Дистанционная защита

В качестве ПО применяются токовые реле, реагирующие на фазные токи. Необходимость отстройки ПО от нагрузки ограничивает чувствительность ДЗ при КЗ, особенно на длинных и сильно загруженных ЛЭП. В связи с этим наибольшее применение находят PC с характеристиками, позволяющими надежно отстроить ПО от нагрузки и обеспечить в то же время наибольшую зону действия при КЗ. На протяженных ЛЭП следует использовать PC с эллиптическими и сложными характеристиками. Для обеспечения надежного пуска ДЗ при КЗ через переходное сопротивление R_п характеристика срабатывания PC, изображенная в осях R, jX, должна охватывать заштрихованную площадь ОКК'К", показанную на рис.11.13, д, в которой располагаются векторы Z_p при КЗ через R_п. С учетом изложенного наиболее рациональной характеристикой ПО является четырехугольник. Лучшими качествами с точки зрения отстройки от нагрузки и качаний обладает токовое реле ОП. Оно не реагирует на симметричные режимы и, следовательно, не может сработать при симметричной нагрузке и качаниях.

Токовые пусковые органы, реагирующие на фазные токи, выполняются с помощью максимальных реле тока. При большой кратности тока эти ПО обладают четкой избирательностью поврежденных фаз. Токовые ПО должны устанавливаться на каждой фазе защищаемой ЛЭП. В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью токовые ПО можно устанавливать на двух фазах. Ток срабатывания ПО отстраивается от I_ра6 mах так же, как I_с.з МТЗ (см. гл. 4). Наибольшее применение токовый пуск находит в ДЗ сетей 35 кВ. При наличии токовых ПО отпадает необходимость применения блокировки при неисправностях в цепях напряжения.

Токовые реле обратной последовательности. Двухфазные КЗ сопровождаются появлением тока ОП, и реле надежно действует. При трехфазных КЗ I₂ = 0. Чтобы обеспечить пуск ДЗ от реле ОП при трехфазных КЗ, предусматривается особая схема, фиксирующая кратковременное появление I₂ в первый момент возникновения повреждения. Эта схема рассмотрена в § 12.4 (см. рис.12.4 и 12.5). Очевидно, что ПО, реагирующий на ток I₂, не может действовать избирательно, определяя поврежденную фазу, и по этой причине не может применяться в односистемных ДЗ. Преимуществом пуска от тока I₂ является недействие его при симметричных перегрузках и качаниях, а также высокая чувствительность при КЗ, поскольку I_с.p ОП отстраивается только от I _нб фильтра, имеющего небольшое значение.

Пусковые реле сопротивления. Схемы включения. Пусковые PC ненаправленные и направленные, с круговыми и эллиптическими характеристиками включаются на междуфазные напряжения и разность одноименных фаз токов согласно табл.11.1. Схема табл. 11.1 обеспечивает стабильность зоны действия при всех видах КЗ, что очень важно, когда пусковые реле выполняют функции ДО III зоны ДЗ. Однако эта схема не обеспечивает избирательности поврежденных фаз. При двухфазных КЗ все три реле питаются током КЗ и имеют пониженное напряжение, поэтому при близких КЗ они могут сработать все одновременно, что не позволяет выявлять поврежденные фазы по действию пусковых реле.

Ненаправленные реле сопротивления. Для исключения действия пускового реле в нормальном режиме и при нагрузках его сопротивление срабатывания Z"_c.p выбирается меньше минимального значения сопротивления Z_раб min, возникающего на зажимах реле в рабочем режиме (рис.11.35), т.е.:

где U_раб min -- минимальное рабочее напряжение; I_{раб mах} -- наибольший ток нагрузки.

Чем больше нагрузка, тем меньше чувствительность пускового реле при КЗ. Поэтому на длинных ЛЭП с большими нагрузками PC с круговой характеристикой в начале координат оказывается недостаточно чувствительным при КЗ. Ненаправленные PC применяются в качестве ПО в сетях 35 кВ и на недлинных и малозагруженных ЛЭП 110кВ. По сравнению с токовыми пусковыми реле ненаправленные PC отличаются большей чувствительностью к КЗ.

Пусковые направленные реле сопротивления с круговой характеристикой. Характеристика 2 направленного реле (рис.11.35) значительно лучше удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ПО, чем ненаправленное PC с характеристикой 1.

Недостатком направленного реле является мертвая зона по напряжению, так как реле не работает при U_р = 0 или значениях, близких к нему. Этот недостаток при двухфазных КЗ устраняется применением подпитки реле напряжением третьей фазы. Для устранения мертвой зоны при трехфазных КЗ устанавливается токовая отсечка или производится смещение характеристики реле в сторону III квадранта. Последнее допустимо, поскольку III ступень ДЗ работает с выдержкой времени.

Направленные PC с круговой характеристикой получили широкое применение в качестве ПО в сетях 110-500 кВ. Их применение особенно целесообразно на длинных, сильно загруженных ЛЭП.

Пусковые направленные реле с эллиптической (или овальной) характеристикой. На рис.11.36 приведены для сравнения характеристики двух направленных PC. Обе характеристики имеют одинаковую зону действия (отрезок АВ) при КЗ с углом ц_р = ц_м.ч = ц_л. Но при ц_р ? ц_м.ч реле с эллиптической характеристикой имеют меньшую зону действия, чем PC с круговой характеристикой, поэтому они лучше отстраиваются от нагрузки и качаний. Реле с эллиптической характеристикой допускают значительно меньшее переходное сопротивление R_п в месте КЗ. Это является недостатком, который нужно учитывать при выборе уставки по малой оси эллипса. Реле имеет мертвую зону при двух- и трехфазных КЗ, которая устраняется так же, как у направленного PC с круговой характеристикой.

Реле сопротивления с блокировкой от фазоограничителя, ограничивающего действие ДЗ при перегрузке. Улучшение характеристики ПО можно получить, применив комбинированный пуск, состоящий из направленного PC и блокирующего PC смешанного типа (рис.11.37, а). Характеристика 2 смешанного типа выражается уравнением Z_c.p = k/соs(ц_р - д) и представляет собой прямую линию, проходящую под углом 90° - д к оси R. Величина k является проекцией векторов Z_c.p на перпендикуляр AM и имеет постоянное значение. Зона действия реле заштрихована. Сочетанием направленного PC и блокирующего реле 2, отсекающего правую часть характеристики, можно достигнуть дальнейшего улучшения характеристики пускового устройства. В качестве блокирующего реле можно использовать РHМ с углами внутреннего сдвига 60 и 30°.

Пусковое реле с характеристикой в виде четырехугольника. Характеристика PC показана на рис.11.37, б. Площадь четырехугольника ABCD должна быть минимальной, но обеспечивающей работу реле в пределах выбранной зоны действия. Исходя из этого характеристика реле должна удовлетворять следующим условиям: для обеспечения направленности действия точка А характеристики должна совпадать с началом координат -- точкой 0; прямая ВС должна проходить через точку L, соответствующую концу расчетной зоны действия реле (рис.11.37, в); прямая AL представляет собой характеристику сопротивления защищаемой зоны и образует с осью R угол ц_л, равный углу полного сопротивления линии Z_л. Точка С выбирается из условия действия реле при КЗ в конце защищаемой зоны при наличии переходного сопротивления R_п в месте повреждения. Как указывалось:

С учетом угла б сдвига фаз между векторами I_к = I_N + I_М и I_N (рис.11.37, г) прямая ВС должна проходить относительно оси R под углом б₁ = б + б_зап, где б_зап -- угол запаса, учитывающий угловую погрешность измерительных трансформаторов и погрешность в срабатывании реле. Сторона CD должна быть смещена относительно отрезка AL на величину ДZ, характеризующую дополнительное сопротивление, обусловленное электрической дугой R_д. При приближении места КЗ к точке А ток I_к возрастает, в результате R_д и ДZ уменьшаются. С учетом этого угол в₁ принимается меньшим угла защищаемой линии ц_л. Сторона AD должна равняться значению ДZ', которое определяется сопротивлением электрической дуги при КЗ в начале ЛЭП (точка А), и иметь угол б₂ = б + б_зап. Сторона АВ располагается под углом в₂ > ц_л с таким расчетом, чтобы реле надежно действовало при металлических КЗ на защищаемом участке ЛЭП (прямая AL) с учетом погрешности измерительных трансформаторов и реле. Полученная характеристика реле ABCD обеспечивает необходимую чувствительность при КЗ и имеет наилучшую отстройку от нагрузки и качаний по сравнению с другими характеристиками, обладающими равной чувствительностью при металлических КЗ. Для устранения мертвой зоны и улучшения резервирования при КЗ на длинных электропередачах можно применять смещение характеристики относительно начала координат.

12.Погрешность срабатывания pc, обусловленная током I_р

Реле сопротивления, выполняющие функции ДО, определяют зону действия ступеней ДЗ. Для обеспечения стабильности этих зон к PC предъявляются требования точности работы. В идеальном PC Z_c.p = (U_p/I_р)_с.р должно равняться заданной уставке независимо от абсолютных значений U_p и I_р. Однако в действительности, вследствие ограниченной чувствительности реагирующего органа и других элементов схемы, Z_c.p у всех видов PC зависит не только от уставки Z_y, но и от абсолютных значений тока I_p. Под его влиянием Z_c.p отклоняется от Z_y в сторону уменьшения. Возникает нежелательная погрешность ДZ в срабатывании реле, приводящая к сокращению его зоны действия. Рассмотрим характер зависимости Z_c.p = f(I_p) на примере реле с круговой характеристикой, построенного на сравнении абсолютных значений двух напряжений рабочего K_II_p и тормозного K_UU_r (см. гл.11). С учетом порога чувствительности РО, характеризуемого напряжением U_п.ч, PC приходит в действие при рабочем напряжении |K_II_p| = |K_UU_p| + U_п.ч. Разделив это значение на K_UI_p получим

Наличие второго слагаемого в правой части (11.29), зависящей от тока I_р, создает погрешность в работе PC

Из (11.29) и (11.30) следует, что основной причиной зависимости Z_c.p от I_р, вызывающей погрешность в действии статических реле, является наличие порога чувствительности у РО, для преодоления которого на вход РО необходимо подать рабочее напряжение U_раб > U_п.ч. В электромеханических PC Z_c.p также зависит от тока I_р из-за ограниченной чувствительности реле, обусловленной противодействием пружины и трением подвижной системы реле. Второй причиной, порождающей зависимость от тока, является нелинейность элементов схемы реле (полупроводниковых приборов, промежуточных трансформаторов и преобразователей и др.). Типичная характеристика Z_c.p = f(I_p), построенная на основе (11.30) Z_c.p = Z_y, изображается на рис.11.38 прямой 1. Действительная характеристика представлена кривой 2. При Z_c.p = 0, имеющем место, когда U_p, = 0, PC срабатывает только при I_р = I_с.р. При этом тормозное напряжение K_U/U_p отсутствует и согласно (11.30) I_р образует рабочее напряжение K_II_р = K_II_c.p min, необходимое для преодоления U_п.ч РО.

При малых токах I_р, соизмеримых с I_c.p min, погрешность в срабатывании реле особенно велика, Z_c.р оказывается намного меньше Z_y, что приводит к резкому уменьшению зоны действия реле. По мере увеличения I_р значение погрешности ДZ_I уменьшается и, начиная с некоторой точки (рис.11.38), становится настолько малым, что им можно пренебречь, считая, что Z_c.p = Z_y. При больших значениях I_р возможно насыщение магнитопроводов промежуточных трансформаторов и нелинейности выпрямителей, что снова вызовет увеличение ДZ_I и уменьшение Z_c.p.

Зависимость Z_c.p = f(I_p), приведенная на рис.11.38, характерна и для других видов PC, поскольку все они имеют конечную чувствительность, определяемую значением U_п.ч. Кривая 2 на рис.11.38 показывает, что каждое PC может работать с достаточной точностью только в определенном диапазоне токов I_р, особенно в начальной части кривой -- в области малых токов. Принято, что для дистанционных органов погрешность ДZ_I не должна превышать 10% Z_y.

Из этого условия по кривой Z_c.p = f(I_p), полученной опытным или расчетным путем, для каждого типа реле определяются токи точной работы: I'_точ.р в области малых тонов и I''_точ.р в области больших токов, при которых погрешность ДZ_I равна 10%, а сопротивление срабатывания Z_c.р = 0,9Z_y.

В современных конструкциях ток точной работы в начальной части характеристики . I'_точ.р ? 1 ч 7 А. При выборе уставок PC необходимо проверять, что при повреждении в конце зоны действия токи КЗ I_к min ? I'_точ.р, а I_к mах ? I''_точ.р. Если эти условия не будут выполняться, то погрешность реле превзойдет 10% и соответственно сократится зона действия PC.

Для уменьшения зависимости работы PC от тока I_р и снижения погрешности ДZ_I необходимо, как это следует из (11.30), повышать чувствительность реагирующего органа реле (уменьшая этим U_п.ч), увеличивать в возможных пределах коэффициент К_U при напряжении U_p, принимать меры к уменьшению нелинейности элементов схемы.

13.Искажение действия дистанционных органов

Причины, вызывающие искажение работы дистанционных органов (ДО). На работу ДО оказывают влияние некоторые факторы, под воздействием которых нарушается пропорциональность между Z_p на входных зажимах PC и расстоянием l_к до места КЗ. К таким факторам относятся: переходное сопротивление R_п в месте повреждения; ток подпитки, посылаемый к месту КЗ от источников, подключенных между местом установки ДЗ и точкой КЗ; погрешности ТТ и ТН, подающих к PC U_р и I_р. Искажение значений Z_p необходимо учитывать при выборе уставок и характеристик ДО во избежание нарушений селективности и недопустимого сокращения зон действия.

Влияние переходного сопротивления R_п на Z_p. При металлическом КЗ (R_п = 0) сопротивление на зажимах реле Z_p = Z_1K = Z_1 удl_к (рис.11.39), т.е. определяется только сопротивлением прямой последовательности Z_lp.к участка ЛЭП между местом расположения реле и точкой КЗ. Поскольку Z_p = l_к то зона действия ДО точно соответствует расстоянию до места КЗ l_р.к.

Если же повреждение происходит через R_п, то сопротивление контура КЗ состоит из сопротивления Z_lK = l_к поврежденного участка ЛЭП и переходного сопротивления R_п. Переходное сопротивление при междуфазном КЗ (рис.11.39) вызывается электрической дугой. При КЗ на землю кроме электрической дуги существенное значение может иметь сопротивление, обусловленное проводимостью земли, и сопротивление элементов, через которые произошло замыкание на землю. Все переходные сопротивления можно считать активными. Рассмотрим междуфазное КЗ ВС через переходное сопротивление R_п на ЛЭП с двусторонним питанием (рис.11.39). Реле PC, реагирующее на междуфазные КЗ, включено на ток и напряжение согласно табл.11.1. Как видно из рис.11.39, а:

(11.31)

где Z_lK -- сопротивление прямой последовательности участка NK до точки К; R_п -- действительное переходное сопротивление; R'_п -- то же отнесенное к фазе; I_к N -- ток КЗ от источника питания N, проходящий через реле I_р - I_к N; I_к -- ток КЗ, проходящий через R_п, равный геометрической сумме токов I_к N + I_к M = I_к; К -- комплексная величина, равная I_к/I_N = |I_к/I_N|e^jб, здесь б -- угол сдвига фаз между I_к (в месте КЗ) и I_N (в реле). Для упрощения записи разность токов I_В - I_С обозначена I_к N и I_к.

Выражение (11.31) показывает, что в общем случае при двустороннем питании сопротивление на зажимах реле Z_p = Z_1к + KR_п, в то время как при одностороннем питании ЛЭП со стороны источника N Z_p = Z_1к + R_п (в этом случае К = 1). Векторные диаграммы на рис.11.39, г характеризуют значение и положение вектора Z_p на комплексной плоскости в зависимости от значения б (или, иначе говоря, от вектора К). Если I_к отстает от I_кN (рис.11.39, г), т.е. угол б положителен, KR_п отстает от R_п; если же I_к опережает I_кN, то угол б становится отрицательным и поэтому KR_п опережает R_п. Чем больше I_к отличается от I_кN, тем больше Z_p отличается от Z_1K и тем больше искажается работа ДО. Угол между I_к и I_кN определяется сдвигом фаз ЭДС Е и Е_М, который зависит от режима нагрузки, предшествовавшего КЗ. Сокращение зон, как правило, не вызывает неселективной работы ДЗ, установленных на участках, прилегающих к поврежденному.

Сопротивление электрической дуги R_п = R_д можно оценить по формуле R_д = 1050l_д/I_д, здесь l_д -- длина дуги, м; I_д -- ток в дуге, А. В начальный момент КЗ длина дуги минимальна, а в дальнейшем увеличивается. Поэтому на быстродействующие ДЗ дуга оказывает меньшее влияние.

Влияние токов подпитки от промежуточных подстанций. В ряде случаев между местом установки ДЗ и точкой повреждения оказываются включенными источники питания N, дающие дополнительный ток I_кN к месту КЗ (рис.11.40, а). Этот ток не проходит через реле, но, создавая дополнительное падение напряжения в сопротивлении поврежденного участка, увеличивает напряжение на зажимах реле, а вместе с ним и Z_p.

Напряжение на реле с учетом подпитки

ток в реле I_р = I_кM, отсюда

Коэффициент (здесь I_к =I_кM + I_kN) называется коэффициентом распределения (или подпитки)¹.

При наличии подпитки сопротивление на зажимах реле оказывается бо'льшим, чем действительное сопротивление прямой последовательности до места КЗ, что приводит к сокращению II и III зон ДЗ.

Влияние разветвления токов при сочетании одиночных ЛЭП с параллельными. При сочетании одиночной ЛЭП с двумя параллельными (рис.11.41, б) PC, установленное на одиночной ЛЭП, измеряет преуменьшенное сопротивление при КЗ на одной из параллельных ЛЭП:

Следовательно,

где К_р -- коэффициент разветвления токов: К_р = (I_1К - I'_1К)/I_lK < 1. Влияние разветвлений должно учитываться при расчете уставок ДЗ.

Влияние погрешности измерительных трансформаторов. Погрешность ТТ уменьшает вторичный ток по сравнению с его расчетным значением, что вызывает сокращение зоны действия PC. Угловая погрешность искажает значение угла ц_р сопротивления Z_p и влияет таким образом на работу направленных PC, у которых Z_p =f(ц_р). Для ограничения искажений в работе ИО трансформаторы тока, питающие ДЗ, должны проверяться по кривым предельной кратности, которым соответствует полная погрешность, не превышающая 10%, и удовлетворять им при максимальном значении тока КЗ в конце I зоны. Погрешность ТН по коэффициенту трансформации невелика. Однако значение вторичного напряжения может заметно искажаться за счет падения напряжения в соединительных проводах, связывающих реле с ТН. Подбором сечения соединительных проводов эти искажения сводятся к минимуму. Угловая погрешность ТН влияет на работу PC так же, как и ТТ.

13.Выполнение схем дистанционных защит

В электрических сетях с напряжением 110 кВ и выше, работающих с глухозаземленными нейтралями, практически на всех линиях устанавливается дистанционная защита, рассчитанная на действие при междуфазных КЗ. Для отключения одно- и двухфазных КЗ на землю используется более простая токовая направленная защита, реагирующая на составляющие тока и напряжения нулевой последовательности. Эти защиты в большинстве случаев выполняют функции резервных защит. В качестве основной защиты широко используются дифференциально-фазная и направленная высокочастотные защиты (см. гл. 13), а на коротких линиях -- токовые дифференциальные защиты (см. гл. 10). Опыт эксплуатации показал, что такой принцип защиты высоковольтных линий электропередачи обеспечивает высокую надежность их защиты и работы энергосистем. Однако применение новых прогрессивных методов построения защит на базе процессорной техники может расширить использование дистанционного принципа для защиты линий и от однофазных КЗ на землю.

Ниже в качестве примера кратко рассмотрены наиболее распространенные в отечественной практике дистанционные защиты типа ЭПЗ-1636 и ШДЭ-2801 (на ИМС).

Дистанционная защита панели ЭПЗ-1636 выполняется трехступенчатой с реле, реагирующими на полное сопротивление Z (устройство PC рассмотрено в §11.8). На рис.11.41 представлены цепи переменного тока и напряжения защиты. Защита содержит шесть направленных реле сопротивления с круговыми характеристиками, проходящими через начало координат. Три реле 1РС-ЗРС комплекта ДЗ-2 выполняют функции дистанционного органа I и II ступеней.

В целях сокращения числа сложных реле три PC комплекта ДЗ-2 в нормальном режиме имеют уставку срабатывания I ступени Z_c.pI. При КЗ, по истечении времени действия I ступени, уставка автоматически изменяется на Z_c.pII контактами промежуточного реле 1РП. Последнее приводится в действие при КЗ PC III ступени (как показано на рис.11.41 и 11.42) и работает с замедлением 0,1-0,2 с.Реле сопротивления комплекта КРС-1 выполняют функции пускового органа и III ступени защиты. Для этих реле имеется возможность получения эллиптической характеристики и смещения характеристик в III квадрант для надежной работы при КЗ в начале линии. Реле сопротивления обоих комплектов (см. §11.5) включены на разность токов двух фаз и на соответствующие междуфазные напряжения (на петлю КЗ). Для устранения мертвой зоны, с учетом возможного смещения характеристики в I или III квадрант (из-за неравенства параметров трансреакторов и резисторов R13 и R27), к реле сопротивления дистанционного органа дополнительно подводится напряжение третьей, свободной фазы (см. § 11.8 и рис. 11.18).

На панели также предусмотрено два блокирующих устройства: блокировка при нарушениях в цепях напряжения, входящая в комплект ДЗ-2; блокировка при качаниях типа КРБ-126 или 125.

Цепи логической схемы трехступенчатой ДЗ из-за сложности представлены в упрощенном виде на рис.11.42.

На схеме показаны контакты трех PC, входящих в комплект КРС-1, выполняющие функции ДО III ступени и ПО ДЗ. При КЗ контакты этих PC замыкаются и приводят в действие реле 2ПР. Это реле является повторителем ПО. Своими контактами оно производит уставку на пуск реле времени 1РВ и 2РВ.

Реле времени 1РВ с двумя контактами (проскальзывающим и упорным) создает выдержку времени II ступени (t^'_II и t^''_II), реле 2РВ обеспечивает выдержку времени III ступени.

Устройство блокировки при качаниях КРБ, установленное на панели, блокирует (не разрешает работать) I ступень защиты контактами 1РП₄, разомкнутыми в нормальных условиях, и II ступень; если t < 1 ч 1,5 с, -- контактами 1РП₆, также разомкнутыми в нормальном режиме.

КРБ разрешает работать с t < 1,5 с I и II ступеням защиты только при КЗ, когда появляется, хотя бы кратковременно, составляющая тока обратной последовательности, вызывающая срабатывание реле РТ обратной последовательности (см. рис.11.41).

Одновременно промежуточное реле ЗРП устройства КРБ (рис.11.42) подает контактами ЗРП₂ плюс к PC ДО I и II комплекта ДЗ-2 и комплекта КРС-1, выполняя этим функции пуска защиты на время до возврата блокировки в состояние готовности к повторному действию (на 6-9 с достаточное для срабатывания резервной ступени ДЗ);

в качестве выходного реле защиты служит 4РП, имеющее рабочую 4РП_Р и удерживающую 4РП_у обмотки. На рабочую обмотку этого реле без выдержки времени действует I ступень и с соответствующими выдержками времени II и III ступени; удерживающая обмотка используется в цепи отключения;

при неисправности в цепях ТН блокировка при нарушениях в цепях напряжения, предусмотренная в комплекте ДЗ-2, подает сигнал; защита при этом не выводится из действия, так как использован токовый пуск от КРБ-126. В случае необходимости защита может быть выведена из работы специальным отключающим устройством (на схеме не показано);

в схеме предусмотрено ускорение II и III ступеней защиты при действии АПВ контактом реле ускорения 1PПУ₁ и 6РП на рис.11.42;

панель поставляется заводом с PC всех ступеней, имеющих в качестве РО нуль-индикаторы на ОУ, для которых устанавливается блок питания ± 15 В.

Таким образом, ДЗ на панели ЭПЗ-1636 обеспечивает мгновенное отключение междуфазных КЗ в пределах I ступени (0,85 длины защищаемой линии) и резервирование с выдержками времени II и III ступеней отключений междуфазных КЗ на следующем участке. В настоящее время эта ДЗ практически используется на большинстве линий ПО, 220 кВ в энергосистемах России. Подробное описание дистанционной защиты панели ЭПЗ-1636 дано в [59]. Помимо рассмотренной выше трехступенчатой дистанционной защиты от междуфазных КЗ, панель типа ЭПЗ-1636 содержит:

токовую двухрелейную отсечку, действующую без выдержки времени -- от междуфазных КЗ;

четырехступенчатую токовую направленную защиту нулевой последовательности -- от КЗ на землю;

два трехфазных токовых реле, используемых в схеме устройства резервирования отказа выключателей (УРОВ) -- для контроля наличия тока в защищаемой линии.

По разработке института "Энергосетьпроект" в настоящее время завод выпускает панель типа ЭПЗ-1636м (модернизированную), содержащую те же защиты, но разделенные на два комплекса.

В первый комплекс входит:

двухступенчатая дистанционная защита типа ДЗ-2 (I и И ступени);

блокировка при качаниях типа КРБ-126 (КРБ-125);

одноступенчатая токовая защита нулевой последовательности (IV ступень).

Во второй комплекс входит:

токовая отсечка типа КЗ-9;

одноступенчатая дистанционная защита типа КРС-1, выполняющая функции III ступени;

трехступенчатая защита нулевой последовательности типа КЗ-10.

Питание цепей переменного тока каждого комплекса может осуществляться от отдельных групп ТТ, питание цепей напряжения -- посредством отдельных кабелей от панели ТН, а питание оперативных цепей -- через отдельные автоматические выключатели.

Преимуществом такого деления является возможность взаимного резервирования по цепям одного комплекса другим.

В сетях с изолированной нейтралью или заземленной через ДГР 35 кВ, имеющих двустороннее питание и кольцевые связи, применяются, как правило, дистанционные защиты двух- и трехступенчатые с односистемным ДО и пусковыми токовыми реле (панель типа ПЗ-152), а на линиях с малыми значениями токов КЗ применяются ДЗ с пусковыми реле полного сопротивления (панель типа ПЗ-153). Вместо ДЗ серии ПЗ в настоящее время завод выпускает дистанционную защиту на ИМС типа БРЭ-2701 с токовым пусковым органом, реагирующую на все виды КЗ, включая двойные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.

14.Дистанционная защита типа шдэ-2801, выполняемая на ИМС

Дистанционная защита типа ШДЭ-2801 предназначена для РЗ ЛЭП 110-330 кВ от междуфазных КЗ [60]. Конструктивно ДЗ размещается в шкафу вместе с комплектом четырехступенчатой НТЗ НП и токовой отсечкой от междуфазных КЗ. В таком исполнении эти РЗ дополняют друг друга и служат полноценной защитой ЛЭП 110-330 кВ от всех видов КЗ. Ниже рассматривается только ДЗ. Ее упрощенная схема, поясняющая работу измерительной и логической частей, приведена на рис.11.43. Принципиальные схемы ИО рассмотрены в §11.9, поэтому на схеме они показаны в виде функциональных элементов. Логическая схема изображена с некоторыми упрощениями.

Измерительная часть (ИЧ) ДЗ ШДЭ-2801 имеет три ступени, каждая из которых состоит из трех ДО KZ.AB, KZ.BC, KZ.CA, включенных на междуфазные напряжения и разность фазных токов согласно табл. 11.1.

Дистанционные органы построены на принципе сопоставления времени несовпадения мгновенных значений сравниваемых напряжений с временем их совпадения по схеме, приведенной на рис.11.27. Характеристика срабатывания ДО I ступени имеет форму окружности, проходящей через начало координат с углом максимальной чувствительности ц_м.ч = 75° (см. рис.11.14, б). Дистанционный орган II ступени имеет характеристику срабатывания в виде четырехугольника, смещенного в III квадрант не более чем на 6% значения сопротивления срабатывания вектора Z_y, расположенного под углом 75° относительно оси координат +R (см. рис.11.14, д); дистанционный орган III ступени выполняется с характеристикой срабатывания в виде треугольника, одна из вершин которого Z₁ совмещена с началом координат (см. рис.11.14, е). Для обеспечения надежного действия ДО I и III ступеней при КЗ вблизи места установки ДЗ в схеме этих органов предусмотрен контур памяти, формирующий поляризующее напряжение U_п.

Первая ступень ДЗ работает без выдержки времени. Вторая ступень имеет два органа времени: один используется для действия II ступени с малой выдержкой времени (0,5-1,5 с), второй -- с большим временем: t > 1,5 с. Третья ступень имеет один орган времени и работает с большой выдержкой времени, равной нескольким секундам.

В схеме ДЗ предусмотрена возможность ускорения действия II и III ступеней до t = 0 при включении выключателя защищаемой ЛЭП от ключа управления или от АПВ, а также оперативного ускорения этих же ступеней, вводимого с помощью переключателей в определенных режимах для ускорения отключения КЗ. Предусмотрено блокирование действия всех ступеней ДЗ при повреждениях в цепях ТН с помощью устройства УБН, которое реагирует на нарушение баланса фазных напряжений вторичных обмоток ТН, соединенных в звезду, и обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник. В схеме ИЧ имеется устройство, блокирующее действие ДЗ при качаниях (УБК). Пусковой орган УБК реагирует на различные скорости приращения вектора тока обратной ДI₂/Дt и прямой ДI₁/Дt последовательностей при КЗ и качаниях. Схема и действие такого устройства рассмотрены в гл. 12. Пусковой орган имеет два выходных органа: чувствительный РО1 и грубый РО2; последний в 2-3 раза грубее PO1. При качаниях и в режиме нагрузки УБК запрещает действие I и II ступеней, если последняя имеет выдержку времени t < 1 с. При КЗ, вследствие внезапного появления и резкого увеличения ДI₂ и ДI₁, УБК срабатывает и вводит заблокированные ступени в действие на время, необходимое для их срабатывания (0,2-0,4-0,6 с). По истечении этого времени УБК вновь выводит их из работы (до следующего КЗ или появления несимметричного режима).

В рассматриваемой схеме ДЗ предусмотрена возможность использования УБК в качестве дополнительного пускового органа для медленно действующих II и III ступени. Такой ПО вводит II и III ступени при КЗ на время t = 3 ч 12сине позволяет им работать при больших перегрузках на защищаемой ЛЭП, а также при повреждениях в цепях ТН. В схемах ДО и блокирующих устройств измерительной части ДЗ ШДЭ-2801 используются ОУ серии К553У-Д2. Для их работы требуется источник питания с напряжением постоянного тока ± 15 В.

Логическая часть ДЗ построена на логических микросхемах серии К-511, которые обладают повышенной помехоустойчивостью, что и обусловливает целесообразность их применения в схемах РЗ. В схеме рис.11.43 микросхема К-511 применяется в качестве логического элемента, выполняющего как операции И-НЕ, так и ИЛИ-НЕ.

В первом случае в исходном режиме на входе ЛЭ (микросхемы К-511) дежурит сигнал на уровне логического 0, а на выходе -- сигнал единичного уровня в виде напряжения U¹_вых ? 12 В. Для переключения на все входы ЛЭ необходимо одновременно подать логический сигнал, тогда на выходе элемента вместо 1 появится логический сигнал 0 в виде напряжения U⁰_вых ? 0,3 ч 0,4 В. Это означает, что ЛЭ выполнил операцию И-НЕ. Если же в исходном режиме на входах ЛЭ (микросхемы) присутствуют сигналы 1, то для переключения ЛЭ достаточно подать хотя бы на один из его входов нулевой сигнал, в результате которого на выходе появится логический сигнал, означающий, что ЛЭ выполнил операцию ИЛИ-НЕ.

На рис.11.43 на каждом ЛЭ (микросхеме) согласно принятой условности показана операция, выполняемая микросхемой при положительной логике (в данном случае знаком операции И-НЕ). Для облегчения рассмотрения схемы рядом с прямоугольником ЛЭ указана выполняемая им операция в данной схеме, а внутри прямоугольника дается буквенное обозначение, принятое в схемах завода-изготовителя.

В качестве элементов времени в схеме используются бесконтактные элементы, выдержки времени которых определяются временем заряда конденсаторов. В качестве исполнительных элементов, выполняющих переключения в цепях отключения выключателей и сигнализации, применяются герконовые реле РПГ-2.

Принципы построения логической схемы (рис.11.43). Логическая схема имеет три основных канала, по элементам которых проходят соответственно сигналы от ДО (K-Z) I, II, III ступеней ДЗ на элементы четвертого общего выходного канала, формирующего выходной сигнал о срабатывании ДЗ, воздействующей на отключение ЛЭП.

Канал I ступени образован из логических элементов ИЛИ-НЕ 1 (D1.1)*, И-НЕ 1 (D2.3), усилителя мощности в виде транзистора VT и диода VD13. Сигнал о срабатывании этой ступени контролируется УБК. Блокирующий сигнал УБК через элемент ИЛИ-НЕ 3 (D5.4) поступает на вход D2.3.

Канал II ступени состоит из логического элемента ИЛИ-НЕ 2 (D2.1), выходной сигнал которого расходится по двум параллельным цепям. Одна цепь, предназначенная для работы II ступени с малой выдержкой времени, выполняется с помощью элемента И-НЕ 2' (D3.1), элемента времени DT1.1 с малой уставкой t^'_II и диода VD12. Эта цепь блокируется УБК, подающим сигнал через вспомогательный логический элемент D5.4 на вход D3.1. Вторая цепь состоит из элемента И-НЕ 2" (D3.2), элемента времени DT2.1, диода VD10.

В состав канала III ступени входят элементы ИЛИ-НЕ 3 (D2.2), И-НЕ 3' (D4.1), элемент времени DT2.2, диод VD9.

Сигналы о действии ДЗ, выходящие из I, II или III канала, приходят на общую сборную шинку СШ, откуда по IV выходному каналу, образованному из элементов D7.2 и D4.2, поступают на выходное промежуточное реле KL4. При срабатывании это реле передает команду на отключение выключателя. Прохождение сигналов о действии ДЗ по каналам I, II, III ступеней возможно только при наличии разрешающих сигналов, поступающих от УБК и УБН, а по выходному каналу при наличии двух разрешающих сигналов: одного от устройства функционального контроля, контролирующего правильность поведения элементов I, II и III каналов, и второго -- от устройства, подтверждающего срабатывание ДО какой-либо ступени.

Все полупроводниковые элементы логической схемы и ИО питаются напряжением ± 15 В, получаемым от блока питания (БП) БРЭ-2801, который имеет вывод для питания шинки нулевого потенциала. Для питания электромеханических реле блока отключения и сигнализации используется напряжение 24 В, получаемое также от БП БРЭ-2801.

Для облегчения понимания действия логической части на входах и выходах всех элементов схемы показаны логические сигналы (0 или 1), присутствующие на них при недействии ДО, УБК, УБН и устройства функционального контроля, что имеет место при нормальном режиме защищаемой сети и исправном состоянии контролируемых элементов ДЗ.

Назначение и действие элементов схемы (рис.11.43). Логические элементы D1.1, D2.1, D2.2 объединяют сигналы трех дистанционных органов каждой ступени (по схеме ИЛИ). В нормальном режиме на входе этих элементов присутствуют сигналы 1, поступающие от недействующих ДО, а на

их выходе сигналы 0. При срабатывании ДО любой ступени на входе упомянутых выше логических элементов (ИЛИ-НЕ) соответствующей ступени появляется логический сигнал 0, а на выходе -- 1. Выходные сигналы ИЛИ-НЕ 1, 2, 3 (D1.1, D2.1, D2.2 соответственно) поступают на D2.3, D3.1, D3.2, D4.1. Эти элементы служат для блокирования действия ДО в нормальном режиме и при качаниях. В этом режиме на вход указанных элементов от УБК подается единичный сигнал, а при КЗ блокировка при качаниях подает сигнал нулевого уровня, разрешающий передачу сигнала о действии ДО на следующие логические элементы (VT и элементы времени DI).

При исправном состоянии цепей напряжения от УБН на вход логических элементов И-НЕ 1, 2, 2', 3' приходит сигнал 1, разрешающий им работать. Если же в цепях напряжения возникает повреждение, то УБН посылает сигнал на уровне логического 0, запрещающий элементам И-НЕ действовать.

Блокировка при качаниях (УБК) имеет два выхода, один от чувствительного РО1, второй от грубого РО2 с одинаковым уровнем ЛС. Эти сигналы передаются по двум разным цепям БКI и БКII. По цепи БК1 через вспомогательный логический элемент D5.4 блокируется первая ступень и вторая -- с малой выдержкой времени t^'_II. В нормальном режиме и при качаниях на вход элемента D5.4, выполняющего операцию ИЛИ-НЕ, приходит сигнал 1. При этом на выходе D5.4 присутствует сигнал 0, запрещающий действовать элементам И-НЕ 1 и И-НЕ 2'. При КЗ УБК приходит в действие, посылая по цепи БКI кратковременно (в течение Дt = 0,2; 0,4; 0,6 с) логический сигнал 0 на вход D5.4, последний переключается, и на его выходе возникает единичный сигнал, разрешающий элементам И-НЕ 1 и И-НЕ 2' сработать и осуществить кратковременный пуск I и II ступеней. По истечении времени пуска Дt, достаточного для действия I ступени, разрешающий сигнал прекращается, и по цепи БКI на входы элементов D2.3 и D3.1 вновь приходит блокирующий нулевой логический сигнал. Пуск ДЗ на 0,2 с недостаточен для срабатывания II ступени с малой выдержкой времени t_II = 0,2 ч 0,6 с. Поэтому в схеме предусмотрено продление пуска подачей с выхода элемента D3.1 сигнала 0 на второй вход D5.4. При наличии этого сигнала элемент D5.4 (действующий по схеме ИЛИ-НЕ) продолжает выдавать разрешающий единичный сигнал, удерживающий в сработанном состоянии элемент D3.1. Возврат D5.4 и D3.1 происходит при возврате ДО II ступени в начальное состояние.

По цепи БКII УБК производит пуск II ступени, действующей с большей уставкой t^''_II и III ступени -- с t_III. В нормальном режиме и при качаниях по цепи БКII УБК посылает блокирующий сигнал 1, а при КЗ -- разрешающий сигнал 0 в течение t = 6 ч 12с. Эти сигналы поступают через вспомогательные инвертирующие элементы D6.1 и D6.3 на вход D3.2 и D4.1. В первом режиме при отсутствии КЗ логический сигнал 0 БК запрещает переключение обоих ЛЭ, блокируя этим прохождение, сигналов ДО II и III ступеней. Во втором режиме (при КЗ) логический сигнал 1 разрешает переключение D3.2 и D4.1. Поэтому при действии ДО II или III ступени на выходе D3.2 или D4.1 появляется сигнал 0 о пуске соответствующей ступени.

Возможны случаи, когда БК может запуститься скорее, чем начнет работать II или III ступень, и тогда пуск, осуществляемый БК, прекратится раньше, чем сработает блокируемая ступень. Для исключения этого в схеме предусмотрена подача сигнала с выхода D3.2 и D4.1 на вход D6.1 и D6.3, удерживающего их в сработанном состоянии до возврата ДО II или III ступени.

Действие элементов схемы при КЗ. При междуфазном повреждении в пределах I ступени логический сигнал 0, возникающий при этом на выходе блокирующего элемента D2.3, поступает на диод VD13, последний открывается, и логический сигнал 0 о срабатывании I ступени ДЗ появляется на входе D7.2 выходного канала IV (рис.11.43).

При КЗ в пределах II и III ступеней выходные сигналы с D3.2 (или D3.1) и D4.1 поступают соответственно на элементы времени DT1.1 (или DT2.1 и DT2.2). По истечении установленных на них выдержек времени t^''_II (или t^'_II), t_III на входе каждого элемента времени появится неинвертированный сигнал 0 в виде напряжения U⁰_x = 1 ч 1,5 В. Под действием этих сигналов принимающие их диоды VD9-VD11 открываются, и сигналы о действии И или III ступени приходят на диодную сборную шинку СШ. Диоды VD9-VD13 установлены для разделения цепей, по которым приходят сигналы. При отсутствии КЗ на катодных входах диодов VD9-VD13 присутствуют единичные логические сигналы, полученные с выходов элементов времени и транзистора VT I ступени, поэтому все диоды заперты, а на сборной шинке СШ дежурит сигнал 1 в виде напряжения E_п ? 13 В, получаемого от источника питания полупроводниковых элементов через VD5 и R3. Со сборной шинки СШ сигнал поступает на выходной элемент D4.2 через элемент ИЛИ-НЕ D7.2, осуществляющий инвертирование входного сигнала. Выходной элемент D4.2 воздействует на промежуточное реле KL4. В нормальном режиме на выходе D4.2 дежурит сигнал 1 в виде U¹ = + 15 В, поэтому KL4 не действует.

При появлении сигнала о срабатывании ДЗ на выходе D4.2 возникает сигнал 0 в виде напряжения U⁰ ? 0,3 В. На обмотке KL4 появляется напряжение U = Е_п - U⁰, реле срабатывает, передавая сигнал о срабатывании ДЗ на блок управления, выходное реле которого РП-220 подает команду на отключение выключателя.

Из схемы видно, что сигнал о действии любой ступени ДЗ, поступающий с выхода D7.2 в виде логического сигнала 1 на вход D4.2, может пройти на KL4 при условии, что на два других входа D4.2 придут сигналы 1 от D7.1 (на схеме не показан) и D4.3, которые являются выходными элементами двух устройств, контролирующих правильность функционирования элементов схемы.

Функциональный контроль комплекта дистанционной защиты основан на следующем положении. При правильном функционировании элементов устройства релейной защиты (любой) сигнал, соответствующий срабатыванию ее измерительных и логических органов, не может продолжаться в течение времени, превышающего время действия наиболее медленно работающей III ступени защиты или время вывода из действия защиты блокировкой при качаниях (УБК), имеющей выдержку времени t_cp.max. Поэтому если появится сигнал о срабатывании с большим временем: t_cp > t_cp.max, то это означает, что какой-то элемент схемы защиты неисправен.

В данной схеме ДЗ контролируется длительность сигнала (с помощью специального элемента времени) на выходе логических каналов I, II, III ступеней, чем осуществляется контроль ДО и всех логических элементов каждого из названных каналов, а также длительность выходного сигнала УБК (БКI и БКII) и УБH.

Основным элементом схемы контроля является логический элемент D1.2*, выполняющий функции ИЛИ-НЕ. На его вход приходят сигналы о срабатывании, получаемые с диодной сборки (VD9-VD13) через диод VD5, два сигнала от УБК и сигнал УБН. Выходной сигнал D1.2* действует на орган времени DT4, работающий с выдержкой времени 10-13 с: t_DT4 > t_III, t_убк и t_убн. При срабатывании орган времени приводит в действие логический элемент D4.3*, который блокирует действия выходного элемента D4.2 и пускает промежуточное реле KL3, подающее соответствующий сигнал о действии функционального контроля (ФК).

В нормальном режиме все четыре сигнала на входе D1.2* ИЛИ-НЕ имеют уровень сигнала 1, при этом на выходе присутствует сигнал 0, элемент времени DT4 не действует, и на входе D4.2 дежурит сигнал 1, разрешающий выходному элементу действовать, если на его вход поступит сигнал о срабатывании ДЗ.

При появлении хотя бы одного логического сигнала 0 на входе D1.2* элемент переключается, на его выходе появляется сигнал 1, приводящий в действие элемент времени DT4. При правильном функционировании всех элементов ДЗ и отключении с заданным временем элемент DT4 не успеет сработать, так как уставка времени DT4 выбирается больше времени, установленного на ДЗ. В этом случае на выходе D4.3* сохранится сигнал 1, разрешающий сработать D4.2 при появлении сигнала 1 (о срабатывании ДЗ) на третьем входе D4.2.

Если же сигнал о действии ДЗ или УБК был ложным, то элемент времени DT4 сработает, на его выходе появится сигнал 1, D4.3* переключится и пошлет сигнал 0 о неисправности в схеме ДЗ на вход D4.2. На выходе последнего сохранится сигнал 1, не позволяющий KL4 сработать. При этом реле KL3, получив сигнал 0, подействует и подаст сигнал о неисправности.

Кроме функционального предусмотрен тестовый контроль, позволяющий обслуживающему персоналу проверять правильность действия всех ступеней ДЗ без подсоединения испытательных устройств. Проверка осуществляется нажатием переключателей, которые приводят в действие ДО всех ступеней всех фаз и связанные с ними элементы ЛЧ. Предварительно с помощью специального блока, ДЗ выводится из работы, при этом размыкаются цепи отключения и производится образование цепей, необходимых для проведения тестового контроля.

Для упрощения на рис.11.43 не показаны некоторые элементы, выполняющие вспомогательные функции, и их связи с рассматриваемой схемой. К ним относятся: ускорение действия II и III ступеней; возможность передачи с помощью ВЧ-канала от I ступени ДЗ импульса, разрешающего отключение ЛЭП с противоположной стороны с t = 0 с и получение аналогичных сигналов по ВЧ-каналам с противоположного конца защищаемой ЛЭП; продление действия I ступени от II при близких трехфазных КЗ, когда ДО I ступени срабатывает "по памяти"; сигнализация о действии каждой ступени и схема подачи команд на отключение выключателей.

Конструктивно ДЗ типа ШДЭ-2801 состоит из двух кассет А1 и А2, закрепленных на металлическом каркасе шкафа ШДЭ-2801. В кассете А1 размещается блок питания БРЭ-2801, осуществляющий питание оперативных цепей и полупроводниковых элементов ДЗ. В кассете А2 расположены остальные блоки ДЗ. В этом же шкафу расположена третья кассета A3, в которой находятся блоки МТЗ НП.

Технические данные ДЗ ШДЭ-2801. ДЗ предназначена для работы в диапазоне температур окружающего воздуха от -10 до +45 °С. Время действия I ступени при КЗ -- не более 0,03 с. Мощность, потребляемая цепями переменного тока, 5 В·А на фазу; цепями переменного напряжения, подключенными к обмоткам ТН, соединенным в звезду, 4 В·А на фазу; цепями подключенными к обмотке разомкнутого треугольника, 3 В·А. Относительная основная погрешность по сопротивлению срабатывания ДО всех ступеней не превышает ± 10%. Относительная дополнительная погрешность, обусловленная изменением температуры окружающего воздуха в пределах от -10 до +45°С, не превышает ± 5%. Коэффициент возврата ДО всех ступеней -- не ниже 1,05. Защита работает правильно при изменении напряжения постоянного тока от -20 до + 10% U_ном. Защита не срабатывает ложно при воздействии ВЧ-помех, имеющих форму затухающих колебаний частоты 1 МГц.

Разновидности ДЗ, выпускаемых ЧЭАЗ на ИМС. Помимо ДЗ ШДЭ-2801 завод выпускает ДЗ типа ШДЭ-2802, которая состоит из двух комплектов: основного и дополнительного резервного. Основной комплект выполняется так же, как и ДЗ ШДЭ-2801, резервный комплект состоит из двухступенчатой ДЗ. В схеме ДЗ предусмотрено разделение основного и резервного комплектов по цепям тока, напряжения и оперативного тока.

Для ЛЭП 500-750 кВ ЧЭАЗ выпускает ДЗ типа ПДЭ-2001, которая имеет три ступени, УБК и УБН. Схема ДЗ построена с учетом интенсивных переходных процессов, возникающих при коммутациях и КЗ на протяженных ЛЭП.

Для сетей 35 кВ с изолированной нейтралью выпускается односистемная трехступенчатая ДЗ типа ШДЭ-2701 с токовыми ПО. Для ЛЭП 10 и 35 кВ изготавливаются ДЗ типа ДЗ-10 с зависимой характеристикой выдержки времени. В качестве самостоятельных ИО для сетей 110 и 220 к В выпускается комплект из трех ДО БРЭ-2801.

15.Выбор установок дистанционной защиты

Ниже рассматривается выбор характеристик трехступенчатой ДЗ на примере участка сети с одиночными ЛЭП, показанного на рис.11.44. Выбираются уставки ДЗ А, уставки ДЗ В и С принимаются заданными. Характеристики согласуемых защит t_з = f(Z) изображаются графически на диаграмме в осях Z, t (рис.11.44, б). На оси Z откладываются первичные сопротивления прямой последовательности Z₁ участков сети.

При выборе сопротивления срабатывания ДО необходимо учитывать погрешности, вызывающие отклонение Z_c.з от принятой уставки Z_y. Действительное значение Z_c.з = Z_y ± ДZ. На значение ДZ влияют погрешности ДО, ТН и ТТ. В расчетах принимается Д_ТТ = -0,1; Д_ТН = ± 0,05; Д_ДО = ± 0,1. Помимо этих погрешностей вводится запас, учитывающий погрешности расчета и регулирования уставок. Расчет сопротивлений срабатывания удобнее вести в первичных величинах (U_р, I_p, Z_p) с последующим пересчетом выбранных уставок на вторичную сторону.