Лекции_ч2 - НГТУ им. Р.Е. Алексеева

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Нижегородский государственный
технический университет им. Р. Е. Алексеева
Кафедра «Электроэнергетики, электроснабжения и силовой электроники»
Курс лекций
Релейная защита электрических сетей и систем
Часть 2
для студентов направления 13.04.02 всех форм обучения
Нижний Новгород
2013
Релейная защита электрических сетей и систем
1
Содержание
Содержание ................................................................................................................................... 1
Список иллюстраций .................................................................................................................... 3
Цели и задачи курса...................................................................................................................... 5
1
Дистанционные защиты ....................................................................................................... 6
1.1
Назначение дистанционной защиты ........................................................................... 6
1.2
Принцип действия и структурная схема. ................................................................... 7
1.3
Характеристики срабатывания дистанционных защит и их изображение на
комплексной плоскости ........................................................................................................... 9
1.4
Схемы включения дистанционных и пусковых органов защиты .......................... 14
1.5
Классификация реле сопротивления ........................................................................ 16
1.6
Требования к реле сопротивления. ........................................................................... 19
1.7
Принципы выполнения реле сопротивления ........................................................... 19
1.8
Пусковые органы дистанционных защит ................................................................. 20
1.9
Выбор уставок дистанционных защит...................................................................... 26
1.10
Предотвращение неправильных действий при качаниях, нарушении цепей
напряжения, несинхронных АПВ. ........................................................................................ 28
1.11
2
3
4
Оценка дистанционных защит .................................................................................. 29
Защиты с косвенным сравнением электрических величин ............................................ 31
2.2
Виды каналов связи .................................................................................................... 31
2.3
Дифференциально-фазная ВЧ защита ...................................................................... 39
2.4
Направленная защита с ВЧ блокировкой ................................................................. 41
2.5
Оценка ВЧ защит ........................................................................................................ 42
Защита электроэнергетических систем ............................................................................ 43
3.1
Защита от однофазных коротких замыканий........................................................... 43
3.2
Резервирование защит ................................................................................................ 46
3.3
Защита шин ................................................................................................................. 51
3.4
Телеотключения .......................................................................................................... 51
3.5
Особенности защиты линий с ответвлениями ......................................................... 51
3.6
Совместное действие устройств РЗ и АПВ .............................................................. 51
3.7
Особенности защиты сетей различных классов напряжения ................................. 51
Достоинства и недостатки защит на различной элементной базе ................................. 52
Предметный указатель ............................................................................................................... 53
2
Релейная защита электрических сетей и систем
СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ
Рисунок 1.1 – Пример кольцевой сети с несколькими источниками питания. .......................6
Рисунок 1.2 – Структурная схема дистанционной защиты. ......................................................7
Рисунок 1.3 – Характеристики зависимости времени срабатывания дистанционных защит
от сопротивления: (а) – ступенчатая, (б) – плавная, (в) – комбинированная. .........................8
Рисунок 1.4 – Характеристики времени срабатывания трехступенчатой дистанционной
защиты. ...........................................................................................................................................9
Рисунок 1.5 – Упрощенная схема направленного реле сопротивления на выпрямленных
токах (схема на равновесии напряжений). ................................................................................10
Рисунок 1.6 – Характеристика срабатывания реле сопротивления в полярных координатах
.......................................................................................................................................................11
Рисунок 1.7 – Зоны защиты в комплексной плоскости. Влияние дуги в месте короткого
замыкания. ....................................................................................................................................12
Рисунок 1.8 – Характеристика ненаправленного реле сопротивления. .................................13
Рисунок 1.9 – Пример эллиптической характеристики реле сопротивления. .......................13
Рисунок 1.10 – Виды усовершенствованных характеристик реле сопротивления. ..............13
Рисунок 1.11 – Поясняющая схема для различных видов короткого замыкания: (а) трехфазное, (б) – двухфазное. ....................................................................................................14
Рисунок 1.12 – Структурная схема односистемного исполнения трехступенчатой
дистанционной защиты. ..............................................................................................................15
Рисунок 1.13 – Общая классификация реле. .............................................................................17
Рисунок 1.14 – Структурная схема реле. ...................................................................................17
Рисунок 1.15 – Виды пусковых органов дистанционных защит ............................................22
Рисунок 1.16 – Виды зависимостей сопротивления срабатывания от тока. ..........................23
Рисунок 1.17 – Характеристики направленного пускового органа сопротивления. ............25
Рисунок 1.18 – Пример защищаемой зоны для трехступенчатой дистанционной защиты. 26
Рисунок 1.19 – Защита линии с отпайкой. ................................................................................27
Рисунок 1.20 – Пояснение к случаю несинхронного АПВ. .....................................................29
Рисунок 2.1 – Принципиальная схема ВЧ канала. ...................................................................33
Рисунок 2.2 – Подвеска ВЧ заградителя на входном портале подстанции. ..........................34
Рисунок 2.3 – Вид конденсатора связи с фильтром присоединения. .....................................35
Рисунок 2.4 – Принципиальная схема организации ВЧ канала с использованием НДЕ. ....35
Релейная защита электрических сетей и систем
3
Рисунок 2.5 – Примеры внешнего вида волоконнооптической линии связи: (а) –
магистральная линия связи, (б) – сечение провода (грозотроса) с оптоволоконной линией в
сердечнике. .................................................................................................................................. 38
Рисунок 2.6 – Принцип действия дифференциальной защиты с ВЧ блокировкой. ............. 39
Рисунок 2.7 – Принципы модуляции сигнала ВЧ поста. ........................................................ 40
Рисунок 3.1 – Пример схемы замещения для тока нулевой последовательности................ 43
Рисунок 3.2 – Принципиальная схема токовой защиты нулевой последовательности. ...... 45
Рисунок 3.3 – Пример схемы замещения нулевой последовательности для кольцевой сети.
...................................................................................................................................................... 45
Рисунок 3.4 – Принципиальная схема направленной защиты нулевой последовательности.
...................................................................................................................................................... 46
Рисунок 3.5 – Зоны основного и резервного действия защиты. ............................................ 47
Рисунок 3.6 - Принцип действия устройства резервирования отказа выключателя. ........... 49
4
Релейная защита электрических сетей и систем
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
Курс состоит из двух основных разделов:
 принципы выполнения наиболее сложных и совершенных защит:
 дистанционные защиты,
 защиты с косвенным сравнением величин (высокочастот-
ные);
 релейная защита электроэнергетических систем:
 защита от отдельных видов повреждений,
 резервирование,
 защита шин станций и подстанций.
В завершение курса рассмотрены различные элементные базы устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), основные аппаратные реализации различных видов защит, основные производители оборудования.
Релейная защита электрических сетей и систем
5
1 ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ
1.1 НАЗНАЧЕНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ
В кольцевой сети с двумя и более источниками питания, а также более
сложной, направленные токовые защиты не селективны.
2
К1
3
1
4
8
5
7
6
К2
Рисунок 1.1 – Пример кольцевой сети с несколькими источниками питания.
На рисунке 1.1 показан пример такой сети. Рассмотрим последовательность срабатывания защит при различных повреждениях в этой сети:
При коротком замыкании К1 должен сработать выключатель (защита) в
узле 2, затем, если произошел отказ в действии защиты 2, срабатывает резервная защита – узел 4, затем, в случае необходимости, аналогично срабатывают защиты 6 и 8.
В то же время, при коротком замыкании К2 последовательность срабатывания защит должна быть иной: 8 – 2 – 4 – 6.
Очевидно, что невозможно одновременно реализовать селективное
срабатывание токовой защиты в обоих случаях (не удастся задать выдержки
времени).
6
Релейная защита электрических сетей и систем
В связи с этим была разработана и применяется более чувствительная
защита – дистанционная.
1.2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМА.
Дистанционная защита – защита с относительной селективностью, реагирующая на изменение тока и напряжения одновременно.
Очевидно, что величина тока короткого замыкания и остаточного напряжения на шинах источника питания зависит от электрической удаленности места короткого замыкания от источника (источников) питания. По мере
приближения короткого замыкания к шинам остаточное напряжение Uост
снижается, а ток короткого замыкания Iкз возрастает.
При этом
U ост
 Z кз ~ lwК – дистанции до места короткого замыкания,
I кз
что и вызвало к жизни такое название защиты.
lwK
ТА
К
w
ДО
TV
АБН
АБК
Рисунок 1.2 – Структурная схема дистанционной защиты.
Первичные преобразовательные датчики тока и напряжения (измерительные трансформаторы) тока TA и напряжения TV передают сигнал на вход
дистанционной защиты.
Дистанционная защита (рис. 1.2) состоит из дистанционного органа
(ДО), который представляет собой реле сопротивления (реле, реагирующее
на сопротивление на его зажимах).
Релейная защита электрических сетей и систем
7
АБН и АБК представляют собой устройства, блокирующие срабатывание защиты при нарушении целостности цепей датчика напряжения и неправильную работу защиты при качаниях, соответственно.
Отечественные реле сопротивления реагируют на полное сопротивление на своих зажимах Zр.
Очевидно, время срабатывания дистанционной защиты зависит от величины сопротивления короткого замыкания Zкз. Характеристики зависимости времени срабатывания дистанционной защиты могут быть ступенчатыми,
плавными и комбинированными (см. рисунок 1.3).
t
t
t
Z
а)
Z
б)
Z
в)
Рисунок 1.3 – Характеристики зависимости времени срабатывания дистанционных защит
от сопротивления: (а) – ступенчатая, (б) – плавная, (в) – комбинированная.
Первые дистанционные защиты обладали плавными характеристиками
зависимости времени срабатывания от сопротивления, однако на сегодня
наиболее распространены защиты со ступенчатыми характеристиками t(Zкз).
Это вызвано сложностью согласования защит с плавными характеристиками.
В современных защитах на микропроцессорной элементной базе вновь можно наблюдать плавные характеристики в связи с тем, что они все же обеспечивают меньшее общее время срабатывания.
Для трехступенчатой дистанционной защиты характеристики времени
срабатывания выглядят, как показано на рис. 1.4.
8
Релейная защита электрических сетей и систем
ТА
ТА
ТА
ТА
w2
w1
ТА
w3
t
Z I1
Z I2
Z II1
Z II2
Z
Рисунок 1.4 – Характеристики времени срабатывания трехступенчатой дистанционной
защиты.
При этом зона, защищаемая первой ступенью защиты, составляет 80 –
85 % длины защищаемой линии. Это позволяет избежать излишнего срабатывания защиты, обусловленного погрешностями измерительных устройств,
дугой в месте короткого замыкания и т.д.
1.3 ХАРАКТЕРИСТИКИ СРАБАТЫВАНИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ
ЗАЩИТ И ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ НА КОМПЛЕКСНОЙ
ПЛОСКОСТИ
Рассмотрим упрощенную схему реле сопротивления на выпрямленных
токах (рис. 1.5). Выходной сигнал в данной схеме выдается контактом (на
схеме не показан) реле KL, обмотка которого включена на разность выпрямленных напряжений Uраб и Uтор, образуемых на выходе выпрямителей VSI и
VSU. На входы выпрямителей подается напряжение от трансреактора TAV и
трансформатора TL.
В свою очередь к первичным обмоткам трансреактора подводятся токи
от трансформаторов тока защищаемой линии, IA и IB. Поскольку обмотки
включены встречно, напряжения на вторичных обмотках трансреактора пропорциональны разности этих токов – току Iт.
В то же время на первичную обмотку промежуточного трансформатора
TL подается линейное напряжение, соответствующее токам в трансреакторе –
UAB.
Таким образом, напряжения на входах выпрямителей VSI и VSU равны
соответственно:
Релейная защита электрических сетей и систем
9
U т  k I ( I A  I B )  k I I т ,

U н  k u U AB  k I I т .
(1.1)
Здесь kI и kU – коэффициенты трансформации трансреактора TAV и
трансформатора TL соответственно.
KZ
VSI
VSU
KL
Uраб
Uтор
Uт
Uн
Uт
TAV
TL
IB
IA
К реле сопротивления других
B фаз
A
UAB
Рисунок 1.5 – Упрощенная схема направленного реле сопротивления на выпрямленных
токах (схема на равновесии напряжений).
Uраб действует на замыкание KL. При этом для величины тока в реле
справедливо
I р ~ U т  U н  k I I  kU U  k I I т
(1.2)
Момент срабатывания реле можно охарактеризовать уравнением
Iр  0  Uн  Uт
(1.3)
Исходя из (1.2), (1.3) можно заключить
k I I  k uU  k I I
где Z ср 
10
 1
ku I т
 Z ср 
kI
k
 I ,
kU
kU
(1.4)
U
.
Iт
Релейная защита электрических сетей и систем
Выражение (1.4) представляет собой ни что иное, как уравнение окружности в полярных координатах. Окружность проходит через начало координат, диаметр окружности равен Z ñ.ð.max 
kI
.
kU
jx
Zс.р.max
φ
r
Рисунок 1.6 – Характеристика срабатывания реле сопротивления в полярных координатах
Полученная окружность (рис. 1.6) представляет собой характеристику
срабатывания реле сопротивления. Эта характеристика описывает зону действия защиты. Что это означает? Это значит, что любое короткое замыкание,
сопротивление которого ZK попадает в эту окружность, вызовет срабатывание реле. И напротив, если сопротивление короткого замыкания не попадает
в окружность, то срабатывания реле не произойдет.
В начале координат находится "мертвая зона" реле, в которой оно не
срабатывает. Это один из недостатков реле сопротивления. Чтобы избежать
этого, используются различные методы. Например, смещение зоны защиты в
III квадрант, или дополнение дистанционной защиты отсечкой с очень малой
зоной действия.
Угол максимальной чувствительности реле сопротивления φ соответствует
лучу, на котором чувствительность реле максимальна и равна
Z с.р.макс. 
kI
.
kU
То есть, при
rК
 arctg реле отреагирует на самое электрически удаxК
ленное короткое замыкание.
Релейная защита электрических сетей и систем
11
Очевидно, что при изготовлении реле сопротивления, стремятся сделать его угол максимальной чувствительности равным углу вектора сопротивления защищаемой линии.
Легко видеть, что в реальных условиях чувствительность реле меньше
максимальной. В основном это происходит из-за наличия электрической дуги
(чисто активное сопротивление) в месте короткого замыкания. Соотношение
активного и реактивного сопротивлений увеличивается, тем самым точка короткого замыкания смещается с угла максимальной чувствительности реле.
Так, например, на рисунке 1.7 короткое замыкание, физически произошедшее в I зоне трехступенчатой дистанционной защиты, из-за сопротивления электрической дуги rд в месте повреждения, будет восприниматься защитой как находящееся во II зоне, и устраняться с большей выдержкой времени.
jx
Z3
III зона
II зона
Z1
Z2
rд
r
I зона
Рисунок 1.7 – Зоны защиты в комплексной плоскости. Влияние дуги в месте короткого
замыкания.
Характеристика срабатывания рассмотренного нами реле сопротивления была смещена в I квадрант координат, то есть реле было направленным.
Аналогично выпускаются и ненаправленные реле сопротивления, которые
обладают характеристиками, подобными изображенной на рис. 1.8.
12
Релейная защита электрических сетей и систем
jx
r
Рисунок 1.8 – Характеристика ненаправленного реле сопротивления.
Для длинных сильно загруженных линий электропередачи, где токи
короткого замыкания сравнимы с рабочими токами, выпускаются реле сопротивления с эллиптическим характеристиками (ввиду относительно большого сопротивления линии даже наличие дуги не позволяет ZK сильно отклониться от угла максимальной чувствительности). Пример такой характеристики дан на рисунке 1.9.
jx
Zmax
r
Рисунок 1.9 – Пример эллиптической характеристики реле сопротивления.
Для улучшения чувствительности реле, избавления от "мертвой зоны"
разрабатываются и применяются характеристики различных видов. Примеры
таких характеристик даны на рис. 1.10.
jx
jx
r
jx
r
jx
r
r
Рисунок 1.10 – Виды усовершенствованных характеристик реле сопротивления.
Релейная защита электрических сетей и систем
13
1.4 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ И ПУСКОВЫХ
ОРГАНОВ ЗАЩИТЫ
1.4.1 Включение на токи фаз и линейные напряжения
Для дистанционных защит от междуфазных коротких замыканий используют две схемы включения.
При включении на фазные токи и линейные напряжения (на каждое из
трех реле подается ток одной фазы и междуфазное напряжение, например, IА
и UAB) при К(3) (см. рис. 1.11, а) на зажимах реле будет напряжение, равное
U р  3U к  3I к z к .
KZ
ZK
IK,A
K
KZ
K
ZK
IK,A
IK,B
IK,B
IK,C
б)
а)
Рисунок 1.11 – Поясняющая схема для различных видов короткого замыкания: (а) - трехфазное, (б) – двухфазное.
Тогда сопротивление на зажимах реле составит
zр(3) 
U AB
3I к zк

 3zк .
IA
Iк
При К(2) (рис. 1.11, б) на зажимах реле напряжение составит U р  I к 2zк и
сопротивление на зажимах реле составит zр(2) 
U AB 2 I к zк

 2 zк .
IA
Iк
Таким образом, при различных видах повреждений реле будет замерять
различное сопротивление до одной и той же точки.
14
Релейная защита электрических сетей и систем
1.4.2 Включение на линейные токи (разность токов фаз) и напряжения
Если подавать на каждое реле линейные токи и напряжения, то, используя рисунок 1.11, можем записать, что в данном случае при К(3) на зажимах реле будет сопротивление zр(3) 
U AB
3I к zк

 zк .
IA  IB
3I к
При К(2) на зажимах реле сопротивление составит
z р(2) 
U AB
2I z
 к к  zк .
IA  IB
2I к
Таким образом, реле будет замерять одну и ту же величину при различных видах повреждений.
1.4.3 Особенности включения односистемных исполнений защит
Для трехсистемной дистанционной защиты с отдельными комплектами
защит от многофазных коротких замыканий и замыканий на землю необходимо 18 сложных реле сопротивления. В связи с этим часто встречаются односистемные исполнения дистанционной защиты. Для того чтобы одно реле
сопротивления срабатывало в различных зонах, предусматривается устройство, автоматически регулирующее уставку реле. Такой случай показан на рис.
1.12.
a
KZ
b
AK
SX
опер. ток
KBV
KT
KT
1
2
ПО
на откл.
B
KT
3
Рисунок 1.12 – Структурная схема односистемного исполнения трехступенчатой дистанционной защиты.
Защита снабжена устройством блокировки от нарушения цепей напряжения KBV, через которое в схему подается оперативный ток. В выходных
Релейная защита электрических сетей и систем
15
цепях защиты на выходе первой и второй зон установлено устройство блокировки от качаний AKB.
При коротком замыкании в первой зоне дистанционный орган KZ срабатывает и через AKB подает сигнал на отключение без выдержки времени.
При этом также срабатывает пусковой орган ПО, запуская промежуточное
реле с замедлением KT1 и реле времени KT2, KT3, но они не успевают сработать.
При коротком замыкании во второй зоне KZ не срабатывает, так как
сопротивление короткого замыкания больше уставки первой зоны. ПО запускает KT1 и KT2. Первое после замедления разрывает цепь на участке ab и переключает уставку KZ на вторую зону. KZ срабатывает и после истечения
выдержки времени KT2 создается цепь на отключение через AKB. KT3 сработать не успевает.
При замыкании в третьей зоне происходит все то же самое, но KZ не
срабатывает даже после переключения уставки на вторую зону, так как сопротивление короткого замыкания больше уставки второй зоны. Поэтому,
когда срабатывает KT2 цепь на отключение не появляется. По истечении выдержки времени срабатывает KT3, подавая сигнал непосредственно на отключение.
Накладка SX служит для того, чтобы включать действие второй зоны
защиты помимо AKB в случаях, когда ее время действия больше 2 с (в этом
случае неправильное действие защиты при качаниях становится маловероятным).
1.5 КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
1.5.1 Классификация реле
Общая классификация реле может быть представлена в виде рис. 1.13.
16
Релейная защита электрических сетей и систем
Реле
вспомогательные
основные
сигнальные
Реле времени, размножение контактов
Рисунок 1.13 – Общая классификация реле.
Любое реле можно представить в виде рис. 1.14 (орган замедления не обязателен)
Реле
Воспринимающий
Орган замед-
Исполнительный
орган
ления
орган
Рисунок 1.14 – Структурная схема реле.
Соответственно, классификация реле возможна:
- По воспринимающему органу (ВО):
o по способу включения ВО:
 первичные реле (ВО включен в первичную цепь),
 вторичные реле (ВО включен за измерительным трансформатором, датчиком);
o по параметру, на который реагирует ВО:
 реле тока,
 реле напряжения,
 реле мощности,
 реле частоты,
 реле сопротивления;
o По характеру изменения параметра ВО:
 максимальные реле,
 минимальные реле;
- По исполнительному органу (ИО):
o по способу воздействия ИО:
 реле прямого действия (ИО отключает выключатель путем
механического воздействия),
 реле косвенного действия (ИО отключает выключатель, передавая сигнал в цепи автоматики управления выключателем
(АУВ));
Применяют следующие виды реле:
Релейная защита электрических сетей и систем
17
- первичные прямого действия – встраиваются в выключатели, автоматические воздушные выключатели, магнитные пускатели,
- вторичные прямого действия – встраиваются в приводы выключателей,
- вторичные косвенного действия (большинство реле).
1.5.2 Классификация реле сопротивления
Существует множество разновидностей реле сопротивления, причем их
количество постоянно растет. Единой классификации, однозначно характеризующей реле, обладающие совокупностью целого ряда признаков, не существует.
Наиболее общим будет разделение реле сопротивления на реле, сравнивающие абсолютные значения специально сформированных величин или
их фазы. Существуют исполнения, сочетающие оба этих способа.
В пределах каждой из указанных групп существует большое число разновидностей.
Другая классификация может быть проведена по принципу действия.
Реле сопротивления могут быть выполнены как омметры, измеряющие фиктивное сопротивление на их зажимах, или как реле, не измеряющие сопротивление, а срабатывающие при коротком замыкании в защищаемой зоне и
не срабатывающие при коротком замыкании вне ее.
Реле сопротивления – омметры имеют плавную характеристику зависимости времени действия реле от величины сопротивления на зажимах.
В настоящее время применяются, в основном, защиты со ступенчатыми
характеристиками, поэтому используются реле второго типа (см. например,
раздел 1.3).
Различают также реле сопротивления электромеханические и статические, полупроводниковые и на магнитных элементах; по числу используемых
входных напряжений Uр и токов Iр; по числу специально сформированных
электрических величин A, B, C …; по параметрам выходного сигнала, по характеристикам zс.р.= f(φр).
18
Релейная защита электрических сетей и систем
1.6 ТРЕБОВАНИЯ К РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ.
Ко всем реле применяются следующие общие требования: высокий коэффициент
возврата kв, малые погрешности в токе срабатывания реле Iс.р., малые погрешности шкал
для настройки, малое время возврата, термическая и динамическая стойкость, коммутационная стойкость, независимость работы от предшествующего режима и так далее.
Кроме общих требований к реле, реле сопротивления должны удовлетворять следующим требованиям:
1) Реле сопротивления должны четко определять дистанцию до места повреждения при любых режимах. То есть, их действие не должно
зависеть от абсолютных величин токов и напряжений, в том числе в
случае значений токов и напряжений, близких к порогу чувствительности реле.
2) Собственное время срабатывания реле должно быть малым. Это
условие вызвано тем, что данные защиты устанавливаются, как правило, в сетях высокого и сверхвысокого напряжения, где требования к
быстродействию защит очень высоки.
1.7 ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Преимущественно действие реле сопротивления основано на сравнении
модулей или фаз двух специально сформированных величин вида:
A = k1Uр + k2Iр и B = k3Uр + k4Iр.
(1.5)
Сравнение модулей |A| и |B| широко применяется в виде схем с выпрямлением (см. например, рис. 1.5).
Принцип сравнения фаз реализуется в виде как индукционных (реле
сопротивления индукционного типа, где происходит сравнение не токов, а
магнитных потоков), так и электромагнитных реле. Первые лучше, но и те и
другие сложны в производстве и эксплуатации (регулировке), поэтому вытеснены схемами с выпрямлением (полупроводниковыми).
В связи с появлением микропроцессорных защит вновь появляются
решения со сравнением фаз.
Релейная защита электрических сетей и систем
19
До сих пор мы рассматривали реле сопротивления разного вида, но однофазные. Также выпускаются (с 1944 г.) многофазные реле сопротивления.
Существует множество оригинальных принципов их выполнения. Очевидно,
для них невозможно получить одну характеристику в комплексной плоскости
для различных случаев короткого замыкания. Это обстоятельство усложняет
анализ их работы.
1.8 ПУСКОВЫЕ ОРГАНЫ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ
1.8.1 Функции пусковых органов
- подача на дистанционный орган напряжений и токов, соответствующих сочетанию поврежденных фаз (для общего реле сопротивления);
- переключать дистанционный орган с первой на вторую (иногда и на
третью) ступени (для односистемных защит);
- обеспечивать срабатывание реле сопротивления, дистанционного органа, правильно устанавливающих место короткого замыкания и предотвращать срабатывание тех, сопротивления на зажимах которых
оказываются сниженными;
- пускать реле времени;
- обеспечивать фиксацию срабатывания второй ступени для уменьшения влияния дуги;
- служить последней ступенью защиты в сочетании с органом выдержки времени (если пусковой орган не направленный, то в сочетании с
органом контроля направления мощности).
В некоторых исполнениях защит функции пускового органа уменьшаются настолько, что он теряет свое назначение. Например, в трехсистемной
защите пускового органа нет и каждое реле сопротивления – законченная отдельная ступень защиты.
20
Релейная защита электрических сетей и систем
Кроме того, при смещении характеристик пусковых органов в I квадрант (для увеличения чувствительности), пусковой орган может действовать
только в качестве последней ступени защиты.
Также пусковые органы не нужны в схемах с трехфазными реле сопротивления.
1.8.2 Требования к пусковым органам
Ко всем пусковым органам предъявляются следующие общие требования:
- пусковой орган не должен срабатывать при возможных эксплуатационных перегрузках линий электропередачи;
- пусковой орган должен четко срабатывать как при металлических коротких замыканиях, так и при замыканиях через переходное сопротивление в пределах защищаемой зоны.
Прочие требования к пусковым органам определяются выполняемыми
функциями. Так, например, для подачи в дистанционный орган нужных сочетаний токов и напряжений (выбор фаз), пусковой орган должен обладать избирательностью действия.
Релейная защита электрических сетей и систем
21
1.8.3 Виды пусковых органов
Пусковые органы
Токовые
Реле сопротивления
Ненаправленные
(полного сопротивления)
Направленные
Рисунок 1.15 – Виды пусковых органов дистанционных защит
Наиболее простыми и надежными являются токовые пусковые органы.
По принципу действия они не способны обеспечить чувствительность в сетях
более чем с одним источником питания и применяются в основном в сетях
35 кВ и ниже.
Они выполняются максимальными реле тока, включенными на токи
фаз и дополнительно на I0, если это необходимо для работы схемы при коротком замыкании на землю.
Ток срабатывания выбирается как для направленных токовых защит.
Применение токового пуска допустимо при
kч 
I к.з.min
 1,5  2 ,
nТ I с.р.
(1.6)
где Iк.з.min – минимальный ток в защите при металлическом коротком
замыкании в конце защищаемой линии электропередачи.
Это условие выполняется в сетях 35 кВ и ниже, линиях с односторонним питанием.
Среди достоинств токового пуска можно отметить простоту, четкую
избирательность, обеспечение несрабатывания защиты при неисправности
цепей напряжения.
22
Релейная защита электрических сетей и систем
Недостатком является относительно малая чувствительность.
Пусковые органы, выполненные минимальными реле сопротивления,
могут быть как направленными, так и ненаправленными (реле полного сопротивления).
Такие пусковые органы обладают весьма высокой чувствительностью.
Даже при Iкз ≤ Iраб реле сопротивления может сработать, так как ориентируется не только на увеличение тока, но и на снижение напряжения. Поскольку
при перегрузках снижение напряжения незначительно, возможно использование пусковых органов с током срабатывания меньше рабочего тока линии
Iс.р.min < Iраб.
Реле сопротивления для пускового органа должно иметь сопротивление
срабатывания, не зависящее от тока. На рисунке 1.16 приведены виды зависимостей сопротивления срабатывания от тока: кривая 1 – сопротивление, не
зависящее от тока, и кривая 2 – сопротивление, зависящее (ограниченнозависимое) от тока.
Zс.р.
2
1
Iр
Iс.р.min
Рисунок 1.16 – Виды зависимостей сопротивления срабатывания от тока.
Характеристика вида 2 обеспечивает непостоянную длину защищаемой
зоны, затрудняет согласование защит смежных участков, поэтому применяется редко.
Способ включения пусковых органов определяется требованиями к избирательности. Если избирательность не требуется, то подключается как и
дистанционный орган.
Релейная защита электрических сетей и систем
23
Уставки пускового органа полного сопротивления можно определить
из ограничения zс.р. < zраб.min. Однако более тяжелые ограничения накладывает
необходимость возврата реле в исходное состояние:
zв.р.< zпер.min  z в.р. 
z раб.min
k отсk сз
.
(1.7)
Здесь zв.р. – сопротивление, при котором происходит возврат реле в исходное положение;
zпер.min – минимальное переходное сопротивление (в режиме восстановления после ликвидации короткого замыкания);
kотс > 1, kсз > 1 – отстройка от самозапуска двигателей потребителя.
Можно представить сопротивление возврата реле в виде
(1.8)
zв.р.= kв zс.р.,
где kв > 1 – коэффициент возврата.
Исходя из (1.7) и (1.8), получаем для уставки пускового органа полного
сопротивления:
z с.р. 
z раб.min
k в k отсk сз
.
(1.9)
Чувствительность пускового органа определяется по металлическому
короткому замыканию в конце защищаемой линии электропередачи, когда
zр= zл:
kч 
z с.р.
zл
.
(1.10)
Минимальный коэффициент чувствительности kч.min = 1,5 (требование
ПУЭ). Для короткого замыкания в конце смежных элементов желательно
kч ≥ 1,25.
Для направленных пусковых органов сопротивления характеристика в
комплексной плоскости показана на рис. 1.17.
24
Релейная защита электрических сетей и систем
jx
Zс.р.max
φл
φнагр
r
Рисунок 1.17 – Характеристики направленного пускового органа сопротивления.
Для линии электропередачи высокого напряжения сопротивление линии сильно индуктивно и угол максимальной чувствительности реле, совпадающий с φл, велик. В то же время нагрузка таких линий близка к активной и
φнагр, определяющий режим нормальной работы линии, мал. При коротком
замыкании сопротивление определяется характером сопротивления линии.
Таким образом, можно определить уставку направленного пускового
органа по выражению (1.11).
zс.р.max . 
z раб.min
1
k в k отсk сз cos( л   нагр )
.
(1.11)
Очевидно, коэффициент чувствительности возрос по сравнению с ненаправленным пусковым органом в
1
раз, то есть на десятки
cos( л   нагр )
процентов.
Мертвая зона пусковых органов перекрывается токовой отсечкой или
смещением характеристики в III квадрант. Также применяются специализированные устройства памяти, представляющие собой RLC контуры, "запоминающие" последнее значение напряжения. Иногда подводится напряжение с
неповрежденной фазы.
Даже пусковые органы, выполненные направленными реле сопротивления, не всегда могут обеспечить необходимую чувствительность. Пути совершенствования – улучшение характеристики защиты (например, получение
характеристик вида рис. 1.10), применение фильтрового пуска.
Релейная защита электрических сетей и систем
25
1.9 ВЫБОР УСТАВОК ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ
Первая ступень защиты срабатывает без выдержки времени и защищает 85% длины линии. Время срабатывания защиты не велико и составляет tI ≤
0,1-0,15 с. Оно определяется временем работы реле. Иногда также добавляется запас времени на работу воздушных разрядников, чтобы защита не срабатывала при срабатывании разрядников.
На рис. 1.18 приведен пример защищаемой зоны для трехступенчатой
дистанционной защиты.
KZ
Б
IК1
В
IК2
w2
w1
А
T
Рисунок 1.18 – Пример защищаемой зоны для трехступенчатой дистанционной защиты.
Можно записать, что
I
I
zс.з.
 kотс
zw1 ,
(1.12)
I
где kотс
= 0,85-0,9 – коэффициент отстройки первой ступени, учиты-
вающий положительную погрешность реле, погрешность измерительных
трансформаторов, переходное сопротивление.
I
За рубежом применяют неселективное отключение с kотс = 1,1. Возможное неверное срабатывание защиты исправляется последующим автоматическим повторным включением (АПВ).
При наличии отпайки, как показано на рис. 1.19, первая ступень защиты отстраивается от короткого замыкания в конце отпайки, а если трансформатор отпайки подключен непосредственно к шинам без выключателя, то
расчетным является короткое замыкание за ним.
26
Релейная защита электрических сетей и систем
KZ
IК2
IК1
Б
w2
w1
А
w3
T
Рисунок 1.19 – Защита линии с отпайкой.
Тогда (1.12) принимает вид
I
I
zс.з.
 kотс
( z w1  z w3  zТ ) ,
(1.13)
где zw3 – сопротивление линии отпайки,
zT – сопротивление трансформатора отпайки.
Вернемся к рис. 1.18. Вторая ступень срабатывает с выдержкой времени около 0,5 с и защищает конец линии, шины приемной подстанции и начало следующей линии (трансформатор приемной подстанции).
Отстройка от конца первой зоны защиты подстанции Б может быть выполнена по выражению
II
II
I
zс.з.
 kотс
( z w1  k р k 'отс zс.з.Б
),
(1.14)
II
здесь kотс
= 0,7-0,8 – коэффициент отстройки,
k'отс = 0,9 – коэффициент отстройки, учитывающий отрицательную погрешность реле сопротивления,
kр =
I K2
– коэффициент, учитывающий неравенство токов в участках
I K1
линии,
I
– уставка первой ступени защиты подстанции Б.
zс.з.Б
Отстройка от короткого замыкания за трансформатором приемной подстанции:
Релейная защита электрических сетей и систем
27
II
II
zс.з.
 kотс
( z w1  k р zТ ) ,
(1.15)
где zT – минимальное сопротивление трансформаторов приемной подстанции.
Расчетным является меньшее из полученных по (1.14) и (1.15) значений.
Уставки третьей и последующих ступеней защиты определяются аналогично.
Перейти от значений параметров в первичных цепях к значениям параметров на зажимах реле позволит выражение
z с.р.  z с.з.
kI
.
kU
(1.16)
1.10 ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НЕПРАВИЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ ПРИ
КАЧАНИЯХ, НАРУШЕНИИ ЦЕПЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ,
НЕСИНХРОННЫХ АПВ.
Существуют два основных принципа выполнения блокировок при качаниях:
1) включение дистанционной защиты только при возникновении
несимметрии (качания – симметричный процесс).
В настоящее время принцип утратил актуальность в связи с ростом
электротяговых нагрузок и снижением симметрии, а также в связи с низкой
чувствительностью к трехфазным коротким замыканиям.
2) основан на различии в скорости изменения тока при коротком
замыкании и при качаниях – используются два пусковых органа различной чувствительности.
Реально оба подхода комбинируют.
Неправильное действие защиты при несинхронных автоматических повторных включениях (НС АПВ) предотвращается либо загрублением защиты, что нежелательно, либо случай несинхронного АПВ сводится к случаю
качаний. В сети, показанной на рис. 1.20, один из выключателей, например
28
Релейная защита электрических сетей и систем
Q1, включается первым. После этого коммутация Q2 приведет к качаниям,
при которых неправильное действие защиты исключается блокировкой от
качаний.
Q1
Q2
Рисунок 1.20 – Пояснение к случаю несинхронного АПВ.
Блокировка неправильного срабатывания защиты при нарушении цепей
напряжения может производиться путем применения фильтров нулевой последовательности или сравнением напряжений вторичных обмоток трансформатора напряжения.
1.11 ОЦЕНКА ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ
Дистанционные защиты являются наиболее сложными и наиболее совершенными из защит с относительной селективностью. Они обеспечивают
селективность работы первой и второй ступеней при внешних коротких замыканиях в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания. Их преимущество по сравнению с токовыми направленными защитами –
высокая чувствительность, четко фиксируемая зона защиты первой ступени.
Дистанционная защита применяется в качестве основной или резервной в сетях 35 кВ и выше. В сетях 110 кВ используется в качестве основной,
если позволяют соображения устойчивости. Критерием является величина
остаточного напряжения на шинах при трехфазном коротком замыкании в
конце второй зоны защиты. Должно выполняться условие:
Uост = 0,85 3z w1 I K(3)  0,6U раб
(1.17)
В сетях 220 кВ и выше может быть только резервной в связи с относительно низким быстродействием.
Может производится ускорение действия защит добавлением блокирующего, разрешающего, отключающего устройства (с передачей сигнала по
Релейная защита электрических сетей и систем
29
высокочастотному (ВЧ) каналу) или увеличением первой зоны до 1,1 длины
линии с последующим АПВ.
30
Релейная защита электрических сетей и систем
2 ЗАЩИТЫ С КОСВЕННЫМ СРАВНЕНИЕМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
2.1.1 Основные понятия
Токовыми и направленными защитами с косвенным сравнением электрических величин называются защиты с абсолютной селективностью, основанные на сравнении электрических величин по концам защищаемой линии или на линиях, присоединенных к общим шинам посредством передаваемых по каналам связи сигналов от срабатывающих измерительных реле.
Защиты делятся на продольные, сравнивающие величины по концам
защищаемого участка, и поперечные, сравнивающие величины разных присоединений шин одной подстанции.
В связи с тем, что защиты с косвенным сравнением величин обладают
абсолютной селективностью, они обладают следующим основным достоинством: выполняются и работают без выдержки времени. Соответственно, их
основной недостаток – не могут быть резервными.
Данные защиты используют те же элементы, что и защиты с относительной селективностью, поэтому иногда эти элементы являются общими
(KA, KW, …).
Важнейшим видом защит с косвенным сравнением электрических величин являются защиты, использующие в качестве каналов связи передачу
высокочастотных сигналов по проводам защищаемых линий электропередачи. Это дифференциально-фазная высокочастотная защита и направленная
защита с высокочастотной блокировкой.
2.2 ВИДЫ КАНАЛОВ СВЯЗИ
Для передачи сигналов релейной защиты и линейной автоматики используются различные каналы связи. Среди них каналы электросвязи: проРелейная защита электрических сетей и систем
31
водные, высокочастотные (ВЧ), радиоканалы; и оптоволоконные каналы. Все
они имеют свои достоинства и недостатки, и, как следствие, свою область
применения.
2.2.1 Проводные каналы
Исторически первыми каналами для передачи данных были проводные.
Они выполняются проводом или кабелем, который для защиты от помех может экранироваться. Для защиты от внешних повреждений кабели связи бронируют.
Помимо собственных служебных каналов энергоснабжающей организации возможно использовать арендованные каналы телекоммуникационных
фирм, например, ОАО "Ростелеком", ОАО "Транстелеком".
Как правило, проводные каналы обладают высокой емкостью и сравнительно низкими помехами (по сравнению с радио- и ВЧ каналами). Основными недостатками этих каналов является весьма высокая стоимость, возможность механических повреждений посторонними, подверженность помехам от линии электропередачи, что требует удалять коридор прокладки кабелей связи от защищаемой линии.
Все это делает практически невозможным использование проводных
каналов связи для защиты линий сверхвысокого напряжения (большая длина
линии, безлюдная и часто покрытая лесом территория).
Тем не менее, в пределах подстанции проводные каналы остаются основными. Хотя на вновь проектируемых подстанциях и закладываются оптоволоконные соединения, но они используются для магистральных каналов.
Основная часть каналов связи защит и автоматики до конечных устройств
выполняется проводом и кабелем.
Главное отличие от старых систем связи – переход от аналогового сигнала к цифровому, что позволяет повысить надежность передачи данных,
32
Релейная защита электрических сетей и систем
увеличить емкость канала, снизить мощность устройств для передачи сигнала.
В связи с изложенным в настоящее время для релейной защиты проводные каналы связи применяются (за редким исключением) только в пределах подстанций.
2.2.2 Высокочастотные каналы по проводам защищаемой линии
Принцип действия высокочастотных каналов заключается в передаче
информации по проводу током высокой частоты параллельно с передачей тока промышленной частоты.
Высокочастотные каналы выполняются по проводам (в том числе расщепленным фазам) и грозотросам защищаемых линий. В Советском Союзе и,
как следствие, в России, используются каналы фаза-земля, поскольку они
требуют наименьшее количество аппаратуры. За рубежом встречается использование каналов фаза-фаза.
Принципиальная схема организации ВЧ канала показана на рис. 2.1.
1
TA
TA
Q
Q
1
3
2
2
5
4
6
5
4
1
3
6
Рисунок 2.1 – Принципиальная схема ВЧ канала.
Релейная защита электрических сетей и систем
33
Сигнал из приемопередатчика 6 проходит через ВЧ кабель 5 и попадает
в фильтр присоединения 4. Фильтр присоединения шунтируется аппаратурой
защиты от перенапряжений 3. Через конденсатор связи 2 сигнал попадает в
линию. ВЧ заградители 1 не позволяют сигналу распространяться в нежелательных направлениях. На приемной стороне сигнал проходит через конденсатор связи, фильтр присоединения и по ВЧ кабелю попадает в ответный
приемопередатчик.
ВЧ заградитель 1 представляет собой RLC-контур, в котором создается
резонанс токов высокой частоты (фильтр-пробка). Таким образом, он препятствует распространению токов высокой частоты за пределы выбранного канала связи. Заградители выпускаются как резонансные (одночастотные), так
и двухчастотные и широкополосные. На рис. 2.2 изображена подвеска ВЧ заградителя на входном портале подстанции.
Рисунок 2.2 – Подвеска ВЧ заградителя на входном портале подстанции.
Конденсатор связи 2 представляет собой большое сопротивление для
тока промышленной частоты (больше 1 МОм) и незначительное для тока ВЧ.
Поэтому ток утечки через конденсатор пренебрежимо мал, а канал для ВЧ
34
Релейная защита электрических сетей и систем
тока надежен и обладает малым затуханием. Внешний вид конденсатора связи показан на рис. 2.3.
Рисунок 2.3 – Вид конденсатора связи с фильтром присоединения.
Вместо специального конденсатора связи может использоваться емкостный делитель напряжения НДЕ, если ими оснащена подстанция. Тогда
принципиальная схема организации канала будет выглядеть, как на рис. 2.4.
TA
Q
к НДЕ других фаз
C1
L
C2
R
к ВЧ
каб.
Рисунок 2.4 – Принципиальная схема организации ВЧ канала с использованием НДЕ.
Защитные устройства 3 служат для защиты оборудования ВЧ канала от
перенапряжений. В качестве такого устройства могут использоваться воздушные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители напряжения (ОПН)
различных типов. Аналогичные устройства применяются для защиты от пеРелейная защита электрических сетей и систем
35
ренапряжений ВЧ заградителей. На рис. 2.2 можно видеть, что под ВЧ заградителем для его защиты подвешен ОПН (цилиндр белого цвета).
Фильтр присоединения 4 представляет собой воздушный трансформатор с регулированием. Наличие конденсатора во вторичной обмотке превращает его в полосовой фильтр, пропускающий только заданную полосу частот. Благодаря этому далее по ВЧ тракту идет только необходимый сигнал,
отстроенный от основных помех. Не менее важная задача фильтра присоединения – согласование входных сопротивлений линии и ВЧ кабеля для предотвращения отражения сигнала. На рис. 2.3 можно видеть фильтр присоединения, размещенный на стойке для установки конденсатора связи.
ВЧ кабель 5 – одножильный экранированный (коаксиальный) кабель с
малым затуханием для ВЧ сигналов. Так как длина кабеля от фильтра присоединения до приемопередатчика, размещенного в общеподстанционном
пункте управления (ОПУ), соизмерима с длиной волны ВЧ сигнала, то при
расчетах ВЧ кабель рассматривается как линия с распределенными параметрами.
Приемопередатчик 6 получает от релейной части защит сигналы на запуск и передает полученные по ВЧ тракту сигналы в релейную часть защиты.
Приемопередающая аппаратура выпускается различных типов.
На сегодня наиболее известны приемопередатчики типов ПВЗУ, ПВЗУ-Е, ПВЗУ-М
(Уралэнергосервис) и ETL500 (ООО "АББ Энергосвязь"). Наряду с этими системами действуют предыдущие поколения каналообразующей аппаратуры.
В общем случае могут использоваться каналы в диапазоне 40 - 500 кГц.
Ширина полосы пропускания фильтра присоединения 1,2 – 1,4 кГц определяется затуханием и помехоустойчивостью канала.
С ростом частоты и длины канала затухание, естественно, возрастает.
Особенно сильно затухание при изморози, гололеде, мокром снеге вследствие диэлектрических потерь в слое покрытия. При особенно сильном гололеде затухание может даже превысить допустимое (обычно запас по затуханию
1 – 1,5 Нп) и возникнет вопрос о выведении защиты из работы.
36
Релейная защита электрических сетей и систем
Также на канал ВЧ связи действуют помехи от коронного разряда,
электрической дуги, других ВЧ каналов, радиостанций и атмосферных разрядов.
Частоты ВЧ каналов избираются централизованно, сейчас держателем
частот является ОАО "ФСК ЕЭС".
Достоинством ВЧ каналов является отсутствие необходимости прокладки специальных линий связи, в качестве канала используется сам провод
защищаемой линии. Недостатки ВЧ связи – малая емкость канала (несущественно для целей релейной защиты), большие помехи и затухание, резкий рост
затухания при повреждении линии, коротком замыкании.
Значительным недостатком является невозможность организации ВЧ
канала на малых расстояниях (десятки и сотни метров) в связи с невозможностью согласования входных сопротивлений линии и приемника ВЧ сигнала. Это затрудняет реализацию ВЧ защит для отпаечных подстанций. В этом
случае используется проводной или оптоволоконный (редко) канал связи.
2.2.3 Радиоканалы
Для связи в энергетике используются каналы УКВ диапазона. В основном это метровые (γ =10 - 1 м, f = 30 – 300 МГц), дециметровые (γ =100 - 10
см, f = 300 – 3 000 МГц) и сантиметровые (γ =10 - 1 см, f = 3000 – 30 000
МГц) волны. В связи с малой длиной волны УКВ радиосвязь действует практически только при прямой видимости приемника и передатчика. Для увеличения дальности связи ставятся промежуточные усилители сигнала. Таким
образом, получаем радиорелейные линии.
Каналы сотовой и спутниковой телефонии не обладают достаточной
надежностью и плотностью покрытия для использования в релейной защите.
Могут служить резервными
Релейная защита электрических сетей и систем
37
2.2.4 Оптоволоконные каналы
Оптоволоконная связь может осуществляться как по специально подвешенным многожильным оптоволоконным кабелям, подвешенным на опорах линии (ВОЛС-ВЛ) (рис. 2.5, а) или уложенным в земле, так и по отдельным волокнам, вплетенным в грозозащитный трос (ОКГТ) или фазный провод линии. Порой встречаются решения с использованием оптоволокна в качестве сердечника композитного провода (рис. 2.5, б). Для существующих
линий возможна навивка оптоволокна вокруг грозотроса.
а)
б)
Рисунок 2.5 – Примеры внешнего вида волоконнооптической линии связи: (а) – магистральная линия связи, (б) – сечение провода (грозотроса) с оптоволоконной линией в сердечнике.
Достоинством оптоволоконных каналов связи является их высокая емкость (возможность передачи данных систем диспетчерско-технологического
управления, противоаварийной автоматики, релейной защиты в одном канале), неподверженность помехам от проводов защищаемой линии, достаточно
высокая надежность (при надежной аппаратуре приема-передачи).
Среди недостатков оптоволоконных каналов их относительно высокая
стоимость, порой затрудненная подвеска на старых линиях. Оптоволокно со
временем может мутнеть, тем самым увеличивая затухание и снижая пропу38
Релейная защита электрических сетей и систем
скную способность канала. Для современного оптоволокна производители
гарантируют от 15 до 25 лет качественной работы канала.
В связи с затуханием сигнала в волоконнооптических линиях связи на
дальних расстояниях устанавливаются промежуточные усилительные пункты
(каждые 20-30 км).
2.3 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНАЯ ВЧ ЗАЩИТА
Защита основана на сравнении фаз токов защищаемого объекта. На
рис. 2.6 показана схема линии электропередачи. Очевидно, что при внешнем
коротком замыкании K2 ток IK2 будет направлен вне линии, для измерительных органов 1 и 2 он будет направлен противоположно. При внутреннем коротком замыкании К1 ток будет направлен от концов линии к точке короткого замыкания и сонаправлен для органов 1 и 2. Сравнение происходит не в
релейной схеме, а путем передачи блокирующих сигналов по ВЧ каналу в
защищаемой линии.
1
2
1
I K2
1
К1
2
I K2
3
К2
2
I K1
К1
I К1
K1
К1
К1
Рисунок 2.6 – Принцип действия дифференциальной защиты с ВЧ блокировкой.
Дифференциально-фазная защита имеет два полукомплекта по концам
защищаемой линии. В каждом полукомплекте имеется два пусковых органа.
Один из них, более чувствительный, пускает в действие генератор высокой
частоты (ГВЧ), который модулируется током промышленной частоты и посылает сигнал на удаленный полукомплект.
Более грубый пусковой орган создает цепь на отключение, которая
срабатывает при прекращении блокирующего сигнала от удаленного полукомплекта или совпадении его по фазе со своим сигналом. Принципы модуляции сигнала можно видеть на рис. 2.7.
Релейная защита электрических сетей и систем
39
IK
IK
1
2
IK
3
4
K
I1
I3
+
+
+
+
t
I2
+
+
t
+
+
t
I4
+
+
+
t
сигнал 1
сигнал 3
t
сигнал 2
t
сигнал 4
t
сигнал
в линии
t
сигнал
в линии
t
вых.
цепь
приемника
t
вых. цепь
приемника
t
t
ток в реле
ток в реле
t
t
Рисунок 2.7 – Принципы модуляции сигнала ВЧ поста.
40
Релейная защита электрических сетей и систем
Необходимо обратить внимание, что при нарушении пропускания канала связи суммарный сигнал в линии также отсутствует, что может привести к неверному срабатыванию защиты. Именно для уменьшения вероятности
такого события защита не включена постоянно и имеет отдельный пусковой
орган, который вводит ее в действие. Также в связи с этим к каналам связи
для защит предъявляются высокие требования по надежности и пропускной
способности.
В качестве пусковых органов используются токовые реле, фильтры нулевой и обратной последовательностей.
Реально, в отличие от рис. 2.7, сдвиг фаз не равен 180º, что обусловлено погрешностями.
2.4 НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА С ВЧ БЛОКИРОВКОЙ
Представляет собой усовершенствованный вариант направленной защиты. Селективность срабатывания достигается применением блокирующего
(разрешающего) ВЧ сигнала.
Оснащена двумя пусковыми органами. Первый, более чувствительный,
пускает генератор высокой частоты, второй создает цепь на отключение. При
качаниях и асинхронных режимах такая защита может сработать неселективно, поэтому, как и дистанционная защита, оснащается устройством блокировки от неправильных действий при качаниях.
Если обратиться к рис. 2.6, то условием срабатывания защиты будет
срабатывание направленной защиты 1 и отсутствие блокирующего сигнала с
противоположной стороны 2.
Принципиальным отличием от дифференциально-фазной ВЧ защиты
является возможность работы направленной защиты с ВЧ блокировкой даже
при выведенной ВЧ части на противоположной стороне. При этом защита
действует как обычная направленная с относительной селективностью. Полукомплекты дифференциально-фазной защиты не могут действовать поодиночке.
Релейная защита электрических сетей и систем
41
Достоинством данной защиты по сравнению с обычной направленной
является то, что ее не надо отстраивать от токов самозапуска.
2.5 ОЦЕНКА ВЧ ЗАЩИТ
Высокочастотные защиты являются высоконадежными и быстродействующими защитами с абсолютной селективностью. Они применяются в качестве основных в сетях высокого и сверхвысокого напряжения. Поскольку
они обладают абсолютной селективностью, то не могут быть резервными. В
качестве резервных для них используют защиты с относительной селективностью – дистанционные.
Основной недостаток таких защит – высокая стоимость.
Направленные защиты с ВЧ блокировкой работают лучше чем дифференциально-фазные ВЧ защиты на линиях с ответвлениями. Теоретически их
также можно выполнить более быстродействующими, чем дифференциально-фазные.
42
Релейная защита электрических сетей и систем
3 ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
3.1 ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
Статистика говорит, что однофазные короткие замыкания являются
наиболее частым видом повреждения в сетях с эффективно заземленной нейтралью.
В последнее время из-за большой распространенности автотрансформаторов и трансформаторов со схемами соединения
\ \Δ общее сопротив-
ление нулевой последовательности неуклонно снижается. В ряде случаев
(особенно рядом с мощными автотрансформаторами) ток однофазного короткого замыкания превосходит ток трехфазного. Поэтому и требования к
скорости отключения однофазных коротких замыканий такие же жесткие как
для трехфазных.
Используя понятие симметричных составляющих, можно заключить,
для случаев поперечной несимметрии составляющие нулевой последовательности появляются только при коротком замыкании на землю.
Если обратиться к схеме замещения для токов нулевой последовательности (см. рис. 3.1), то можно отметить, что независимо от числа источников
питания и конфигурации реальной сети (кроме кольцевой), для тока нулевой
последовательности существует только один источник питания (в месте замыкания).
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
E0
Z6
Рисунок 3.1 – Пример схемы замещения для тока нулевой последовательности.
Релейная защита электрических сетей и систем
43
В связи с изложенным становится очевидно, что при использовании
защит с фильтрами тока нулевой последовательности оказывается возможным применять для однофазных коротких замыканий более простые защиты,
чем для многофазных.
В основном для защиты от однофазных коротких замыканий применяют ступенчатую токовую защиту нулевой последовательности, состоящую из
двух-трех ступеней.
В качестве первой ступени выступает токовая отсечка нулевой последовательности без выдержки времени, которая отстраивается от максимального тока короткого замыкания в конце линии (3.1).
I
I с.з.
 k отс I к.max ;
I
I с.р.

k сх k отс I к.max
.
kI
(3.1)
Вторая ступень защиты также выполняется токовой отсечкой нулевой
последовательности, которая защищает всю длину линии и резервирует зону
действия защиты следующего участка. От собственной первой ступени отсечка отстраивается выдержкой времени.
II
I
,
I с.з.
 k р k отс I с.з.2
(3.2)
I
где I с.з.2
– уставка первой ступени защиты нулевой последовательности
следующего участка,
kр – коэффициент, учитывающий неравенство токов в участках линии,
kотс = 1,1 - 1,2 – коэффициент отстройки.
В качестве третьей ступени защиты выступает максимальная токовая
защита нулевой последовательности, отстроенная от тока небаланса и с выдержкой времени для селективности работы с предыдущими ступенями.
III
I с.з.
 k отс I нб.max ,
(3.3)
Принципиальная схема такой защиты дана на рис. 3.2.
44
Релейная защита электрических сетей и систем
+
KA3.1
KT2
KA1 KA2 KA3
Q
TA
KT1
KA2.1
З-та от
др. видов
поврежд.
KH1
KA 1.1
KT 1.1
KH 2
KT2.1
KL.1
KL
KH 3
SQ
YAT
Рисунок 3.2 – Принципиальная схема токовой защиты нулевой последовательности.
В кольцевых сетях (схема замещения изображена на рис. 3.3) селективное действие защиты нулевой последовательности достигается применением
направленных защит нулевой последовательности.
E0
Z1
Z2
Z3
Z5
Z6
Z4
Рисунок 3.3 – Пример схемы замещения нулевой последовательности для кольцевой сети.
При этом состав защит тот же, что и у ненаправленной. Первая и вторая ступени – токовые отсечки. Первая закрывает часть линии, вторая закрывает всю линию, шины противоположной подстанции и резервирует зону
действия первой ступени защиты следующей подстанции. Третья ступень –
максимальная токовая защита, отстроенная от наибольшего тока небаланса.
Релейная защита электрических сетей и систем
45
При этом важно отметить, что отсечка отстраивается только от тока
короткого замыкания от шин в линию. Принципиальная схема защиты дана
на рис. 3.4.
Q
KW KA
3U0 от TV
+
TA
KW.
KA.1
1
KT.1
SQ
KT
YAT
KW
Рисунок 3.4 – Принципиальная схема направленной защиты нулевой последовательности.
3.2 РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ЗАЩИТ
3.2.1 Общие принципы резервирования
При выполнении релейной защиты в электроэнергетических сетях необходимо иметь в виду возможность отказа защиты или выключателя защищаемого присоединения. Поэтому, наряду с ростом технического совершенства и надежности защит и выключателей, предусматривается резервирование.
Возможны два основных, принципиально различных способа резервирования – ближнее и дальнее.
Ближнее резервирование – выполняется защитами установки, на которой
произошел отказ.
При этом предусматривается обычно несколько защит.
Дальнее резервирование – выполняется защитами (с относительной селективностью) смежных элементов.
Поскольку такие защиты действуют и на своем и на смежных элементах, то полная зона действия защиты делится на зону основного действия и
зону резервного действия (см. рис. 3.5).
46
Релейная защита электрических сетей и систем
Б
В
А
Зона основного действия
Зона резервного действия
Полная зона действия
t
Характеристика
защиты А
Характеристика
защиты Б
Рисунок 3.5 – Зоны основного и резервного действия защиты.
Устройство резервирования отказа выключателя (УРОВ) предназначено
для действия в случае отказа выключателя поврежденной электроустановки. УРОВ действует на отключение выключателей смежных
элементов, через которые питается место повреждения.
УРОВ также является подвидом ближнего резервирования.
Все защиты можно разделить по выполняемым функциям по признаку
резервирования:
Основная защита – защита, предназначенная для действия при всех или части видов повреждений в пределах всего элемента с временем, меньшим чем у других защит.
Резервная защита – защита, предназначенная для действия вместо основной
в случаях, если она отказала или выведена из работы, а также вместо
отказавших защит смежных элементов.
Вспомогательная защита – защита, выполняющая какие-либо дополнительные функции (защита мертвых зон), ускорение отключения на части
элемента.
Релейная защита электрических сетей и систем
47
3.2.2 Дальнее резервирование
Производится защитами с относительной селективностью, обычно последними (третьими) и частично вторыми ступенями токовых, направленных
и дистанционных защит.
Если основная защита по принципу действия не реагирует на повреждения вне защищаемого элемента (защита с абсолютной селективностью), то
для резервирования предусматривается отдельная защита. При этом целесообразно выполнять ее так, чтобы она резервировала и основную защиту своего элемента.
Для лучшего резервирования основной защиты своего элемента стремятся сделать для резервной защиты независимые измерительные цепи (с отдельными измерительными трансформаторами тока или, чаще, отдельными
вторичными обмотками одного измерительного трансформатора тока, трансформатор напряжения дублируется), отдельные цепи питания (источник питания оперативным током секционируется, для важных объектов устанавливаются две аккумуляторные батареи) и управления, не связанные с основной
защитой.
Это также позволяет раздельно проводить проверку и ремонт защит на
работающих элементах.
Кроме этого, желательно, чтобы основная и резервная защита имели
разный принцип действия.
Достоинства дальнего резервирования: относительная простота и учет
всех возможных нарушений в работе электроустановок, в том числе даже потеря оперативного тока.
Недостатки дальнего резервирования:
- недостаточная чувствительность в ряде случаев (через защиту в общем случае проходит только часть тока поврежденной линии, используются менее благоприятные значения напряжений),
48
Релейная защита электрических сетей и систем
- затруднительно или невозможно использовать преимущества секционированных и других схем соединения шин, потенциально позволяющих оставить часть присоединений в работе,
- большое время отключения повреждения,
- затруднительно или невозможно добиться селективности работы резервных ступеней защиты при внешнем коротком замыкании в сети
сложной конфигурации,
- отключение ответвлений неповрежденных линий, если их защиты
выполняют функции дальнего резервирования.
3.2.3 Ближнее резервирование
При ближнем резервировании отказы защиты и выключателя резервируются отдельно.
При резервировании отказа защиты в качестве резервной выступает
защита, действующая только в пределах защищаемого участка.
В основном ближнее резервирование отказа защит реализуется путем
дублирования. Устанавливается несколько комплектов защит, действующих
одновременно и независимо друг от друга.
Отказ выключателя резервируется устройством резервирования отказа
выключателя. Принцип действия УРОВ можно видеть на рис. 3.6.
I сш
II
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
сш
осш
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
Рисунок 3.6 - Принцип действия устройства резервирования отказа выключателя.
Предположим, что на изображенной схеме присоединения 1, 3, 5 и 7
фиксированы на первой системе шин, а 2, 4, 6, 8 – на второй. ШиносоединиРелейная защита электрических сетей и систем
49
тельный выключатель 10 нормально разомкнут. Обходная система шин является резервной. Направление потоков мощности в присоединениях показано
стрелками. Будем считать, что подпитка места короткого замыкания возможна только со стороны питающих линий (3, 4, 7, 8).
При коротком замыкании на линии 1 и отказе выключателя 1 для ликвидации неустраненного повреждения устройство резервирования отказа выключателя присоединения 1 должно все линии, откуда возможна подпитка
места повреждения. Таким образом УРОВ воздействует на отключение выключателей 3 и 7. Неповрежденное присоединение 5 также теряет питание.
Действие УРОВ приводит к отключению секции или системы шин со
всеми ее потребителями, или даже к отключению всей подстанции. В связи с
этим предъявляются очень высокие требования к надежности УРОВ.
Требования к УРОВ:
- должно обеспечивать надежное отключение поврежденного присоединения,
- не должно срабатывать при исправном выключателе присоединения,
- не должно срабатывать при неправильных действиях персонала.
Ввиду этих требований, УРОВ выполняется в соответствии со следующими основными принципами:
- пуск УРОВ выполняется релейной защитой одновременно с подачей
команды на отключение,
- УРОВ контролирует срабатывание выключателя независимо от релейной защиты,
- УРОВ срабатывает с выдержкой времени, необходимой для нормального отключения.
Упрощенная принципиальная схема УРОВ изображена на рис. .
50
Релейная защита электрических сетей и систем
3.3 ЗАЩИТА ШИН
3.3.1 Назначение защиты шин
3.3.2 Дифференциальная защита шин
3.3.3 Уставки реле
3.3.4 Защита шин генераторного напряжения
3.4 ТЕЛЕОТКЛЮЧЕНИЯ
3.5 ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ
3.6 СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ УСТРОЙСТВ РЗ И АПВ
3.7 ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ СЕТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ
НАПРЯЖЕНИЯ
Релейная защита электрических сетей и систем
51
4 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЗАЩИТ НА
РАЗЛИЧНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ
52
Релейная защита электрических сетей и систем
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Защита
дистанционная ....................................... 6
Реле
классификация ................................. 17
мертвая зона .................................... 10
угол максимальной
классификация ..................................... 15
чувствительности......................... 10
сопротивления........................................ 6
характеристика срабатывания ........ 10
Релейная защита электрических сетей и систем
53