собой ДЗ1, ДЗ3, ДЗ5 и ДЗ6, ДЗ4, ДЗ2.

С учетом того, что первые ступени ДЗ не имеют выдержки времени (t_I = 0), по условию селективности они не должны действовать за пределами защищаемой ЛЭП. Исходя из этого протяженность первой ступени, не имеющей выдержки времени (t_I = 0), берется меньше протяженности защищаемой ЛЭП и обычно составляет 0,8-0,9 длины ЛЭП. Остальная часть защищаемой ЛЭП и шины противоположной подстанции охватываются второй ступенью ДЗ этой ЛЭП. Протяженность и выдержка времени второй ступени согласуются (обычно) с протяженностью и выдержкой первой ступени ДЗ следующего участка. Например, у второй ступени ДЗ1 зона действия отстраивается от конца первой ступени ДЗ3 (т.е. Z_II(1) < Z_I(3)), а время действия выбирается на ступень Дt больше t_I(3):

Последняя третья ступень ДЗ является резервной, ее протяженность выбирается из условия охвата следующего участка, на случай отказа его РЗ или выключателя. Выдержка времени принимается на Дt больше времени действия второй или третьей зоны ДЗ следующего участка. При этом зона действия третьей ступени должна быть отстроена от конца второй или третьей зоны следующего участка.

4.Структурная схема дистанционной защиты со ступенчатой характеристикой

В отечественных энергосистемах ДЗ применяется для действия при междуфазных КЗ, а для действия при однофазных КЗ используется более простая ступенчатая МТЗ НП, рассмотренная в гл. 8. На рис.11.6 приведена упрощенная структурная схема трехступенчатой ДЗ от междуфазных КЗ с направленными измерительными ДО. Защита имеет четыре функциональные части, обведенные пунктиром на рис.11.6, а: измерительную 1, логическую 2, исполнительную 3, вспомогательную 4.

Измерительная часть 1 состоит из измерительных ДО, определяющих удаленность места КЗ или, точнее говоря, всю зону степени, в пределах которой возникло повреждение. Дистанционный ИО выполняется с помощью направленных минимальных PC, действующих при определенном направлении мощности КЗ (от шин в линию). Реле сопротивления включается через ТН и ТТ на первичные напряжения U_p.п и ток I_р.п в начале защищаемой ЛЭП. Вторичное напряжение на зажимах PC U_р = U_p.п/К_U, а вторичный ток I_р = I_р.п/К_I.

Сопротивление на входных зажимах реле определяется по выражению

где - первичное значение сопротивления, подведенного к зажимам реле.

Первичное сопротивление называется сопротивлением срабатывания ДЗ. В трехступенчатой ДЗ, изображенной на рис.11.6, для каждой ступени установлен свой отдельный комплект ДО KZI, KZII, KZIII, действующий при КЗ в пределах I, II, III зон (ступеней) соответственно. В §11.5 показано, что для правильного определения зоны повреждения при различных видах двухфазных КЗ е каждой ступени ДЗ необходимо устанавливать три PC - одно для действия при КЗ между фазами АВ, второе - при КЗ между фазами ВС и третье - при КЗ между фазами СА.

Схема с тремя измерительными PC в каждой ступени получила название трехсистемной. На рис.11.6 для упрощения показан один комплект KZBC и указано место подсоединения двух других KZAB и KZCA. Срабатывая, измерительные реле KZ действуют на логическую часть ДЗ2.



Логическая часть 2 имеет два органа времени КТ2 (второй ступени t_II) и КТЗ (третьей ступени t_III). Первая ступень ДЗ замедления не имеет (t_I= 0).

Логические органы (ЛО), ИЛИ, И, НЕ, получив сигналы от KZ и элементов блокирующей части 4, формируют выходные сигналы, воздействующие на органы времени и ИО.

Исполнительный орган 3 (ИО). Получив сигнал от КТ2, КТЗ или непосредственно от KZI, АВ (ВС, СА) ИО передает команду на отключение выключателя. Исполнительный орган выполняется с помощью электромеханического промежуточного реле или в виде статического устройства на тиристорах.

Вспомогательное блокирующее устройство 4 служит для блокирования действия ДЗ путем автоматического вывода ее из работы в режимах, когда ДЗ может неправильно сработать при отсутствии повреждения на защищаемой ЛЭП. К таким режимам относятся качания в энергосистеме и повреждения в цепях ТН, питающих ДЗ. Устройство 4 состоит из блокировки при качаниях УБК и блокировки УБН, действующей при неисправностях в цепях ТН.

Блокировка при качаниях УБК. Во время качаний напряжение U_p в месте установки ДЗ периодически снижается, а ток I_p в защищаемой ЛЭП возрастает, при этом соответственно уменьшается Z_p = U_p/I_р. Реагирующие на U_p, I_р и Z_p измерительные органы PC могут прийти в действие, что вызовет неправильное срабатывание первой ступени ДЗ, работающей мгновенно. Вторая и третья ступени имеют выдержку времени, и они, как правило, не успевают сработать за время периода качаний. Поэтому блокировка УБК, как показано на рис.11.6, блокирует первую ступень, а в тех случаях, когда время действия второй ступени мало (t_II < 1 с), - и вторую. Принцип действия блокировки при качаниях рассмотрен в гл. 13.

Блокировка УБН. При неисправностях в цепях напряжения ТН напряжение U_p, подводимое к PC, исчезает или резко понижается. В результате этого реле сопротивления, включенные на это напряжение, приходят в действие, что приводит к неправильному срабатыванию ДЗ. При исправном состоянии цепей напряжения с выхода УБН, схемы которой рассмотрены в §6.4, на входы всех логических элементов И поступает логический сигнал 1, разрешающий появление сигнала на элементах И и, как следствие этого, возможность действия ДЗ, если срабатывают ИО (PC). При неисправностях в цепях ТН выходной сигнал УБН изменяется с логической 1 до логического 0, чем блокируется действие элемента И, т.е. исключается возможность появления сигнала на его выходе.

Работа ДЗ. В нормальном режиме Z_p = U_p.н/I_р.н = Z_p.н (здесь U_p.н, I_р.н, Z_p.н - напряжение, ток, сопротивление на зажимах PC в режиме максимальной нагрузки, когда Z_p.н имеет наименьшее значение). Сопротивления срабатывания PC всех ступеней выбираются меньше Z_p.н min. Поэтому PC всех ступеней, а следовательно, и ДЗ в целом не действуют.

В режиме короткого замыкания. Если КЗ возникло в пределах первой ступени, в точке К1 (рис. 11.6, б), то Z_p < Z_I, KZI приходит в действие, срабатывает и блокировка УБК, на входе И1 появляются три сигнала: УБК, KZ1 и УБН. На выходе И1 появляется сигнал о срабатывании KZ1, который поступает на ИО; ДЗ действует на отключение ЛЭП без выдержки времени (с t = 0).

При КЗ в I зоне кроме KZI работают ИО KZII и KZIII, но II и III ступени имеют выдержки времени, и поэтому раньше срабатывает I ступень. Если КЗ происходит во II зоне (точка К2), но за пределами I зоны, то KZI не действует, работают KZII и KZIII, которые через соответствующие логические элементы ИЛИ, И, НЕ посылают сигналы на КТ2 и КТ3. Реле КТ2 срабатывает с t_II раньше КТ3 и подает сигнал на ИО, последний замыкает цепь отключения выключателя ЛЭП. При КЗ в точке КЗ за пределами II зоны, но в пределах III зоны KZI и KZII не действуют, срабатывает KZIII с выдержкой времени t_III на реле КТ3, и затем выходной элемент ИО подает команду на отключение.

В сетях с изолированными нейтралями применяются ДЗ с ненаправленными PC. В схему ДЗ при этом дополнительно вводятся РНМ, не позволяющие ДЗ срабатывать при направлении мощности КЗ к шинам подстанции. Применяется также односистемная ДЗ с одним ДО и токовыми ПО. Особенностью этой схемы является использование в качестве ДО защиты от всех видов междуфазных КЗ только одного PC. При этом для правильного действия ДЗ при различных видах КЗ к реле в момент возникновения повреждения подводятся токи и напряжения соответствующих поврежденных фаз в сочетаниях, обеспечивающих одинаковый замер сопротивления (прямой последовательности Z₁) до места КЗ.



5.Схемы включения дистанционных и пусковых измерительных органов на напряжение и ток сети

Требования к схемам включения. Измерительные ДО, выполняемые с помощью PC, должны включаться на такие напряжения и токи сети, при которых сопротивление на зажимах реле Z_p, во-первых, будет пропорционально расстоянию Z_p.к до места повреждения и, во-вторых, будет иметь одинаковые значения (по модулю и углу) при всех видах КЗ в одной точке. Для соблюдения этих требований к ДО необходимо подводить напряжение в месте установки ДЗ, равное падению напряжения в сопротивлении Z_p.к до точки К: U_p = I_кZ_p.к (рис.11.7). При этом для обеспечения одинакового Z_p при всех видах КЗ ток I_р, подводимый к PC, должен равняться току КЗ I_к, определяющему падение напряжения в сопротивлении Z_p.к:

С учетом сказанного ДО включаются на напряжение и ток петли КЗ. Схемы включения ДО, реагирующих на междуфазные КЗ и ДО, реагирующих на однофазные КЗ, должны быть разными.

Включение дистанционных органов, реагирующих на междуфазные КЗ. Включение на междуфазные напряжения и разность фазных токов осуществляются согласно табл. 11.1. При трехфазных КЗ (рис.11.8, б) все три ДО находятся в одинаковых условиях, к каждому из них подводится междуфазное напряжение, равное U_ф. Фазное напряжение равно падению напряжения в проводе от места установки PC до точки К. Отсюда напряжение

где I_к⁽³⁾ - ток трехфазного КЗ, проходящий по фазе; Z_lк - сопротивление прямой последовательности фазы от места установки реле до точки К: l_к - расстояние до места КЗ; Z_1y - удельное сопротивление прямой последовательности фазы на 1 км. Ток в каждом реле равен геометрической разности токов двух фаз, т.е. I_р⁽³⁾ = I_к⁽³⁾, следовательно, сопротивление на зажимах каждого PC

При двухфазных КЗ, например между фазами В и С (рис.11.8, в), только один ДО, включенный на напряжение между поврежденными фазами В и С, получает напряжение, пропорциональное расстоянию l. Это напряжение равно падению напряжения в фазах В и С: U_p⁽²⁾ = U_BC = 2I_кZ_1к. Ток I⁽²⁾ =I_B - I_C = 2I_к. Отсюда находим



При КЗ на фазах АВ и СА Z_p находится аналогично и также Z_p⁽²⁾ = Z_1yl_к. Можно показать, что и при двухфазных КЗ на землю Z_p^(1,1) = Z_1кl_к.

Таким образом, при всех видах междуфазных КЗ сопротивление на зажимах реле равно сопротивлению прямой последовательности фазы Z₁. Следовательно,

Z_p = l_к и Z_p⁽³⁾ = Z_p⁽²⁾ =Z_1к

Включение PC, выполняющих функции ПО. Они включаются на междуфазное напряжение и фазный ток по табл. 11.2. Определяя, как и в предыдущем случае, значения падения напряжения до точки К (рис.11.8) и находя Z_p = U_p/I_p, можно убедиться, что при трехфазных КЗ Z_p⁽³⁾ = Z_1к, а при двухфазных КЗ в той же точке Z_p⁽²⁾ = 2Z_1к. Таким образом, данная схема, удовлетворяя первому из заданных условий Z_p =l_к, не обеспечивает второго условия, так как Z⁽³⁾_p.к ? Z⁽²⁾_p.к. Поэтому схемы включения PC на междуфазное напряжение и фазный ток не должны применяться для включения ДО I и II зон. Включение PC по табл. 11.2 используется для ИО III зоны, если они одновременно выполняют функции ПО.

При обеих схемах включения в случае двухфазного КЗ (рис.11.8, в) из трех ДО правильно определяет удаленность повреждения только один, включенный на напряжение между поврежденными фазами.



Способы включения ДО на разность токов двух фаз. Для включения PC на разность токов согласно табл.11.1 обычно используются промежуточные трансформаторы тока TAL или трансреакторы TAV -- датчики тока, у которых для этой цели предусматриваются две первичных обмотки 1 и 2 (рис.11.9). Каждая первичная обмотка включается на ток фазы по табл.11.1, так чтобы наводимые ими магнитные потоки в сердечнике TAL или TAV были направлены встречно и создавали результирующий поток Ф_р = Ф_А - Ф_в, пропорциональный разности токов, питающих первичные обмотки. Ток вторичных обмоток 3 (или ЭДС трансреактора) будет также пропорционален разности указанных первичных токов I_A - I_B.

Включение дистанционных органов, реагирующих на однофазные КЗ. Дистанционные органы, предназначенные для определения удаленности мест однофазных КЗ, включаются по схеме с токовой компенсацией (рис.11.10, а). Схема предусматривает три PC, каждое из которых включается согласно табл.11.3 на напряжение U_ф и ток I_p = I_ф + k3I₀, где I_ф - ток той же фазы, что и напряжение U_ф; k3I₀ - ток, пропорциональный току НП.

Коэффициент пропорциональности . При таком значении k сопротивление на зажимах реле при однофазных КЗ получается равным сопротивлению прямой последовательности до места КЗ Z₁. Следовательно, при включении по табл.11.3 ИО, реагирующего на однофазные КЗ, сопротивление Z_р на его зажимах получается таким же, как и у реле, реагирующих на междуфазные КЗ и включенных по табл.11.1. В обоих случаях Z_p=Z_l.

Покажем, что выбранная схема компенсации обеспечивает Z_р = Z₁. Рассмотрим однофазное КЗ (рис.11.11), например на фазе А. Согласно табл.11.3 сопротивление на зажимах PC фазы А:



Выразим напряжение фазы А в месте установки ДЗ (в точке Р) через симметричные составляющие U_A = U₁ + U₂ + U₀. Каждая составляющая в точке Р равна напряжению соответствующей последовательности в точке К и падению напряжения той же последовательности на участке КР (рис.11.11). Отсюда (11.5)

где U_1K, U_2K, U_0K -- напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей в точке К; I_l, I₂, I₀ --симметричные составляющие тока КЗ; Z₁, Z₂, Z₀ -- сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей участка КР. Поскольку на поврежденной фазе А в месте КЗ U_A = 0, поэтому U_1K + U_2K + U_0K = 0,

Прибавляя и вычитая в правой части уравнения (11.5а) I₀Z₁ и учитывая, что для ЛЭП сопротивление Z₁ = Z₂ и что для фазы А сумма I₁ + I₂ + I₀ = I_A получаем



Вынесем в (11.5б) за скобки Z₁ умножим и разделим на 3 второй член в правой части равенства, после чего подставим преобразованное выражение U_А в (11.4), тогда

Учитывая, что в (11.6) , и производя сокращения, получаем

Выражение (11.7) справедливо для однофазных замыканий фаз В и С и для КЗ на землю любых двух фаз. Таким образом, при включении PC по схеме с токовой компенсацией сопротивление Z_p = Z_p.к имеет одинаковые значения Z₁ при всех видах КЗ на землю и не зависит от соотношения токов I₀ и I_ф.

При однофазном КЗ правильно работает только одно реле, включенное на напряжение и ток поврежденной фазы. Два других реле, включенные на ток и напряжение неповрежденных фаз, имеют Z_p > Z₁. Схема с токовой компенсацией отвечает требованиям, предъявляемым к ДО, и получила распространение для ИО, реагирующих на КЗ на землю.

Для выполнения токовой компенсации часто применяется схема, приведенная на рис.11.10, б. Реле питается током через промежуточный трансформатор или трансреактор с двумя первичными обмотками. Одна из них w_ф включена на ток фазы I_ф, а вторая w₀ -- на ток 3I₀. Их число витков подбирается так, чтобы w_ф/w₀ = 1/k. Результирующий поток первичных обмоток Ф_рез = Ф_ф + kФ₀ = I_ф + k3I₀, поэтому вторичный ток трансформатора или вторичная ЭДС трансреактора будут пропорциональны току I_ф + k3I₀. Обычно k < 1.

Условия работы дистанционных органов при двойных замыканиях на землю. В сети с малым током замыкания на землю ДЗ должны реагировать на междуфазные КЗ, и их ДО включаются на междуфазные напряжения и разность фазных токов. Как указывалось, в таких сетях возможны двойные замыкания на землю (рис.11.12). Защита в этом случае должна отключать одно место повреждения. Исследование условий работы ДЗ при двойных замыканиях на землю показывает, что они не могут обеспечить четкого выполнения этого требования. Наилучшие результаты получаются, если на участке К1-К2 (рис.11.12) между двумя точками повреждения ДО включены на фазное напряжение по схеме с токовой компенсацией, а на участке между точкой повреждения и источником питания -- на междуфазное напряжение и разность фазных токов. Для этого ДО нормально включены на междуфазное напряжение и разность фазных токов. При появлении тока НП, всегда возникающего на участке между точками замыкания на землю (К1 и К2), ДО, установленные на этом участке, автоматически переключаются на напряжение фазы и ток I_ф + k3I₀.

6.Характеристики срабатывания реле сопротивления и их изображение на комплексной плоскости

Использование комплексной плоскости для изображения характеристик PC. Сопротивление является комплексной величиной, поэтому характеристики срабатывания PC Z_cp (Z_p, ц_р)и сопротивления на их зажимах Z_p удобно изображать на комплексной плоскости в осях R, jX (рис.11.13). В этом случае по оси вещественных величин откладываются активные сопротивления R, а по оси мнимых величин -- реактивные сопротивления X. Полное сопротивление на зажимах реле Z_p = U_p/I_p может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа Z_p = R_p + jX_p = Z_pe^jц и изображено в осях R, jX вектором с координатами R_p и jX_p (рис.11.13, а). Величина этого вектора характеризуется модулем , а его направление -- углом ц_р, который определяется соотношением Х_р и R_p, поскольку tg ц_р = X_p/R_p. На рис.11.13, б видно, что угол ц_р равен углу сдвига фаз между векторами тока I_p и напряжения U_p, следовательно, можно считать, что на комплексной плоскости вектор I_p совпадает с осью положительных сопротивлений R, а напряжение U_p -- с вектором Z_p . Любой участок сети, например W1 (рис.11.13, е), можно представить в осях R, jX вектором Z_AB=Z_W1 имея в виду, что каждая точка ЛЭП характеризуется определенными сопротивлениями R_W1 и X_W1. Если сопротивление всех участков сети имеет один и тот же угол , то их геометрическое место на комплексной плоскости изображается в виде прямой, смещенной относительно оси R на угол ц_л (рис.11.13, г). Начало защищаемой ЛЭП, где установлена рассматриваемая ДЗ А, совмещается с началом координат (рис.11.13, в, г). Координаты всех участков сети, попадающих в зону ДЗ А, считаются положительными и располагаются в I квадранте комплексной плоскости (рис.11.13, г). Координаты участков сети, расположенные на рис.11.13, в слева от точки А, считаются отрицательными и располагаются в III квадранте. Сопротивление линии W1 показано на диаграмме отрезком АВ, W2 -- отрезком ВС и W3 -- отрезком AD. Сопротивление Z_р.к от места установки ДЗ до точки К изображено отрезком АК под углом ц_к = ц_л к оси R (рис.11.13, в, г). Если КЗ произошло через электрическую дугу, имеющую активное сопротивление R, то сопротивление до места КЗ будет изображаться вектором АК', равным геометрической сумме векторов Z_к и R_д (рис.11.13, д):



Исследования показали, что значение R_д пропорционально длине дуги l_д, м, и тем меньше, чем больше ток КЗ I_к, А:

где К -- постоянная величина, равная 1200-1500.

С учетом этого на рис. 11.13, д сопротивление R_Д при КЗ в начале ЛЭП показано меньшим, чем в конце, поскольку I_к в первом случае всегда больше, чем во втором. Вектор сопротивления при нагрузке Z_pa6 min, показан на рис.11.13, г расположенным под углом ц_н < ц_к.

Графическое изображение характеристик срабатывания реле.

Характеристики срабатывания основных типов PC, изображенные на рис.11.14, представляют собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию Z_p = Z_c.p. Заштрихованная часть характеристики, где Z_p ? Z_c.p, соответствует области действия реле. При Z_p, выходящих за пределы заштрихованной части, т.е. при Z_p > Z_c.p, реле не работает.

Характеристика срабатывания реле должна обеспечивать работу реле при КЗ в пределах принятой зоны действия (Z'). С учетом сопротивления электрической дуги вектор Z_p = Z_к + R_д может располагаться при КЗ на защищаемом участке ЛЭП в пределах площади четырехугольника 0КК'К", показанного на рис.11.13, а. Действие реле при КЗ будет обеспечено, если характеристики срабатывания реле, показанные на рис.11.14, будут охватывать область комплексной плоскости, в которой может находиться вектор сопротивления Z_p при КЗ на ЛЭП (площадь 0КК'К" на рис.11.13, д). Однако область срабатывания PC имеет ограничения: реле не должно действовать при сопротивлении нагрузки (при Z_pa6 min) и при качаниях. Для этого векторы Z_pa6 min и Z_кaч должны располагаться за пределами области срабатывания реле, т.е. должно соблюдаться условие Z_c.p < Z_pa6 min и по возможности Z_c.p < Z_кaч.



Ненаправленное реле полного сопротивления (рис.11.14, а). Характеристика этого реле имеет вид окружности с центром в начале координат и радиусом, равным К. Реле работает при Z_p ? К при любых углах ц_р между вектором Z_p и осью R. Характеристика срабатывания PC выражается уравнением

где К -- постоянная величина.

Зона действия реле расположена в четырех квадрантах, в том числе в I и III. Реле с характеристикой, изображенной на рис.11.14, а, работает как ненаправленное PC.

Направленное реле полного сопротивления имеет Z_c.p, зависящее от угла ц_р (рис.11.14, б). Его характеристика срабатывания изображается окружностью, проходящей через начало координат. Сопротивление срабатывания имеет максимальное значение при ц_р = ц_м.ч, где ц_м.ч -- угол максимальной чувствительности реле, при котором Z_cp = Z_c.p max, т.е. равен диаметру окружности 0В.

Зависимость срабатывания этого реле от угла ц_р может быть представлена уравнением

Реле не работает при Z_p, расположенных в III квадранте. Это означает, что оно не может действовать, если мощность направлена к шинам подстанции. Следовательно, рассмотренное реле является направленным. Как и РНМ, направленное PC имеет "мертвую зону" при повреждениях в начале защищаемой ЛЭП.

Реле с круговой характеристикой, смещенной относительно начала координат. На рис.11.14, е показана характеристика, смещенная в III квадрант на расстояние Z". Такое реле рассчитано на работу при КЗ на защищаемой линии W1 (рис.11.13, в) и включает в зону своего действия питающие эту ЛЭП шины и часть длины (пропорциональную Z") других отходящих от шин ЛЭП (на рис.11.13, в это шины А и часть ЛЭП W3). Уравнение смещенной характеристики в векторной форме имеет вид

Уравнение (11.12) можно получить из рассмотрения треугольника 00'С. Как видно из чертежа, геометрическая разность вектора Z' - Z" равна диаметру окружности, отсюда

Из того же чертежа видно, что с учетом

где С -- любая точка окружности; r -- радиус окружности.

Приравнивая левые части уравнений (11.12 а) и (11.12 б), получаем (11.12). Для дистанционных органов второй и третьей ступеней находят применение реле с характеристикой, смещенной в сторону I квадранта. Такая характеристика позволяет увеличить зону действия и улучшить отстройку от нагрузки.

Реле с эллиптической характеристикой. На рис.11.14, г изображена характеристика направленного реле, имеющая вид эллипса. Сопротивление срабатывания такого реле Z_c.p зависит от угла ц_р и имеет наибольшее значение при ц_р = ц_м.ч. Угол ц_м.ч, как и в предыдущем случае, равен ц_л. Сопротивление Z_{c.p max} равно большой оси эллипса 2а.

Как известно, эллипс является геометрическим местом точек, сумма расстояний которых до фокусов b u d постоянна и равна большой оси 2а. На основании этого, обозначая координаты фокусов b и d, Z' и Z", а координаты любой точки С эллипса Z_c.р, получаем уравнение эллиптической характеристики

По сравнению с круговой характеристикой эллиптическая характеристика имеет меньшую рабочую область. Это дает возможность лучше отстроить реле от качаний и перегрузок, но ухудшает чувствительность при КЗ через переходное сопротивление R_п.

Реле с характеристикой в виде многоугольника. Подобная характеристика направленных PC, имеющая форму четырехугольника, показана на рис.11.14, д. Сопоставляя эту характеристику с площадью ОКК'К" на рис.11.13, д, можно установить, что четырехугольная характеристика реле в большей мере, чем другие характеристики, совпадает с контуром области расположения векторов Z_p при КЗ и является с этой точки зрения наиболее рациональной.

Пунктиром показан вариант характеристики 0А' и ВС' предусматривающий расширение зоны реле для обеспечения его действия при двустороннем питании КЗ через переходное сопротивление.

На рис.11.14, е показана характеристика, имеющая форму треугольника, применяемая для третьей зоны ДЗ. Она позволяет отстроиться от Z_p при больших значениях тока нагрузки I_раб.mах, чему соответствует минимальное значение Z_pa6.min = 0,9U_ном/I_раб.mах, и допускает срабатывание PC при значительном переходном сопротивлении R_п в случае удаленных КЗ.

Реле реактивного сопротивления срабатывает при Х_с.р = Z_c.psin ц_р, Х_с.р = К, где К -- постоянная величина. Характеристика таких PC изображается прямой линией, параллельной оси X (рис.11.14, ж), отстоящей от нее на расстоянии Х_с.р = К.

7.Общие принципы выполнения реле сопротивления, используемых в ДЗ в качестве измерительных органов, и требования к их конструкциям

Элементные базы изготовления PC. Первоначально PC, как и другие виды реле, выполнялись на электромеханических элементах главным образом на индукционном принципе. С развитием полупроводниковой техники получили широкое применение статические конструкции PC сначала на полупроводниковых приборах, выполняемые из отдельных (дискретных) элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов.

В 70-х годах отечественная промышленность перешла на выпуск PC только на выпрямленном токе с использованием дискретных полупроводниковых приборов. В связи с развитием микроэлектронной техники на базе интегральных микросхем (ИМС) последние стали применяться в качестве новой элементной базы при построении PC. Использование ИМС, а также элементов вычислительной техники открыло пути дальнейшего совершенствования характеристик и параметров ИО ДЗ. Появилась возможность уменьшения габаритов, потребления, выполнения PC с характеристиками сложной формы, а также повышения надежности реле, в частности за счет внедрения автоматических схем непрерывного контроля исправности измерительных и логических элементов ДЗ. Отечественная промышленность в 80-х годах начала выпуск PC с улучшенными параметрами на интегральных операционных усилителях. Значительные успехи в широком применении сверхбольших ИМС (СБИМС) и создании на их основе микропроцессоров и микроЭВМ позволяют приступить и в нашей стране к применению дистанционных защит на микропроцессорной базе. Разработка и изготовление таких отечественных РЗ уже начаты [20,21].

Принципы выполнения статических PC. Все разновидности PC основаны на сравнении абсолютных значений или фаз двух или нескольких электрических величин. Эти величины представляют собой синусоидальные напряжения U₁ U₂, ..., U_n[U₁ = U_1msinщt, U₂ = U_2msin(щt + ц₂) и т.д.]. Каждое из них является линейной функцией напряжения U_р и тока I_р, измеряемых в месте установки РЗ. Сравниваемые напряжения образуются из U_р к I_p по выражениям, аналогичным (2.38):

Коэффициенты K_U1 - K_Un (11.14) являются постоянными величинами. Их значения определяют форму и уставки характеристики срабатывания. Коэффициенты K_I1 - K_In представляют собой комплексы, имеющие размерность сопротивлений, а K_U1 - K_Un -- действительные числа.

Реле сопротивления с характеристиками срабатывания в виде окружности, эллипса (овала) и прямой линии (рис.11.14, а-г, ж) выполняются по принципу сравнения двух напряжений U₁ и U₂ по (11.14). Для получения реле с характеристикой в форме треугольника или четырехугольника (рис.11.14, е, д) производится сравнение трех или четырех напряжений U₁, U₂, U₃, U₄. Напряжение U₁ - U_n целесообразно выразить через сопротивления Z_p, поскольку поведение PC зависит от их значений. Для этого следует преобразовать правую часть уравнений (11.14), вынеся за скобки I_р и коэффициент К_U при U_р, тогда с учетом того, что U_p = I_pZ_p, получим:



Здесь принято, что . Сопротивления Z₁ и Z_n являются постоянными комплексными величинами, определяющими форму характеристики и уставки срабатывания реле.

Реле сопротивления на полупроводниковых элементах выполняются на сравнении абсолютных значений и на сравнении фаз. Последние более быстродействующие (они могут срабатывать в течение полупериода промышленной частоты, т.е. с t ? 0,01 с) и проще в исполнении. Поэтому PC, построенные на сравнении фаз, находят все более широкое применение. Ниже рассмотрены принципы построения PC обоих видов.

Общая структурная схема дистанционного органа. Реле сопротивления, выполняющие функции ДО, построенные на сравнении фаз или абсолютных значений электрических величин, выполненные на полупроводниках в виде дискретных элементов или ИМС, имеют одинаковую структурную схему (рис.11.15). Рассматривается общий случай сравнения n напряжений U₁ - U_n, образованных по (11.14). Реле состоит из четырех частей: 1 -- преобразователей напряжения П_U (ПТН) и тока П_I (ПТТ или ПТР); 2 -- устройств формирования сравниваемых напряжений УФ; 3 -- устройства УС, осуществляющего сравнение электрических величин по абсолютному значению или по фазе; 4 -- реагирующего и исполнительного органа РО.

Напряжение U_p и ток I_р от измерительных ТТ и ТН подводятся к П_U и П_I, которые преобразуют исходные величины U_p, и I_р в пропорциональные им напряжения: U_н = К_UU_р и U_т = K_II_p. Эти напряжения по (11.14 а) подаются к формирователям УФ. Каждый формирователь представляет собой сумматор, преобразующий входные напряжения в сравниваемые величины по (11.14) и осуществляющий их суммирование. Например, в сумматоре п образуется два напряжения К_UnU_р и K_InI_p, они суммируются, и на выходе УФ появляется напряжение U_n = К_UnU_р + K_InI_p по (11.14). Аналогично образуются напряжения на выходе остальных сумматоров. В зависимости от принципа работы PC в состав устройства формирования могут входить выпрямители синусоидальных величин, получаемых от преобразователей U_p и ток I_р, и частотные фильтры, подавляющие токи высших гармоник. Напряжения U₁ - U_n с выхода УФ поступают на вход схемы сравнения УС. Здесь производится их сравнение по модулю или по фазе в соответствии с заданным условием (алгоритмом) срабатывания PC. В результате на выходе УС появляется напряжение U_вых, значение или знак которого зависит от соотношения абсолютных значений или от фаз сравниваемых величин. Выходной сигнал поступает на РО. При определенных значениях амплитуд или фаз сравниваемых напряжений, соответствующих повреждению в зоне действия PC, на выходе РО появляется сигнал о срабатывании реле в виде U_вых > I_c.p.

Основные требования к ДО (PC). 1. Реле сопротивления I ступени должны быть быстродействующими: t_cp = 0,01 ч 0,02 с в сетях 500 кВ, t_cp = 0,02 ч 0,04 с в сетях 110-220 кВ.

2. Реле сопротивления, выполняющие функции ИО I, II и III ступеней ДЗ, должны иметь высокую точность при срабатывании в конце зоны их действия: ДZ = Z_y - Z_c.p.

3. Измерительные органы II ступени должны иметь k_воз = Z_B/Z_c.p ? 1,05 ч 1,1, что позволит повысить их чувствительность.

4. Реле сопротивления не должны работать в переходных режимах при наличии в токе и напряжении апериодических составляющих и составляющих с частотой, отличающейся от 50 Гц.

5. PC должны обладать высокой помехоустойчивостью, исключающей их ложное срабатывание от воздействия внешних и внутренних помех.

6. PC должны быть надежными и простыми в эксплуатации, иметь возможно меньшее потребление мощности в цепях тока.

8.Реле сопротивления на диодных схемах сравнения абсолютных значений двух электрических величин

Принципы выполнения. Полупроводниковые PC, основанные на сравнении абсолютных значений двух электрических величин, обычно выполняются посредством сравнения этих величин после их выпрямления диодными выпрямителями.

В качестве сравниваемых величин служат напряжения U₁ и U₂, образованные из U_p и I_р по (11.14). Принцип устройства и работы PC, построенных на сравнении двух выпрямленных напряжений, поясняется схемой на рис.11.16, уточняющей схему на рис.11.15 в части выполнения структуры УФ и схемы сравнения. Реле состоит из суммирующих устройств 1 и 2, формирующих напряжения U₁ и U₂ по (11.14), двухполупериодных выпрямителей на полупроводниковых диодах 3 и 4, образующих схему сравнения 5 на балансе напряжений или токов, и реагирующего органа 6, выдающего сигнал о срабатывании PC [52, 53].

Входные сигналы U_p и I_р поступают на входные блоки 1 и 2 (рис.11.16). Эти блоки преобразуют U_p и I_р в пропорциональные им синусоидальные напряжения К_UU_p и K_II_p и производят их геометрическое сложение. В результате на выходе блоков 1 и 2 появляются два синусоидальных напряжения U₁ и U₂. Каждое из них выпрямляется диодными выпрямителями 3 и 4. Напряжения |U₁| и |U₂|, полученные на выходе выпрямителей (или пропорциональные им токи |I₁| и |I₂|), подводятся к схеме сравнения 5, где вычитаются один из другого. На выходе схемы сравнения образуется напряжение |U_вых| = |U₁| - |U₂| или ток |I_вых| = |I₁| - |I₂|, которые поступают на вход РО 6, выполненного в виде нуль-индикатора (НИ), реагирующего на знак U_вых. При |U₁| > |U₂| напряжение U_вых имеет положительный знак, и РО срабатывает.

В нормальном режиме напряжение U_p равно номинальному, а ток I_р равен току нагрузки. Он сравнительно мал, поэтому U₂ = |K_U2U_p - K_I2I_p| превосходит U_l = |K_I1I_p| и PC не работает. При КЗ в зоне действия реле ток I_р возрастает, а напряжение U_р снижается, в результате U₁ становится больше U₂, и PC приходит в действие. При КЗ за пределами зоны (хотя ток I_p увеличивается, U_р - уменьшается) параметры схемы PC и уставки подобраны так, чтобы напряжение U₂ превосходило U₁, поэтому PC не может сработать. Напряжение U₁ называется рабочим, поскольку под его воздействием PC срабатывает, а напряжение -- противодействующее срабатыванию, U₂ -- тормозным.

Таким образом, поведение реле, построенных по рассмотренной функциональной схеме, зависит от соотношения значений сравниваемых напряжений U₁ и U₂: реле срабатывает, если U_l > U₂, и не действует, если U_l < U₂. По этой схеме можно выполнить PC с характеристиками срабатывания в виде окружности, проходящей через начало координат, окружности с центром в начале координат или смещенной относительно него в I либо III квадрант комплексной плоскости, как показано на рис.11.14, а-в. На базе этой же схемы можно получить PC с эллиптической характеристикой (в виде овала). Реле сопротивления, построенные на подобном принципе, используются в ДЗ панели типа ЭПЗ-1636, выпускаемой ЧЭАЗ, и широко применяются в отечественных энергосистемах (так как более 90% ДЗ еще находятся в эксплуатации), поэтому ниже на рис.11.17 и 11.18 кратко рассматриваются конкретные схемы этих PC.



Направленное PC с круговой характеристикой срабатывания (рис.11.17, б) основано на сравнении двух напряжений U₁ и U₂, образованных по (11.14), в которых для получения характеристики срабатывания в виде окружности, проходящей через начало координат, принято, что K_Ul = 0, а при I_р коэффициент К_I1 = К_I2 = - К_I. С учетом этого выражения сравниваемых величин имеют следующий вид:

Сравниваемые напряжения: рабочее U₁ (действующее на срабатывание) и тормозное U₂ (ему противодействующее) формируются преобразователями (тока I_р и напряжения U_p) и сумматором, состоящим из вспомогательного трансформатора напряжения TV1 и трансреактора TAV1 с двумя первичными w1 и вторичными w2 обмотками. Обе пары первичных и вторичных обмоток TAV1 имеют одинаковое число витков. Каждая вторичная обмотка замкнута на одинаковые активные сопротивления R9, R11 или R10, R12. Примем, что рассматриваемое PC включено на U_AB I_р = I_A - I_B (Реле, включенные на фазы ВС и СА, выполняются аналогично). Напряжение U_p трансформируется на вторичную сторону TV1, образуя напряжение К_UU_р, где К_U -- коэффициент трансформации TV1. Под действием токов I_A и I_B в каждой вторичной обмотке трансреактора TAV1 индуцируются одинаковые ЭДС Е = -jK_II_p, пропорциональные разности первичных токов, сдвинутые от него на 90° (рис.11.17, в). Под действием ЭДС Е в контурах вторичных обмоток возникают одинаковые токи I_т = E/(R + jX) = I_р, отстающие от Е на угол д, определяемый отношением X и R вторичного контура.

Напряжения U'₂ = U''₂ = I_тR_т сдвинуты относительно ЭДС E на угол д, так же как и ток I_т (рис.11.17, в). С учетом того, что I_т = I_р, напряжение U₁ = K_II_p. Здесь K_I -- коэффициент преобразования тока I_р в напряжение U_т, представляет собой комплексную величину, сдвинутую относительно вектора I_р на угол ц = 90°- д. Модуль К_I и угол сдвига ц зависят от параметров трансреактора (отношения витков w₁/ w₂, Х_м, ветви намагничивания TAV, сопротивления R_т).Напряжения U_н, U_т (рис.11.17, а), полученные со вторичных зажимов TV1 и TAV1, используются для образования U₁ и U₂. Рабочее напряжение U₁ = K_II_p подводится к выпрямителю VS1. Тормозное напряжение U₂ образуется геометрическим суммированием U_н = К_UU_р и U_т = -K_II_p. Полученное таким образом напряжение U₂, = K_UU_p - K_II_p подается на вход выпрямителя VS2. Выпрямленные напряжения |U₁| и |U₂| сопоставляются по значению в схеме сравнения на балансе напряжений. Результирующее напряжение на выходных зажимах схемы сравнения U_вых = |U₁| - |U₂|. Реагирующий орган, подключенный к выходным зажимам, является нуль-индикатором (НИ) ЕА, реагирующим на знак U_вых. В качестве НИ может служить высокочувствительное магнитоэлектрическое реле (см. §2.14). В последних отечественных конструкциях ДЗ нуль-индикатор выполняется с использованием интегральных операционных усилителей (ОУ) (см. §2.19).

Для сглаживания пульсации U_вых устанавливается частотный фильтр-пробка L₁C₄ (рис.11.17, б), который не пропускает в ЕА переменную составляющую 100 Гц. В результате этого на вход ЕА поступает U_вых схемы сравнения, равное разности постоянных составляющих выпрямленных напряжений |U₁| и |U₂|, иначе говоря, разности их средних значений за период переменной составляющей (100Гц). Реле (НИ) срабатывает при |U₁| > |U₂|. Начало действия реле характеризуется равенством |U₁| = |U₂|, или

Это условие действия реле на грани его срабатывания можно выразить через Z_c.p. Разделим для этого обе части равенства (11.16) на К_U и I_р, учтя, что Z_p = U_p/I_p, удовлетворяющее условию (11.16), является Z_c.p:

После преобразования получим

Уравнение (11.16 а) является характеристикой срабатывания направленного PC, имеющего форму окружности, проходящей через начало координат (см. рис.11.14, б). Радиус этой окружности R равен |К_I/K_U|; вектор К_I/K_U определяет положение центра окружности относительно начала координат на комплексной плоскости R, jX с заданной уставкой Z_y.

Сопротивление срабатывания Z_c.p направленного PC непостоянно, изменяется с изменением ц_р (угла сопротивления Z_p), что видно из рис.11.17, г. При ц_р = ц_м.ч сопротивление Z_c.p имеет максимальное значение . Угол вектора Z_c.p mах равен углу вектора К_I, это означает, что ц_м.ч = 90° - д и определяется параметрами X и R трансреактора TV1 (рис.11.17, а).

При всех других значениях ц_р ? ц_м.ч,

Уставка срабатывания Z_y направленного PC задается модулем . B конструкции реле предусматривается регулирование уставки Z_y изменением значений К_U и модуля |К_I|. Это осуществляется изменением коэффициента трансформации TV1 (изменением числа вторичных витков) и числа витков первичной обмотки TAV1.

Угол вектора Z_cp max = Z_y, т.е. (ц_м.ч изменяется подключением сопротивлений R9-R12: включение R9 и R11 соответствует ц_м.ч = 65°, а R10 и R12 -- ц_м.ч = 80°. Регулирование должно производиться как в рабочем, так и в тормозном контуре схемы одинаково для обеспечения равенства . Соответствующие переключения при этом выполняются и в цепи первичной обмотки TV1 изменением числа ее витков.

...