НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра «Электроснабжения промышленных предприятий»
«Микропроцессорные реле и современные системы защиты электрических сетей высокого напряжения»
Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 6М 0718 – Электроэнергетика - профильная магистратура
Алматы 2010
СОСТАВИТЕЛЬ: М.В. Башкиров. «Микропроцессорные реле и современные системы защиты электрических сетей высокого напряжения». Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 6М0718 – Электроэнергетика. - профильная магистратура– Алматы: АИЭС, 2010. – 36 с.
В конспекте лекций
по дисциплине «Микропроцессорные реле и современные системы защиты электрических
сетей высокого напряжения» приведены основные виды защит линий 110- 500 кВ.Ил.
24, библиогр. – 8 назв.
Содержание
1. Лекция 1. Токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП) в сетях с большим током замыкания на землю. Фильтры токов и напряжения нулевой последовательности. Ступенчатый принцип построения защит 4
2. Лекция 2. Расчеты уставок ТЗНП, условия согласования ступеней ТЗНП
3. Лекция 3. Структурная схема дистанционной защиты со ступенчатой характеристикой, характеристики срабатывания реле сопротивления и их изображение на комплексной плоскости
4. Лекция 4. Принципы выполнения статических PC. Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления ДЗ-2
5. Лекция 5 Дистанционная защита панели ЭПЗ-1636.20
6. Лекция 6. Реле сопротивления со сложными характеристиками срабатывания, выполненные на ИМС. Выбор уставок дистанционной защиты
7. Лекция 7. Высокочастотные защиты линий
8. Лекция 8. Аппаратная часть цифровых устройств защиты, особенности обработки информации в микропроцессорных терминалах
Список литературы
1 Лекция. Токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП) в сетях с большим током замыкания на землю. Фильтры токов и напряжения нулевой последовательности. Ступенчатый принцип построения защиты
Содержание лекции: рассмотрен принцип действия токовой защиты нулевой последовательности и схемы фильтры токов и напряжений нулевой последовательности.
Цель лекции: изучить релейную защиту сетей 110кВ и выше от замыканий на землю.
1.1Токовая защита нулевой последовательности ( ТЗНП) в сетях с большим током замыкания на землю
Для защиты линий от к. з. на землю (однофазных и двухфазных) применяется защита, реагирующая на ток и мощность нулевой последовательности. Необходимость специальной защиты от к. з. на землю вызывается тем, что этот вид повреждений является преобладающим, а защита, включаемая на ток и напряжение нулевой последовательности, осуществляется более просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной выше токовой защитой, реагирующей на полные токи фаз. Защиты нулевой последовательности выполняются в виде токовых максимальных защит и отсечек как простых, так и направленных. Ток и напряжение нулевой последовательности в какой-либо точке сети равны:
I0 = (1.1)
U0 = (1.2)
где IA, IВ, IС, UА, UВ, UС — фазные токи и напряжения в той точке сети, в которой определяются I0 и U0
Рисунок 1.1- Однофазное к. з. в сети (а) и прохождение токов I0 под действием U0k (б)
Из этих выражений следует, что если геометрическая сумма фазных токов или фазных напряжений равна нулю, то I0 и Uo также равны нулю. Поэтому в нормальном режиме при качаниях и к. з. между фазами I0 и Uo отсутствуют и возникают только при замыканиях на землю или неполнофазных режимах, когда нарушается симметрия фазных токов и напряжений сети.
UAK =UA1 + UA2 + UA0 ; UBK =UB1 + UB2 + UB0 ; UCK =UC1 + UC2 + UC0 ;
UA0 = UB0 + UC0 = U0K .
Пользуясь выражениями (1.1) и (1.2), установим связь между составляющими нулевой последовательности и полными фазными токами и напряжениями при однофазном к. з.
Например, при к. з. на фазе A (рисунок 1.1) токи в месте повреждения равны: IA = IK ; IB =0; IC = 0. Подставив эти значения токов в (1.1) найдем
I0 = , откуда IK = 3I0 (1.3)
Напряжение поврежденной фазы в месте к. з. (точка К) UAK = 0, так как эта фаза связана с землей. С учетом этого из (1.2) получим:
U0 = (1.4)
Таким образом, из сказанного следует, что при однофазном к. з. ток нулевой последовательности равен тока к. з, проходящего в месте повреждения, и совпадает с ним по фазе, а напряжение U0K в точке к. э. равно геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.
Для анализа работы защит нулевой последовательности и расчета токов к. з. необходимо определять распределение (пути прохождения) токов нулевой последовательности в конкретных схемах сети. Из теории симметричных составляющих известно, что распределение токов нулевой последовательности может рассматриваться независимо от токов прямой и обратной последовательностей.
Источником появления токов нулевой последовательности можно считать напряжение Uок , появляющееся на каждой фазе в месте к. з. (точка К на рисунке 1.1, а и б). Под влиянием этого напряжения в каждой фазе возникают токи I0. Они замыкаются по контуру фаза — земля через место повреждения и заземленные нейтрали.
Так как неповрежденные фазы не связаны с точкой повреждения непосредственно, то для образования контура циркуляции токов I0 необходимо представить, что в месте замыкания на землю имеется условное соединение между всеми фазами (показанное на рисунке 1.1, б пунктиром). Тогда в месте замыкания на землю заземленных нейтралях ток нулевой последовательности, возникший в месте повреждения проходит ток, равный сумме токов нулевой последовательности I0 всех трех фаз, который и является действительным током повреждения: Iк = 3I0. Этот ток направляется через землю к заземленным нейтралям трансформаторов и через них возвращается в фазы сети.
Таким образом, при замыканиях на землю появление токов I0 возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземленными нейтралями.
При нескольких, разветвляется между нейтралями обратно пропорционально сопротивлениям их ветвей.
Рисунок 1.2- Распределение токов нулевой последовательности при однофазном к. з. а — при заземлении нейтрали с одной стороны линии; б — при заземлении нейтралей в сети высшего и низшего напряжения; в — при к. з. в сети с автотрансформатором.
1.2 Фильтры токов и напряжения нулевой последовательности
Схема соединений обмоток однофазных ТН в фильтр напряжения НП выполняется посредством трех однофазных ТН, как показано на рисунке 1.3. Первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторичные - последовательно, образуя незамкнутый треугольник. К зажимам разомкнутых вершин треугольника подсоединяются реле. Напряжение Up на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений вторичных обмоток:
Up = Ua + Ub + Uc. (1.5)
Так как сумма трех фазных напряжений равна утроенному напряжению НП, выражая вторичные напряжения через первичные, получаем
Up = (UA + UB + UC) / KU = 3U0 / KU. (1.6)
В нормальных условиях напряжения фаз симметричны, Uр = 0. При КЗ без земли также Uр = 3U0 = 0. При КЗ на землю (одно- и двухфазных) на зажимах разомкнутого треугольника ТН появляется напряжение Up = 3U0 / KU.
Напряжения прямой и обратной последовательностей образуют симметричные звезды и поэтому при суммировании в цепи разомкнутого треугольника всегда дают нуль на его зажимах.
|
Рассмотренная схема является фильтром НП. Необходимым условием работы схемы в качестве фильтра НП является заземление нейтрали первичной обмотки ТН.
Рисунок 1.3- Схема соединений однофазных ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности
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 (рисунок 1.4). Ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:
Ip = Iа + Ib + Ic = 3I0. (1.7)
Рассматриваемая схема является фильтром токов НП. Ток в реле появляется только при одно-двухфазных КЗ на землю. Поэтому схема применяется для РЗ от КЗ на землю.
Рисунок 1.4 - Схема соединения ТТ в фильтр токов НП.
1.3 Ступенчатая защита нулевой последовательности
В сетях 110 кВ и выше большое распространение получила ступенчатая НТЗ НП, а на радиальных ЛЭП с односторонним питанием
током I0 ненаправленная МТЗ НП (рисунок 1.5). Ступенчатая РЗ состоит из сочетания отсечек без выдержки и с выдержкой времени и МТЗ НП. 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 tII = 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 tIII = 0,9 1,1 с, она выполняется с помощью реле КАОЗ и КТ2, служит для резервирования ЛЭП, отходящих от шин противоположной ПС. 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.
в) |
а)- цепи тока и напряжения; б) – оперативные цепи; в) – характеристика времени действия трёхступенчатой защиты нулевой последовательности и согласование ее со смежной РЗ В
Рисунок 1.5 - Четырехступенчатая направленная защита нулевой последовательности
2 Лекция. Расчеты уставок ТЗНП, условия согласования ступеней ТЗНП
Содержание лекции: приведен принцип расчета уставок ТЗНП и условия согласования ступеней ТЗНП.
Цель лекции: изучить расчет уставок и схему ТЗНП.
Как уже отмечалось выше, токовые ненаправленные защиты НП (нулевой последовательности) применяются на ЛЭП с односторонним питанием места КЗ токами Iо там, где заземленные нейтрали трансформаторов расположены с одной стороны линии (рисунок 2.1, а).
Мгновенные отсечки НП отстраиваются от тока 3Iо mах при КЗ на шинах противоположной ПС:
Iс.з = kотс3I0 max (2.1)
Ненаправленные токовые отсечки НП можно применять также в сети, имеющей заземленные нейтрали с обеих сторон защищаемой ЛЭП (рисунок 2.2 а).
Рисунок 2.1- Защита линий с помощью отсечек нулевой последовательности (а); графический расчет и зона действия этих отсечек (б); согласование времени и зон действия РЗ2 и 3; 1- Iс.з - мгновенной отсечки на W1; 2- Iс.з2 -отсечки с выдержкой времени на W1; 3- Iс.з3 - отсечки мгновенного действия на W2; lз1, lз2, lз3,-зоны действия отсечек 1.2,3.
Рисунок 2.2- Расчет Iс.з мгновенной отсечки нулевой последовательности в сети с двусторонним питанием токами I0
В этом случае селективность действия ненаправленной отсечки АК0 достигается отстройкой ее тока срабатывания от токов, проходящих по защищаемой ЛЭП как при КЗ на шинах противоположной ПС В, так и при КЗ на шинах ПС А, где установлена отсечка (рисунок 2.1, а). По большему из этих двух токов 3IOK l max или 3IOK 2 max определяется ток Iс.з. ак, обеспечивающий селективность отсечки. Если при этом чувствительность ненаправленной отсечки окажется недостаточной, следует применять направленную отсечку НП. Расчет ведется по (2.1).
Отсечки с выдержкой времени (реле 2 на рисунке 1.5, а) отстраиваются по току и времени от мгновенной токовой отсечки НП 3 следующей ЛЭП W2. При расположении нейтралей с одной стороны защищаемой линии W1 ток 3I0 в отсечках 2 и 3 при КЗ на ЛЭП W2 одинаков. Поэтому, исходя из условия селективности, принимают
Iс.з2 = kотсIc.з з , (2.2)
где kотс = 1,2.
Выдержка времени t2 = t3 + t.
Максимальная токовая защита НП. При согласовании уставки времени с РЗ трансформаторов необходимо учитывать, что МТЗ НП, в отличие от МТЗ, реагирующих на фазные токи, не действует при КЗ за понижающими трансформаторами с соединением обмоток Y/ или Y/Y с изолированными нейтралями, поскольку при этом на стороне высшего напряжения ток 3I0 не возникает. Зоны действия отсечек определяются графически по точке пересечения кривой 3I0 = f(lP-K) с прямой Iс.з, как показано на рисунке 2.1б. Для полноценной защиты отсечки мгновенные и с выдержкой времени должны дополняться МТЗ НП, полностью резервирующей предыдущие присоединения.
Направленные отсечки нулевой последовательности. Ток срабатывания направленной мгновенной отсечки НП выбирается так, чтобы она не действовала при КЗ за шинами противоположной подстанции В (рисунок 2.2, а, б). Для выполнения это го требования необходимо принять
Ic.з = kн 3Iорасч. (2.3)
Значение Iорасч должно определяться для реально возможной схемы сети и режима заземленных нейтралей, при которых определяемый ток будет
максимальным. В общем случае чувствительность МТЗ НП характеризуется коэффициентом чувствительности kч = 3Io min / Iос.з, где 3Io min - минимальный ток НП при однофазном КЗ на землю для двух случаев: в конце защищаемой ЛЭП и в конце резервируемого участка. В первом случае считается нормальным kч 1,5, а во втором - не менее 1,2.
Уставки отсечки с выдержкой времени. Селективность отсечки (АК1 на рисунке 2.3) с выдержкой времени t > 0 обеспечивается ограничением ее зоны срабатывания, так чтобы отсечка АК1 не действовала за пределами быстродействующей зоны защиты АК2, установленной на следующем участке (W2), и была бы согласована с АК2 по времени. Исходя из этого условия ток срабатывания рассматриваемой отсечки АК1 отстраивается от тока ЗIо, появляющегося в защищаемой ЛЭП W1 при КЗ в конце зоны РЗ АК2 (точка М на ЛЭП W2). Ток срабатывания отсечки АК1 определяется по выражению
Iс.з = kотс kт 3IоМ mаx , (2.4)
где 3IоМ mаx - максимальное значение периодической составляющей тока ЗIо, проходящего по W2, при КЗ на землю в точке М (в конце зоны РЗ, от которой производится отстройка); kт - коэффициент токораспределения, учитывающий влияние тока подпитки Iот от нейтрали трансформатора Т, подключенного к шинам противоположной ПС В, kт = 3I0W1 / 3IoW2; kотс не учитывает апериодической составляющей тока 3I0 поскольку tотс0,30,5 c; kотс = 1,1.
Если к шинам противоположной ПС В подключен автотрансформатор или трансформатор с соединением обмоток Y0/Y0 с заземленными нейтралями, то отсечка должна быть отстроена по току и времени от РЗ НП с t = 0, с установленной на AT (трансформаторе), направленной в сторону смежной сети другого напряжения или от конца зоны дифференциальной РЗ этих элементов.
На рисунке 2.3 приведен графический способ определения значения 3IоМ в (2.4) и зоны действия отсечки с выдержкой времени АК1. Строятся кривые IАК1 и IАК2 (рисунке 2.3, б) изменения тока 3I0 проходящего в реле отсечек АК1 и АК2 при КЗ в разных точках W1 и W2. По точке пересечения кривой IАК2 с прямой Iс.зАК2 находится граница (точка М) зоны действия мгновенной отсечки В, установленной на W2.
Для найденной точки М по кривой IAK1 определяется значение тока 3IoM , проходящего через отсечку АК1 при КЗ в конце зоны действия отсечки В. Полученный ток 3IоМ является расчетным током, от которого нужно отстроить отсечку АК1. Подставляя найденный ток в (2.4), находим Iс.зАК1, при котором отсечка А не работает за пределами зоны действия отсечки АК2. Ток Iс.зAK1, удовлетворяющий этому условию, можно найти аналитически, определив коэффициент токораспределения kT в схеме НП рассматриваемого участка сети (рисунок 2.3, а).
|
а)- схема сети; б)- графический расчет; в) схема замещения;
Рисунок 2.3- Расчет направленных отсечек нулевой последовательности с выдержкой времени
Из схемы замещения этого участка (рисунок 2.3, в) следует, что при КЗ в любой точке ЛЭП W2 отношение между токами I0W1 и I0W2 является постоянной величиной и равно:
IoW1 / IoW2 = XoB / (XoA + XoB) = kт
Отсюда: IoW1 = kтIoW2. (2.5)
При КЗ в конце зоны отсечки в условиях, когда последняя находится на грани действия, ток IoW2 =Ic.з АK2; подставив это в (2.5), найдем, что в этом случае по отсечке АК1 будет проходить ток IoW1 = kтIc.з AK2.
Если принять Ic.з AK1 = kтIc.з AK2, то при токе IoW2 < Iс.з АК2 ток I0W1, проходящий по отсечке АК1, также будет меньше Ic.з AK1 и следовательно, РЗ АК1 не будет действовать за пре делами зоны действия РЗ АК2. С учетом этого принимается: Ic.з AK1 = kн kтIc.з AK2.
Выбор уставок чувствительных ступеней МТЗ нулевой последовательности. Уставки чувствительных ступеней (третьей и четвертой) МТЗ НП согласуются по чувствительности и выдержкам времени с уставками аналогичных РЗ, установленных на предыдущих участках контролируемой сети. Кроме того, токовые реле чувствительных ступеней МТЗ НП должны отстраиваться от токов небаланса, возникающих в нулевом проводе ТТ при протекании больших токов КЗ или качаний.
Чтобы исключить неселективное срабатывание МТЗ НП под воздействием тока небаланса при междуфазных КЗ за пределами защищаемой ЛЭП, ток срабатывания РЗ выбирается больше тока небаланса по следующему выражению:
Iс.з НП = kотс Iнб max . (2.6)
Это условие должно выполняться, если рассматриваемая МТЗ НП имеет выдержку времени, равную или меньшую, чем РЗ от междуфазных КЗ, установленная на поврежденном элементе. Как правило, указанное соответствует условию отстройки от токов небаланса при КЗ между тремя фазами за трансформаторами и на стороне низшего напряжения автотрансформаторов подстанций данного и противоположного концов защищаемой ЛЭП.
В (2.6) kOTC принимается равным 1,25, а Iнб определяется по выражению
Iнб = kнб Iрасч., (2.7)
где Iрасч соответствует току трехфазного КЗ; kнб принимается равным: 0,05 - при небольших кратностях Iк до (2-3)Iном; 0,05-0,1 - при больших кратностях, но не превосходящих (0,7-0,8)IК10 (IК10 - предельная кратность первичного тока ТТ при 10%-ной погрешности).
3 Лекция . Структурная схема дистанционной защиты со ступенчатой характеристикой, характеристики срабатывания реле сопротивления и их изображение на комплексной плоскости
Содержание лекции: изучается работа и назначение трехступечатой дистанционной защиты линий высокого напряжения. Приводятся основные виды характеристик срабатывания реле сопротивления.
Цель лекции: изучается логика работы дистанционной защиты линий от междуфазных КЗ.
3.1Структурная 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 3.1 приведена упрощенная структурная схема трехступенчатой ДЗ от междуфазных КЗ с направленными измерительными ДО (дистанционные органы). Защита имеет четыре функциональные части, обведенные пунктиром на рисунке 3.1, 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 Up-п и ток Iр.п в начале защищаемой ЛЭП. Вторичное напряжение на зажимах PC Up = Up.п / KU , а вторичный ток Iр = Iр.п / КI. Сопротивление на входных зажимах реле определяется по выражению
, (3.1)
где
Zp.п =
Uр.п
/
Iр.п
-
первичное значение сопротивления, подведенного к зажимам реле.
Первичное сопротивление Zс.з = Zc.p(KU / KI) 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 3.1 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 tII) и КТЗ (третьей ступени tIII). Первая ступень ДЗ замедления не имеет (tI = 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 Up в месте установки ДЗ периодически снижается, а ток Iр в защищаемой ЛЭП возрастает, при этом соответственно уменьшается Zp = Up/Ip. Реагирующие на Up, Ip и Zp 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 3.1, блокирует первую ступень, а в тех случаях, когда время действия второй ступени мало (tII < 1 с), - и вторую. Блокировка УБН. При неисправностях в цепях напряжения ТН напряжение Up, подводимое к PC, исчезает или резко понижается. В результате этого реле сопротивления, включенные на это напряжение, приходят в действие, что приводит к неправильному срабатыванию ДЗ. При исправном состоянии цепей напряжения с выхода УБН, 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 Zp = Up.н/ Iр.н = Zр.н (здесь Up.н, Ip.н, Zp.н - напряжение, ток, сопротивление на зажимах PC в режиме максимальной нагрузки, когда Zp.н имеет наименьшее значение). Сопротивления срабатывания PC всех ступеней выбираются меньше, Zр.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 (рисунок 3.1,б), то Zp < ZI 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 tII 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 Zc.p (Zp, р) и сопротивления на их зажимах Zp 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 Zp = Uр/Iр может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа Zp = Rp + jXp = Zpej и изображено в осях R, jX вектором с координатами Rp и jXp. Величина этого вектора характеризуется модулем |Zp | = , а его направление - углом р, который определяется соотношением Хр и Rp, поскольку tg р = Xp/Rp.
Графическое изображение характеристик срабатывания реле.
Характеристики срабатывания основных типов PC, изображенные на рисунке 3.2, представляют собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию Zp = Zc.p. Заштрихованная часть характеристики, где Zp Zc.p, соответствует области действия реле. При Zp, выходящих за пределы заштрихованной части, т. е. при Zp > Zc.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 Zp = ZK + Rд может располагаться при КЗ на защищаемом участке ЛЭП в пределах площади четырехугольника ОАВС, показанного на рисунке 3.2, д.
Действие реле при КЗ будет обеспечено, если характеристики срабатывания реле, показанные на рисунке 3.2, будут охватывать область комплексной плоскости, в которой может находиться вектор сопротивления Zp при КЗ на ЛЭП (площадь ОАВС рисунке 3.2, д ).
Рисунок 3.2- Характеристики срабатывания реле сопротивления
Однако область срабатывания PC имеет ограничения: реле не должно действовать при сопротивлении нагрузки (при Zpa6 min) и при качаниях. Для
этого векторы Zpa6 min и Zкaч должны располагаться за пределами области срабатывания реле, т. е. должно соблюдаться условие Zc.р < Zpa6 min и по возможности Zc.p < Zкaч .
Направленное реле полного сопротивления имеет Zc.p, зависящее от угла р (рисунок 3.2, 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 Zc.р = Zc.p max, т. е. равен диаметру окружности 0В.
Зависимость срабатывания этого реле от угла р может быть представлена уравнением
Zс.р = Zc.p max cos(м.ч - р). (3.2)
Реле не работает при Zp, 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 3.2, г изображена характеристика направленного реле, имеющая вид эллипса. Сопротивление срабатывания такого реле Zc.p зависит от угла р и имеет наибольшее значение при р = м.ч. Угол м.ч, как и в предыдущем случае, равен л. Сопротивление Zc.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 Rп
Реле с характеристикой в виде многоугольника. Подобная характеристика направленных PC, имеющая форму четырехугольника, показана на рисунке 3.2, д. Четырехугольная характеристика реле в большей мере, чем другие характеристики, совпадает с контуром области расположения векторов Zp 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 3.2, е показана характеристика, имеющая форму треугольника, применяемая для третьей зоны ДЗ. Она позволяет отстроиться от Zp при больших значениях тока нагрузки Iраб max, чему соответствует минимальное значение Zpa6 min = 0,9Uном /Iраб тах , и допускает срабатывание PC при значительном переходном сопротивлении Rп в случае удаленных КЗ.
4 Лекция. Принципы выполнения статических PC. Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления ДЗ-2
Содержание лекции: приведены основные принципы выполнения статических реле сопротивления дистанционной защиты линий входящих в комплект ДЗ-2 панели ЭПЗ-1636 .
Цель лекции: изучить основные принципы формирования реле с круговой характеристикой срабатывания, проходящей через начало координат, основанные на сравнении абсолютных значений двух электрических величин.
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, ..., Un[U1 = U1m sin t, U2 = U2m sin(t + 2) и т. д.]. Каждое из них является линейной функцией напряжения Up и тока Ip, измеряемых в месте установки РЗ.
U1 = KU1Up + KI1Ip;
U2 = KU2Up + KI2Ip; ……………………….. (4.1)
Un = KUnUp + KInIp.
Коэффициенты KU1 - KUn (4.1) являются постоянными величинами. Их значения определяют форму и уставки характеристики срабатывания. Коэффициенты KI1 – КIп представляют собой комплексы, имеющие размерность сопротивлений, a KU1 - KUn - 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 Up и Iр .
Направленное PC с круговой характеристикой срабатывания (рисунок 4.1,) основано на сравнении двух напряжений U1 и U2, образованных по (4.1), в которых для получения характеристики срабатывания в виде окружности, проходящей через начало координат, принято, что КU1 = 0, а при Iр коэффициент KI1 =KI2 = -KI. С учетом этого выражения сравниваемых величин имеют следующий вид:
U1 = KIIp; U2 = KUUp - KIIp (4.2)
Рисунок 4.1- Характеристика срабатывания направленного реле сопротивления
Сравниваемые напряжения: рабочее U1 (действующее на срабатывание) и тормозное U2 (ему противодействующее) формируются преобразователями (тока Iр и напряжения Up) и сумматором, состоящим из вспомогательного трансформатора напряжения TV1 и трансреактора TAV1 с двумя первичными w1 и вторичными w2 обмотками, (рисунок 4.2). 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 UAB и Iр = IА – IB (реле, включенные на фазы ВС и СА, выполняются аналогично). Напряжение Up трансформируется на вторичную сторону TV1, образуя напряжение KUUp, где КU - коэффициент трансформации TV1. Под действием токов IА и IB в каждой вторичной обмотке трансреактора TAV1 индуцируются одинаковые ЭДС Е=-jKIIp, пропорциональные разности первичных токов, сдвинутые от него на 90° (рисунок 4.2,в). Под действием ЭДС Е в контурах вторичных обмоток возникают одинаковые токи IT = E/(R + jX) Ip, отстающие от Е на угол , определяемый отношением X и R вторичного контура. Напряжения U’2 = U’’2 = ITRT сдвинуты относительно ЭДС E на угол , так же как и ток Iт (рисунок 4.2,в). С учетом того, что Iт = Iр, напряжение U1 = KIIp. Здесь KI - коэффициент преобразования тока Iр в напряжение UT, представляет собой комплексную величину, сдвинутую относительно вектора Iр на угол = 90° - . Модуль КI и угол сдвига зависят от параметров трансреактора (отношения витков w1/w2, Х, ветви намагничивания ТАV, сопротивления Rт). Напряжения Uн Uт (рисунок 4.2, а), полученные со вторичных зажимов TV1 и TAV1, используются для образования U1 и U2. Рабочее напряжение U1 = КIIр подводится к выпрямителю VS1. Тормозное напряжение U2 образуется геометрическим суммированием UH = KUUp и UT = -KIIp.
Полученное таким образом напряжение U2 = KUUp – KIIp 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 Uвых=|U1|-|U2|.
Реагирующий орган, подключенный к выходным зажимам, является нуль-индикатором (НИ) ЕA, реагирующим на знак UВЫХ. Для сглаживания пульсации Uвых устанавливается частотный фильтр-пробка L1C4 (рисунок 4.2,б), который не пропускает в ЕА переменную составляющую 100 Гц. В результате этого на вход ЕА поступает UВЬ1Х 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 |KIIp| = |KUUp - KIIp| (4.3)
Это условие действия реле на грани его срабатывания можно выразить через Zc.p. Разделим для этого обе части равенства (4.3) на KU и Iр, учтя, что Zp = Up/Ip, удовлетворяющее условию (4.3), является Zc.p:
|KI / KU|=|(Up / Ip)-(KI / KU)|
После преобразования получим
Zc.p=2(KI/KU)=2R. (4.3 а)
Уравнение (4.2а) является характеристикой срабатывания направленного PC, имеющего форму окружности, проходящей через начало координат (см. рисунок 3.2,б). Радиус этой окружности R равен |KI/KU|; вектор KI/KU определяет положение центра окружности относительно начала координат на комплексной плоскости R, jX с заданной уставкой Zy.
Сопротивление срабатывания Zc.p направленного PC непостоянно, изменяется с изменением р (угла сопротивления Zp), что видно из рисунка 4.2, г. При р = м.ч сопротивление
имеет максимальное значение Zc.p max = Z’p = 2(KI/KU). Угол
вектора Zc.p тах равен углу вектора KI, это означает, что м.ч =90°- и определяется параметрами X и R трансреактора TV1 (рисунок 4.2,а).
При всех других значениях
р м.ч , Zc.p = Zc.p max соs(м/ч -- Р) = 2(KI/KU) соs(м.ч - р). 390
а)- упрощенная схема сравнения; б)- схема РС; в) – векторная диаграмма трансреактора; г) – характеристика реле
Рисунок 4.2.- Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления в комплекте типа ДЗ-2
5 Лекция. Дистанционная защита панели ЭПЗ-1636
Содержание лекции: рассмотрена упрощенная схема токовых, напряженческих и логических цепей панели ЭПЗ-1636.
Цель лекции: изучить конструктивное исполнение и работу логики дистанционной защиты панели ЭПЗ-1636.
В электрических сетях с напряжением 110кВ и выше, работающих с глухозаземленными нейтралями, практически на всех линиях устанавливается дистанционная защита, рассчитанная на действие при междуфазных КЗ.
Дистанционная защита панели ЭПЗ-1636 выполняется трехступенчатой с реле, реагирующими на полное сопротивление Z. На рисунке 5.1 представлены цепи переменного тока и напряжения защиты. Защита содержит шесть направленных реле сопротивления с круговыми характеристиками, проходящими через начало координат. Три реле 1РС-ЗРС комплекта ДЗ-2 выполняют функции дистанционного органа I и II ступеней.
В целях сокращения числа сложных реле три PC комплекта ДЗ-2 в нормальном режиме имеют уставку срабатывания I ступени Zc.pl. При КЗ, по истечении времени действия I ступени, уставка автоматически изменяется на Zc.pII контактами промежуточного реле 1РП. Последнее приводится в действие при КЗ PC III ступени (как показано на рисунке 5.1 и 5.2) и работает с замедлением 0,1-0,2 с.
Реле сопротивления комплекта КРС-1 выполняют функции пускового органа и III ступени защиты. Для этих реле имеется возможность получения эллиптической характеристики и смещения характеристик в III квадрант для надежной работы при КЗ в начале линии. Реле сопротивления обоих комплектов включены на разность токов двух фаз и на соответствующие междуфазные напряжения (на петлю КЗ). Для устранения мертвой зоны, с учетом возможного смещения характеристики в I или III квадрант (из-за неравенства параметров трансреакторов и резисторов R13 и R27), к реле сопротивления дистанционного органа дополнительно подводится напряжение третьей, свободной фазы. На панели также предусмотрено два блокирующих устройства: блокировка при нарушениях в цепях напряжения, входящая в комплект ДЗ-2; блокировка при качаниях типа КРБ-126 или 125.
Цепи логической схемы трехступенчатой ДЗ из-за сложности представлены в упрощенном виде на рисунке 5.2
На схеме показаны контакты трех PC, входящих в комплект КРС-1, выполняющие функции ДО III ступени и ПО ДЗ. При КЗ контакты этих PC замыкаются и приводят в действие реле 2ПР. Это реле является повторителем ПО. Своими контактами оно производит уставку на пуск реле времени 1РВ и 2РВ. Реле времени 1РВ с двумя контактами (проскальзывающим и упорным) создает выдержку времени II ступени (t’II и t’’II), реле 2РВ обеспечивает выдержку времени III ступени; удерживающая обмотка используется в цепи отключения; при неисправности в цепях ТН блокировка при нарушениях в цепях напряжения, предусмотренная в комплекте ДЗ-2, подает сигнал; защита при этом не выводится из действия, так как использован токовый пуск от КРБ-126. В случае необходимости защита может быть выведена из работы специальным отключающим устройством (на схеме не показано); в схеме предусмотрено ускорение II и III ступеней защиты при действии АПВ контактом реле ускорения 1РПУ1 и 6РП на рисунке 5.2;
панель поставляется заводом с PC всех ступеней, имеющих в качестве РО нуль-индикаторы на ОУ, для которых устанавливается блок питания ± 15 В.
Таким образом, ДЗ на панели ЭПЗ-1636 обеспечивает мгновенное отключение междуфазных КЗ в пределах I ступени (0,85 длины защищаемой линии) и резервирование с выдержками времени II и III ступеней отключений междуфазных КЗ на следующем участке. В настоящее время эта ДЗ практически используется на большинстве линий ПО, 220 кВ в энергосистемах России. Подробное описание дистанционной защиты панели ЭПЗ-1636 дано в [59]. Помимо рассмотренной выше трехступенчатой дистанционной защиты от междуфазных КЗ, панель типа ЭПЗ-1636 содержит:
токовую двухрелейную отсечку, действующую без выдержки времени — от междуфазных КЗ;
четырехступенчатую токовую направленную защиту нулевой последовательности - от КЗ на землю;
два трехфазных токовых реле, используемых в схеме устройства резервирования отказа выключателей (УРОВ) - для контроля наличия тока в защищаемой линии.
Рисунок 5.1- Схема цепей переменного тока ДЗ-2, КРС и КРБ
Рисунок 5.2- Упрощенная логическая схема ДЗ
6 Лекция. Реле сопротивления со сложными характеристиками срабатывания, выполненные на ИМС. Выбор уставок дистанционной защиты
Содержание лекции: приведены основные принципы выполнения реле сопротивления на интегральных микросхемах входящих в комплект панели ШДЭ-2801 . Приведена методика расчета уставок дистанционной защиты.
Цель лекции: изучить принципы выполнения реле сопротивления на интегральных микросхемами и методику методика расчета уставок дистанционной защиты.
6.1 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 Rп 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 (4.1). 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 = KU1UP + KIIp = КU1 IP(ZP –Z1) = KU1 Ip Z1;
Z1 = -KI1 KU1 ;
U2 = KU2Up + KI2Ip = KU2Ip(Zp –Z2) = KU2 Ip Z2;
Z2 = -KI2 / KU2;
U3 = KU3Up + KI3Ip = KU3Ip(Zp -Z3) = KU3IpZ3; (6.1)
Z3 = -KI3 / KU3;
U4 = KU4Up + KI4Ip = KU4Ip(Zp – Z4) = KU4IpZ4;
Z4 = -KI4 / KU4.
В этих уравнениях сопротивления Zl, 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 6.1, а. Поэтому при формировании напряжений U1 – U4, коэффициенты КU1 – КU4 и KI1 – KI4 должны быть подобраны так, чтобы особые точки совпадали с вершинами заданного четырехугольника, показанного на рисунке 6.1, а. Из (6.1) 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 (Zp – Z1), (Zp - Z2), (Zp - Z3), (Zp - Z4). Положение последних будет изменяться с изменением конца вектора Zp = Up/Ip, которое зависит от режима контролируемой сети. Для выявления фазных соотношений U1 - U4 при которых ИО должен срабатывать, рассмотрим, как будут изменяться фазные соотношения векторов (Zp – Z1),..., (Zp -Z4) при повреждении в зоне действия, охваченной четырехугольной характеристикой, когда Zp = Z', и вне ее при Zp = 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 6.1, б), угол " между крайними векторами всегда меньше 180° (" < ).
а) –при КЗ в зоне; б) – при КЗ вне зоны
Рисунок 6.1- Векторные диаграммы реле сопротивления с четырехугольной характеристикой
В третьем случае - при КЗ на границе срабатывания защиты угол = 180° (на рисунке 6.1 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 ul – и4 (рисунок 6.2, 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 (рисунок 6.2, 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.
а) –при КЗ в зоне; б) – при КЗ вне зоны
Рисунок 6.2- Векторные диаграммы функционирования схемы сравнения с реагирующим органом РО1
6.2 Выбор уставок дистанционной защиты.
Ниже рассматривается выбор характеристик трехступенчатой ДЗ на примере участка сети с одиночными ЛЭП, показанного на рисунке 6.3.
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 (рисунок 6.3,б). На оси Z откладываются первичные сопротивления прямой последовательности Z1 участков сети.
При выборе сопротивления срабатывания ДО необходимо учитывать погрешности, вызывающие отклонение Zc.з от принятой уставки Zy. Действительное значение Zc.з = Zy ± 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 (Up, Ip, Zp) 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 6.3):
Z1A = k'Z1W1 = k'Z1yдlAB, (6.2)
где Z1W1 - первичное сопротивление прямой последовательности защищаемой ЛЭП W1; k' - коэффициент, учитывающий тн и ДО могущие вызвать увеличение ZIA (k' = 0,85 0,9); Z1yд -удельное сопротивление ЛЭП; lАВ -длина W1. Из (6.2) следует, что длина I зоны l1 = (0,85 0,9) lАВ.
Вторая ступень защиты служит для защиты с минимально возможной выдержкой времени tII участка защищаемой ЛЭП, не вошедшего в зону I
ступени. Сопротивление срабатывания ZIIa и выдержку времени tII отстраивают от быстродействующих РЗ трансформаторов и ЛЭП, отходящих от шин противоположной подстанции (рисунок 6.3).
Выдержка времени выбирается
t IIA = tIB+t (6.3)
где tIB - максимальное время действия быстродействующих РЗ следующего участка (tIB = 0,1 с), t = 0,3 0,5 с.
С учетом этого tIIA = 0,4 0,6 с. Если на ПС В имеется УРОВ, то tIIA = tIB + typoв + t.
Для согласования с линейными РЗ II зона должна быть отстроена от самой короткой I ступени на следующем участке (ZIB). 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 (рисунок 6.4). Отсюда, считая, что источник В отключен:
ZIIA = k'(ZWl + k"ZIB) = k'Z1yд(lAB + k"lBK1), (6.4)
где k" — коэффициент, учитывающий сокращение ZIB на Z, принимается равным 0,9; k' — коэффициент, учитывающий возможное увеличение ZIIA в результате погрешностей ДО II зоны ДЗ A (k'=0,850,9);lAB и lВК1 - рисунок 6.3
Протяженность II ступени ДЗ А lIIA = (0,85 0,9) (lАВ + 0,9lBKl).
При наличии нескольких источников питания, подключенных к шинам противоположной подстанции, расчет ZII необходимо вести с учетом подпитки места КЗ током Iк от дополнительного источника В.
Сопротивление в месте установки ДЗ А, подводимое к ее зажимам:
ZpA = ZW1 +ZBKlIK2 / IK1 = ZW1 + kTZBKl =
= Ziyд (lAB + kтlBK1), (6.5)
где kт = IK2 / IK1 - коэффициент токораспределения, показывающий, во сколько раз ток на поврежденном участке больше тока, на который реагирует ДО ДЗ.
Поскольку kт > 1, то значение ZpA, измеряемое ДО, превосходит действительное сопротивление ZAK1 = ZAB + ZBK1. Поэтому ZII следует выбирать с учетом ожидаемой подпитки по выражению
ZIIA = k'(ZWl + kTk"ZIB) = k'Zlyд(IAB + kтk"lIB). (6.6)
Здесь Zib, k', k"- такие же величины, как в (6.4); kт - коэффициент токораспределения, равный IK2 / Iк1 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:
ZIIA = k'(ZWl + kTZTmin), (6.7)
где Zт min - сопротивление наиболее мощного трансформатора на ПС В с учетом его изменения (по данным завода); k' -то же, что в (6.2).
В приведенных выше выражениях ZIIA (6.5) и kт (6.6) 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 (6.5) и (6..6) в виде множителя l/k’’T.
При определении kт для расчета уставки ZIIA по (6.5) и (6.7) следует исходить из реально возможного режима сети и источников питания. За окончательное значение ZII принимается меньшее из двух по (6.6) и (6.7). Выбранное ZIIA проверяется по условию надежного действия при КЗ на шинах ПС В. Согласно ПУЭ:
kч = ZIIA / ZW1 1,25 6.8
Для ЛЭП с сопротивлением 5-20 Ом следует стремиться, чтобы kч 1,52, так как при малом kч ДЗ на ЛЭП с небольшим сопротивлением могут отказывать при КЗ через Rп.
Рисунок 6.3- Участок сети, защищаемый дистанционной защитой А (а)
и изображение характеристик выдержек времени дистанционных защит в осях (б)
Рисунок 6.4- Согласование характеристик дистанционных защит А и В двух смежных ЛЭП
Третья ступень предназначается для резервирования присоединений (ЛЭП и трансформаторов), отходящих от шин про-тивоположной ПС (В на рисунке 6.3). 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 ZIII обычно имеет значительную величину. Поэтому вторым условием для выбора ZIII является ее отстройка от Zpa6 min. Часто второе условие является определяющим уставку и ограничивающим зону резервирования III ступени.
Zс.з(н) Uраб min / kнkвkсзпIраб mах cos(м.ч-н mах).
ZIII = Zpa6 min / kотсkвkсзп cos(м.ч-н mах). (6.9)
где kOTC = 1,1, kсзп = 1, kв=1,1
Для пересчета первичных сопротивлений на вторичную сторону ТТ и ТН используются выражения
Up.в = Up.п/КU и Iр.в = Ip.п / KI
Вторичное сопротивление срабатывания реле
Zc.p = Up.пKI/Iр.пKU = Zс.зKI/KU. (6.10)
7 Лекция. Высокочастотные защиты линий
Содержание лекции: общие сведения о высокочастотных защитах и их принципе действия.
Цель лекции: изучить принцип действия дифференциально-фазной высокочастотной защиты.
Высокочастотные (ВЧ) РЗ являются быстродействующими и предназначаются для ЛЭП ПО, 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 РЗ с 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.
7.1 Принцип действия дифференциально- фазной высокочастотной
В связи с указанными особенностями перечисленные РЗ состоят из двух частей - релейной и высокочастотной.
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 (рисунок7.1, а) токи Iт и In по концам защищаемой ЛЭП имеют различные знаки и, следовательно, их можно считать сдвинутыми по фазе на 180°. В случае же КЗ на защищаемой ЛЭП (рисунок 7.1,б) токи на ее концах имеют одинаковые знаки и их можно принять совпадающими по фазе, если пренебречь сдвигом векторов ЭДС Ет и Еп по концам электропередачи и различием углов полных сопротивлений Zm и Zn .
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 рисунке 7.2 и 7.3. Защита состоит из приемопередатчика (см. рисунок 7.2) 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.
Рисунок 7.3- Диаграммы токов в дифференциально-фазной ВЧЗ
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 сиг нал 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 (рисунок 7.3, а) с учетом того, что фазы первичных токов по концам ЛЭП противоположны, генератор, на конце т 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. При КЗ в зоне (рисунок 7.3,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.
8 Лекция. Аппаратная часть цифровых устройств защиты, особенности обработки информации в микропроцессорных терминалах
Содержание лекции: рассматривается функциональная схема РЗ на микропроцессорах.
Цель лекции: изучить структурную схему микропроцессорной защиты и принципы выполнения цифровых защит.
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 8.1.
Рисунок 8.1- 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
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 АЦП измерение значения синусоидального тока (напряжения) происходит в определенные моменты времени tl t2 ... tn с интервалом времени t (рисунок 8.2, а).
а- дискретизация по времени; б) – дискретизация по параметру
Рисунок 8.2- Характеристика входной величины ( тка или напряжения)
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... tn 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 8.2, б. Момент выборки сигналов определяется мультивибратором, непрерывно с интервалом t генерирующим тактовые импульсы.
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).
Структура МПС приведена на рисунке 8.3. С выхода МПС (см. рисунок 8.1) цифровой сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь ПАП, 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).
Рисунок 8.3- Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы, выполняющей функции релейной защиты.
Одновременно поступает информация на персональную ЭВМ (ПЭВМ), посредством которой осуществляется связь человек -машина.
На рисунке 8.3 приведена упрощенная структурная схема МП-системы, выполняющей функции РЗ. Система состоит из двух частей: МП и внешних устройств. К внешним устройствам МПС относятся:
устройства памяти - оперативное запоминающее устройство ОЗУ и постоянное запоминающее устройство ПЗУ;
устройства ввода и вывода аналоговой УАВВ и дискретной УДВВ информации;
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.
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.
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. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. "Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов".- М.: Энергоатомиздат, 1998.
4. Шабад М.А. Расчеты РЗ и А распределительных сетей: Монография.- СПб.: ПЭИПК,2003.- 350с.
5. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем: - М.: Энергия, 1992, - 560
6. Авербух А.М. Релейная защита в задачах с решениями и примерами. - М.: Энергия, 1975. - 416 с.
7. Руководящие указания по релейной защите. Вып.12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. - М.: Энергия, 1980. -88 с.
8. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 7. Дистанционная защита линий 35-330 кВ. - М.: Энергия, 1966.