МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

 

 

 

 

 

М.В.Башкиров

С.А. Бугубаев

 

 

 

 

 

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебное пособие

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2010

УДК 621.316.925 (075.8)

ББК 31.27-05

Б90 Релейная защита и автоматика  электроэнергетических систем.: Учебное пособие М.В. Башкиров., С.А. Бугубаев.

АУЭС. Алматы, 2009.– 101 с.

ISBN 978-601-7098-36-0

 

Изложены вопросы, касающиеся устройства и принципов работы релейной защиты электроэнергетических систем. Рассмотрены принципы реализации схем защиты линий, трансформаторов, шин.

Уделено внимание современным микропроцессорным реле, принципам построения, их возможностям, а также тестовым испытаниям и эксплуатации.

Рекомендуется для студентов, обучающихся в области электроэнергетики по специальности 5В071800 «Электроэнергетика» при изучении курсов: «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения», «Релейная защита электроэнергетических систем».

Может быть использовано студентами родственных специальностей при изучении соответствующих дисциплин, а также в курсовом проектировании.

Ил. 62,  библиогр. - 6 назв.

 

 

 

ББК 31.27 – 05

 

 

Рецензенты: КазАТК, канд. техн. наук, доцент Каз АТК С.В. Кельбас.

           АУЭС, канд. техн. наук, К.А. Бакенов.

                     

 

 

 

 

Печатается по плану издания Министерство образования и науки Республики казахстан на 2009 год.

 

ISBN 978-601-7098-36-0

 

 

 

 

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2010 г.

Предисловие

 

Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная бесперебойная работа электроэнергетических систем. Основным назначением релейной защиты является автоматическое отключение поврежденного элемента системы от остальной неповрежденной части при помощи силовых выключателей или осуществление сигнализации оперативному персоналу для устранения ненормального режима работы.

В современных условиях значение релейной защиты особенно возрастает в связи с ростом потребления электрической энергии, ужесточением требований в отношении надежности и быстродействия систем электроснабжения и качества электроэнергии. Используемые до сих пор на практике релейные зашиты, выполненные на электромеханических реле, не вполне могут удовлетворить указанным требованиям. Поэтому в настоящее время происходит внедрение в практику программируемых микропроцессорных защит, алгоритм функционирования которых задается программой, хранимой в запоминающем устройстве ЭВМ. Микропроцессорные релейные защиты обладают высокой надежностью, быстродействием и помехозащищенностью, возможностью реализации более сложных и совершенных алгоритмов управления, удобством настройки, наладки и эксплуатации, а также интеграцией систем оперативного и автоматического управления. Кроме того цифровые устройства релейной защиты используются для создания терминалов автоматизированных систем управления технологическими процессами.

В данном учебном пособии содержится материал для изучения устройств релейной защиты, выполненных на электромеханических реле и на микропроцессорной базе. Пособие содержит схемы релейной защиты линий, трансформаторов, шин, а также материал по цифровым реле. Пособие может быть использовано студентами при курсовом и дипломном проектировании релейных защит электроэнергетических систем.

 

1 Общие понятия о релейной защите

 

1.1 История развития РЗА

 

В 1888г. выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский, которому принадлежит много работ и изобретений в разных областях электротехники, изобрел систему трехфазного тока. Вскоре под его руководством впервые в мире была осуществлена передача электрической энергии токами достаточно высокого напряжения (15 кВ) на большое расстояние. На гидроэлектростанции около города Лауфена (Германия) был смонтирован трехфазный генератор 300 л.с., повысительный трансформатор, линия электропередачи напряжением 15 кВ/ междуфазных, понизительный трансформатор и приемник - в виде трехфазного двигателя. Налицо были все основные элементы современных систем электроснабжения. В их числе были смонтированы и устройства защиты трехфазной линии электропередачи. История первого срабатывания первого защитного устройства трехфазной системы такова. Еще при проектировании линии электропередачи общественность высказала опасение относительно безопасности линии, при каких - либо ее повреждениях. Поэтому вместо предложенного М.О. Доливо-Добровольским напряжения 28 - 30 кВ было дано добро только на напряжение 15 кВ. Несмотря на это, после окончания строительства власти городов, вблизи которых проходила эта линия, запретили ее включение, потребовав дополнительных доказательств ее безопасности. И тогда автор пошел на рискованный эксперимент. После подачи напряжения, в месте пересечения этой линии с железной дорогой был искусственно оборван провод. Сразу после касания рельса проводом М.О, Доливо-Добровольский подошел к нему и на глазах многочисленных официальных представителей коснулся его голой рукой. Можно с нынешних позиций техники безопасности осуждать действия Доливо-Добровольского, но нельзя не восхищаться его смелостью и уверенностью в том, что защита, сконструированная им, отключит поврежденную линию! Трудно представить более наглядную демонстрацию необходимости защитных устройств и эффективности их действия.

По мере развития трехфазных систем электроснабжения в XX веке стала развиваться и техника релейной защиты, на первом этапе основанная на принципе реагирования на увеличение тока, протекающего через защищаемый элемент. Почти сразу встал вопрос о том, как отличить токи, определяемые нагрузкой, от токов, которые определяются повреждением элементов электроснабжения. Другими словами, возникла необходимость рассчитать ток короткого замыкания. Работая над системой трехфазного переменного тока. М О. Доливо - Добровольский начал использовать векторные диаграммы для изображения трехфазных токов и напряжений. В 1893 году на международном электротехническом конгрессе американский электротехник Ч.П. Штейнмец показал возможность использования комплексных чисел для описания электрических величин переменного тока. Все эти достижения готовили базу для расчета токов короткого замыкания и сопротивлений.

К 1909 году была разработана теория протекания тока в земле, что оказалось важным для анализа несимметричных коротких замыканий. В1930 году, американский ученый Фортескью предложил несимметричную и нескомпенсированную систему векторов представлять в виде геометрической суммы двух симметричных и скомпенсированных векторов и одной нескомпенсированной системы одинаково направленных векторов. Применительно к трехфазным несимметричным электрическим цепям эти идеи развили Вагнер и Эванс, а применительно к расчету токов короткого замыкания - Вагнер и Щедрин]. Этот метод впоследствии был назван методом симметричных составляющих (название не совсем точное, поскольку третья система векторов не является симметричной). Первые две системы векторов были названы составляющими прямой и обратной последовательности, а третья - составляющей нулевой последовательности. Техника релейной защиты совершенствовалась с развитием энергосистемы и ростом уровня напряжений линий электропередач. В заключение исторического обзора о развитии  релейной защиты и автоматики приведем выдержку из современного учебника  по релейной защите господина Элмора (США 1994г), в котором автор столь проникновенно пишет о релейной защите, что трудно оставить этот текст без внимания: «Релейная защита - постоянно изменяющаяся и расширяющаяся наука, что восхищает даже тех, кто глубоко и всеобъемлюще вовлечен в эту науку, и в первую очередь, автора этой книги». Не случайно релейщиков называют "белой костью и голубой кровью энергетики", т. e. причисляют к аристократическому сословию. Это потому, что в релейных службах задерживаются только хорошо теоретически подготовленные инженеры, способные творчески относиться к сложнейшим задачам, от правильною решения которых зависит успешная деятельность энергетических систем

 

1.2 Назначение релейной защиты и автоматики

 

При эксплуатации энергетического оборудования и электрических сетей неизбежны их повреждения и ненормальные режимы. Наиболее опасными являются короткие замыкания, повреждения изоляции и перегрузки.

Короткие замыкания возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала (включения под напряжение заземленного оборудования, отключения разъединителей под нагрузкой) и других причин.

В большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга, термическое действие которой приводит к разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электрических аппаратов. При КЗ к месту повреждения подходят большие токи (токи КЗ), измеряемые тысячами ампер, которые перегревают неповрежденные токоведущие части и могут вызвать дополнительные повреждения, т. е. развитие аварии. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов.

В большинстве случаев развитие аварий может быть предотвращено быстрым отключением поврежденного участка электрической установки или сети при помощи специальных автоматических устройств, действующих на отключение выключателей, и. получивших название релейная защита.

При отключении выключателей поврежденного элемента гаснет электрическая дуга в месте КЗ, прекращается прохождение тока КЗ и восстанавливается нормальное напряжение на неповрежденной части электрической установки или сети. Благодаря, этому минимизируются или даже совсем предотвращаются повреждения оборудования, на котором возникло КЗ, а также восстанавливается нормальная работа неповрежденного оборудования.

Таким образом, основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения КЗ и быстрое автоматическое отключение выключателей поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части электрической установки или сети.

Кроме повреждений электрического оборудования могут возникать такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью, выделение газа в результате разложения масла в трансформаторе или понижение уровня масла в его расширителе и др.

В указанных случаях нет необходимости немедленного отключения оборудования, так как эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут самоустраняться. Поэтому при нарушении нормального режима работы на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом, как правило, достаточно дать предупредительный сигнал персоналу подстанции. На подстанциях без постоянного обслуживающего персонала и в отдельных случаях на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени.

Таким образом, вторым назначением релейной защиты является выявление нарушений нормальных режимов работы оборудования, которые могут привести к аварии, и подача предупредительных сигналов обслуживающему персоналу, или отключение оборудования с выдержкой времени. Устройства РЗА должны быть постоянно включены. Устройства аварийной и предупредительной сигнализации должны быть всегда готовы к действию.

Свое название релейная защита получила от названия основного элемента схем защиты – реле. Историки утверждают, что реле впервые было разработано и построено русским ученым П.Л. Шиллингом в 1830-1832 гг. Это реле составляло основную часть вызывного устройства в разработанном им телеграфе. Первенство оспаривает известный физик Генри (его именем названа единица индуктивности), который сконструировал реле в 1835 году. В 1837 году аппарат получил применение в телеграфии, в связи с чем и получил название «реле», что в переводе с французского означало «перекладные лошади». В отрасли релейной защиты термином реле обычно обозначают автоматически действующее устройство, производящее скачкообразное изменение (так называемое релейное действие) в управляющей системе при заданном изменении контролируемых параметров.      Так, например, реле максимального тока при увеличении тока в контролируемой цепи (куда включена токовая обмотка этого реле) до заданного значения, называемого током срабатывания, замыкает своими контактами управляемую цепь.

В настоящее время мы переживаем настоящую техническую революцию, связанную с приходом нового поколения устройств РЗА – микроэлектронной и микропроцессорной техники.

 

1.3 Классификация реле защиты

 

По способу подключения реле бывают:

1) первичные (прямое включение в цепь защищаемого элемента);

2) вторичные (включение через измерительные трансформаторы тока, напряжения).

По исполнению реле бывают:

1) электромеханические, с подвижными элементами и контактными системами;

2) статические, без подвижных элементов и контактов (электронные, микропроцессорные).

По назначению реле подразделяются на:

1) измерительные реле (тока, напряжения, сопротивления, мощности, частоты, температуры, уровня) могут быть максимального или минимального действия;

2) логические реле (промежуточные, двухпозиционные, времени, указательные (сигнальные).

Для измерительных реле характерно наличие опорных (образцовых) элементов в виде калиброванных пружин, источников стабильного напряжения, тока и т.п. Они входят в состав реле и воспроизводят заранее установленные значения, называемые - уставкой, какой-либо физической величины, с которой сравнивается контролируемая величина. Термин "уставка" предложен инженером Л.С. Бобровским (Свирьстрой, Ленинград) в 1929 г. взамен имеющего несколько значений термина "установка". Максимальные реле срабатывают при повышении контролируемого параметра, а минимальные – при понижении.

Логические реле (промежуточные реле) служат для размножения импульсов, полученных от других реле, усиления этих импульсов и передачи команд другим аппаратам, создания выдержек времени между отдельными операциями (реле времени), и для регистрации действия, как самих реле, так и других вторичных аппаратов (указательные реле).

По способу воздействия на выключатель:

1) реле прямого действия, подвижная система которых механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата (РТМ, РТВ);

2) реле косвенного действия, которые управляют цепью электромагнита отключения.

 

1.4 Основные виды релейной защиты

 

1) максимальная токовая защита (МТЗ) для радиальных линий 10-35кВ с одним источником  питания;

2) направленная максимальная токовая защита для  линий 10-35кВ с двумя источниками  питания;

3) газовая защита (ГЗ) трансформаторов, автотрансформаторов;

4) дифференциальная защита трансформаторов (ДЗТ), линий электропередачи (ДЗЛ);

5) дистанционная защита (ДЗ) линий 110-1150кВ в сетях с несколькими источниками питания;

6) дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ) для линий 220-1150кВ.

Если назначением релейной защиты является в первую очередь отключение оборудования, то в функции электроавтоматики входит его включение. В чистом виде к электроавтоматике относят автоматическое повторное включение (АПВ) и автоматическое включение резервного питания или механизма (сокращенно автоматический ввод резерва - (АВР).

Кроме этого существует противоаварийная режимная автоматика. К ней относят: автоматическую частотную разгрузку (АЧР); автоматическое регулирование частоты и активной мощности (АРЧМ).

Имеется также противоаварийная системная автоматика: разгрузка электростанций, предотвращение и прекращение асинхронного режима (АЛАР), предотвращение недопустимого повышения (АОПН) или снижения напряжения (АОСН) в узле, автоматика дозированного воздействия (АДВ), автоматика предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ), автоматика деления сети (ДС), автоматика ограничения повышения частоты (АОПЧ), автоматика ограничения снижения частоты (АОСЧ), автоматика наброса мощности (АНМ) с контролем предшествующего режима (КПР). Такие устройства размещаются на крупных электростанциях и подстанциях сверхвысокого напряжения.

 

1.5  Основные требования, предъявляемые к релейной защите

 

К релейной защите предъявляются такие основные требования:

а) быстродействие;

б) селективность;

в) чувствительность;

г) надежность;

д) быстродействие

Быстродействие – это свойство релейной защиты отключать повреждение с минимально возможной выдержкой времени. Для сохранения устойчивости энергосистем требуется весь­ма малое время отключения КЗ. На ЛЭП 750-1150 кВ между­фазные КЗ необходимо отключать через 0,06-0,08 с после их возникновения, на ЛЭП 330-500 кВ - за 0,1-0,12 с, на ЛЭП 110-220 кВ-за 0,15-0,3 с.

Селективностью называется способность релейной защиты выявлять место повреждения и отключать его только ближайшими к нему выключателями (см.рисунок 2.1).

Рисунок 1.1 - Схема электроустановки к пояснению принципа

селективности релейной защиты

 

Так, при КЗ в точке К1 (см.рисунок 1.1) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита только на выключателе и отключить этот выключатель Q1. При этом остальная неповрежденная часть электрической установки останется в работе. Такое избирательное действие защиты называется селективным. Если же при КЗ в точке К1 раньше защиты выключателя Q1 или одновременно с ней подействует защита выключателя Q4 и отключит этот выключатель, то ликвидация аварии будет неправильной, так как, кроме поврежденного электродвигателя M1, останется без напряжения неповрежденный электродвигатель М2. Такое действие защиты называется неселективным.

Из рисунка 1.1 видно, что если при КЗ в точке K1 подействует неправильно защита выключателя Q5 и отключит этот выключатель, то последствия такого неселективного действия будут еще более тяжелыми, так как без напряжения останутся оба неповрежденных электродвигателя М2 и МЗ.

Рассмотренный пример показывает, какое важное значение имеет выполнение требования селективности для обеспечения правильной ликвидации аварий.

Чувствительность – это свойство защиты надежно срабатывать при КЗ в конце защищаемого участка в минимальном режиме работы системы.

Защита должна обладать такой чувствительностью к тем видам повреждений и нарушений нормального режима работы в данной электрической установке или электрической сети, на которые она рассчитана, чтобы было обеспечено ее действие в начале возникновения повреждения, чем сокращаются размеры повреждения оборудования в месте КЗ.

Надежность – это свойство защиты гарантированно выполнять свои функции на протяжении всего периода эксплуатации. Защита должна правильно и безотказно действовать на отключение выключателей оборудования при всех его повреждениях и нарушениях нормального режима работы, для действия при которых она предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима работы, при которых действие данной защиты не предусмотрено, и должна действовать другая защита. Требование надежности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкций аппаратуры, добротностью деталей, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации.

Основные органы защиты

Устройства релейной защиты состоят, как правило, из таких основных частей:

- пусковых органов;

- измерительных органов;

- логической части;

- исполнительной части;

- передающей части.

Пусковые органы непосредственно и непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого оборудования и реагируют на возникновение КЗ и нарушения нормального режима работы. Пусковые органы выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др.

На измерительные органы возлагается задача определения места и характера повреждения и принятие решения о необходимости действия защиты. Измерительные органы также выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др. Функции пускового и измерительного органа могут быть объединены в одном органе.

Логическая часть представляет собой схему, которая запускается пусковыми органами и, сопоставляя последовательность и продолжительность действия измерительных органов, производит отключение выключателей мгновенно или с выдержкой времени, запускает другие устройства, подает сигналы и производит прочие предусмотренные действия. Логическая часть состоит в основном из элементов времени (таймеров), логических элементов, промежуточных и указательных реле. В аналоговых и микропроцессорных устройствах к ним добавляются дискретные входы и индикаторные светодиоды.

Исполнительная часть выполняет действие на отключение (включение) выключателей, или других внешних устройств.

Передающая часть используется в некоторых видах защит. Например, приемопередающая аппаратура ВЧ канала у дифференциально-фазных защит.

    

 

1.6 Замыкания в сетях, некоторые сведения о сетях переменного тока

 

В большинстве электрических сетей применяется переменный ток, в связи с его существенными преимуществами перед постоянным током.

Сети могут быть однофазные и трехфазные. Однофазные сети состоят из прямого и обратного провода, т.е. для передачи требуется обязательно 2 провода. Трехфазная сеть состоит из трех проводов и таким образом обратный провод отсутствует. Так как в трехфазной симметричной сети сумма токов трех фаз равна нулю, исчезает необходимость в обратном проводе. Если же трехфазная сеть используется для питания однофазных электроприемников, то нагрузка по фазам может быть неодинакова, и появляется необходимость в обратном проводе, в котором протекает разность токов трех фаз. В трехфазном четырехпроводном исполнении выполнены сети 0.4 кВ бытового назначения.

Величины напряжения стандартизованы и величина их в странах СНГ соответствует следующей шкале:

220 В, 0.4; 1; 2; 3; 6; 10; 15; 20, 25; 35; 110; 154; 220; 330; 400; 500; 750; 1150 кВ.

При этом подразумевается величина напряжения между фазами – линейное напряжение. Реальная величина напряжения электрических аппаратов может отличаться от этой шкалы на 5% и более – эта шкала поэтому именуется классом напряжения.

Трехфазные сети имеют четвертую точку, которая может существовать физически или условно. Эта точка называется нейтралью. Напряжение в этой точке равно геометрической сумме напряжений трех фаз, а напряжение фазы равно напряжению между фазным проводом и этой нейтральной точкой. Трехфазные аппараты могут иметь обмотки, которые соединяются между собой в звезду – концы всех обмоток соединяются в одну точку – это нейтраль – физически существующая нулевая точка. Если обмотки соединяются в треугольник, каждая обмотка подключается к 2 фазам, такая точка физически отсутствует, однако она существует – это земля, относительно которой и измеряются фазные напряжения. Напряжение между 2 фазами называется линейным (междуфазным напряжением), напряжение между фазой и землей – фазным.

По режиму нейтрали сети разделяются на сети с изолированной и заземленной нейтралью. К сетям с изолированной нейтралью относятся сети напряжением 1÷35кВ. В этих сетях нулевая точка изолирована от земли, или соединена с землей через большое сопротивление дугогасящего реактора, или через активное сопротивление 500 ÷100 Ом.

К сетям с заземленной нейтралью относятся сети 0,4 кВ и сети 110÷1150 кВ. В сетях с заземленной нейтралью, нейтраль обмотки трансформатора соединенной в звезду, присоединяется к заземляющему контуру непосредственно или через малое сопротивление. Сети напряжением 110-220кВ называются также сетями с эффективно заземленной нейтралью. В таких сетях нейтраль части трансформаторов остается разземленной. Это снижет величину тока короткого замыкания и улучшает работу релейной защиты. Однако при этом требуется следить, чтобы ни в одном из возможных режимов не выделялся участок сети, где нейтрали всех трансформаторов изолированы.

 

1.7 Повреждения и ненормальные режимы работы в энергосистемах

 

а) Основные сведения о коротких замыканиях.

Большинство повреждений в ЭЭС приводит к коротким за­мыканиям (КЗ) фаз между собой или на землю. Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием как по виду, так и по характеру повреждения.

Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений.

          

Рисунок 1.2 - Основные виды коротких замыканий:

а)  трехфазное; б) двухфазное;  в)  двухфазное на землю; г) однофазное

       

В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственные (или, как говорят, «глухое» или «металлическое») соединение фаз между собой, или на землю (для сети с заземленной нейтралью). Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий электропередачи напряжением до 330 кВ. Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми. Основные виды КЗ показаны на рисунке 1.2 Междуфазные КЗ - двухфазные и трехфазные - возникают в сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью.

Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывания и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.

б) Ненормальные режимы

Перегрузка оборудования, вызванная сверхтоком, т. е. увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальное значение тока, допускаемое для данного оборудования в течение неограниченного времени. Если ток I, проходящий по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемой им дополнительной теплоты температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимое значение, что приводит к ускоренному старению изоляции и токоведущих частей. Причиной сверхтока может быть увеличение нагрузки или появление КЗ за пределами защищаемого элемента (внешнее КЗ). Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или отключению.

Повышение напряжения сверх допустимого значения может возникнуть на гидрогенераторах, а также на турбогенераторах большой мощности, работающих по схеме блока, при внезапном отключении их от сети. Для предотвращения повреждения оборудования предусматривается РЗ, действующая на гашение поля генератора.

Опасное для изоляции оборудования повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных ЛЭП высокого напряжения (ВН) с большой емкостной проводимостью. Ликвидация опасных повышений напряжения в сетях сверхвысокого напряжения осуществляется с помощью специальной автоматики.

 

2 Трансформаторы тока и напряжения

 

2.1 Трансформаторы тока

 

Трансформаторы тока (ТТ) служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же для приведения величины тока к уровню удобному для измерения (стандартный номинальный ток вторичной обмотки 1А или 5 А).

Устройство и схема включения ТТ показаны на рисунке 2.1. ТТ состоит из стального сердечника С и двух обмоток: первичной (с числом витков w₁) и вторичной (с числом витков w₂). Часто ТТ изготовляются с двумя и более сердечниками. В таких конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (см. рисунке 2.1, б). Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока, или защита которого осуществляется. К вторичной обмотке, выполняемой проводом меньшего сечения и имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

Ток, проходящий по первичной обмотке ТТ, называется первичным и обозначается I₁, а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается I₂. Ток I₁ создает в сердечнике ТТ магнитный поток Ф_1, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂, также создающий в сердечнике магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности:

 

                                              Ф₀ = Ф₁ – Ф₂ .                                                               (2.1)

 

                      

                    

         Рисунок 2.1- Устройство и схема             Рисунок. 2.2- Маркировка

         включения  трансформаторов  тока:        (обозначение)  выводов 

         а)  с одним сердечником;                          обмоток трансформаторов       

         б) с двумя  сердечниками                         тока                                                                                                           

 

Магнитный поток зависит не только от значения создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется магнитодвижущей силой и выражается в ампервитках (А•вит.). Поэтому, выражение (2.1) можно заменить выражением:

 

                                                    F₀ = F₁ – F₂                                                         (2.2)

 

или

 

                                                  I₀w₁ = I₁w₁ – I₂w₂                                                   (2.3)

 

где I₀ – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока, обеспечивает результирующий магнитный поток в сердечнике (в дальнейшем обозначается I_нам);

W₁ , W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

Поскольку при значениях первичного тока, близких к номинальному, ток намагничивания не превышает 0,5-3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать I₀ = 0. Тогда из выражения (2.3) следует:

 

                                                   I₁ / I₂ =w₂ /w₁ .

 

Отношение витков w₂ /w₁ = К_В называется витковым коэффициентом трансформации ТТ.

 

                                                                                                     (2.4)

Согласно действующему стандарту, отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации. Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках ТТ, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой – номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток, например: 600/5 или 1000/1. Определение вторичного тока по известному первичному и, наоборот, производится по номинальным коэффициентам трансформации в соответствии с формулами:

 

              I₂ = I₁/K₁;     I₁ = I₂K₁.                                                    (2.5)

 

Для правильного соединения ТТ между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков, выводы обмоток ТТ обозначаются (маркируются) заводами-изготовителями следующим образом: начало первичной обмотки – Л_1, начало вторичной обмотки – И₁ конец первичной обмотки – Л₂, конец вторичной обмотки – И₂. При монтаже ТТ они обычно располагаются так, чтобы начала первичных обмоток Л₁ были обращены в сторону шин, а концы Л₂ – в сторону защищаемого оборудования.

При маркировке обмоток ТТ за начало вторичной обмотки Н: принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н к концу К, как показано на рисунке 2.2. При включении реле КA по этому правилу, ток в реле, как показано на рисунке 2.2, при включении его через ТТ сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.

В нормальном режиме трансформаторы тока, вторичная обмотка которых замкнута на малое сопротивление токовых обмоток приборов и реле, работают в режиме близком к короткому замыканию. Из условий безопасности персонала при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока, вторичные обмотки трансформаторов тока должны быть обязательно заземлены. Заземление вторичных цепей трансформаторов тока выполняется в одной точке и, как правило, на ближайшей к ним клеммой сборке.

Погрешности трансформаторов тока. Коэффициент трансформации ТТ так же, как у ТН, не является строго постоянной величиной и из-за погрешностей может отличаться от номинального значения. Погрешности ТТ зависят главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке. При увеличении нагрузки или тока выше определенных значений погрешность возрастает и ТТ переходит в другой класс точности.

Для измерительных приборов погрешность относится к зоне нагрузочных токов 0,2 – 1,2 I_ном. Эта погрешность именуется классом точности и может быть равна 0,2; 0,5; 1,0; 3,0. Требования к работе ТТ, питающих защиту, существенно отличаются от требований к ТТ, питающим измерительные приборы. Если ТТ, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к их номинальному току, то ТТ, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов КЗ, значительно превышающих номинальный ток ТТ. Для целей защиты выпускаются трансформаторы тока класса Р или Д (для дифференциальных защит) в которых не нормируется погрешность при малых (нагрузочных) токах. В настоящее время выпускаются трансформаторы тока классов 10Р и 5Р, погрешность которых нормируется во всем диапазоне токов.

Правила устройства электроустановок требуют, чтобы ТТ, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%, Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты. Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, нагрев обмоток.

 

2.2 Трансформаторы напряжения

 

Как и трансформаторы тока, трансформаторы напряжения выполняют две функции: служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же, для приведения величины напряжения к уровню удобному для измерения (стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки: 100/57В). ТН работают в режиме близком к холостому ходу.

Трансформатор напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен силовому трансформатору. Как показано на рисунке 2.3, трансформатор напряжения TV состоит из стального сердечника (магнитопровода) С, собранного из тонких пластин трансформаторной стали, и двух обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Первичная обмотка w₁ имеющая большое число витков (несколько тысяч) тонкого провода, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке w₂ имеющей меньшее количество витков (несколько сотен), подключаются параллельно реле и измерительные приборы. Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней ЭДС Е, которая при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход ТН) равна напряжению на ее зажимах U_2x.

Напряжение U_2x во столько раз меньше первичного напряжения U₁, во сколько раз число витков вторичной обмотки w₂ меньше числа витков первичной обмотки w₁.

 

                                                                                                                (2.6)

                                                  

Рисунок 2.3 - Устройство и схема включения трансформатора напряжения

 

Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается

 

                                                       K_U = w₁/w₂.                                                          (2.7)

 

Введя такое обозначение, можно написать:

 

                                                                                                              (2.8)

 

Для правильного соединения между собой вторичных обмоток ТН и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков. Заводы-изготовители обозначают (маркируют) выводные зажимы обмоток определенным образом: начало первичной обмотки – А, конец – Х; начало основной вторичной обмотки – а, конец – х; начало дополнительной вторичной обмотки – а_д, конец – х_д.

 

2.3 Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока

 

а) Схема соединения ТТ и обмоток реле в полную звезду.

Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки ТТ и обмотки реле соединяются в звезду, и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым (см.рисунок 2.4). В нулевую точку объединяются одноименные зажимы обмоток ТТ. Стрелками показаны условные положительные направления первичных и вторичных токов с учетом полярности обмоток ТТ, начала которых обозначены точками.

 

Рисунок 2.4 - Схема соединений ТТ и обмоток реле в звезду

 

При нормальном режиме и трехфазном КЗ, как показано на рисунке 2.4, в реле I, II и III проходят токи фаз I_а = I_A / K_I;     

I_b = I_B /K_I; I_c = I_C / K_I, а в нулевом проводе  их геометрическая сумма:

 

                                   I_н.п = (I_а + I_b + I_с)                                                 (2.9)

 

которая при симметричных режимах равна нулю (рисунке 2.5, а). При двухфазных КЗ ток проходит только в двух поврежденных фазах и соответственно в реле, подключенных к ТТ поврежденных фаз (см.рисунке 2.5, б), ток в неповрежденной фазе отсутствует:

 

I_C = -I_B.

 

Ток в нулевом проводе отсутствует как в нагрузочном (симметричном) режиме, так и при трех- и двухфазных КЗ. Однако в результате неидентичности характеристик и погрешностей ТТ в нулевом проводе протекает ток небаланса I_н.п = I_нб: в нормальном режиме он имеет значение 0,01-0,2 А, а при КЗ возрастает.

При однофазных КЗ первичный ток протекает только по одной поврежденной фазе (см.рисунке 2.5, в). Соответствующий ему вторичный ток протекает также только через одно реле и замыкается по нулевому проводу.

Нулевой провод схемы соединения в звезду является фильтром токов НП. 

Как рассматриваемая, так и другие схемы соединения ТТ и реле характеризуются отношением тока в реле I_р к току в фазе I_ф, которое называется коэффициентом  схемы:

 

                     k_сх = I_p / I_ф.                                                      (2.10)

       

                                                                                     

Рисунок 2.5 - Векторная диаграмма токов

 

Для схемы соединения в звезду k_сх = 1.

 

Рисунок 2.6 - прохождение токов симметричных составляющих

 

б) Схема соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах и соединяются так же, как и в схеме соединения в звезду (см.рисунке 2.7 а). В реле I и III проходят токи соответствующих фаз

 

I_a =I_A/K_I   и   I_c = Ic/K_I,

 

а в обратном (общем) проводе (реле IV) ток равен их геометрической сумме:

 

                        I_о.п = I_IV = -(I_а +I_с).                                                 (2.11)

 

С учетом векторной диаграммы I_а + I_c = -I_b, т. е. I_o.п равен току фазы, отсутствующей во вторичной цепи (см.рисунок  2.7, б).

                 

Рисунок 2.7 - Схема соединения ТТ и обмоток реле

в неполную звезду

 

При трехфазном КЗ и в нормальном режиме токи проходят по обоим реле I и III и в обратном проводе. В случае двухфазного КЗ токи появляются в одном или двух реле (I и III) в зависимости от того, какие фазы повреждены. Ток в обратном проводе при двухфазных КЗ между фазами А и С, в которых установлены ТТ согласно рисунку 2.7, б с учетом того, что I_c = -I_а, равен нулю, а при замыканиях между фазами АВ и ВС он соответственно равен: I_o.п = -I_а и I_o.п = -I_c.

В случае однофазного КЗ фаз (А или С), в которых установлены ТТ, во вторичной обмотке ТТ и обратном проводе проходит ток КЗ. При замыкании на землю фазы В, в которой ТТ не установлен, токи в РЗ не появляются. Коэффициент схемы  k_cx= 1.

 

в) Схема соединения с двумя ТТ и одним реле, включенным на разность токов двух фаз.

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах (например, А и С на рисунке 2.8); их вторичные обмотки соединяются разноименными зажимами, к которым подключается обмотка реле. Из токораспределения, показанного на рисунке 2.8 для случая, когда по первичной цепи проходят положительные токи I_А, I_В, I_С, находим, что ток в реле I_p равен геометрической разности токов двух фаз I_а и I_c, т.е.

 

                                I_p  =   I_a – I_c                                                  (2.12)

 

где I_a= I_A / K_I;  I_c = I_C / K_I.

При симметричной нагрузке и трехфазном КЗ разность то­ков   I_a – I_c в  раз больше тока в фазе (I_a и I_c) и, следовательно,

 

                             I⁽³⁾_p = I_ф.                                                (2.13)

 

При двухфазном КЗ АС (фазы, на которых установлены ТТ):

           

 

                                                         I⁽²⁾_p = I_a – (-I_c) = 2I_ф,                                     (2.14)

 

где I_ф =          .

        При двухфазных КЗ АВ или ВС в реле поступает ток только одной фазы I_а или I_с:

 

                                     I⁽²⁾_p = I_ф                                                       (2.15)

где I_ф = I_a или I_ф = I_c.

Из (2.13) - (2.15) следует, что данная схема по сравнению со схемами полной и двухфазной звезды имеет худшую в  раз чувствительность при КЗ между фазами АВ и ВС. При нарушении (обрыве) вторичной цепи одного из ТТ в нулевом проводе возникает ток, равный току фазы, что может привести к непредусмотренному действию реле, установленному в нулевом проводе. В рассмотренной схеме реле, установленные в фазах, реагируют на все виды КЗ, а реле в нулевом проводе - только на КЗ на землю. Схема соединения ТТ и об­моток реле в звезду применяется в РЗ, действующих при всех видах КЗ.

г) Схема соединения ТТ в фильтр токов НП

Трансформаторы тока устанавливаются на трех фазах, одноименные зажимы вторичных обмоток соединяются параллельно, и к ним подключается обмотка реле КА (см.рисунок 2.9). Ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:

I_p = I_а + I_b + I_c = 3I₀.

 

 

Рисунок 2.8 - Схема соединения ТТ       Рисунок 2.9 - Схема соединения ТТ     на разность  токов двух фаз                           в фильтр токов нулевой 

                                                                          последовательности       

                                                                                      

Рассматриваемая схема является фильтром токов НП. Ток в реле появляется только при одно- и двухфазных КЗ на землю. Поэтому схема применяется для РЗ от КЗ на землю.

Включение реле по схеме на рисунке 2.9 равносильно его включению в нулевой провод звезды по рисунку 2.4.

 

2.4 Цепи управления и сигнализации высоковольтных выключателей

 

Для включения и отключения цепей переменного тока высокого напряжения под нагрузкой и при коротких замыканиях, применяются высоковольтные выключатели. В зависимости от вида дугогасящей и изолирующей среды, высоковольтные выключатели подразделяются на масляные, воздушные, вакуумные и элегазовые выключатели.

Операция включения высоковольтного выключателя, удержание его во включенном положении и отключение выполняется при помощи специального механизма, называемого приводом. В зависимости от способа выполнения операции включения, различают несколько разновидностей приводов: ручные, грузовые, пружинные, электромагнитные, электродвигательные и др.

Выключатели с ручным приводом включаются за счет мускульной силы человека. В грузовых приводах для включения выключателя используется энергия падающего груза, а в пружинных – энергия предварительно сжатых (или растянутых) пружин. Включение электромагнитных приводов производится за счет мощных электромагнитов включения. Двигательные привода включаются с помощью электродвигателя. Включение высоковольтных выключателей производится действием привода при подаче соответствующей команды от ключа (кнопки) управления, от устройств автоматики или по каналам телемеханики. Команда на включение большинства типов выключателей подается непосредственно на электромагнит включения.

Существует два вида управления выключателями: дистанционное и местное. Под местным понимается управление выключателем с помощью командных аппаратов, расположенных на его приводе, или в непосредственной близости от него. Местное управление, вследствие их безопасности, можно использовать для вакуумных выключателей. Допускается использование местного управления для масляных выключателей, но ввиду их взрывоопасности, для их включения на КЗ рекомендуется применение дистанционного управления.       

Дистанционное управление высоковольтными выключателями осуществляется со щита управления, путем подачи на схему управления команд «Включить» или «Отключить» при помощи ключа (кнопки) управления. Щит управления может быть удален от управляемых выключателей на расстояние до нескольких сотен метров. Контроль за положением включателя осуществляется при помощи контрольных ламп или специальных светодиодов. Включенному положению выключателя соответствует свечение красной сигнальной лампы, отключенному – зеленой.

   

2.5 Источники и оперативного тока

 

Назначение и основные требования. Источники оперативного тока осуществляют питание цепей дистанционного управления выключателями, устройств РЗ, автоматики и других средств управления.

Питание оперативных цепей управления, цепей РЗ и других устройств, от которых зависит отключение поврежденных элементов энергосистемы и ликвидация ненормальных режимов, должно отличаться особой надежностью. Поэтому главное требование, которому должен отвечать источник опе­ративного тока, состоит в том, чтобы во время любых повреждений и ненормальных режимов напряжение источника оперативного тока и его мощность всегда имели достаточное значение как для безотказного действия устройств РЗ, автоматики, телемеханики и сигнализации, так и для надежного отключения и включения соответствующих выключателей.

Для питания оперативных цепей применяются источники постоянного и переменного тока. Постоянный оперативный ток. На ответственных объектах в качестве источника оперативного тока используется аккумуляторная батарея.

Принято считать аккумуляторную батарею наиболее надежным источником оперативного тока. Напряжение на аккумуляторной батарее не зависит от наличия и величины напряжения основной сети подстанции, мощности батареи достаточно для операции включения любого выключателя на объекте. Учитывая высокую стоимость и необходимость постоянного обслуживания обычных стационарных аккумуляторных батарей, аккумуляторные батареи ранее устанавливались на электростанциях и крупных подстанциях 330 – 110 кВ.

Аккумуляторная батарея работает в режиме постоянного подзаряда от специальных выпрямителей (типа ВАЗП, ВУК), которые подключены к шинам постоянного тока и одновременно обеспечивает стабилизацию напряжения на шинах оперативного тока.

Переменный оперативный ток. Для питания оперативных цепей переменным током используется ток или напряжение первичной сети. В качестве источника переменного оперативного тока служат трансформаторы тока (ТТ), трансформаторы напряжения (ТН) и трансформаторы собственных нужд (ТСН).

  

3 Устройства РЗА на микроэлектронной элементной базе

 

Устройства релейной защиты, как правило, содержат три основных части: измерительную, логическую и выходную. В измерительную часть входят измерительные и пусковые органы защиты, которые воздействуют на логическую часть при достижении контролируемыми электрическими параметрами (ток, напряжение, мощность, сопротивление) значений (уставок), предварительно заданных для защищаемого объекта.

Логическая часть состоит из отдельных переключающих элементов и органов выдержки времени, которые при определенном действии (срабатывании) измерительных и пусковых органов, в соответствии с заложенной в логическую часть программой, запускают выходную часть.

Выходная часть связывает релейную защиту с цепями управления коммутационными аппаратами (выключателями) и устройствами передачи команд по каналам связи и телемеханики. Выходные органы защиты имеют на выходе переключающие элементы достаточной мощности, обеспечивающие работу цепей управления. До последнего времени все органы релейной защиты выполнились только с помощью электромеханических реле. Нередко новые требования к релейной защите не могут быть удовлетворены из-за несовершенства аппаратуры, содержащей электромеханические устройства. Стало очевидным, что использование электромеханических устройств в релейной аппаратуре задерживает дальнейшее развитие техники релейной защиты, как в качественном, так и в количественном отношениях.

Один из возможных выходов из создавшегося положения открылся благодаря успехам современной полупроводниковой схемотехники, а в первую очередь – созданию интегральных микросхем, которые и стали основой для создания нового поколения релейной защиты.

Интегральные микросхемы относятся к категории электронных устройств средней степени интеграции, реализующих одну или несколько однородных функций. В последние годы электронная промышленность начала выпускать многоцелевые, так называемые большие интегральные схемы (БИС) универсального назначения. В настоящее время разработано и выпускается значительное количество приборов средней степени интеграции, на которых построены современные микроэлектронные устройства защиты. Эти устройства ориентированы на выполнение сразу нескольких функций, что упрощает и удешевляет монтаж, экономит место на панелях и в шкафах РЗА. Второе направление развития РЗА – микропроцессорные устройства, обладающие еще более высокой эффективностью, однако стоимость их значительно превышает стоимость микроэлектронных. Поэтому последние находят спрос в случаях, когда к устройствам не предъявляются высокие требования в точности и многофункциональности.                                                 

Рисунок 3.1 - Общее условное изображение логического элемента

  

Представим себе такой идеальный логический элемент (см.рисунок 3.1) в виде некоторого переключающего устройства, обладающего несколькими входными зажимами Х₁, Х₂, Х₃., . . , Х_n и одним выходным зажимом Y.

За исходное состояние элемента примем такое, когда на его входные зажимы поданы нулевые сигналы и когда его переключение происходит после поступления на его входы некоторого сочетания единичных сигналов. Такие элементы зовутся элементами "единичной" или "положительной" логики. Если в исходном состоянии к элементам подводятся единичные сигналы, то их называют элементами "нулевой" или "отрицательной" логики. В наших примерах рассматриваются элементы "положительной" логики.

Операции ИЛИ. У идеального элемента, обеспечивающего выполнение операции ИЛИ при нулевых сигналах на всех его выходах, выходной сигнал имеет тоже нулевое значение. Если хотя бы на одном из входных зажимов подается единичный сигнал, элемент немедленно подействует, и на его выходе установится единичный сигнал. Единичный сигнал на выходе сохранится при любом числе сигналов 1, поданных на его входы. Когда со всех входных зажимов сигналы 1 снимаются, выходной сигнал ИЛИ опять становится нулевым.

На структурных схемах элемент ИЛИ принято изображать так, как показано на рисунке 3.2, а. Операции И. Элемент, осуществляющий операцию И, при нулевых сигналах на всех его входных зажимах имеет на выходном зажиме сигнал 0. Но в отличие от элемента ИЛИ этот элемент переключится только тогда, когда единичные сигналы поступят на все его входы.       

 

Рисунок 3.3 - Логический элемент ИЛИ:

                а)- условное изображение; б) – на электромеханических элементах;

в) – на полупроводниковых элементах; г)- таблица соответствия.

 

Только при этом условии на его выходном зажиме образуется сигнал 1. В случаях, когда единичные сигналы поступят только на часть входных зажимов, на выходе элемента И будет оставаться нулевой сигнал. После срабатывания элемента И сигнал 1 на его выходе будет сохраняться до тех пор, пока не снимается единичный сигнал хотя бы с одного из его входных зажимов.

Рисунок 3.3 - Логический элемент И:

а)- условное изображение; б) – на электромеханических элементах;

в) – на полупроводниковых элементах; г)- таблица соответствия;

 

На структурных схемах элемент И изображается так, как дано на рисунке 3.3, а. Операция НЕ или ИНВЕРСИЯ. В исходном положении элемента НЕ принято, что на его единственном входном зажиме X имеется нулевой сигнал, при этом на его выходном зажиме Y держится единичный сигнал. В случае появления на входном зажиме единичного сигнала сигнал на выходе элемента НЕ принимает нулевое значение. Действие элемента НЕ называют в математической логике инвертированием сигнала или инверсией, а сам элемент – инвертором. Для его изображения применяется прямоугольник с небольшим кружочком, нанесенным посредине правой или левой его стороны.

               

Рисунок 3.4 - Логический элемент НЕ:

а)- условное изображение; б) – на электромеханических элементах;

в) – на полупроводниковых элементах; г)- таблица соответствия;

 

На структурных схемах элемент НЕ изображается так, как дано на (см.рисунке 3.4, а.)

 

                 

 

Рисунок 3.5 -Условные изображения логических элементов:

а) – элемент ИЛИ; б) – элемент И; в) – элемент НЕ; г) – элемент И-НЕ;

д) – элемент ЗАПРЕТ.

         

Для промышленной автоматики изготовляют серийные логические микросхемы, представляющие собой набор из сложных элементов и предназначенные для одновременного выполнения операций И и НЕ. Такой элемент сокращенно записывается так: элемент И-НЕ.

В качестве реагирующего органа используются операционные усилители.  Питание операционных усилителей, применяемых при изготовлении реле защиты, осуществляется от двух разнополярных источников напряжения постоянного тока с общей нулевой точкой. Значения питающих напряжений берутся в диапазоне от ±5 до ± 15 В в зависимости от конструкции ОУ. Операционный усилитель имеет два независимых входа и один общий выход. Он является усилителем дифференциального типа и реагирует на знак напряжения, определяемого разностью двух напряжений, поданных на его входы. Тот из входов, при преобладании напряжения на котором знак выходного напряжения совпадает с поданным на этот вход, называется неинвертирующим, или сокращенно Н-входом. До последнего времени этот вход обозначался на схемах усилителей условным знаком плюс. Другой вход, преобладание напряжения на котором приводит к изменению знака выходного напряжения на противоположный по сравнению со знаком напряжения на этом же входе, называется инвертирующим, или сокращенно И-входом. Ему присваивается условный знак минус.

                 

  

Рисунок 3.6 - Условные изображения операционных усилителей:

 а) старое; б)допускаемое; в)новое

4 Микропроцессорные устройства релейной защиты, автоматики, дистанционного управления

 

4.1 Основные характеристики микропроцессорных устройств

 

Большинство фирм производителей оборудования РЗА прекращают выпуск электромеханических реле и устройств и переходят на цифровую элементную базу.

Переход на новую элементную базу не приводит к изменению принципов релейной защиты и электроавтоматики, а только расширяет ее функциональные возможности, упрощает эксплуатацию и снижает ее стоимость. Именно по этим причинам микропроцессорные устройства очень быстро занимают место устаревших электромеханических и микроэлектронных реле. Основные характеристики микропроцессорных защит значительно выше, чем у микроэлектронных, а тем более электромеханических. Мировыми лидерами в производстве устройств РЗА являются европейские концерны ALSTOM, ABB и SIEMENS. Общей для них является тенденция все большего перехода на цифровую технику. Цифровые защиты, выпускаемые этими фирмами, имеют высокую стоимость, которая, впрочем, окупается их высокими техническими характеристиками и многофункциональностью. Переход на цифровые способы обработки информации в устройствах РЗА не привел к появлению каких-либо новых принципов построения защиты электроустановок, но существенно улучшил эксплуатационные качества реле.

Современные цифровые устройства РЗА интегрировали в рамках единого информационного комплекса функции релейной защиты, измерения, регулирования и управления электроустановкой. Такие устройства в структуре автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) энергетического объекта являются оконечными устройствами сбора информации.

    

4.2 Краткое описание аппаратной части

 

Цифровые устройства РЗ различного назначения имеют много общего, а их структурные схемы очень похожи. Центральным узлом цифрового устройства является микро ЭВМ, которая через свои устройства ввода-вывода обменивается информацией с периферийными узлами. С помощью этих дополнительных узлов осуществляется сопряжение микроЭВМ (микропроцессора) с внешней средой: датчиками исходной информации, объектом управления, оператором и т. д.

Следует отметить, что в реальном устройстве РЗ может использоваться несколько микро-процессоров (МП), каждый из которых будет занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия. Так, фирма ALSTOM, для этой цели, использует один мощный процессор, а фирма ABB, использует 4-10 МП, работающих параллельно.

Порт связи с внешними цифровыми устройствами. Достоинством цифровых устройств является возможность передачи имеющейся информации в другие цифровые системы: АСУ ТП, персональный компьютер и т. д., что позволяет интегрировать различные системы, экономя на каналах связи, затратах на предварительную обработку сигналов и т. п. Коммуникационный порт - необходимый элемент для дистанционной работы с данным устройством.

На рисунке 4.1 приведена структурная схема цифровых многофункциональных устройств защиты

Аналоговые входы

Входы измерения (MI) преобразуют токи и напряжения, подведенные от измерительных трансформаторов, и приводят их к уровню, подходящему для внутренней обработки в устройстве. В устройстве предусмотрено 4 токовых входа. В зависимости от модели, устройство также имеет три или четыре входа напряжения. Три токовых входа служат для подведения фазных токов. В зависимости от модели, четвертый токовый вход (IN) может использоваться для измерения тока замыкания на землю IN (подводимого от общей точки обмоток ТТ, соединенных в звезду) или для подведения тока замыкания на землю от отдельного ТТ (чувствительный вход тока замыкания на землю INs и определение направления замыкания на землю). Входы напряжения могут использоваться или для измерения трех фазных напряжений или двух междуфазных напряжений и напряжения смещения (разомкнутого треугольника). Возможно также подключение двух междуфазных напряжений в “разомкнутый треугольник”.

Аналоговые входные величины подаются на входные усилители (IA). На входном усилителе IA обеспечивается высокоомное ограничение аналоговых входных величин. Оно обеспечивается фильтрами, настроенными на обработку измеренных величин с учетом необходимой полосы пропускания частот и требуемого быстродействия.

Участок аналогово-цифрового преобразования (AD) включает мультиплексор, АЦП (A/D) и элементы памяти, предназначенные для передачи цифровых сигналов в микропроцессорную систему.

Микропроцессорная система

Кроме обработки измеренных значений, микропроцессорная система выполняет также текущие защитные функции и функции управления. Это, главным образом, следующие действия:

- Фильтрация и подготовка измеренных величин.

- Постоянный контроль измеренных величин.

- Контроль условий срабатывания отдельных функций защиты.

        

 

Рисунок 4.1 - Структурная схема цифровых многофункциональных устройств защиты

 

- Опрос предельных значений и последовательностей во времени.

- Управление сигналами для логических функций.

- Выдача управляющих команд к коммутационным аппаратам.

- Контроль условий срабатывания отдельных функций защиты.

- Опрос предельных значений и последовательностей во времени.

- Управление сигналами для логических функций.

- Выдача управляющих команд к коммутационным аппаратам.

- Запись сообщений, данных повреждений и величин при повреждениях для последующего анализа.

- Управление операционной системой и связанными функциями, такими как запись данных, часы реального времени, обмен данными, интерфейсы.          

- Информация предоставляется через выходные усилители (OA).

Дискретные входы и выходы

Микропроцессорная система получает внешнюю информацию через модули дискретных входов/выходов (входы и выходы) μC. Микропроцессорная система получает информацию от системы (например, дистанционный сброс) или внешнего оборудования (например, команды блокирования).

Выходными являются, в частности, команды к коммутационному оборудованию и сигналы сигнализации важных событий и состояний.

Ввод дискретных сигналов

Практически во всей современной электронной аппаратуре ввод дискретных сигналов осуществляется через преобразователи на основе оптронов. Собственное время переключения у оптронов составляет доли микросекунды. Для оптопары (светодиод-фотоприемник) характерна малая проходная емкость, что препятствует проникновению помех по этому пути.

Выходные реле

Несмотря на очевидные достижения в области высоких потенциалов и сильных токов в цифровых реле, в большинстве случаев по-прежнему используются промежуточные электромагнитные реле. Контактная пара пока еще остается вне конкуренции как единственное устройство, обеспечивающее видимый разрыв в коммутируемой цепи. К тому же это и самое дешевое решение.

Отображение информации

Для отображения информации в реле используются и отдельные светодиодные индикаторы, и табло, и даже графические экраны. Для простоты будем называть совокупность элементов визуального отображения информации в реле дисплеем.

Очевидно, что дисплей не должен быть дорогим, так как "общение" человека с реле происходит крайне редко. Дисплей реле должен обеспечивать быстрое и однозначное представление информации. Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяют простые дисплеи в виде светодиодных индикаторов. С другой стороны, цифровое устройство защиты - это устройство, которое способно предоставить оператору очень большой объем информации: текущие значения токов и напряжений электроустановки, их аварийные значения, уставки (а их в цифровых реле может быть несколько наборов), состояние входов и выходов управления и т. д. Для оперативного получения такого объема информации требуются соответственно и более информативные дисплеи.

В более современных устройствах применяются цифробуквенные многострочные табло, что обеспечивает удобство считывания информации. Такие табло выполняются на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). Основными недостатками ЖК - индикаторов являются относительно низкая контрастность изображения и неработоспособность при низких температурах. Однако, невысокая стоимость и легкость управления ЖКИ способствует их широкому применению, в том числе и в устройствах РЗА.

В последнее время появились более дорогие ЖКИ, способные работать

при температурах до 25°С.

 

4.3 Аппаратная часть цифровых устройств защиты, особенности обработки информации в микропроцессорных терминалах

 

Функционирование измерительной и логической частей РЗ может быть представлено в математическом виде системой аналитических соотношений, описывающих процесс принятия решения о срабатывании или несрабатывании тех или иных входящих в них органов РЗ и являющихся, таким образом, их алгоритмом функционирования. Это позволяет рассматривать органы РЗ как систему арифметико-логического преобразования информации, содержащейся в воздействующих (входных и вспомогательных) величинах, которая может быть реализована в цифровом виде. При использовании МП алгоритм функционирования РЗ задается программой, хранящейся в памяти микро­процессора. Для изменения алгоритма достаточно изменить программу, не меняя элементы РЗ и связи между ними. Выполняемые таким образом РЗ называются программными, или микропроцессорными. Упрощенная функциональная блочная схема РЗ, построенная на МПС, приведена на рисунке 4.2.

Входным элементом, как и у всех полупроводниковых РЗ, являются промежуточные трансформаторы напряжения и тока, ПТН и ПТТ.

Выходной сигнал с промежуточных трансформаторов поступает на частотные фильтры ЧФ, которые пропускают составляющие тока и напряжения 50 Гц и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами, искажающими синусоиду тока и напряжения.

Аналоговые сигналы, полученные от измерительных трансформаторов в виде синусоидальных токов и напряжений, после преобразования в промежуточных трансформаторах ПТН и ПТТ и частотных фильтрах ЧФ необходимо превратить в дискрет­ные, поскольку их обработка производится в МПС, построенных на цифровых микросхемах. Поэтому аналоговый выходной сигнал частотных фильтров ЧФ подается в устройство АЦП, предусмотренное для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую).

В эти моменты времени фиксируются соответствующие им мгновенные значения, которые используются как дискретные значения синусоидального тока. Полученные таким образом дискретные сигналы через интервалы времени t передаются последовательно в моменты времени t₁, t₂... t_n на ввод МПС в виде двоичного цифрового кода (1, когда есть импульс тока и 0, когда сигнал отсутствует). Эта операция часто называется выборкой. Очень важно чтобы значения измеряемых дискретных значений тока и напряжения точно соответствовали действительным значениям синусоидам этих величин. Кроме дискретизации по времени предусмотрена дискретизация по значению входной величины (тока или напряжения), как показано на рисунке 4.3, б. Момент вы­борки сигналов определяется мультивибратором, непрерывно с интервалом t генерирующим тактовые импульсы.

 

Рисунок 4.2- Структурная схема микропроцессорной защиты:

 ПТТ, ПТН - промежуточные трансформаторы тока и напряжения; АЦП - аналогово- цифровые преобразователи; ЧФ - частотный фильтр; МПС - микропроцессорная система; ДАЛ - цифроаналоговый преобразователь; СУ - сигнальное устройство; РАС -регистрация аварийных событий; ПЭВМ - персональная ЭВМ; I - на отключение выключателей; II — к оперативному персоналу; III - к релейному персоналу

 

В АЦП измерение значения синусоидального тока (напряжения) происходит в определенные моменты времени t_l t₂ ... t_n с интервалом времени t (см.рисунок 4.3, а).

 

Рисунок 4.3 - Характеристика входной величины (тока или напряжения)

а)- дискретизация по времени; б) – дискретизация по параметру

 

Для получения с помощью дискретных сигналов, возможно большей точности представления действительной синусоиды, интервал t нужно выбирать, возможно, меньше. Однако следует иметь в виду, что при последовательной передаче сигналов это замедляет процесс обработки и ухудшает быстродействие РЗ.

Сигнал с выхода АЦП поступает в устройство обработки информации, каким является МПС. Основным элементом цифровой РЗ является МП, схема которого позволяет использовать его в качестве вычислительного устройства, производящего арифметические и логические операции, необходимые для выполнения им функций РЗ, представленных в виде алгоритмов действия ее измерительных и логических органов.

Микропроцессор состоит из трех основных частей:

арифметико-логического устройства АЛУ, реализующего арифметические операции (сложение, вычитание и др.), логические операции (И, ИЛИ, НЕ);

сверхоперативного запоминающего устройства СОЗУ, состоящего из набора регистров, обеспечивающих промежуточное хранение данных до завершения операций, проводимых в МП; работой МП (АЛУ и СОЗУ) по заданной программе. Элементы МП связаны между собой информационными шинами, представляющими из себя группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком (шины данных, адресов и управления). Для выполнения функций какой-либо РЗ, МП дополняется внешними устройствами памяти, образуя микропроцессорную систему (МПС).

С выхода МПС (см. рисунок 4.2) цифровой сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь ЦАП, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый, поступающий на выходное промежуточное реле, действующее на отключение выключателя. Одновременно приводится в действие устройство сигнализации СУ, фиксирующее срабатывание РЗ, и передается соответствующая аварийная информация для записи в регистраторе аварийных событий (РАС).

Одновременно поступает информация на персональную ЭВМ (ПЭВМ), посредством которой осуществляется связь человек - машина. На рисунке 4.4 приведена упрощенная структурная схема МП-системы, выполняющей функции РЗ. Система состоит из двух частей: МП и внешних устройств. К внешним устройствам МПС относятся:

1) устройства памяти - оперативное запоминающее устройство ОЗУ и постоянное запоминающее устройство ПЗУ;

2) устройства ввода и вывода аналоговой УАВВ и дискретной УДВВ информации;

3) средства общения человека с МПС - минидисплей и клавиатура для ручного ввода управляющих команд.

Все внешние устройства связаны друг с другом и с МП общими шинами: данных, адресов и управления. Соединение внешней части указанных шин с шинами МП осуществлена через специальные буферные устройства.

Как уже отмечалось, главным элементом МПС является сам микропроцессор (или микропроцессоры), но поскольку его структура была кратко пояснена выше, то здесь рассматриваются только виды регистров и их назначение.

Важной частью МПС являются запоминающие устройства: ПЗУ и ОЗУ. Постоянное запоминающее устройство - ПЗУ служит для хранения управляющей программы, в которой записаны последовательные команды, согласно которым должно действовать устройство управления микропроцессора - УУ, и второй основной программы, определяющей функционирование устройства РЗ. Эти программы остаются неизменными, пока остаются неизменными функции данной РЗ. В связи с этим записанная в ПЗУ информация должна сохраняться даже при исчезновении электропитания. Оперативное запоминающее устройство – ОЗУ, необходимо для хранения данных, поступающих для обработки в МП, и результатов этой обработки и выборки из основной программы, хранящейся в ПЗУ.

              

Рисунок 4.4- Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы, выполняющей функции релейной защиты

 

Помимо этих устройств имеется сверхоперативная память - запоминающие устройства в МП в виде регистров общего назначения (РОН): они подразделяются на регистры команд и регистры накопителей (аккумуляторов). Регистр команд хранит ту команду, которую МП должен выполнить вслед за текущей. Аккумулятор хранит данные непосредственно перед входом в МП и на выходе. Регистры ускоряют поступление данных для обработки, т.е. уменьшают общее время действия МП-системы.

Для преобразования аналоговых значений токов и напряжений в цифровую форму и обратно в МПС предусмотрено устройство аналогового ввода-вывода информации (УАВВ), принцип действия которого рассмотрен выше. Типовое УАВВ обеспечи­вает ввод в МПС до 16 аналоговых сигналов и вывод одного-двух сигналов в аналоговой форме. Для этого УАВВ содержит один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и один-два цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), а также коммутатор для ввода с помощью одного АЦП до 16 аналоговых сигналов и вывод одного-двух сигналов в аналоговой форме. Для этого типовое устройство УАВВ содержит один аналого-цифро­вой преобразователь (АЦП) и один-два цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), а также коммутатор для ввода с помощью одного АЦП до 16 аналоговых сигналов токов и напряжений.

Микропроцессорная система должна также содержать устройство дискретного ввода-вывода УДВВ для выдачи команды на отключение выключателя и приема сигналов от других устройств. Для ввода уставок РЗ и осуществления контроля за ними в МП-системе предусмотрена упрощенная клавиатура, содержащая небольшое число цифровых и буквенных клавиш, а также минидисплей, рассчитанный на несколько строк, и порядка 20 знакомест в строке. С помощью дисплея осуществляется визуальный контроль при вводе уставок РЗ, а также оцениваются входные и выходные данные в процессе функционирования системы.

Перечисленные внешние устройства имеют связи со всеми шинами МП-системы, которая содержит часто средства для связи с персональной ЭВМ и с принтером для вывода на печать протокола работы РЗ или результатов ее периодической проверки (на схеме не показаны).

Группа элементов памяти каждого вида памяти составляет ячейку или слово памяти, содержащее число элементов, кратное 8 (8, 16, 32 и т. д.).

Слово из восьми двоичных разрядов называется байтом. В зависимости от размера ячейки памяти, МПС называют 8, 16 или 32-битными или 1-4 байтными. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Совокупность нулей и единиц, находящихся в элементах памяти, представляет собой содержимое ячейки памяти.

        

4.4 Система управления и сбора информации

 

Для своего функционирования микропроцессорные устройства релейной защиты производят измерения и аналого-цифровое преобразование контролируемых сигналов - токов и напряжений. Кроме того, они производят контроль положения коммутационных аппаратов, фиксируют значения аварийных параметров в виде файлов событий и цифровых осциллограмм.

Поэтому микропроцессорные устройства РЗА снабженные интерфейсом связи для передачи информации могут служить источником информации для систем управления.

Для передачи информации от устройств РЗА обычно используются интерфейсы трех типов: RS232, RS485, ST коннектор для подключения оптоволоконного кабеля. Интерфейс RS232 обеспечивает дальность передачи информации до 20 метров. RS485 –до 1200 метров по витой экранированной паре без дополнительного усиления. С дополнительным промежуточным усилителем дальность связи может быть увеличена вдвое. При применении кабеля соответствующего типа, дальность связи по опто кабелю составляет до 15 км.

Применение интерфейсов RS232 и опто предполагает построение системы сбора информации от каждого устройства (по выделенной линии) к центральному устройству (концентратору). Тогда как применение интерфейса RS485 позволяет осуществить параллельное подключение до 32 устройств к одной ветви. Правда, при этом скорость передачи информации по опто кабелю существенно больше, чем по витой паре. Так скорость передачи информации по интерфейсу RS485 обычно не превышает 38,4 Кбит/сек, хотя некоторые протоколы (например, K-Bus)обеспечивают и более высокую скорость передачи – до 64 Кбит/сек. Информация для передачи на верхний уровень управления в устройствах РЗА хранится обычно в оперативной памяти и считывается по запросу с верхнего уровня управления контроллером или рабочей станцией объекта. Кроме типа интерфейса существенную роль на возможность получения информации от устройства РЗА является протокол связи. Т.е. вышестоящее устройство должно «уметь разговаривать» с устройством РЗА на одном языке.

Наиболее распространенные протоколы для связи с микропроцессорными устройствами РЗА это: - Modbus, - Frofibus,- SPA bus, - DNP 3.0, - IEC (МЭК) 60870-5-103. Полученная от устройств РЗА информация может представляться на экране рабочей станции объекта в виде соответствующего набора экранов. Число экранов, их графическое исполнение и функциональное наполнение определяются конкретным типом системы управления, используемой на данном объекте. Кроме того, часть информации может передаваться на верхний уровень управления диспетчеру соответствующего уровня. Для передачи информации на верхний уровень управления рекомендуется использовать протокол IEC (МЭК) 60870-5-101, хотя могут быть использованы и другие протоколы связи.

Основными экранами отображения информации на объекте являются экраны мнемосхем с отображением на них положения коммутационных аппаратов. Кроме того, в памяти компьютера рабочей станции объекта накапливаются аварийные сообщения. Параметры нормального режима (токи, напряжения, мощности) измеренные через заданный промежуток времени также накапливаются в памяти компьютера рабочей станции и могут отображаться в виде графиков. Эти графики позволяют оперативному персоналу эффективнее вести режим работы объекта. Сбор значений нормального режима от устройств РЗА может производиться не на одном объекте (подстанции), а во всей сети. Тогда с помощью микропроцессорных РЗА может быть собрана и накоплена информация о работе всей сети. И таким образом существенно повышена эффективность ее работы. Однако, основным сдерживающим фактором широкого внедрения систем сбора информации на основе микропроцессорных РЗА являются каналы связи (их отсутствие или низкая пропускная способность).

 

5 Ненаправленные токовые защиты

 

5.1 Максимальная токовая защита. Принцип действия токовых защит

 

Одним из признаков возникновения КЗ является увеличение тока в ЛЭП. Этот признак используется для выполнения РЗ, называемых токовыми. Токовые РЗ приходят в действие при увеличении тока в фазах ЛЭП сверх определенного значения. В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, служат максимальные токовые реле.

Токовые РЗ подразделяются на максимальные токовые РЗ и токовые отсечки. Главное различие между этими РЗ заключается в способе обеспечения селективности. Селективность действия максимальных токовых РЗ достигается с помощью выдержки времени. Селективность токовых отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока срабатывания.

Принцип действия и селективности защиты. Максимальные токовые защиты (МТЗ) являются основным видом РЗ для сетей с односторонним питанием. Они устанавливаются в начале каждой ЛЭП со стороны источника питания (см.рисунок 5.1, а). Каждая ЛЭП имеет самостоятельную РЗ, отключающую ЛЭП в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее ПС, и резервирующую РЗ соседней ЛЭП.

При КЗ в какой-либо точке сети, например в точке К1 (см.рисунок 5.1, а), ток КЗ проходит по всем участкам сети, расположенным между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие все РЗ (1, 2, 3, 4). Однако по условию селективности сработать на отключение должна только РЗ 4, установленная на поврежденной ЛЭП. Для обеспечения указанной селективности МТЗ выполняются с выдержками времени, нарастающими от потребителей к источнику питания, как это показано на рисунке 5.1, б. При соблюдении этого принципа в случае КЗ в точке К1 раньше других сработает МТЗ 4 и отключит поврежденную ЛЭП. Защиты 1, 2 и 3, имеющие большие выдержки времени, вернутся в начальное положение, не успев подействовать на отключение. Соответственно при КЗ в точке К2 быстрее всех сработает МТЗ 3, а МТЗ 1 и 2, имеющие большее время, не успеют подействовать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1 - Максимальные токовые РЗ в радиальной сети:

а) размещение МТЗ; б) выдержки времени МТЗ выбранные по ступенчатому принципу

 

         Принципиальные схемы МТЗ на постоянном оперативном токе. Схемы на электромеханических реле.

         На рисунке 5.2 приведена трехфазная схема МТЗ, выполненная на электромеханических реле. Три измерительных органа (см.рисунок 5.2,а) выполняются с помощью трех реле РТ-40, орган времени - с помощью реле типа РВ-100, исполнительный элемент – посредством промежуточного реле типов РП-20, РП-16 или других промежуточных реле, контакты которых рассчитаны на ток электромагнита отключения выключателя. Из рассмотрения схемы понятно, что эта защита действует при всех видах КЗ. Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание оперативных цепей защиты осуществляется постоянным током с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электромагнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфазные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными нейтралями.

                                             б)

 Рисунок 5.2- принципиальная схема трёхфазной МТЗ:

а) – токовые цепи; б)- оперативные цепи защиты

 

         5.2 Выбор тока срабатывания

 

Исходным для выбора тока срабатывания МТЗ является требование, чтобы она надежно работала при повреждениях на защищаемом участке, но в то же время не действовала при максимальном рабочем токе нагрузки I_{н тах} и кратковременных перегрузках, вызванных пуском и самозапуском электродвигателей, а также нарушением нормального режима электрической сети. Увеличение тока нагрузки из-за самозапуска электродвигателей принято оценивать коэффициентом самозапуска k_сэп, показывающим, во сколько раз возрастает ток I_{р тах}.

Для отстройки МТЗ от I_{н max} необходимо выполнить два условия. По первому условию МТЗ, пришедшая в действие при КЗ в сети (вне защищаемой ЛЭП), должна надежно возвращаться в исходное состояние после отключения КЗ при наличии в защищаемой ЛЭП тока нагрузки I_{н та}.

По первому условию:

 

                                  I_с.з = (k_oтc / k_в) k_сэпI_p                                          (5.1)

 

По второму условию ИО тока, находящиеся в состоянии не действия МТЗ, не должны срабатывать при появлении I_{н тах}:

 

                                   I_с.з > I_{н max}.                                                (5.2)

 

 

5.3 Токовые отсечки. Принцип Действия токовых отсечек

 

Отсечка является разновидностью МТЗ, позволяющей обеспечить быстрое отключение КЗ. Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного действия и отсечки с выдержкой времени.

Селективность токовых отсечек достигается ограничением их зоны действия так, чтобы отсечка не работала при КЗ за пределами этой зоны, на смежных участках сети, РЗ которых имеет выдержку времени, равную или большую, чем отсечка. Для этого ток срабатывания отсечки (I_c.з) должен быть больше максимального тока КЗ (I_{к mах}), проходящего через нее при повреждении в конце участка (например, AM на рисунке 5.3, за пределами которого она не должна работать:

 

I_с.э >I_кM.

 

Зона действия мгновенной отсечки по условиям селективности не должна выходить за пределы защищаемой ЛЭП. Зона действия отсечки, работающей с выдержкой времени, выходит за пределы защищаемой ЛЭП и по условию селективности должна отстраиваться от конца зоны РЗ смежного участка по току и по времени. Токовые отсечки применяются как в радиальной сети с односторонним питанием, так и в сети, имеющей двустороннее питание.

                                      

                       

 

 

                  

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.3 - Принцип действия токовой отсечки

                    

Схемы цепей постоянного тока отсечек изображены на рисунке 5.4, а, б. Схемы отсечек, выполненные на электромеханических реле и на постоянном оперативном токе, аналогичны схемам МТЗ.

Схемы отсечек с выдержкой времени полностью совпадают со схемами МТЗ с независимой выдержкой времени. Схемы отсечек без выдержки времени отличаются от схем МТЗ отсутствием реле времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.4 – Схема цепей постоянного тока токовой

отсечки на электромеханических реле

5.4 Максимальная токовая защита с пуском от реле напряжения

 

Для повышения чувствительности МТЗ дополняется измерительным органом (блокировкой) напряжения (ОН), который, разрешая РЗ действовать при КЗ, запрещает ей срабатывать (блокирует) в режиме максимальной нагрузки и при самозапуске электродвигателей.

         Рисунок 5.5 - Максимальная токовая защита с пуском от реле напряжения:а) оперативные цепи  б) цепи переменного напряжения

времени МТЗ действует на отключение.

Структурная схема МТЗ с дополнительным органом напряжения показана на рисунке 5.5 Измерительный орган напряжения (ИОН) выполняется с помощью реле минимального напряжения KV и действует совместно с реле КА измерительного органа тока (ИОТ) по логической схеме И на пуск реле времени.

Во время КЗ, когда возрастает ток и уменьшается напряжение, срабатывают оба измерительных органа ИОН и ИОТ и с заданной выдержкой времени МТЗ действует на отключение.

Если же в результате перегрузки защищаемого элемента токовые реле КА приходят в действие, ИОН блокирует РЗ, так как реле напряжения не действуют. Недействие ИОН при перегрузке обеспечивается выбором уставки срабатывания реле KV такой, чтобы оно не срабатывало при минимальном рабочем напряжении U_{p min}.

Пусковой орган по напряжению в схеме на рисунке 2.5 выполнен с тремя реле, включенными на междуфазные напряжения (см.рисунок 2.5, б). Такая схема обеспечивает надежное срабатывание ИОН при любом виде междуфазных КЗ, поскольку при этом значительно снижается хотя бы одно из междуфазных напряжений.

 

6 Токовая направленная защита в сетях с двухсторонним питанием

 

Направленной называется РЗ, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ S_K. Необходимость в применении направленных РЗ возникает в сетях с двусторонним питанием (см.рисунок 6.1, а) и в кольцевых сетях с одним источником питания (см.рисунок 6.1, б). При двустороннем питании места КЗ для ликвидации повреждения РЗ должна устанавливаться с обеих сторон защищаемой ЛЭП, как показано на рисунке 6.1.

Самым простым способом РЗ от КЗ, как и в сетях с односторонним питанием, может служить защита, реагирующая на возникновение тока КЗ. Однако простая МТЗ, реагирующая только на значение тока (рассмотренная выше), в подобных сетях не может обеспечить селективного отключения повреждения. Для селективного действия необходимо ее дополнить реле направлением, реагирующим на знак мощности, протекающей по защищаемому присоединению. Действительно, предположим, что в сети на рисунке 6.1, а на всех ЛЭП установлены МТЗ, и рассмотрим действие одной из них - например 5'. При КЗ в точке К1 выдержка времени защиты 5' должна быть меньше времени действия РЗ 6', 7' и 8', т. е. t_5' < t_6', t_7' и t_8'. В случае же КЗ в точке К2 МТЗ 5' должна действовать медленнее РЗ 6' (t_5' > t_6'). Одновременное выполнение обоих требований невозможно. Так, при выполнении первого требования (т. е. при t_5' < t_6') МТЗ 5' будет действовать неселективно при КЗ на W3. Эту неселективность можно устранить, заменив МТЗ 5' направленной защитой 5, действующей только при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. При этом РЗ 5 не будет действовать при КЗ на W3, так как в этом случае мощность КЗ будет направлена из линии к шинам и поэтому второе требование (t₅ > t₆) отпадает. При аналогичном выполнении всех остальных МТЗ сети селективное отключение повреждений становится возможным при выборе выдержек времени РЗ, действующих в одном направлении по ступенчатому принципу.

Исходя из сказанного, можно сформулировать следующие принципы выполнения селективной РЗ в сетях с двусторонним питанием:

1) защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой ЛЭП и действовать на отключение при появлении тока КЗ, если мощность направлена от шин в линию (см.рисунок 6.1);

         2) выдержки времени на РЗ, работающих при одном направлении мощности (от генератора А или генератора В), должны согласовываться по ступенчатому принципу, нарастая по на­правлению к источнику питания: у РЗ, действующих от тока источника А, выдержка времени t₆ < t₄ < t₂; у РЗ, действующих от тока источника В, t₃<t₅<t₇.

         Направленная токовая защита (НТЗ) при КЗ должна реагировать на значение тока и направление мощности в поврежденных фазах защищаемой ЛЭП. Структурная (функциональная) схема НТЗ, наиболее часто применяемая и показанная на рисунке 6.2, состоит из трех основных элементов (органов): два пусковых реле тока КА (органы тока), которые срабатывают при появлении тока КЗ и выдают сигнал, разрешающий РЗ действовать; два реле направления мощности KW (органы направления мощности - OHM), которые срабатывают при направлении мощности от шин в ЛЭП и подают сигнал, разрешающий РЗ действовать.

                        

Рисунок 6.1 - Схема сети с двухсторонним питанием и размещение РЗ в

этих сетях: а)- радиальная сеть; б) - кольцевая сеть

 

 

 

 

       

Рисунок 6.2 – Функциональная схема и принцип действия токовой направленной защиты

 

Если же мощность направлена к шинам, то реле KW выдают сигнал, блокирующий действие РЗ, логической схемы (органы логики), которая действует по заданной программе: получив сигнал о срабатывании органа тока, OHM формирует сигнал о срабатывании РЗ, который с заданной выдержкой времени поступает на ЭО выключателя и производит его отключение.

Рисунок 6.3 - Двухфазная схема направленной МТЗ с электромеханическими реле: а) цепи переменного тока б) цепи напряжения

 

 

                                  

Рисунок 6.4 - Оперативные цепи двух релейной направленной МТЗ

 

Пусковое реле тока КА включают на ток фазы ЛЭП, а реле направления мощности (РHМ) на ток той же фазы и соответствующее междуфазное напряжение (см.рисунок 6.3). Поведение РHМ определяется знаком мощности, подведенной к его зажимам:

 

                                                  S_p = U_рI_р5sin(-_р)                                           (6.1)

 

где   - угол сдвига между напряжением и током в цепи напряжения реле (угол внутреннего сдвига);

_р - угол сдвига между U_p и I_p.

При КЗ на защищаемой ЛЭП S_p положительно (+ S_p), и РНМ разрешает НТЗ действовать на отключение.

При КЗ на защищаемой ЛЭП W1 (см. рисунок 6.1) или на следующем за ней участке W2 реле КА и KW, приходя в действие, подают сигналы на вход И (см.рисунок 6.2). На выходе элемента И появляется сигнал, который приводит в действие КТ (см.рисунках 6.3 и 6.4). Через заданное время на выходе КТ появляется сигнал, действующий на исполнительный элемент KL, подающий команду на отключение выключателя. При КЗ на других присоединениях данной подстанции (W2 на рисунке 6.1). КА срабатывает, если I_к > I_с.з, но так как KW не работает, элемент И, а следовательно, и НТЗ в целом не действуют.

Рассматриваемая схема может быть реализована с помощью как контактных, так и бесконтактных реле.

В нормальном режиме, если мощность нагрузки направлена от шин в ЛЭП, РНМ может сработать. Для исключения при этом срабатывании НТЗ ее пусковой орган КА необходимо отстраивать от тока нагрузки (I_с.з > I_{н max}).

При качаниях в энергосистеме НТЗ может работать ложно, если ток качания окажется больше I_с.з, мощность S_p на зажимах KW будет направлена от шин в ЛЭП, а период качаний будет больше выдержки времени НТЗ. Анализируя действия НТЗ, установленных в кольцевой  следует иметь в виду возможную каскадность ее действия, т. е. последовательное срабатывание РЗ и отключение выключателей, установленных по кон­цам защищаемой ЛЭП. Так, например, при КЗ в точке К1 измерительные органы РЗ 6, установленной на ПС III, удаленной от источников питания, могут не подействовать в первый момент возникновения повреждения из-за недостаточной чувствительности. После же отключения поврежденной ЛЭП со стороны ПС I ток, протекающий от ПС III, увеличится и РЗ 6 подействует каскадно, ликвидируя КЗ в точке К1.

 

7 Защита от коротких замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью

 

7.1 Общие сведения о токах нулевой последоватнльности

 

Для защиты ЛЭП от КЗ на землю (одно- и двухфазных) применяется РЗ, реагирующая на токи и мощности нулевой последовательности (НП). Эта РЗ осуществляется более просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной выше МТЗ, реагирующей на полные токи фаз. Защиты НП выполняются в виде МТЗ НП и отсечек как простых, так и направленных.

                   

Рисунок 7.1 - Однофазное КЗ в сети (а) и прохождение

токов I₀  под действием U₀  (б)

 

При однофазном КЗ ток НП в месте повреждения I_ОК равен 1/3 тока КЗ в поврежденной фазе и совпадает с ним по фазе, а напряжение U_OK в точке КЗ равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.

Под действием напряжения НП, возникающего в месте повреждения (точка К на рисунке 7.1), возникают токи I_ок, которые замыкаются по контуру фаза-земля через место повреждения (точку К) и заземленные нейтрали. Таким образом, при КЗ на землю появление токов I₀ возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземленными нейтралями. При нескольких заземленных нейтралях ток НП от места повреждения разветвляется между ними обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. На рисунке 7.2 показаны характерные случаи распределения токов НП в схемах сети. Направление токов, проходящих к месту КЗ, принято за положительное. Если заземлена нулевая точка трансформатора только с одной стороны ЛЭП, то при КЗ на землю на ней токи НП проходят только на участке между местом повреждения и заземленной нейтралью (см.рисунок 7.2а). Если же заземлены нейтрали трансформаторов с двух сторон рассматриваемого участка (см.рисунок 7.2,б), токи НП проходят с обеих сторон от места КЗ. Это позволяет сделать вывод, что распределение токов НП в сети определяется расположением не генераторов, а заземленных нейтралей. Если трансформатор имеет соединение обмоток звезда-треугольник, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов НП на стороне звезды. Поэтому РЗ, установленные в сети звезды, не действуют при замыканиях на землю в сети треугольника.

Схема и принцип действия защиты

Ненаправленная МТЗ НП применяется в сети с односторонним питанием места КЗ током I_о, т. е. при расположении трансформаторов с заземленной нейтралью с одной стороны защищаемого участка. Функциональная схема этой РЗ состоит из одного ИО - пускового токового реле КАО (см.рисунок 7.3, а, б), реле времени КТ и исполнительного реле KL. Реле тока КАО включено на фильтр тока НП, в качестве которого используется нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды. Ток в КАО равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:

 

                                            I_р = I_а + I_b + I_c = 3I₀ / К_I.                                      (7.1)

 

При появлении тока 3I₀ реле КАО срабатывает и приводит в действие реле времени КТ; последнее через время t подает сигнал на промежуточное реле KL, которое дает команду на отключение выключателя.

Согласно (7.1) ток в пусковом реле РЗ появляется только в том случае, когда имеется ток I₀, поэтому МТЗ НП, показанная на рисунке 7.3, может работать только при одно- и двухфазных КЗ на землю.

    При междуфазных КЗ (без "земли"), а также при нагрузке и качаниях МТЗ НП не действует, поскольку в этих режимах сумма токов I_А + I_B + I_C = 0 и ток 3I₀ отсутствует. Важным преимуществом МТЗ НП является то, что она не реагирует на нагрузку. Благодаря этому ее не требуется отстраи­вать от токов нормального режима и перегрузок, что позволяет обеспечить более высокую чувствительность этой РЗ по сравнению с МТЗ, реагирующими на фазные токи.

    Однако в действительности работа МТЗ НП осложняется погрешностью ТТ, обусловленной их током намагничивания . Поэтому в режимах, когда имеет место баланс первичных токов (I_A + I_B + I_C = 0)> сумма вторичных токов I_а + I_b + I_c  0. В нулевом проводе и пусковом реле МТЗ НП появляется остаточный ток, называемый током небаланса (I_нб), который может вызвать нежелательное действие РЗ при отсутствии первичного тока I₀. Значение I_нб можно найти, если  учесть токи намагничивания ТТ:

 

Очевидно, что второй член в (7.2) является током небаланса. Обозначив его I_нб и выразив первый член  через I₀, получим

 

                                                    I_p = (3I₀)/K_I - I_нб.                                               (7.3)

 

Выражение (7.3) показывает, что ток в пусковом реле МТЗ НП состоит из двух слагающих: одно обусловлено первичным током I₀ и второе - погрешностью ТТ. Последнее искажает значение тока 3I₀, на которое реагирует МТЗ НП.

Рисунок 7.2 - Распределение токов нулевой последовательности

при однофазных КЗ:  а) при заземлении нейтрали с одной стороны ЛЭП;       

б) при заземленных нейтралях с обеих сторон ЛЭП

 

7.2 Токовые направленные защиты нулевой последовательности

 

В сетях с заземленными нейтралями, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка, селективное действие МТЗ НП можно обеспечить только при наличии органа направления мощности. Направленные МТЗ НП (НТЗ НП) действуют при КЗ на защищаемой ЛЭП и не работают при повреждениях на всех остальных присоединениях, отходящих от данной подстанции. Такое поведение НТЗ НП обеспечивается с помощью РНМ KWO, реагирующего на знак (направление) мощности НП при КЗ. Выдержки времени на защитах НТЗ НП, действующих при одном направлении мощности, должны выбираться по ступенчатому принципу. Структурная схема направленной защиты НП приведена на рисунке 7.3 а.

По этой схеме выполняются защиты как на электромеханических, так и на полупроводниковых реле. Схема состоит из пускового реле КАО, реагирующего на появление КЗ на землю (см.рисунок 7.4 б), реле направления мощности KWO, определяющего направление мощности при КЗ, и реле времени КТ. Пусковое реле и цепь тока РНМ включаются на 3I₀ в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды, а на входные зажимы цепи напряжения РНМ подводится напряжение 3U₀ от разомкнутого треугольника ТН. При таком включении реле KWO реагирует на мощность НП S₀ = U₀I₀. С учетом угла сдвига между векторами U₀I₀  90° и равенств U_р = 3U₀, I_р = 3I₀ используются реле НП, реагирующие на мощность:

 

     S_p = U_pI_psin( - _р) = 9U₀I₀sin( - _p)                              (7.4)

 

где _р = ₀ - угол сдвига фаз между U_p и I_р или U₀ и I₀.

 

 

 

 

Рисунок 7.3 – Схема максимальной токовой направленной: а) структурная схема; б) схема цепей тока и напряжения; в) цепи оперативного тока

Рисунок 7.4 – Схема токовой защиты нулевой последовательности: а) структурная схема; б) токовые цепи; в) схема оперативных цепей РЗ с электромеханическими РЗ

 

 

7.3 Ступенчатая токовая защита нулевой последовательности

 

В сетях 110 кВ и выше большое распространение получила ступенчатая НТЗ НП, а на радиальных ЛЭП с односторонним питанием током I₀ и ненаправленная МТЗ НП. Ступенчатая РЗ состоит из сочетания отсечек без выдержки и с выдержкой времени и МТЗ НП. ЧЭАЗ выпускает эту РЗ в комплекте с дистанционной РЗ типа ЭПЗ-1636 и с дистанционной РЗ на ИМС - типа ЩДЭ-2801. Схема и характеристика подобной 4х-ступенчатой НТЗ НП приведены на рисунке 7.5.

Первая ступень РЗ является отсечкой без выдержки времени, выполняется с помощью реле тока КА01 и направления мощности KWO, обеспечивает быстрое отключение КЗ в первой половине защищаемой ЛЭП. Вторая ступень отстраивается от токовой отсечки следующего участка и имеет t_II = 0,4  0,6 с; она осуществляется посредством реле КА02 и реле времени КТ1, обеспечивает РЗ второй половины защищаемой ЛЭП. Третья ступень отстраивается от второй ступени РЗ следующего участка и имеет выдержку времени t_III = 0,9  1,1 с, она выполняется с помощью реле КАОЗ и КТ2, служит для резервирования ЛЭП, отходящих от шин противоположной ПС.

в)

 

Рисунок 7.5 - Четырехступенчатая защита нулевой последовательности:

а) цепи тока и напряжения; б) оперативные цепи;

в) характеристика времени действия трехступенчатой защиты

нулевой последовательности согласование её со смежной РЗ

 

Четвертая ступень предназначена для резервирования РЗ следующего участка с наибольшим коэффициентом чувствительности. Она выполняется с помощью реле КА04 и КТЗ. Для отстройки отсечки от действия разрядников предусмотрено промежуточное реле KL1 с временем срабатывания 0,03- 0,06 с.

 

7.3 Оценка и область применения токовых ступенчатых защит НП

 

В отечественных энергосистемах МТЗ НП получила широкое распространение в сетях 110-1150 кВ. Положительными качествами РЗ являются простота схемы, высокая надежность и чувствительность; OHM, как правило, работает в условиях наибольшей чувствительности. Практически на всех ЛЭП средней и большой протяженности успешно применяются отсечки и вместе с тем многоступенчатые МТЗ НП. К недостаткам, свойственным принципу действия РЗ, следует отнести то, что она реагирует на токи в неполнофазном режиме и может работать ложно при обрыве фазного провода во вторичной цепи ТТ, а НТЗ НП имеет мертвую зону по напряжению при удаленных КЗ. Важным условием стабильности зон РЗ является стабильность заземленных нейтралей трансформаторов и автотрансформаторов электрической схемы энер­госистемы.

 

8 Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью

 

8.1 Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю

 

В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а также с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождается появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети.

Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в сети и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю (К⁽¹⁾₃) в режиме, когда нейтраль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор.

 

Рисунок 8.1 – Протекание фахных токов при замыкании на землю

в сети с изолированной нейтралью

Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЗДС фаз источника питания. На рисунке 8.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (генератором или понижающим трансформатором) и одной эквивалентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть. Распределенная емкость фаз относительно земли заменена эквивалентной сосредоточенной емкостью С₀. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.

В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U_A, U_B, U_C которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания Е_А, Е_B, Е_C. Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (см.рисунок  8.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали N отсутствует:   U_N = 0. Под действием фазных напряжений че­рез емкости фаз относительно земли С_А, С_B, C_C проходят токи, опережающие фазные напряжения на 90°:

 

                                        I_A = U_A / -jX_C;     I_В = U_B /-jX_C;    I_C = U_C /-jX_C

 

где 

                                            X_C = 1 / .                                                      (8.1)

 

 

Рисунок 8.2 - Векторные диаграммы фазных токов и напряжений:

а) – в нормальном  симметричном режиме; б) при замыкании одной фазы на землю

 

Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3I₀ отсутствует (см.рисунок 8.2, а).

Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А (см.рисунок 8.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (U_A = 0). Напряжение нейтрали U⁽¹⁾_N по отношению к земле становится равным U_N = U_KN (см.рисунок 8.1 и 8.2, б), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:

 

                                                  U_N = U_KN = -E_A.                                                                (8.2)

 

Напряжения неповрежденных фаз относительно земли повышаются до междуфазных значений U⁽¹⁾_B=U_BA и U⁽¹⁾_C=U_CA. Междуфазные напряжения остаются неизменными, что видно из рисунков 8.1 и 8.2.

На рисунке 8.2, б построена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (U⁽¹⁾_B, U⁽¹⁾_C, U_N): точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка N соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с землей и имеет нулевой потенциал. Поскольку замыкания на землю не вызывают появления сверхтоков и не искажают значения междуфазных напряже­ний, то они не отражаются на питании потребителей и не сопровождаются перегрузкой оборудования опасными токами. Поэтому в отличие от КЗ замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью не требуют немедленной ликвидации. Однако отключение замыканий на землю является все же необходимым, так как в результате теплового воздействия тока замыкания на землю и электрической дуги в месте повреждения возможно повреждение изоляции между фазами на кабельных ЛЭП и переход однофазного замыкания в междуфазное КЗ. Помимо этого, из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к образованию двойных замыканий на землю в разных точках сети.

 

8.2 Принципы выполнения защиты от однофазных замыканий на землю

 

Все виды РЗ от однофазных замыканий на землю реагируют на составляющие нулевой последовательности тока I₀ и напряжения U₀. Простейшим устройством является неселективная сигнализация о появлении замыкания на землю, реагирующая на 3U₀. Такое устройство состоит из одного реле повышения напряжения KV₀, которое питается напряжением 3U₀ от обмоток ТН, соединенных по схеме разомкнутого треугольника (рисунок 8.3). Подобная неселективная сигнализация устанавливается на шинах РУ 6-35 кВ. Возможен и другой вариант ее исполнения, изображенный на том же рисунке. В этой схеме сигнал о появлении земли дает реле КА₀, включенное в нулевой провод вольметров контроля изоляции фаз сети, показания которых позволяют определить поврежденную фазу.

Селективная сигнализация должна дополняться РЗ, способной определять, на каком участке сети возникло замыкание на землю. В качестве селективных применяются токовые ненаправленные и направленные РЗ, реагирующие на составляющие НП.

 

Рисунок 8.3 - Схема неселективной сигнализации при замыкании на землю

 

Все применяемые РЗ можно подразделить на четыре группы защиты, реагирующие:

1) на естественный емкостный ток сети (такой способ РЗ возможен только при отсутствии компенсации или при наличии перекомпенсации емкостного тока сети);

2) на токи НП, создаваемые искусственным путем;

3) на токи высших гармоник, возникающие в поврежденной ЛЭП при резонансной компенсации емкостных токов в установившемся режиме;

4) на токи переходного режима, возникающие в первый момент замыкания.

 

8.3 Фильтры токов нулевой последовательности

 

Для получения составляющих токов I₀ возможно использование трехтрансформаторных фильтров, применяемых в сетях с глухозаземленными нейтралями или специальных трансформаторов тока нулевой последовательности (см.рисунок 8.4). Как уже отмечалось, токи I⁽¹⁾₃ очень малы, поэтому трехтрансформаторные фильтры не могут применяться.

Действительно, выполнение чувствительной селективной сигнализации с использованием обычных трансформаторов тока и электромеханических реле встречает ряд серьезных трудностей:

1) номинальный ток обычных ТТ выбирается по току нагрузки линии, и поэтому они имеют сравнительно большие коэффициенты трансформации. Вследствие этого вторичный ток замыкания на землю имеет очень малое значение. Так, например, если ток замыкания на землю составляет 18 А, а ТТ имеют коэффициент трансформации 600/5, то вторичный ток равен 0,15 А;

2) для включения на такой ток необходимо выбрать самое чувствительное токовое реле РТ-40/0,2, которое имеет сопротивление обмоток 80 Ом. Включение реле с такими большими сопротивлениями приводит к тому, что только часть тока попадает в реле, а другая часть, называемая током отсоса, бесполезно замыкается через вторичные обмотки ТТ неповрежденых фаз. Ток отсоса может достигать 40-50%.

Значительно большую чувствительность обеспечивает сигнализация при однофазных замыканиях на землю, выполняемая на специальных ТТ НП (ТНП), имеющих на выходе малые токи небаланса и позволяющие благодаря этому выполнить более чувствительные РЗ. Устройство ТНП показано на рисунке 8.4, а. Магнитопровод 1, собранный из листов трансформаторной стали, имеет обычно форму кольца или прямоугольника, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП. Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, являются первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка 2 располагается на магнитопроводе с числом витков w = 20  30. Токи фаз I_А, I_В и I_С создают в магнитопроводе соответствующие магнитные потоки Ф_А, Ф_B, Ф_C, которые, складываясь, образуют результирующий поток:

 

                                  Ф_рез = Ф_А + Ф_В + Ф_C.                                               (8.3)

 

           

Рисунок 8.4 - Трансформатор тока нулевой последовательности:

а) устройство; б) схема замещения; в) установка ТНП на кабеле

Так как сумма токов I_А+I_В+I_С=3I₀, то можно сказать, что результирующий поток, создаваемый первичными токами ТНП, пропорционален составляющей тока НП:

 

                                                Ф_рез =k3I₀.                                                                                 (8.4)

 

Поток Ф_рез, а следовательно, вторичная ЭДС Е₂ и вторичный ток I₂ могут возникнуть только при условии, что сумма токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные токи, проходящие через ТНП, содержат составляющую I₀. Поэтому ток во вторичной цепи ТНП будет появляться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двухфазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз I_А+I_В+I_С= 0, и поэтому ток в реле отсутствует (Ф_рез = 0).

Однако, поскольку из-за неодинакового расположения фаз А, В и С относительно вторичной обмотки ТНП коэффициенты взаимоиндукции этих фаз с вторичной обмоткой различны, несмотря на полную симметрию первичных токов, сумма их магнитных потоков в нормальном режиме не равна нулю. Появляется магнитный поток небаланса (Ф_рез = Ф_нб), вызывающий во вторичной обмотке ЭДС и ток I_н6. Ток небаланса ТНП значительно меньше, чем в трехтрансформаторном фильтре.

Это объясняется тем, что в последнем суммируются вторичные токи, которые искажены погрешностью трансформации (I_нам), особенно проявляющейся при насыщении стали сердечника при токах КЗ, в то время как в ТНП трансформация тока не вызывает небаланса. В ТНП суммируются магнитодвижущие силы одновитковых первичных обмоток, сумма которых при междуфазных КЗ равна нулю. Ток I_нб во вторичной обмотке ТНП зависит только от несимметрии расположения фаз первичного тока.

Для защиты линий ТНП выполняются только кабельного типа (ТЗ, ТЗЛ, ТФ). При необходимости осуществления РЗ воздушных ЛЭП делается кабельная вставка, на которой устанавливается ТНП. Для кабельных ЛЭП изготовляются ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа воронки, и типов ТЗР и ТФ с разъемным  магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки.

При прохождении токов I_бр по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного ТНП, в реле РЗ появляется ток, от которого РЗ может подействовать неправильно. Эти токи появляются при замыканиях на землю вблизи кабеля или при работе сварочных аппаратов.

Для исключения ложной работы РЗ необходимо компенсировать влияние блуждающих токов, замыкающихся по свинцовой оболочке и броне кабеля. С этой целью воронка и оболочка кабеля на участке от воронки до ТНП изолируются от земли (см.рисунок 8.4, в), а заземляющий провод присоединяется к воронке кабеля и пропускается через окно ТНП. При таком исполнении ток, проходящий по броне кабеля, возвращается по заземляющему проводу, поэтому магнитные потоки в магнитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничтожаются. Магнитопровод ТНП должен быть надежно изолирован от брони кабеля.

 

9 Дифференциальная защита линий

 

9.1 Принцип действия продольной дифференциальной защиты

 

Для отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП без выдержки времени служат дифференциальные РЗ, которые подразделяются на продольные и поперечные.

Принцип действия продольных дифференциальных РЗ основан на сравнении значения и фазы токов в начале и конце защищаемой ЛЭП. Как видно из рисунка 9.1, а, при внешнем КЗ (в точке К) токи I_I и I_II на концах ЛЭП АВ направлены в одну сторону и равны по значению, а при КЗ на защищаемой ЛЭП (см.рисунок 9.1, б) они направлены в разные стороны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопоставляя значение и фазу токов I_I и I_II, можно определять, где возникло КЗ - на защищаемой ЛЭП или за ее пределами. Такое сравнение токов по значению и фазе осуществляется в реагирующем органе (реле тока). Для этой цели вторичные обмотки ТТ TAI и ТАII, установленных по концам защищаемой ЛЭП и имеющих одинаковые коэффициенты трансформации, при помощи соединительного кабеля подключаются к дифференциальному реле КА (реагирующему органу) таким образом, чтобы при внешнем КЗ ток в реле был равен разности токов I_Ib и I_IIв, а при КЗ на ЛЭП их сумме I_Ib + I_IIв. Применяется схема дифференциальной РЗ с циркулирующими токами, основанная на сравнении вторичных токов (см.рисунок 9.1). Реагирующий орган - токовое реле КА включается параллельно вторичным обмоткам ТТ. При таком включении в случае внешего КЗ токи I_Ib и I_IIв замыкаются через обмотку КА и проходят по ней в противоположном направлении (см.рисунок 9.1, а). Ток в реле равен разности токов:

 

                                   I_р = I_Ib - I_IIв = I_I/K_I – I_II/K_I.                                             (9.1)

 

При равенстве коэффициентов трансформации и отсутствии погрешностей в работе ТТ вторичные токи I_Ib - I_IIв, поступающие в обмотку реле, балансируются, ток I_р = 0, и реле не срабатывает.

Таким образом, по принципу действия дифференциальная РЗ не реагирует на внешние КЗ, токи нагрузки и качания, поэтому она выполняется без выдержки времени и не должна отстраиваться от токов нагрузки и качаний. В действительности же ТТ работают с погрешностью. Вследствие этого в указанных режимах в реле появляется ток небаланса:

 

                                          I_p = I_нб = I_Ib - I_IIв.                                                   (9.2)

 

Для исключения неселективной работы при внешних КЗ I_с.з дифференциальной РЗ должен превышать максимальное значение тока небаланса:

 

                                                  I_с.з >I_{нб mаx}.                                                  (9.3)

 

При КЗ на защищаемой ЛЭП (см.рисунок 9.1, б) первичные токи I_I и I_II направлены от шин подстанций в ЛЭП (к месту КЗ). При этом вторичные токи I_Ib - I_IIв суммируются в обмотке реле:

 

                        I_p = I_Ib + I_IIв = I_I/K_I + I_II/K_I = I_K/K_I                                       (9.4)

 

где I_к - полный ток КЗ, равный сумме токов I_I и I_II, притека­ющих к месту повреждения (к точке К).

Под влиянием этого тока РЗ срабатывает. Выражение (9.4) показывает, что дифференциальная РЗ реагирует на полный ток КЗ в месте повреждения, и поэтому в сети с двусторонним  питанием она обладает большей чувствительностью, чем токовые РЗ, реагирующие на ток, проходящий только по одному концу ЛЭП. Зона действия РЗ охватывает участок ЛЭП, рас­положенный между ТТ, к которым подключено токовое реле.

 

Рисунок 9.1 - Принцип действия дифференциальной РЗ; токораспределение при КЗ: а) Вне защищаемой ЛЭП; б) на защищаемой ЛЭП; в) ток небаланса

Токи небаланса в дифференциальной защите

Выразив в (9.2) вторичные токи через первичные, с учетом погрешности ТТ получим I_нб в реле:

 

                              I_нб  = (I_I/К_I - I_Iнам) - (I_II/K_I - I_{II нам})                               (9.5)

 

где I_Iнам и I_{II нам} - токи намагничивания, отнесенные ко вторичным обмоткам ТТ (ТАI и ТАII). Так как при внешнем КЗ, сквозных токах нагрузки и качаний первичные токи в начале и конце ЛЭП одинаковы, I_I =I_II,   (из 9.5) получим

 

                                    I_нб = I_{II нам} - I_{I нам}.                                              (9.6)

 

Это выражение показывает, что значение тока небаланса определяется различием значений токов намагничивания ТТ. Следователььно, для уменьшения тока небаланса необходи­мо выравнивать токи намагничивания

I_{I нам} и I_{II нам} по значению и фазе.

 

9.2  Полная схема дифференциальной защиты линий

 

Во всех рассмотренных схемах подразумевалась установка реле на трех фазах в тех случаях, когда РЗ должна реагировать на все виды КЗ. Для выполнения таких схем необходимо шесть дифференциальных реле и не менее четырех соединительных проводов. Для уменьшения числа реле и соединительных проводов реле включаются через фильтры симметричных составляющих или суммирующие трансформаторы, как показано на принципиальной схеме (см.рисунке 9.2).

Помимо уже рассмотренных элементов в этой схеме предусмотрены разделительные (изолирующие) трансформаторы TI, с помощью которых цепь соединительного кабеля АВ отделяется от цепей реле. Такое разделение исключает появление в цепях реле высоких напряжений, наведенных в жилах кабеля при протекании токов КЗ по защищаемой ЛЭП или возникающих в них по любым другим причинам.

На практике получили распространение РЗ с комбинированными фильтрами прямой и обратной последовательностей или прямой и нулевой последовательностей. Ток (или напряжение) на выходе таких фильтров пропорционален I₁ + kI₂ или I₁ + kI₀. Составляющая прямой последовательности I₁ имеется при всех видах КЗ. Слагающая kI₂ возникает при несимметричных повреждениях (двух- и однофазных) и позволяет повысить чувствительность РЗ, увеличивая ток в реле. То же самое достигается с помощью слагающей kI₀, но только при КЗ на землю.

 

 

Рисунок 9.2 - Полная принципиальная схема

односистемной продольной дифференциальной РЗ ЛЭП

 

 

10 Поперечные дифференциальные защиты параллельных линий

 

10.1 Принцип действия и виды поперечных дифференциальных защит параллельных линий

 

Поперечные дифференциальные РЗ применяются на параллельных ЛЭП, имеющих одинаковое сопротивление, и основаны на сравнении значений и фаз токов, протекающих по обеим ЛЭП. Благодаря равенству сопротивлений ЛЭП в нормальном режиме и при внешнем КЗ токи в них равны по значению и фазе  (I_I = I_II) (см.рисунок 10.1 а) В случае КЗ на одной из ЛЭП равенство токов нарушается. На питающем конце ЛЭП А токи I_I и I_II совпадают по фазе, но различаются по значению, а на приемном В - противоположны по фазе, что следует из токораспределения, приведенного на рисунке 10.1б. Таким образом, нарушение равенства токов в параллельных ЛЭП по значению или фазе являет­ся признаком повреждения одной из них. Поперечные дифференциальные РЗ применяются двух видов: на параллельных ЛЭП, включенных под один общий выключатель - токовая поперечная дифференциальная РЗ; на параллельных ЛЭП с самостоятельными выключателями - направленная поперечная дифференциальная РЗ.

        

         10.2 Токовая поперечная дифференциальная защита

 

Принципы действия защиты. Токовая поперечная дифференциальная РЗ предназначена для параллельных ЛЭП с общим выключателем. При одностороннем питании параллельных ЛЭП РЗ устанавливается только со стороны источника питания, а в сети с двусторонним питанием с обеих сторон параллельных ЛЭП. Схема РЗ для одной фазы изображена на рисунке 10.1. На одноименных фазах каждой ЛЭП устанавливаются ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации К_II=К_III=K_I. Вторичные обмотки трансформаторов тока I и II соединяются разноименными зажимами по схеме с циркуляцией токов в соединительных проводах, и параллельно к ним включается обмотка токового реле 1. Из токораспределения, приведенного на рисунке 10.1,а для нормального режима, внешнего КЗ и качаний, видно, что ток в реле

 

  I_p = I_{в I} – I_{в II} = I_I / K_I – I_II / K_I.

 

В этих режимах I_I = I_II, поэтому при отсутствии погрешностей ТТ I_р = 0, и РЗ не работает. Следовательно, по своему принципу действия рассматриваемая РЗ не реагирует на внешние КЗ и нагрузку. Поэтому ее выполняют без выдержки времени и не отстраивают от токов нагрузки. В действительности в реле протекает ток небаланса I_нб, вызванный погрешностью ТТ I’_нб и некоторым различием первичных токов I”_нб=(I_I–I_II)/K_I, обусловленным неточным равенством сопротивлений ЛЭП. Ток срабатывания реле I_с.р должен быть больше максимального тока небаланса:

 

                              I_c.p > (I'_нб + I''_нб).                                            (10.1)

 

В случае повреждения одной из параллельных ЛЭП, напри­мер WI (см.рисунок 10.1, б), ток I_I в поврежденной ЛЭП становится больше тока во второй ЛЭП (I_I > I_II), и в реле появляется ток

 

                             I_p = I_{в I} – I_{в II} = (I_I – I_II) / K_I.                                (10.2)

При токе в реле I_р > I_ср РЗ действует и отключает общий выключатель обеих ЛЭП.

 

                          I_p = I_{в I} – I_{в II} = (I_I – I_II) / K_I.                               (10.3)

 

Схема защиты. В сетях с малым током замыкания на землю (т.е. с изолированной нейтралью или заземленной через ДГР) РЗ выполняется на двух фазах. В сетях с глухозаземленной нейтралью РЗ устанавливается на трех фазах. В этом случае ТТ на каждой ЛЭП соединяются по схеме полной звезды с нулевым проводом. Для отключения РЗ при отключении одной из параллельных ЛЭП устанавливается отключающее устройство (SX) на рисунке 10.2. В дополнение к отключающему устройству можно предусматривать автоматическое отключение РЗ вспомогательными контактами SQ1 и SQ2 на разъединителях.

 

 Рисунок 10.1 - принцип действия токовой поперечной дифференциальной РЗ:  а) режимы нагрузки и внешнего КЗ; б) режим КЗ на WI

 

Оценка защиты. Токовая поперечная дифференциальная РЗ относится к числу простых и надежных устройств, важным достоинством ее является быстродействие. Недостатком РЗ являются наличие мертвой зоны и необходимость отключения РЗ при отключении одной из параллельных ЛЭП. Кроме поперечной дифференциальной РЗ на параллельных ЛЭП необходимо

предусматривать дополнительную РЗ, действующую при КЗ на шинах противоположной подстанции, в мертвой зоне. А также при выводе из работы одной ЛЭП.    

  

         10.3 Направленная поперечная дифференциальная защита. Принцип действия

        

         Направленная поперечная дифференциальная РЗ применяется на параллельных ЛЭП с самостоятельными выключателями на каждой ЛЭП (см.рисунок 10.2 ). К РЗ таких ЛЭП предъявляется требование отключать только ту из двух ЛЭП, которая повредилась. Для выполнения этого требования токовая поперечная дифференциальная РЗ дополняется РHМ двустороннего действия (см.рисунок 10.2) или двумя РНМ одностороннего действия, каждое из которых предназначено для отключения одной ЛЭП. Принципиальная схема одной фазы дана на рисунке 10.2. Токовые цепи РЗ выполняются так же, как и у токовой поперечной дифференциальной РЗ. Токовые обмотки РНМ KW и токового реле КА соединяются последовательно и включаются параллельно вторичным обмоткам ТТ на разность токов параллельных ЛЭП: I_p = I_I – I_II.

 

         Рисунок 10.2 - Упрощенная схема и принцип действия

направленной поперечной дифференциальной РЗ параллельных ЛЭП

а) первичная схема и цепи тока; б) цепи напряжения; в) оперативные цепи

 

         Токовые реле выполняют функции пусковых органов, реагирующих на КЗ и разрешающих РЗ действовать. РНМ служит для определения поврежденной ЛЭП по знаку мощности. Напряжение к реле подводится от ТН шин подстанции. Оперативный ток к РЗ подается через вспомогательные контакты выключателей.

При срабатывании КА плюс постоянного тока подводится к контактам KW, которое замыкает верхний или нижний контакт, в зависимости от того, какая из двух ЛЭП повреждена.

Для отключения поврежденной ЛЭП РЗ устанавливается с обеих сторон параллельных ЛЭП.

Внешние КЗ. При внешних КЗ, нагрузке и качаниях первичные токи I_I и I_II равны по значению и совпадают по направлению на обоих концах ЛЭП. При равенстве К_I1 и К_{I II} и идеальной работе ТТ I_р=I_Iв–I_IIв=0. При внешних КЗ, нагрузке и качаниях РЗ не действует. Вследствие погрешности ТТ и неравенства сопротивлений параллельных ЛЭП I_Iв и I_IIв различаются по зна­чению и фазе, в результате чего в реле появляется ток небаланса I_р=I_нб. Для исключения работы РЗ при внешних КЗ ее ток срабатывания должен удовлетворять условию: I_с.з > I_нб.

Короткое замыкание на одной из параллельных ЛЭП (WI и WII). На питающем конце (ПС А) в случае повреждения на WI или WII первичные токи I_I и I_II имеют одинаковое направление. При этом токи I_I и I_II различаются по значению: в поврежденной ЛЭП ток всегда больше, так как сопротивление от ПС А до точки К для тока в поврежденной ЛЭП всегда меньше, чем в неповрежденной. В результате I_р = I_Iв – I_IIв , а его знак и направление зависят от того, какая ЛЭП повреждена. На приемном конце (ПС В) первичные токи I_I и I_II имеют противоположное направление: на поврежденной ЛЭП ток идет от шин ПС В, а на неповрежденной - к шинам (см.рисунок 10.2, б). В соответствии с этим I_р = I_{I b} +I_{II в}.

 

 

Рисунок 10.3 - Схема поперечной направленной дифференциальной

РЗ для сетей с изолированной нейтралью: а) первичная схема и цепи тока;

б) цепи напряжения; в) оперативные цепи

 

Схемы направленной поперечной дифференциальной защиты выполняются с учетом следующих положений: в сети с изолированной нейтралью в двухфазном исполнении от междуфазных КЗ и от двойных замыканий на землю; в сети с глухо-заземленной нейтралью двумя комплектами - в двухфазном исполнении от междуфазных КЗ и нулевой последовательности от КЗ на землю; РЗ выполняется без выдержки времени.

На рисунке 10.3 приведена схема поперечной дифференциальной токовой направленной РЗ для параллельных ЛЭП в сети с изолированной нейтралью.

 

11 Дистанционная защита линий

 

11.1 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 (см.рисунке 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).

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11.1 -  Кольцевая сеть с двумя источниками питания:

∆ - дистанционная защита, О  - максимальная токовая направленная защита

 

         Выдержка времени ДЗ t₃ зависит от расстояния (дистанции) t₃=f(l_р.к) (см.рисунок 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 (см.рисунок 11.2) Д32, расположенная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдержкой времени, чем более удаленная Д31. Если же КЗ возникает в точке К2, то время действия Д32 увеличивается, и КЗ селективно отключается ближайшей к месту повреждения ДЗ 3 .

 

Рисунок 11.2 – Зависимость выдержки времени дистанционной защиты

 

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 I_р.к, так как  Z_p.к = Z_y  l _p.к; Х _р.к = Х_у l _р.к; R_р.к = R_y  l _p.к , где Z_p.к, Х_р.к, R_р.к - полное, реактивное и активное сопротивления участка ЛЭП длиной l_р.к; Z_y, Х_у, R_y - удельные сопротивления на 1 км ЛЭП.

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

В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует ДО (Z, X или R), ДЗ подразделяются на РЗ полного, реактивного и активного сопротивлений. Реле сопротивления, применяемые в ДЗ для определения сопротивления Z_p.к до точки КЗ, контролируют напряжение и ток в месте установки ДЗ (см.рисунок 11.3). К зажимам PC подводятся вторичные значения U_р и I_р от ТН и ТТ. Реле выполняется так, чтобы его поведение в общем случае зависело от отношения U_р к I_р. Это отношение является некоторым сопротивлением Z_p. При КЗ Z_p = Z_p.к, и при определенных значениях Z_p.к PC срабатывает; оно реагирует на уменьшение Z_p, поскольку при КЗ U_р уменьшается, а I_р возрастает.

 

 

Рисунок 11.3 - Подключение цепей тока и напряжения реле

сопротивления

 

Наибольшее значение Z_p, при котором PC срабатывает, называется сопротивлением срабатывания реле Z_c.p:

 

                                      Z_p = U_p/I_p  Z_c.p.                                         (11.1)

 

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 РНМ или применением направленных PC, способных реагировать и на направление мощности КЗ. Зависимость времени действия ДЗ от расстояния или сопротивления до места КЗ t₃ = f(l_р._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). 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 (см.рисунок 11.4,б)

 

Рисунок 11.4 – Характеристики дистанционной защиты:

 а) наклонная; б) ступенчатая; в) комбинированная

 

11.2 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 (см.рисунок 11.5) согласуются между собой  Д31, ДЭЗ, Д35 и Д36, Д34, Д32.

         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 Д31 зона действия отстраивается от конца первой ступени ДЭЗ (т.е. Z_II(1) < Z_I(3) )  а время действия выбирается на ступень t больше t_I(3): t_II(1)=t_I(3)+t.

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 t 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.

Основными достоинствами дистанционного принципа являются: селективность действия в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания: малые выдержки времени при КЗ в начале защищаемого участка, которые обеспечиваются I зоной, охватывающей до 85-90% защищаемой ЛЭП; большая, чем у МТЗ, стабильность зон действия; значительно большая чувствительность при КЗ и лучшая отстройка от нагрузки и качаний по сравнению с МТЗ.

К числу недостатков ДЗ следует отнести: невозможность обеспечения мгновенного отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП; реагирование на качания и нагрузку; возможность ложной работы при неисправностях в цепях напряжения; сложность схем ДЗ и ДО.

 

 

Рисунок 11.5 – Согласование выдержек времени дистанционных РЗ со ступенчатой характеристикой:_∆ Z – погрешность дистанционного реле;

 _∆t – ступень селективности

 

11.3 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. На рисунке 11.6 приведена упрощенная структурная схема трехступенчатой ДЗ от междуфазных КЗ с направленными измерительными ДО (дистанционные органы). Защита имеет четыре функцио­нальные части, обведенные пунктиром на рисунке 11.6, а: измерительную 1, логическую 2, исполнительную 3, вспомогательную.

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_p=U_p.п/K_U , а вторичный ток I_р=I_р.п/К_I.

Сопротивление на входных зажимах реле определяется по выражению

 

                                                                                       

                                                                     ,                                                     (11.1)

 

где Z_p.п = U_р.п / I_р.п - первичное значение сопротивления, подведенного к зажимам реле.

Первичное сопротивление Z_с.з = Z_c.p(K_U / K_I) называется сопротивлением срабатывания ДЗ. В трехступенчатой  ДЗ,  изображенной на рисунке 3.1, для каждой ступени установлен свой отдельный комплект ДО KZI, KZII, KZIII, действующий при КЗ в пределах I, II, III зон (ступеней) соответственно. Для правильного определения зоны поврежде­ния при различных видах двухфазных КЗ в 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 рисунке 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 ДЗ 2. 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_р в защищаемой ЛЭП возрастает, при этом соответственно уменьшается Z_p = U_p/I_p. Реагирующие на U_p, I_p 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 рисунке 11.6, блокирует первую ступень, а в тех случаях, когда время действия второй ступени мало (t_II < 1 с), - и вторую. 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.

 

Рисунок 11.6 - Трёхступенчатая дистанционная РЗ:

а) структурная схема; б) характеристика выдержек времени

 

При исправном состоянии цепей напряжения с выхода УБН, 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_р._н (здесь U_p.н, I_p.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_{р.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 (см.рисунок 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 КТЗ. Реле КТ2 срабатывает с t_II раньше КТЗ 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 fin на реле КТЗ, и затем выходной элемент ИО подает команду на отключение. Использование комплексной плоскости для изображения характеристик PC. Сопротивление является комплексной вели­чиной, поэтому характеристики срабатывания PC Z_c.p (Z_p, _р) и сопротивления на их зажимах Z_p удобно изображать на комп­лексной плоскости в осях R, jX. 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_р/I_р может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа Z_p = R_p + jX_p = Z_pe^j и изображено в осях R, jX вектором с координатами R_p и jX_p. Величина этого вектора характеризуется модулем |Z_p | =         , а его направление - углом _р, который определяется соотношением Х_р и R_p, поскольку tg _р = X_p/R_p.

Графическое изображение характеристик срабатывания реле

Характеристики срабатывания основных типов PC, изображенные на рисунке 11.7, 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_K + R_д может располагаться при КЗ на защищаемом участке ЛЭП в пределах площади четырехугольника ОАВС, показанного на рисунке 11.7, д.

Действие реле при КЗ будет обеспечено, если характеристики срабатывания реле, показанные на рисунке 11.7, будут охватывать область комплексной плоскости, в которой может находиться вектор сопротивления Z_p при КЗ на ЛЭП (площадь ОАВС рисунке 11.7, 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.р < Z_{pa6 min} и по возможности Z_c.p < Z_кaч .

 

Рисунок 11.7 - Характеристики срабатывания реле сопротивления

 

Направленное реле полного сопротивления имеет Z_c.p, зависящее от угла _р (см.рисунок 11.7,б). Его характеристика срабатывания изображается окружностью, проходящей через начало координат. Сопротивление срабатывания имеет максимальное значение при _р = _м.ч, где _м.ч - угол максимальной чувствительности реле, при котором Z_c.р = Z_{c.p max}, т. е. равен диа­метру окружности 0В.

Зависимость срабатывания этого реле от угла _р может быть представлена уравнением

 

                                                    Z_с.р = Z_{c.p max} cos(_м.ч - _р).                               (11.2)

 

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 РИМ, направленное PC имеет "мертвую зону" при повреждениях в начале за­щищаемой ЛЭП.

Реле с эллиптической характеристикой. На рисунке 11.7, г изображена характеристика направленного реле, имеющая вид эллипса. Сопротивление срабатывания такого реле Z_c.p зависит от угла _р и имеет наибольшее значение при _р = _м.ч. Угол _м.ч, как и в предыдущем случае, равен _л. Сопротивление Z_{c.p max} равно большой оси эллипса.

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 рисунке 11.7, д. 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 ОА' и ВС', предусматривающий расширение зоны реле для обеспечения его действия при двустороннем питании КЗ через переходное сопротивление.

На рисунке 11.7, е показана характеристика, имеющая форму треугольника, применяемая для третьей зоны ДЗ. Она позволяет отстроиться от Z_p при больших значениях тока нагрузки I_{раб max}, чему соответствует минимальное значение Z_{pa6 min} = 0,9U_ном /I_{раб тах} , и допускает срабатывание PC при значительном переходном сопротивлении R_п в случае удаленных КЗ.

 

 

12 Принципы выполнения статических PC

 

12.1 Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления ДЗ -2

 

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_1m sin t, U₂ = U_2m sin(t + ₂) и т. д.]. Каждое из них являет­ся линейной функцией напряжения U_p и тока I_p, измеряемых в месте установки РЗ.

 

                             U₁ = K_U1U_p + K_I1I_p;

                             U₂ = K_U2U_p + K_I2I_p;                                           (12.1)

                             U_n = K_UnU_p + K_InI_p.                                                                

                                                                    

 

Коэффициенты K_U1 - K_Un (12.1) являются постоянными величинами. Их значения определяют форму и уставки характеристики срабатывания. Коэффициенты K_I1 – К_Iп представляют собой комплексы, имеющие размерность сопротивлений, a K_U1 - K_Un - действительные числа.

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 .    

Направленное PC с круговой характеристикой срабатывания (см.рисунок 12.1,) основано на сравнении двух напряжений U₁ и U₂, образованных по (12.1), в которых для получения характеристики срабатывания в виде окружности, проходящей через начало координат, принято, что К_U1 = 0, а при I_р коэффициент  K_I1 =K_I2 = -K_I. С учетом этого выражения сравниваемых величин имеют следующий вид:

 

                                                U₁ = K_II_p; U₂ = K_UU_p - K_II_p.                                   (12.2)

 Рисунок 12.1 - Характеристика срабатывания направленного реле сопротивления

 

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, (см.рисунок 12.2). Обе пары первичных и вторичных обмоток TAV1 имеют одинаковое число витков. Каждая вторичная обмотка замкнута на одинаковые активные сопротивления R9, R11 или RIO, R12. Примем, что рассматриваемое PC включено на U_AB и I_р = I_А – I_B (реле, включенные на фазы ВС и СА, выполняются аналогично). Напряжение U_p трансформируется на вторичную сторону TV1, образуя напряжение K_UU_p, где К_U - коэффициент трансформации TV1. Под действием токов I_А 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° (см.рисунок 12.2,в). Под действием ЭДС Е в контурах вторичных обмоток возникают одинаковые токи I_T = E/(R + jX)  I_p, отстающие от Е на угол , определяемый отношением X и R вторичного контура. Напряжения U’₂=U’’₂=I_TR_T сдвинуты относительно ЭДС E на угол , так же как и ток I_т (см.рисунок 12.2,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_T, представляет собой комплексную величину, сдвинутую относительно вектора I_р на угол =90°- . Модуль К_I и угол сдвига  зависят от параметров трансреактора (отношения витков w₁/w₂, Х, ветви намагничивания ТАV, сопротивления R_т). Напряжения U_н U_т (см.рисунок 12.2, а), полученные со вторичных зажимов TV1 и TAV1, используются для образования U₁ и U₂. Рабочее напряжение U₁ = К_II_р подводится к выпрямителю VS1. Тормозное напряжение U₂ образуется геометрическим суммированием U_H = K_UU_p и U_T = -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) ЕA, реагирующим на знак U_ВЫХ. Для сглаживания пульсации U_вых устанавливается частотный фильтр-пробка L₁C₄ (см.рисунок 12.2,б), который не пропускает в ЕА переменную составляющую 100 Гц. В результате этого на вход ЕА поступает U_ВЬ1Х схемы сравнения, равное разности постоянных составляющих выпрямленных напряжений |U₁| и |U₂|, иначе говоря, разности их средних значений за период переменной составляющей (100 Гц). Реле (НИ) срабатывает при |U₁|>|U₂|. Начало действия реле характеризуется равенством:

 

                                       |U₁| = |U₂|, или |K_II_p| =  |K_UU_p - K_II_p| .                            (12.3)

 

Это условие действия реле на грани его срабатывания можно выразить через Z_c.p. Разделим для этого обе части равенства (12.3) на K_U и I_р, учтя, что Z_p = U_p/I_p, удовлетворяющее условию (4.3), является Z_c.p:

 

                                                 |K_I / K_U|=|(U_p / I_p)-(K_I / K_U)|.

 

После преобразования получим

 

                                                       Z_c.p=2(K_I/K_U)=2R.                                        (12.3 а)

 

Уравнение (12.3а) является характеристикой срабатывания направленного PC, имеющего форму окружности, проходящей через начало координат (см. рисунок 11.7,б). Радиус этой окружности R равен |K_I/K_U|; вектор K_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 _р (угла сопротивления Z_p), что видно из рисунка 12.2, г. При _р=_м.ч сопротивление имеет максимальное значение                         Z_{c.p max}=Z’_p=2(K_I/K_U). Угол вектора Z_{c.p тах} равен углу вектора K_I, это означает, что _м.ч =90°- и определяется параметрами X и R трансреактора TV1 (см.рисунок 12.2,а). При всех других значениях

 

_рм.ч ,Z_c.p=Z_{c.p max} соs(_м/ч-_Р) = 2(K_I/K_U) соs(_м.ч - _р)390.

 

Рисунок 12.2 - Принципиальная схема полупроводникового реле

сопротивления в комплекте типа ДЗ-2: а) упрощенная схема сравнения

 б) схема РС; в) векторная диаграмма трансреактора; г) характеристика реле

 

13 Реле сопротивления со сложными характеристиками  срабатывания, выполненные на ИМС

 

13.1 Виды и особенности сложных характеристик

 

Сложными принято называть характеристики, имеющие форму многоугольника, либо образованные из сочетания дуг окружностей с отрезками прямых. Сложные характеристики по сравнению с круговыми и эллиптическими позволяют повысить чувствительность PC к повреждениям через переходное сопротивление R_п и увели­чить их зону действия на протяженных ЛЭП, обеспечивая при этом отстройку от сопротивлений в максимальных нагрузочных режимах. Реле со сложными характеристиками выполняются на сравнении фаз или абсолютных значений трех, четырех напряжений, образованных по (12.1). Практическое применение нашли характеристики в форме четырехугольника, треугольника. Реле сопротивления ДЗ с четырехугольной характеристикой, выполняемое на сравнении фаз четырех величин в одной схеме сравнения. Сравниваемые величины (в виде напряжений U₁ – U₄) формируются, как обычно:

 

                           U₁ = K_U1U_P  + K_II_p  = К_U1 I_P(Z_P –Z₁) = K_U1 I_p Z₁;

                           Z₁ =  -K_I1 K_U1 ;

((13.1)

                           U₂ = K_U2U_p + K_I2I_p = K_U2I_p(Z_p –Z₂) = K_U2 I_p Z₂;

                           Z₂ = -K_I2 / K_U2;

               U₃ = K_U3U_p + K_I3I_p = K_U3I_p(Z_p -Z₃) = K_U3I_pZ₃;                

                           Z₃ = -K_I3 / K_U3;

                           U₄ = K_U4U_p + K_I4I_p = K_U4I_p(Z_p – Z₄) = K_U4I_pZ₄;

                           Z₄ = -K_I4 / K_U4.

   

В этих уравнениях сопротивления Z_l, Z₂, Z₃, Z₄ определяют положение особых точек. Характеристиками срабатывания у четырехугольника с особыми точками, определяющими его форму, площадь действия реле на комплексной плоскости R, jX (и соответствующую ей зону действия ИО на контролируемом им участке сети), являются четыре вершины 1, 2, 3, 4, показанные на рисунке 13.1, а. Поэтому при формировании напряжений U₁ – U₄, коэффициенты К_U1 – К_U4 и K_I1 – K_I4 должны быть подобраны так, чтобы особые точки совпадали с вершинами заданного четырехугольника, показанного на  рисунке 13.1, а. Из (13.1) следует важный вывод о том, что фазные соотношения (иначе говоря, сдвиги фаз) между векторами сравниваемых напряже­ний U₁, U₂, U₃, U₄ соответствуют (а точнее, равны) фазным соотношениям между векторами       (Z_p – Z₁), (Z_p - Z₂), (Z_p - Z₃), (Z_p - Z₄). Положение последних будет изменяться с измене­нием конца вектора Z_p=U_p/I_p, которое зависит от режима контролируемой сети. Для выявления фазных соотношений U₁ - U₄ при которых ИО должен срабатывать, рассмотрим, как будут изменяться фазные соотношения векторов (Z_p – Z₁),..., (Z_p -Z₄) при повреждении в зоне действия, охваченной четырехугольной характеристикой, когда Z_p = Z', и вне её при Z_p = Z". Как видно из векторной диаграммы на  рисунке 6.1, а, в первом случае (соответствующем КЗ в зоне действия ИО) угол ' между крайними векторами рассматриваемой системы векторов (разности двух сопротивлений), а следовательно, и векторов U₁ - U₄ всегда больше 180° ('> ). Во втором случае, соответствующем КЗ вне зоны действия ДЗ (рисунок 13.1, б), угол " между крайними векторами всегда меньше 180° (" < ).

 

 

Рисунок 13.1 - Векторные диаграммы реле сопротивления с

четырехугольной характеристикой: а) при КЗ в зоне; б) при КЗ вне зоны

 

В третьем случае - при КЗ на границе срабатывания защиты угол = 180° (на рисунке 13.1 не показан). В каждом из перечисленных случаев углы ос между пучком векторов U₁ – U₄ будут такими же, как между пучками векторов сопротивлений. Это означает, что по фиксации факта расположения векторов U₁ - U₄, осуществляемой в схеме сравнения при  > 180°, на выходе схемы появится сигнал о срабатывании PC (ДО), а при < 180° - сигнал о недействии реле (ДО).

Обнаружить отмеченные фазные различия в процессе сравнения фаз можно, сопоставляя знаки мгновенных значений синусоидальных напряжений U₁ – U₄ с помощью времяимпульсного метода. Действительно, из рассмотрения диаграмм мгновенных значений сравниваемых напряжений u_l – и₄ (см.рисунок 13.2, б) можно заключить, что при повреждении в зоне действия PC мгновен­ные значения u₁ - и₂ в каждый момент полупериода Т/2 = 0,01 с имеют разные знаки, совпадение их знаков исключается, так как векторы четырех напряжений всегда расположены в обеих полуплоскостях. Если же повреждение возникло вне плоскости, охваченной характеристикой (см.рисунок 13.2, а), то в течение каждого полупериода имеет место хотя бы кратковременное совпадение знаков всех четырех напряжений. Таким образом, по совпадению и несовпадению фаз можно выявить зону КЗ и построить на этой основе PC с четырехугольной характеристикой. Совпадение или несовпадение знаков сравниваемых напряжений определяется с помощью специальной схемы сравнения.

 

Рисунок 13.2 - Векторные диаграммы функционирования схемы сравнения с реагирующим органом РО1: а) при КЗ в зоне; б) при КЗ вне зоны

 

       

13.2 Выбор уставок дистанционной защиты

 

Ниже рассматривается выбор характеристик трехступенчатой ДЗ на примере участка сети с одиночными ЛЭП, показанного на рисунке 13.3.

Выбираются уставки ДЗ А, уставки ДЗ В и С принимаются заданными.   

Характеристики согласуемых защит t₃ = f(Z) изображаются графически на диаграмме в осях Z, t (см.рисунок 13.3,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 ± Z. На значение Z влияют погрешности ДО, ТН и ТТ. В расчетах принимается _тт = -0,1; _тн = 0,05; _до = ± 0,1. Помимо этих погрешностей вводится запас, учитывающий погрешности расчета и регулирования уставок. Расчет сопротивлений срабатывания удобнее вести в первичных величинах (U_p, I_p, Z_p) с последующим пересчетом выбранных уставок на вторичную сторону.

Первая ступень защиты. Время срабатывания I ступени t₁ определяется собственным временем действия ИО и элементов ЛЧ ДЗ (t₁ = 0,02  0,1 с). Сопротивление срабатывания Z₁ выбирается из условия, чтобы ДО этой зоны не могли сработать за пределами защищаемой ЛЭП (W₁ на рисунке 13.3):

 

    Z_1A = k'Z_1W1 = k'Z_1yдl_AB                                         (13.2)

где Z_1W1 - первичное сопротивление прямой последовательности защищаемой ЛЭП W₁; k' - коэффициент, учитывающий _тн и _ДО могущие вызвать увеличение Z_IA (k' = 0,85  0,9); Z_1yд - удельное сопротивление ЛЭП; l_АВ -длина W₁. Из (13.2) следует, что длина I зоны l₁ = (0,85  0,9) l_АВ. Вторая ступень защиты служит для защиты с минимально возможной выдержкой времени t_II участка защищаемой ЛЭП, не вошедшего в зону I ступени. Сопротивление срабатывания Z_IIa и выдержку времени t_II отстраивают от быстродействующих РЗ трансформаторов и ЛЭП, отходящих от шин противо­положной подстанции (см.рисунок 6.3).

Выдержка времени выбирается

 

                                             t _IIA = t_IB+t                                                     (13.3)

 

где t_IB - максимальное время действия быстродействующих РЗ следующего участка (t_IB = 0,1 с), t = 0,3  0,5 с.

С учетом этого t_IIA = 0,4  0,6 с. Если на ПС В имеется УРОВ,                  то t_IIA = t_IB + t_ypoв + t.

Для согласования с линейными РЗ II зона должна быть отстроена от самой короткой I ступени на следующем участке (Z_IB). Вторая зона должна быть отстроена от точки К', т. е. от конца I зоны ДЗ В с учетом ее сокращения, аналогично тому как отстраивалась I зона этой же ДЗ (см.рисунок 13.4). Отсюда, считая, что источник В отключен:

 

                                Z_IIA = k'(Z_Wl + k"Z_IB) = k'Z_1yд(l_AB + k"l_BK1)                           (13.4)

 

где k" - коэффициент, учитывающий сокращение Z_IB на Z, принимается равным 0,9; k' - коэффициент, учитывающий возможное увеличение Z_IIA в результате погрешностей ДО II зоны ДЗ A (k'=0,850,9);l_AB и l_ВК1 -рисунок 13.3.

Протяженность II ступени ДЗ А l_IIA  = (0,85  0,9) (l_АВ + 0,9l_BKl).

При наличии нескольких источников питания, подключенных к шинам противоположной подстанции, расчет Z_II необходимо вести с учетом подпитки места КЗ током I_к от дополнительного источника В.

Сопротивление в месте установки ДЗ А, подводимое к ее зажимам:

 

                       Z_pA = Z_W1  +Z_BKlI_K2 / I_K1 = Z_W1 + k_TZ_BKl = Z_iyд(l_AB+k_тl_BK1)               (13.5)

 

где k_т = I_K2 / I_K1 - коэффициент токораспределения, показывающий, во сколько раз ток на поврежденном участке больше тока, на который реагирует ДО ДЗ.

Поскольку k_т > 1, то значение Z_pA, измеряемое ДО, превосходит действительное сопротивление Z_AK1 = Z_AB + Z_BK1. Поэтому Z_II следует выбирать с учетом ожидаемой подпитки по выражению

 

                                    Z_IIA = k'(Z_Wl+ k_Tk"Z_IB) = k'Z_lyд(I_AB   + k_тk"l_IB).                         (13.6)

 

Здесь Z_ib, k', k"- такие же величины, как в (13.4); k_т - коэффициент токораспределения, равный I_K2 / I_к1 при повреждении в конце I ступени ДЗ В.

Для отстройки от КЗ за трансформаторами Т ПС В с учетом токораспределения II ступень ДЗ А должна удовлетворять условию:

 

                                                 Z_IIA = k'(Z_Wl + k_TZ_Tmin)                                         (13.7)

 

где Z_{т min} - сопротивление наиболее мощного трансформатора на ПС В с учетом его изменения (по данным завода); k' -то же, что в (13.2).             

В приведенных выше выражениях ZIIA (13.5) и kт (13.6) определяются как отношение тока, проходящего по поврежденному присоединению, к току ДЗ А, при этом kT > 1. В руководящих указаниях принимается отношение тока в рассматриваемой ДЗ к току в поврежденном присоединении, при этом k^’_т < 1  входит в формулы (13.5) и (13.6) в виде множителя l/k^’’_T.

При определении k_т для расчета уставки Z_IIA по (13.5) и (13.7) следует исходить из реально возможно­го режима сети и источников питания. За окончательное зна­чение Z_II принимается меньшее из двух по (13.6) и (13.7). Выбранное Z_IIA проверяется по условию надежного действия при КЗ на шинах ПС В. Согласно ПУЭ:

 

                                                  k_ч = Z_IIA / Z_W1  1,25.                                          (13.8)

 

Для ЛЭП с сопротивлением 5-20 Ом следует стремиться, чтобы k_ч  1,52, так как при малом k_ч ДЗ на ЛЭП с неболь­шим сопротивлением могут отказывать при КЗ через R_п.

          

Рисунок 13.3 - Участок сети, защищаемый дистанционной защитой А (а) и  изображение характеристик выдержек времени дистанционных защит в осях (б)

Рисунок 13.4- Согласование характеристик дистанционных защит А и В двух смежных ЛЭП

 

Третья ступень предназначается для резервирования присоединений (ЛЭП и трансформаторов), отходящих от шин противоположной ПС (В на рисунке 13.3). Дистанционные органы этой ступени должны действовать при КЗ в конце наиболее длинной ЛЭП, отходящей от шин противоположной ПС, и за подключенными к ней трансформаторами. Удовлетворяющее условию резервирования Z_III обычно имеет значительную величину. Поэтому вторым условием для выбора Z_III является ее отстройка от Z_{pa6 min}. Часто второе условие является определяющим уставку и ограничивающим зону резервирования III ступени.

Z_с.з(н)  U_{раб min} / k_нk_вk_сзпI_{раб mах} cos(_м.ч-_{н mах}),

 

                                       Z_III = Z_{pa6 min} / k_отсk_вk_сзп cos(_м.ч-_{н mах})                     (13.9)

где

k_OTC = 1,1, k_сзп = 1, k_в=1,1.

 

Для пересчета первичных сопротивлений на вторичную сторону ТТ и ТН используются выражения

 

U_p.в = U_p.п/К_U  и  I_р.в = I_p.п / K_I.

 

Вторичное сопротивление срабатывания реле

 

                                                Z_c.p=U_p.пK_I/I_р.пK_U= Z_с.зK_I/K_U .                              (13.10)

 

 

14 Высокочастотные защиты

 

14.1 Высокочастотные защиты. Назначение и виды высокочастотных защит 

 

Высокочастотные (ВЧ) РЗ являются быстродействующими и предназначаются для ЛЭП 110, 220 кВ и линий СВН. Они применяются для быстрого отключения линии при. КЗ в любой ее точке с целью обеспечения устойчивости параллельной работы электрических станций и энергосистем в целом, а также в связи с ростом требований со стороны потребителей для сохранения устойчивости технологического процесса.

Высокочастотные РЗ (ВЧЗ) состоят из двух комплектов, расположенных по концам защищаемой ЛЭП. Особенность ВЧЗ заключается в том, что для их селективного действия необходима связь между комплектами защиты, осуществляемая посредством токов ВЧ, которые передаются по проводам защищаемой ЛЭП. По принципу своего действия ВЧЗ не реагируют на КЗ вне защищаемой ЛЭП и поэтому, так же как дифференциальные РЗ, не имеют выдержки времени. Применяются три вида ВЧЗ: направленные РЗс ВЧ-блокировкой, основанные на сравнении направления знаков мощности по концам защищаемой ЛЭП; дифференциально-фазные ВЧЗ, основанные на сравнении фаз токов КЗ по концам ЛЭП; комбинированные направленные и дифференциально-фазные ВЧЗ, сочетающие оба упомянутые выше принципа. В связи с указанными особенностями перечисленные РЗ состоят из двух частей - релейной и высокочастотной.

 

14.2 Принцип действия дифференциально - фазной высокочастотной  защиты                 

 

Принцип действия. Дифференциально-фазная ВЧЗ (ДФЗ) основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой ЛЭП. Считая положительными токи, направленные от шин в ЛЭП, находим, что при внешнем КЗ в К1 (см.рисунок 14.1, а) токи I_т и I_n по концам защищаемой ЛЭП имеют различные знаки и, следовательно, их можно считать сдвинутыми по фазе на 180°. В случае же КЗ на защищаемой ЛЭП (см.рисунок 14.1,б) токи на ее концах имеют одинаковые знаки и их можно принять совпадающими по фазе, если пренебречь сдвигом векторов ЭДС Е_т и Е_п по концам электропередачи и различием углов полных сопротивлений Z_m и Z_n. Таким образом, сравнивая фазы токов по концам ЛЭП, можно установить местоположение КЗ. В обычных схемах дифференциальных РЗ сравнение фаз токов осуществляется путем непосредственного сравнения токов, проходящих в начале и конце ЛЭП. В ВЧЗ (ДФЗ) сравнение фаз осуществляется косвенным путем посредством ВЧ-сигналов. Упрощенная схема, иллюстрирующая работу ДФЗ, и диаграмма, поясняющая принцип ее действия, приведены на рисунках 14.1и 14.2.

Защита состоит из приемопередатчика (см.рисунок 14.1, в), включающего в себя генератор ГВЧ, приемник ПВЧ, реле отключения РО, питающегося током приемника, и двух пусковых реле ПО1 и ПО2, одно из которых пускает ГВЧ, а второе контролирует цепь отключения ДФЗ.

Особенность ДФЗ заключается в том, что ВЧ-генератор управляется (манипулируется) непосредственно токами промышленной частоты при помощи специального трансформатора Т. Генератор включен так, что при положительной полуволне промышленного тока он работает, посылая в ЛЭП сигнал ВЧ, а при отрицательной запирается, и сигнал ВЧ прекращается. В то же время приемник выполнен таким образом, что при наличии сигналов ВЧ, поступающих в его входной контур, выходной ток, питающий реле РО, равен нулю, а при отсутствии ВЧ-сигнала появляется выходной ток, поступающий в РО. Таким образом, генератор ВЧ работает только в течение положительных полупериодов тока промышленной частоты, а приемник - при отсутствии ВЧ-сигналов. При внешнем КЗ (см.рисунок 14.2, а) с учетом того, что фазы первичных токов по концам ЛЭП противоположны, генератор, на конце m работает в течение первого полупериода промышленного тока, а на конце n - в течение следующего полупериода. Ток ВЧ протекает по ЛЭП непрерывно и питает приемники на обеих сторонах ЛЭП. В результате этого выходной ток в цепи приемника и реле РО отсутствует, и реле (ДФЗ) не работает.

в)

 

Рисунок 14.1 - Упрощенная принципиальная схема

дифференциально - фазной ВЧЗ

 

При КЗ в зоне (рисунок 14.2, б) передатчики на обоих концах ЛЭП работают одновременно, поскольку фазы токов по концам ЛЭП совпадают. Высокочастотные сигналы, поступающие при этом в приемники, будут иметь прерывистый характер с интервалами времени, равными полупериоду промышленного тока. В этом случае приемник работает в промежутки времени, когда ток ВЧ отсутствует, и заперт (не работает) во время его прохождения. В выходной цепи приемника появляется прерывистый ток, который сглаживается специальным устройством и подается в реле РО. Последнее срабатывает и отключает ЛЭП. Таким образом, сдвиг фаз между токами, проходящими по обоим концам ЛЭП, определяется по характеру ВЧ-сигналов (сплошные или прерывистые), на которые с помощью приемника реагирует реле РО.

По принципу своего действия ДФЗ не реагирует на нагрузку и качания, так как в этих режимах токи на обоих концах ЛЭП имеют разные знаки.

 

 

Рисунок 14.2 - Диаграммы токов в дифференциально - фазной ВЧЗ

 

 

15 Резервные защиты трансформаторов и автотрансформаторов

 

15.1 Защита трансформаторов и автотрансформаторов.  Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов, виды защит и требования к ним

 

Виды повреждений. Основными видами повреждений в трансформаторах и автотрансформаторах являются: замыкания между фазами внутри кожуха трансформатора (трехфазного) и на наружных выводах обмоток; замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания на землю обмоток или их наружных выводов; повреждения магнитопровода трансформатора, приводящие к появлению местного нагрева и "пожару стали". Опыт показывает, что КЗ на выводах и витковые замыкания в обмотках происходят наиболее часто. Междуфазные повреждения внутри трансформаторов возникают значительно реже. В трехфазных трансформаторах они хотя и не исключены, но маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции. В трансформаторных группах, составленных из трех однофазных трансформаторов, замыкания между обмотками фаз практически невозможны.

При витковых замыканиях токи, идущие к месту повреждения от источников питания, могут быть небольшими. Чем меньше число замкнувшихся витков w_a, тем меньше будет ток I_к, приходящий из сети.

Для ограничения размера разрушения РЗ от повреждений в трансформаторе должна действовать быстро (t = 0,05  0,1 с).

Защита от повреждений. В качестве таких РЗ применяются токовая отсечка, дифференциальная и газовая защиты.

На трансформаторах мощностью 200 MBА и более предусматривается автоматическое пожаротушение водой. Все изложенное далее в равной мере относится к трансформаторам и автотрансформаторам.

Виды ненормальных режимов. Наиболее частым ненормальным режимом работы трансформаторов является появление в них сверхтоков, т.е. токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора. Сверхтоки в трансформаторе возникают при внешних КЗ, качаниях и перегрузках. Последние возникают вследствие самозапуска электродвигателей, увеличения нагрузки в результате отключения параллельно работающего трансформатора, автоматического подключения нагрузки при действии АВР и т. п.

Внешние КЗ. При внешнем КЗ, вызванном повреждением на шинах трансформатора или неотключившимся повреждением на отходящем от шин присоединении, по трансформатору проходят токи КЗ I_к > I_ном, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. В связи с этим трансформаторы должны иметь РЗ от внешних КЗ, отключающую трансформатор.

Защита от внешних КЗ осуществляется при помощи МТЗ, МТЗ с блокировкой минимального напряжения, дистанционной РЗ, токовых РЗ нулевой и обратной последовательностей. В зону действия РЗ от внешних КЗ должны входить шины подстанций (I участок) и присоединения, отходящие от этих шин (II участок). Эти РЗ являются также резервными от повреждений в трансформаторе.

Перегрузка. Время действия РЗ от перегрузки определяется только нагревом изоляции обмоток. Масляные трансформаторы допускают длительную перегрузку на 5%. В аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка в следующих пределах:

Кратность перегрузки ................. ..        1,3          1,6         1,75       2        3

Допустимое время перегрузки, мин ….120         45          20          10      1,5

Из этих данных видно, что перегрузку порядка (1,5-2) I_ном можно допускать в течение значительного времени, измеряемого десятками минут. Наиболее часто возникают кратковременные, самоликвидирующиеся перегрузки, неопасные для трансформатора ввиду их непродолжительности, например перегрузки, вызванные самозапуском электродвигателей или толчкообразной нагрузкой (электропоезда, подъемники и т. п.). Отключения трансформатора при таких перегрузках не требуется. Более длительные перегрузки, вызванные, например, автоматическим подключением нагрузки от АВР, отключением параллельно работающего трансформатора и др., могут быть ликвидированы обслуживающим персоналом, который располагает для этого достаточным временем. На подстанциях без дежурного персонала ликвидация длительной перегрузки должна производиться автоматически от РЗ отключением менее ответственных потребителей или перегрузившегося трансформатора.

Таким образом, РЗ трансформатора от перегрузки должна действовать на отключение только в том случае, когда перегрузка не может быть устранена персоналом или автоматически.

Неполнофазный режим. На автотрансформаторах (AT) предусматриваются РЗ от неполнофазного режима, возникающего при отключении (или включении) не всеми фазами сторон высшего (ВН) или среднего (СН) напряжений. Эта РЗ должна действовать на отключение AT. Необходимость установки такой РЗ обусловлена возможностью отключения в указанном режиме второго, параллельно работающего AT той же подстанции.

Понижение уровня масла в баке трансформатора ниже уровня обмоток, что возможно при течи в баке или резком понижении температуры наружного воздуха, может привести к повреждению обмотки.

 

15.2 Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях

 

Защита от внешних КЗ служит для отключения трансформатора при КЗ на сборных шинах или на отходящих от них присоединениях (см.рисунок 15.1), если РЗ или выключатели этих элементов отказали в работе. Одновременно РЗ от внешних КЗ используется и для защиты от повреждения в трансформаторе. Однако по условиям селективности РЗ от внешних КЗ должна иметь выдержку времени и, следовательно, не может быть быстродействующей. По этой причине в качестве основной РЗ от повреждений в трансформаторах она используется лишь на маломощных трансформаторах. На трансформаторах, имеющих специальную РЗ от внутренних повреждений, РЗ от внешних КЗ служит резервом к этой защите на случай ее отказа. Наиболее простой РЗ от внешних КЗ является МТЗ. В тех случаях, когда ее чувствительность оказывается недостаточной, применяются более чувствительные МТЗ с пуском по напряжению, МТЗ ОП и НП, ДЗ.

Максимальные токовые защиты трансформаторов. Защита двухобмоточных понижающих трансформаторов. Схема МТЗ трансформатора с односторонним питанием приведена на рисунке 15.1. Чтобы включить в зону действия защиты сам трансформатор, РЗ устанавливается со стороны источника питания и должна действовать на отключение выключателя Q1. Токовые реле МТЗ включаются на ТТ, установленные у выключателя Q2.

На рисунке 15.1, а приведена схема РЗ трансформатора, выполненная с двумя токовыми реле КА1 и КА2, которые, сработав, с выдержкой времени одновременно действуют на отключение выключателей Q1 и Q2.

Рисунок 15.1 - Максимальная токовая защита двухобмоточного трансформатора а)  схема токовых цепей с тремя ТТ; б)  принципиальная схема оперативных цепей; в) структурная схема; г)  схема токовых цепей с двумя ТТ

 

При этом в случае внешних КЗ на стороне низшего напряжения (НН) трансформатора отключение выключателя Q2 резервирует действие выключателя Q1. Часто РЗ выполняют с двумя выдержками времени: с первой t₁ на отключение выключателя Q1 со стороны НН, а со второй  t₂ = t₁ + t на отключение Q2 со стороны ВН. Структурная схема при таком выполнении МТЗ приведена на рисунке 15.1, в. В случае неотключенного внешнего КЗ на стороне НН МТЗ с выдержкой времени t₁ отключит выключатель Q1, трансформатор при этом останется под напряжением со стороны ВН. В случае же повреждения в трансформаторе и отказе его основных быстродействующих РЗ МТЗ с выдержкой времени отключит выключатель Q2.

Токовые реле КА1 и КА2 в схеме МТЗ трансформаторов с ВН 110-220 кВ подключены к ТТ, соединенным в треугольник (см.рисунок 15.1, а). Такое выполнение токовых цепей МТЗ предотвра­щает возможное неселективное ее действие при КЗ на землю в сети 110-220 кВ (в случае когда нейтраль трансформатора заземлена). Защита может действовать при всех видах междуфазных КЗ на сторонах как ВН, так и НН трансформатора со схемой соединения обмоток y/. При этом, однако по сравнению с МТЗ, содержащей три токовых реле, подключенных к ТТ, соединенным в полную звезду, имеет место снижение чувствительности на 15% при двухфазном КЗ на стороне НН 6-10 кВ. Для трансформаторов со схемой соединения обмоток y/y или / и не связанных с сетью с заземленной нейтралью МТЗ выполняется также двумя токовыми реле КА1 и КА2 (см.рисунок 15.1, г), ТТ при этом соединяются в неполную звезду. Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме Y/, устанавливается дополнительное реле в обратном проводе токовых цепей КA3 (показано пунктиром на рисунке 10.1, в-г). Аналогичная схема применяется и на трансформаторах со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с заземленной нулевой точкой (обычно питающих сеть 0,4 кВ).

Резервные защиты от внешних междуфазных КЗ на AT. На трехобмоточных понижающих AT в качестве резервных защит от внешних междуфазных КЗ применяются: на стороне НН - МТЗ с комбинированным пуском напряжения: на стороне ВН AT 220/110/6-10-35 кВ - НТЗ и МТЗ ОП, а также МТЗ с пуском по напряжению от трехфазных КЗ; на сторонах ВН и СН AT 220/110/6-10-35 кВ и 500/220/10 кВ - ДЗ.

Максимальная токовая РЗ с комбинированным пуском напряжения на стороне НН AT присоединяется к ТТ, встроенным в его выводы. С первой выдержкой времени РЗ должна действовать на отключение выключателя НН, а со второй - на отключение всего AT.

Токовая РЗ ОП устанавливается на стороне ВН и питается от ТТ, встроенных во втулки ВН AT. Релейная защита выполняется направленной в сторону ВН в предположении, что выдержки времени резервных РЗ НЭП ВН меньше выдержек времени резервных РЗ ЛЭП СН. Как направленная, РЗ действует с первой выдержкой времени, большей выдержек времени резервных РЗ ЛЭП ВН, на отключение шиносоединительного или секционного выключателей (при их наличии), со второй - на отключение выключателя ВН AT и с третьей - на выходные промежуточные реле AT. В обход РНМ, как ненаправленная, РЗ действует с первой выдержкой времени - на отключение шиносоединительного и секционного выключателей СН, со второй - на отключение выключателя СН AT и с третьей - на выходные промежуточные реле РЗ AT.

Направленная токовая РЗ ОП выполняется с использованием фильтра-реле тока РТФ-8 и РНМ ОП типа РМОП-2М. При наличии на стороне ВН AT схемы "мостик" с выключателем в перемычке и отделителями в цепях AT РЗ выполняется ненаправленной. В дополнение к МТЗ ОП для действия при трехфазных КЗ предусматривается МТЗ с пуском минимального напряжения в однофазном исполнении.

Направленные ДЗ, устанавливаемые на сторонах В.Н и СН, включаются таким образом, чтобы защищать ЛЭП ВН и СН соответственно. Применение ДЗ более сложных, чем МТЗ, объясняется необходимостью обеспечения согласования по селективности РЗ, установленных на противоположных концах ЛЭП, и дальнего резервирования в сетях ВН и СН.

Токовая защита нулевой последовательности реагирует на ток 3I₀, появляющийся в трансформаторе при внешних КЗ (одно - и двухфазных на землю) и КЗ в трансформаторе. Она применяется на повышающих трансформаторах (а также на AT) и устанавливается со стороны обмоток ВН и СН, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухозаземленной нулевой точкой.

Защита от перегрузки трансформатора - на трансформаторах, находящихся под наблюдением оперативного персонала, РЗ от перегрузки выполняется действующей на сигнал посредством одного токового реле.

 

16 Основные защиты трансформаторов и автотрансформаторов

 

16.1 Токовая отсечка

 

Токовая отсечка - простая быстродействующая РЗ от повреждений в трансформаторе Зона действия отсечки ограничена, она не действует при витковых замыканиях и замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с малым током замыкания на землю. Отсечка устанавливается с питающей стороны.

В зону действия отсечки входят ошиновка, выводы и часть обмотки трансформатора со стороны питания. Отсечка, являющаяся РЗ от внутренних повреждений, должна отключать трансформатор со всех сторон, имеющих источники питания. Достоинством отсечки являются ее простота и быстродействие. Отсечка в сочетании с МТЗ и газовой защитой (рассматриваемой ниже) обеспечивает хорошую защиту для трансформаторов малой мощности.

 

16.2 Дифференциальная защита. Назначение и принцип действия дифференциальной защиты трансформатора

 

В качестве основной быстродействующей РЗ трансформаторов от КЗ между фазами, однофазных КЗ на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение получила дифференциальная РЗ (см.рисунок 16.1). При внешнем КЗ и нагрузке токи I_I и I_II направлены в одну сторону (см.рисунок 16.1,а) и находятся в определенном соотношении, равном коэффициенту трансформации защищаемого трансформатора:

 

                                                   I_II / I_I = К_т.                                                           (16.1)

 

При внешнем КЗ защита не должна действовать, при КЗ в трансформаторе - должна работать. С учетом этого и выполняется схема защиты. Трансформаторы тока ТАI и ТАII, питающие схему, устанавливаются с обеих сторон защищаемого трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются разноименными полярностями так, чтобы при внешнем КЗ и нагрузке вторичные токи I_Ib и I_IIв были направлены в контуре соединительных проводов последовательно (циркулировали по ним). Дифференциальное реле КА включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соединении в случае внешнего КЗ и при токе нагрузки вторичные токи I_Ib и I_IIв замыкаются по обмотке реле КА и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен разности вторичных токов:

 

                                                                        I_р = I_Iв - I_IIв.                                                 (16.2)

 

При КЗ в защищаемом трансформаторе вторичные токи I_Iв и I_IIв проходят по обмотке реле в одном направлении (см.рисунок 16.1, б), в результате чего ток в реле равен их сумме:

 

                                                                         I_р = I_Iв + I_IIв.                                                (16.3)

 

Рисунок 11.1 - Действие дифференциальной защиты трансформатора:

а) внешнее КЗ;  б) КЗ в трансформаторе

 

Если I_p> I_с.р то реле срабатывает и отключает трансформатор.

Для того чтобы дифференциальная РЗ не работала при нагрузке и внешних КЗ, необходимо уравновесить вторичные токи в плечах РЗ так, чтобы ток в реле, равный их разности, отсутствовал:

 

                                                                     I_р = I_Iв - I_IIв = 0.                                             (16.4)

 

Для этого необходимо, чтобы токи совпадали по модулю и по фазе, т. е.

I_Iв = I_IIв.

Особенности дифференциальной  защиты  трансформаторов и AT.           

В дифференциальной РЗ ЛЭП и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, поэтому для выполнения условия селективности (16.4) достаточно иметь равенство коэффициентов трансформации ТТ. Иное положение имеет место в дифференциальной РЗ трансформаторов. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по значению и в общем случае не совпадают по фазе.

В режиме нагрузки и внешнего КЗ ток трансформатора на стороне низшего напряжения I_II всегда больше тока на стороне высшего напряжения I_I. Их соотношение определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора согласно (16.1).

В трансформаторе с соединением обмоток звезда-треугольник и треугольник-звезда токи I_I и I_II различаются не только по значению, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединения обмоток трансформатора. При наиболее распространенной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треугольника опережает линейный ток со стороны звезды на 30°. В трансформаторах с соединением обмоток звезда-звезда токи I_I и I_II совпадают по фазе.

Таким образом, для выполнения условия селективности (16.4) необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов I_Ib=I_I/К_II и I_IIв=I_II/K_III по значению а при разных схемах соединения обмоток (y/ и /Y) - и по  фазе с тем, чтобы поступающие в реле токи были равны. Компенсация сдвига токов I_Ib и I_IIв по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмоток ТТ, установленных на стороне звезды силового трансформатора. Соединение в треугольник обмоток ТТ должно соответствовать соединению в треугольник обмотки силового трансформатора.

 

17  Газовая защита трансформаторов

 

Газовая защита получила широкое распространение в качестве весьма чувствительной защиты от внутренних повреждений трансформаторов. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой или нагревом деталей, что приводит к разложению масла и изоляционных материалов и образованию летучих газов. Будучи легче масла, газы поднимаются в расширитель 2, который является самой высокой частью трансформатора (см.рисунок 17.1) и имеет сообщение с атмосферой. При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных повреждениях, бурно расширяющиеся газы создают сильное давление, под влиянием которого масло в кожухе трансформатора приходит в движение, перемещаясь в сторону расширителя. Таким образом, образование газов в кожухе трансформатора и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора. Эти признаки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и движения масла. Газовое реле 1 устанавливается в трубе, соединяющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы через него проходили газ и поток масла, устремляющиеся в расширитель при повреждениях в трансформаторе. В трубе предусмотрена задвижка, которая закрывает ее автоматически при срабатывании газовой защиты, предотвращая поступление масла из расширителя в бак поврежденного трансформатора (для ограничения пожара в баке).

                     

 

Рисунок 17.1 - Установка газового реле на трансформаторе:

1- газовое реле; 2- расширитель

    

Конструкции газовых реле имеют три разновидности, различающиеся принципом исполнения реагирующих элементов, в виде: поплавка, лопасти, чашки.

Устройство поплавкового газового реле показано на рисунке 17.2. Реле состоит из чугунного кожуха 1, имеющего вид тройного патрубка с фланцами для соединения с трубкой к расширителю. Внутри кожуха реле расположены два подвижных поплавка 2а и 2б, выполненные в виде тонкостенных полых цилиндров, герметически запаянных и плавающих в масле. Каждый поплавок свободно вращается на оси, закрепленной на стойке. На торце поплавков располагаются ртутные контакты 3, представляющие собой стеклянные колбочки с впаянными в них контактами и ртутью внутри. При определенном положении поплавков ртуть замыкает контакты. Выводы от контактов на наружную сторону кожуха выполнены с помощью гибких и изолированных проводников. Контакты верхнего поплавка действуют на сигнал, а нижнего  на отключение трансформатора. Кожух реле находится ниже уровня масла в расширителе, поэтому он всегда заполнен маслом. Поплавки, стремясь всплыть, занимают верхнее положение, их контакты разомкнуты.

При небольших повреждениях образование газа происходит медленно, и он небольшими пузырьками поднимается к расширителю. Проходя через реле, пузырьки газа заполняют верхнюю часть его кожуха, вытесняя оттуда масло. По мере понижения уровня масла верхний контакт опускается и через некоторое время замыкается.

Если повреждение трансформатора значительное, то под влиянием давления, создаваемого бурно образующимися газами, масло приходит в движение, сообщая толчок нижнему поплавку. Под его воздействием поплавок мгновенно замыкает свои контакты, посылая импульс на отключение. Поскольку в схемах управления выключателями предусмотрено удерживание отключающих сигналов, даже кратковременного замыкания контактов газового реле оказывается достаточно для надежного отключения выключателя.

Рисунок 17.2- Устройство поплавкового газового реле; схема выходных

цепей газовой защиты

 

Сигнализация о небольших повреждениях вместо отключения позволяет дежурному персоналу перевести нагрузку на другой источник питания и отключить после этого трансформатор. Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторе. В этом случае первым сработает сигнальный контакт, а затем при продолжающемся снижении уровня масла срабатывает отключающий контакт, выключая трансформатор.

Оценка газовой защиты. Основными достоинствами газовой защиты являются: простота ее устройства, высокая чувствительность, малое время действия при значительных повреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимости от размеров повреждения. Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждения его обмоток и особенно при витковых замыканиях. Все масляные трансформаторы мощностью 1000 кВА и выше поставляются вместе с газовой защитой.

Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора, поэтому должна дополняться второй защитой от внутренних повреждений. Для маломощных трансформаторов такой защитой служат МТЗ и токовая отсечка. Для мощных трансформаторов применяется  более совершенная дифференциальная РЗ.

 

18 Защита сборных шин

 

Повреждения на шинах подстанций электрических сетей и электростанций высокого и сверхвысокого напряжений могут быть отключены резервными РЗ, установленными на противоположной стороне элементов, подключенных к этим шинам. Однако резервные РЗ в подобных случаях работают со значительными выдержками времени t_рез.з и не всегда обеспечивают селективное отключение поврежденных шин. В то же время КЗ на шинах по условиям устойчивости энергосистемы и работы потребителей требуют быстрого отключения. Для прекращения КЗ на шинах их РЗ должна действовать на отключение всех присоединений, питающих шины. В связи с этим специальные РЗ шин приобретают особую ответственность, так как их неправильное действие приводит к отключению целой электростанции или подстанции либо их секций. Поэтому принцип действия РЗ шин и их практическое выполнение (монтаж) должны отличаться повышенной надежностью, исключающей возможность их ложного срабатывания.

В качестве быстродействующей и селективной РЗ шин получила распространение защита, основанная на дифференциальном принципе.

Дифференциальная РЗ шин (ДЗШ) (см.рисунок 18.1) основывается на том же принципе, что и рассмотренные ранее дифференциальные РЗ ЛЭП, трансформаторов и генераторов, т.е. на сравнении значений и фаз токов, приходящих к защищаемому элементу (в данном случае к шинам ПС) и уходящих от него. Для питания ДЗШ на всех присоединениях устанавливаются ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации К_I (независимо от мощности присоединения).

Дифференциальное реле 1 подключается к ТТ всех присоединений, так чтобы при первичных токах, направленных к шинам, в нем проходил ток, равный сумме токов всех присоединений, т. е. . Тогда при внешних КЗ  и реле не будет действовать, а при КЗ в зоне (на шинах)  равна сумме токов КЗ, притекающих к месту повреждения, и ДЗШ работает.

Первичные обмотки всех ТТ подключаются к шинам одноименными зажимами; все вторичные обмотки ТТ соединяются параллельно одноименной полярностью, и к ним подключается реле 1.

При внешнем КЗ (точка К на рисунке 18.1) ток КЗ I₄, идущий от шин к месту КЗ по поврежденной ЛЭП W4, равен сумме токов, притекающих к шинам от источников питания (по линиям Wl, W2, W3)

 

                                                                               (18.1)

 

Из токораспределения, показанного на рисунке 13.2, видно, что вторичные токи, соответствующие  и первичным токам, притекающим к шинам, направлены в обмотке реле противоположно вторичному току  (первичный ток которого утекает от шин). Ток в реле

 

                                                                 (18.2)

 

Выражая вторичные токи через первичные и учитывая равенство (18.1), получаем, что ток

                   

 

 

Рисунок18.1 - Токораспределение во вторичных цепях дифференциальной защиты при внешних КЗ

Рисунок18.2 - Токораспределение во вторичных цепях дифференциальной защиты при КЗ на шинах

 

Следовательно, если пренебречь погрешностями ТТ, то при внешних КЗ ток в реле отсутствует. С учетом токов намагничивания вторичные токи ТТ

 

.

 

Подставив эти значения вторичных токов в выражение (18.2), получим

 

                                             (18.3)

 

Это выражение позволяет сделать вывод, что вследствие погрешности ТТ в реле появляется ток небаланса , равный геометрической разности токов намагничивания ТТ на поврежденном присоединении W4 и ТТ всех остальных неповрежденных присоединений   (Wl, W2, W3), по которым ток КЗ притекает к шинам. В общем случае

 

                                                   (18.3а)

 

Защита не будет действовать при условии, что ток срабатывания реле будет больше максимального тока небаланса, возникающего при i_{К max} во время внешнего КЗ:

.

При КЗ на шинах (рисунок 18.2) по всем присоединениям, имеющим источники питания (генераторы), ток КЗ направляется к месту повреждения, т.е. к шинам подстанции. Вторичные токи направлены в обмотке реле одинаково, поэтому ток в реле равен их сумме:

 

                                                                      (18.4)

Так как

 

 ,

то

 

                                                    i_p = i_k/k₁.                                                                           (18.5)

 

Выражение (18.5) показывает, что при КЗ на шинах ДЗШ реагирует на полный ток I_к в месте КЗ. Защита будет действовать, если I_к > I_с.з

В нормальном режиме сумма токов, приходящих к шинам, всегда равна сумме токов, отходящих от шин, поэтому ток в реле равен нулю: I_р = 0. Из-за погрешности ТТ в реле появляется ток небаланса, который невелик в нормальном режиме и увеличивается при внешнем КЗ.

 

 

Содержание

 

Предисловие		3
1	Общие понятия о релейной защите	4
1.1	История развития РЗА	4
1.2	Назначение релейной защиты и автоматики	6
1.3	Классификация реле защиты	8
1.4	Основные виды релейной защиты	9
1.5	Основные требования, предъявляемые к релейной защите	10
1.6	Замыкания в сетях, некоторые сведения о сетях переменного тока	12
1.7	Повреждения и ненормальные режимы работы в Энергосистемах	13
2	Трансформаторы тока и напряжения	14
2.1	Трансформаторы тока	14
2.2	Трансформаторы напряжения	17
2.3	Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока	19
2.4	Цепи управления и сигнализации высоковольтных выключателей	23
2.5	Источники и оперативного тока	24
3	Устройства РЗА на микроэлектронной элементной базе	25
4	Микропроцессорные устройства релейной защиты, автоматики,  дистанционного управления	29
4.1	Основные характеристики микропроцессорных устройств	29
4.2	Краткое описание аппаратной части	30
4.3	Аппаратная часть цифровых устройств защиты, особенности    обработки информации в микропроцессорных терминалах	33
4.4	Система управления и сбора информации	38
5	Ненаправленные токовые защиты	39
5.1	Максимальная токовая защита. Принцип действия токовых защит	39
5.2	Выбор тока срабатывания	41
5.3	Токовые отсечки. Принцип Действия токовых отсечек	41
5.4	Максимальная токовая защита с пуском от реле напряжения	43
6	Токовая направленная защита в сетях с двухсторонним питанием	44
7	Защита от коротких замыканий на землю в сети с глухозаземленной  нейтралью	47
7.1	Общие сведения о токах нулевой последовательности	47
7.2	Токовые направленные защиты нулевой последовательности	50
7.3	Ступенчатая токовая защита нулевой последовательности	52
7.4	Оценка и область применения токовых ступенчатых защит НП	53
8	Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью.	53
8.1	Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю	53
8.2	Принципы выполнения защиты от однофазных замыканий на землю	56
8.3	Фильтры токов нулевой последовательности	57
9	Дифференциальная защита линий.	59
9.1	Принцип действия продольной дифференциальной защиты	59
9.2	Полная схема дифференциальной защиты линий	62
10	Поперечные дифференциальные защиты параллельных линий	63
10.1	Принцип действия и виды поперечных дифференциальных защит      параллельных линий	63
10.2	Токовая поперечная дифференциальная защита	63
10.3	Направленная поперечная дифференциальная защита. Принцип действия	66
11	Дистанционная защита линий.	67
11.1	Назначение и принцип действия	67
11.2	Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью     ступенчатой дистанционной защиты	69
11.3	Структурная схема дистанционной защиты со ступенчатой   характеристикой	71
12	Принципы выполнения статических PC.	75
12.1	Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления ДЗ-2	75
13	Реле сопротивления со сложными характеристиками  срабатывания, выполненные на ИМС.	79
13.1	Виды и особенности сложных характеристик	79
13.2	Выбор уставок дистанционной защиты.	81
14	Высокочастотные защиты	84
14.1	Высокочастотные защиты. Назначение и виды высокочастотных защит	84
14.2	Принцип действия дифференциально - фазной высокочастотной  защиты	85
15	Резервные защиты трансформаторов и автотрансформаторов	87
15.1	Защита трансформаторов и автотрансформаторов. Повреждения  и ненормальные режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов, виды защит и требования к ним	87
15.2	Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях	89
16	Основные защиты трансформаторов и автотрансформаторов	92
16.1	Токовая отсечка	92
16.2	Дифференциальная защита. Назначение и принцип действия   дифференциальной защиты трансформатора.	92
17	Газовая защита трансформаторов	94
18	Защита сборных шин	97
Содержание		100
Список литературы		102

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы 

         1. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г.  Релейная защита электроэнергетических систем./ Под ред. А.Ф. Дьякова.- М.: Изд. МЭИ, 2002.- 295 с.

         2. Шабад М.А. Сто лет релейной защите. Сборник материалов.- СПб.: ПЭИпк,   2001.- 65 с.

         3. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. "Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов".- М.: Энргоатомиздат, 1998.

         4. Шмурьев В.Я. Цифровые реле защиты.- М.: НТФ «Энергопрогресс». Библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик»; Вып. (14) 1999, - 54 с.