Для защиты тупиковых кабельных или воздушных линий с односторонним питанием достаточно максимально-токовой защиты или токовой отсечки. Но, если эти линии подключены последовательно друг за другом или соединяют между собой несколько источников питания, невозможно выполнить такие защиты селективными.

Представим, что от шин подстанции №1 отходит линия, питающая другую подстанцию — №2. А с шин этой следующей подстанции уходит еще одна линия.

При использовании МТЗ на подстанции №1 она должна срабатывать при на первой линии, но давать возможность подействовать защите подстанции №2 при на следующей.

Но при этом она должна еще и резервировать защиту второй , для чего должна подействовать и при на линии 2. Для этого время действия защит нужно установить так, чтобы на первой подстанции выдержка была больше. К тому же придется разделить логику работы МТЗ на две или более ступеней, выставив для первой из них ток срабатывания, равный расчетному току в конце первой линии.

А теперь предположим, что с противоположной стороны линию №2 питает еще один источник энергии, не зависимый от первого. Теперь задача усложняется: токи короткого замыкания изменяются. К тому же линий потребуется выполнить направленными.

Есть еще один вид защит, который может помочь эффективно отключить именно линию с повреждением – дифференциальная защита. Но для ЛЭП большой протяженности ее выполнить очень непросто.

При использовании же МТЗ и токовых отсечек устройства защиты получаются сложными, к тому же – недостаточно эффективными. Выход из ситуации – применение дистанционных защит.

Принцип действия защиты

Дистанционная защита (ДЗ) – название, говорящее о том, что она реагирует на расстояние до точки короткого замыкания. А если говорить точнее: логика ее работы зависит от места расположения точки замыкания, которое и определяет защита.

Делает она это с помощью устройств, называемых реле сопротивления.

Их задача: косвенным образом измерить сопротивление от места расположения защиты до точки короткого замыкания. А для этого, по закону Ома, ей требуются не только ток, но и напряжение, получаемое от установленного на шинах подстанции трансформатора напряжения.

Реле сопротивления срабатывает при условии:

Здесь Zуст – уставка сопротивления срабатывания реле. Измеряемая величина является фиктивной, так как в некоторых режимах работы (например, при качаниях) ее физический смысл, как сопротивления, теряется.

Уставок срабатывания, а, следовательно, и реле сопротивления у ДЗ, как правило, не менее трех.

Защищаемая область делится на участки, называемые зонами. Время срабатывания для каждой из зон свое. А уставка реле сопротивления равна сопротивлению до точки в конце соответствующей зоны. Для пояснения вспомним пример с подстанциями и линиями.

Уставка первой зоны ДЗ

Рассчитывается так, чтобы она защищала только свою отходящую линию. Но не до самого конца, а с учетом погрешности измерения сопротивления – 0,7-0,85 ее длины. При срабатывании первой зоны ДЗ линия отключается с минимально возможной выдержкой времени, так как находится гарантированно на ней.

Вторая зона ДЗ

Резервирует отказ защиты следующей подстанции. Для чего она реагирует на в конце линии №2. И первая зона ДЗ для выключателя второй линии от подстанции №2 выставлена на сопротивление до той же самой точки КЗ, но уже от шин этой подстанции. Но выдержка времени 2 зоны ДЗ подстанции №1 больше, чем 1 зоны ДЗ подстанции №2.

Этим обеспечивается требуемая селективность: выключатель второй линии от подстанции №2 отключится раньше, чем отработает реле времени защиты на подстанции №1.

Третья зона ДЗ

Необходима для резервирования защиты следующей линии, если она есть в наличии. Дополнительного количества зон не предусматривается.

Интересное видео о настройке дистанционной защиты смотрите ниже:

Устройство и работа комплекта дистанционной защиты.

Тем не менее, на одних реле сопротивления и реле времени такую защиту не выполнить. На практике она включает в себя несколько функциональных блоков.

Пусковые органы ДЗ

Это токовые реле или реле полного сопротивления. Их задача: определить наличие в защищаемой цепи и запустить работу остальных устройств защиты.

Дистанционные органы.

Набор реле сопротивления для определения зоны срабатывания и дистанции до места КЗ. Устройство, формирующее выдержки времени для зон защиты. Это – обычные .

Реле направления мощности

На самом деле он применяется редко, так как реле сопротивления конструктивно обладают собственной диаграммой направленности, не позволяющей срабатывать защите при «за спиной». В итоге исключается срабатывание защиты при замыканиях в направлении, противоположном защищаемой линии.

Органы блокировок

Одно из которых — защита от исчезновения напряжения. При неисправностях цепей ТН ДЗ выводится из действия. Следующая блокировка работает при качаниях в системе. При их возникновении обычно происходит снижение напряжения на шинах и увеличение тока в защищаемых линиях. Эти изменения воспринимаются дистанционными органами защиты как уменьшение , из-за чего также не исключена ложная работа защиты.

Применение дистанционной защиты

Дистанционная защита используется в сетях с питанием от двух и более источников.

Это линии связи напряжением 35, 110 кВ и выше, по которым осуществляется транзит электроэнергии.

Особенно эффективна и незаменима ДЗ в кольцевых схемах энергоснабжения, применение которых очень часто для единой энергетической системы страны.

Для всех сетей, где установлена ДЗ, она является основной защитой .

Конструкция ДЗ на электромеханической базе предполагает наличие большого количества элементов: , трансформаторов. Для ее размещения выделяется целая панель. Современные же варианты микропроцессорных защит умещаются в одном терминале, соседствуя с другими их видами, а также – возможностью фиксирования срабатываний защит, работы блокировок, запись осциллограмм аварийных процессов. Совмещением нескольких устройств в одном терминале обеспечивается не только компактность, но и удобство в эксплуатации релейной защиты линии.

Ещё одно интересное короткое видео об анализе работы дистанционной защиты:

Варианты выполнения наборов защит ВЛ 110-220 кВ.

1. Самый простой набор защит применяется на тупиковых ВЛ: двухступенчатая токовая защита от междуфазных КЗ (МТЗ и МФТО) и трехступенчатая ЗЗ. При этом отсутствует ближнее резервирование защит ВЛ и возможен случай, когда при КЗ на тупиковой ВЛ и отказе ее защиты гасится целая СШ крупной системной ПС при работе дальнего резервирования защит. То есть, даже на простых тупиковых ВЛ, отходящих от шин крупных ПС и ЭС желательно было бы применять основные и резервные защиты для повышения надежности работы ПС или ЭС, но такая практика не принята.

2. Самый простой вариант для системообразующих ВЛ с двухсторонним питанием: трехступенчатая ДЗ, четырехступенчатая ЗЗ и МФТО. ДЗ и ЗЗ обеспечивают защиту ВЛ от всех видов КЗ и дальнее резервирование защит. МФТО применяется как дополнительная защита ввиду ее простоты, дешевизны, высокой надежности и быстродействия.

Серийно выпускаются типовые устройства РЗ ВЛ 110-220 кВ, содержащие трехступенчатую ДЗ, четырехступенчатую ЗЗ и МФТО:

Электромеханическая панель типа ЭПЗ-1636, выпускается Чебоксарским электроаппаратным заводом (ЧЭАЗ) с 1967 года. Установлена на большинстве ВЛ 110-220 кВ энергосистемы Челябинской области.
- электронный шкаф типа ШДЭ-2801, выпускается ЧЭАЗ с 1986 года, в энергосистеме Челябинской области установлен всего на нескольких десятках ВЛ 110-220 кВ.
- микропроцессорные шкафы серии ШЭ2607, выпускаются НПП Экра с 1990-х годов: ШЭ2607 011, ШЭ2607 016 (управление выключателем с трехфазным приводом, трехступенчатая ДЗ, четырехступенчатая ЗЗ, МФТО), ШЭ2607 012 (управление выключателем с пофазным приводом, трехступенчатая ДЗ, четырехступенчатая ЗЗ, МФТО), ШЭ2607 021 (трехступенчатая ДЗ, четырехступенчатая ЗЗ, МФТО).

Отсутствие ближнего резервирования.
- отключение КЗ в конце защищаемой ВЛ с временем вторых или третьих ступеней защит.

3. Более сложный вариант защит для ВЛ с двухсторонним питанием - применение шкафа защит типа ШДЭ-2802 (выпускается ЧЭАЗ с 1986 года). Шкаф содержит два комплекта защит: основной и резервный. Основной комплект защит включает в себя трехступенчатую ДЗ, четырехступенчатую ЗЗ и МФТО. Резервный комплект – упрощенные двухступенчатые ДЗ и ЗЗ. Каждый комплект обеспечивает защиту ВЛ от всех видов КЗ. При этом резервный комплект обеспечивает ближнее резервирование защит, основной комплект - дальнее резервирование.

Недостатки такого набора защит:

а) Не совсем полноценное ближнее резервирование, так как основной и резервный комплекты защит:

Имеют общие устройства (например, устройство блокировки ДЗ при качаниях), отказ которых может привести к одновременному отказу и основного и резервного комплекта.
- выполнены на одном принципе, что означает возможность одновременного отказа их обоих по одной и той же причине. - находятся в одном шкафу, что означает возможность их одновременного повреждения.

б) Отключение КЗ в конце защищаемой ВЛ с временем вторых или третьих ступеней.

В брошюре изложены принципы действия защит линий 110-220 кВ с высокочастотными каналами:дифференциально-фазной защиты типа ДФЗ 201 и высокочастотной блокировки дистанционной и токовой направленной защиты нулевой последовательности на панели ЭПЗ 1643-69. Приведены описания схем релейных и высокочастотных частей указанных защит.

Рассмотрены техническое обслуживание, высокочастотные измерения, проверка ВЧ каналов и эксплуатация этих защит. ...

1. Дифференциально-фазная высокочастотная защита ДФЗ-201

2. Высокочастотная блокировка дистанционной защиты и токовой направленной защиты нулевой последовательности типа ЭПЗ-1643-69

3. Высокочастотные каналы релейной защиты

4. Проверка релейной части ДФЗ-201 при новом включении

5. Проверка релейной части ВЧ блокировки дистанционной защиты и токовой направленной защиты нулевой последовательности типа ЭПЗ-1643-69 при новом включении

6. Проверка ВЧА типа упз-70 при новом включении

7. Проверка элементов ВЧ тракта при новом включении

8. Проверка ВЧ каналов при новом включении

9. Обслуживание ВЧ защит

ПРЕДИСЛОВИЕ

Высокочастотные (ВЧ) защиты получили широкое распространение на линиях 110-220 кВ и более высоких напряжений. В числе разновидностей эксплуатируемых защит значительное место занимают защиты, снятые с производства (дифференциально-фазные типов ДФЗ-2, ДФЗ-402, ДФЗ-501 и высокочастотные блокировки типа ПВБ). Панели ДФЗ-2 и ВЧ блокировки предназначены для работы с высокочастотным аппаратом (ВЧА) типа ПВЗК , а панели ДФЗ-402 и ДФЗ-501 - с ВЧА типа ПВЗД .

В настоящее время выпускаются дифференциально-фазные защиты типов ДФЗ-201, ДФЗ-504, ДФЗ-503 и ВЧ блокировки дистанционных и токовых направленных нулевой последовательности защит . Эти защиты предназначены для совместной работы с ВЧА типа УПЗ-70, которые по сравнению с ПВЗК и ПВЗД обладают расширенным диапазоном рабочих частот, уменьшенным остаточным напряжением на выходе передатчика, усовершенствованной схемой управления, меньшими габаритами и массой, имеют блочную конструкцию. В них применен печатный монтаж, на выходе передатчика использован линейный фильтр.

Совсем недавно промышленностью начат выпуск нового приемопередатчика типа АВЗК-80, выполненного на полупроводниковых элементах. Этот ВЧ аппарат может быть использован со всеми релейными схемами ВЧ защит, выпускаемых в данное время.

Надежное функционирование высокочастотных защит обеспечивает устойчивую работу электроприемников потребителей. Поэтому в комплексе мероприятий по повышению надежности снабжения потребителей электроэнергией особое место занимает качество наладки и эксплуатации устройств релейной защиты и электроавтоматики и, прежде всего, основных ВЧ защит линий.

Наиболее качественно и в то же время с меньшими трудозатратами наладочные работы можно выполнить при условии, что весь объем работ по вводу в эксплуатацию комплектов ВЧ защит производится одной комплексной бригадой. Более широкому внедрению такой организации наладочных работ в значительной степени может способствовать публикация книги, в которой излагаются вопросы наладки как релейных, так и высокочастотных частей ВЧ защит.

В соответствии с требованиями ПУЭ объем устройств релейной защиты ЛЭП определяется уровнем номинального напряжения.

Линии 110 кВ и выше выполняются с заземленной нейтралью. Для линии 110-500 кВ должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных и от однофазных замыканий на землю.

Для защиты от многофазных замыканий устанавливают дистанционную защиту, а в качестве резервной устанавливают ТО.

Защита от ОЗЗ выполняется с использованием трансформатора тока нулевой последовательности и действует от емкостного тока на сигнал.

Блок БМРЗ-КЛ

Назначение блока БМРЗ-КЛ.

Цифровой блок релейной защиты БМРЗ-КЛ предназначен для выполнения функций релейной защиты, автоматики, управления, измерения и сигнализации кабельных и воздушных линий электропередачи, распределительных подстанций и электростанций, защиты электрических двигателей. Реализована функция определения места повреждения (ОМП) - вычисление расстояния в километрах до места двухфазного или трефазного КЗ на линиях электропередачи. Наличие ответвлений на многоконцевой линии приводит к увеличению погрешности ОМП. Для вычисления расстояния до места КЗ используются следующие параметры:

· удельное реактивное сопротивление линии (Ом/км), которое задается потребителем в виде уставки при настройке БМРЗ-КЛ;

· значения тока и напряжения петли КЗ, полученные по осциллограммам аварийного процесса.

Ток и напряжение в петле КЗ фиксируется на участке осциллограммы с установившимися электрическими величинами. Если в процессе аварии двухфазное КЗ переходит в трехфазное вычисляются усредненные расстояния до точки КЗ. При этом снижение достоверности результата ОМП отражается на дисплее БМРЗ-КЛ в виде сообщения "Результат нестабильный". Точность вычисления расстояния до места КЗ пропорциональна погрешностям измерительных трансформаторов тока и напряжения и точности задания параметров защищаемой линии. Результат ОМП не зависит от переходного сопротивления в месте КЗ. Значительно большее влияние на ОМП оказывает неточности при определении параметров линии. При невозможности ОМП, например, при срабатывании защит без выдержки времени расстояние до места повреждения не отображается.

В блоке БМРЗ-КЛ предусмотрено свободное назначение резервных дискретных входов и выходов. В блоке реализованы два варианта защиты от ОЗЗ:

· направленная защита с контролем направления мощности нулевой последовательности (аналог ЗЗП - 1М и ЗНЗ);

· регистрация действующего значения суммы высших гармоник в токе 3 Iо (аналог УСЗ-3М).

Второй способ эффективен в сетях с компенсированной нейтралью и может использоваться для автоматического или ручного отключения поврежденного фидера, резко сокращая время поиска неисправности. При объединении блоков БМРЗ-КЛ в АСУ информация о значениях высших гармоник 3Iо во всех фидерах секции КРУ появляется на компьютере релейщика или диспетчера подстанции через 1-2 с после возникновения ОЗЗ.

Блок БМРЗ-КЛ выпускается в четырех исполнениях, отличающихся по каналу связи и по напряжению оперативного тока.

Функции блока БМРЗ-КЛ.

· Направленная трехступенчатая максимальная токовая защита (МТЗ) с комбинированным пуском по напряжению. Для любой ступени настройки выбираются индивидуально.

· Направленная защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) с пуском по току и напряжению нулевой последовательности. Регистрация высших гармоник тока 3Iо.

· Защита минимального напряжения (ЗМН) с контролем двух линейных напряжений и напряжения обратной последовательности, с возможностью блокировки при пуске первой и второй ступени МТЗ.

· Защита от не симметрии и от обрыва фазы питающего фидера (ЗОФ)с контролем тока обратной последовательности, а также по I 2 /I 1 .

· Резервирование при отказе выключателя.

· Автоматическое повторное включение.

· Выполнение команд автоматической частотной разгрузки и автоматического повторного включения по частоте.

· Автоматическое осциллографирование процессов аварий. (63 осциллограммы)

· Память аварийных событий.

· Подсчёт импульсов от счётчиков активной и реактивной электроэнергии (технический учёт).

· Измерение параметров сети.

· Самодиагностика.

· Две программы уставок.

Дистанционная защита БМРЗ- ЛТ

Трёхступенчатая дистанционная защита (ДЗ) с четырёхугольной зоной срабатывания для всех трёх ступеней (или четырёхугольной зоной срабатывания для первых двух ступеней и треугольной для третьей) предназначена для защиты ВЛ (блока ВЛ - трансформатор) от междуфазных КЗ без замыканий на землю и выполнена с тремя реле сопротивления в каждой ступени, включенными на контуры АВ, ВС, СА.

Четырёхступенчатая токовая защита нулевой последовательности с независимыми выдержками времени предназначена для действия при однофазных и двухфазных КЗ на землю. Первые три ступени могут быть выполнены с отстройкой от броска тока намагничивания силового трансформатора. Любая ступень может быть сконфигурирована пользователем при помощи программных ключей:

Ненаправленной;

Направленной, с контролем разрешающим реле направления мощности нулевой последовательности;

Направленной, с контролем блокирующим реле направления мощности нулевой последовательности;

Максимальная токовая защита

Трёхступенчатая токовая защита может быть сконфигурирована пользователем при помощи программных ключей:- ненаправленной;- направленной с разрешением или блокированием по сигналам реле направления мощности;- с комбинированным пуском по (U и U2) напряжению; Ступень токовой защиты с пуском по фантомному напряжению схеме предназначена для дальнего резервирования при КЗ на стороне низкого напряжения за трансформаторами и контроля успешного самозапуска оставшейся нагрузки после отключения КЗ защитой за трансформатором.

Защита от обрыва фазы

Защита от несимметрии и от обрыва фазы может быть сконфигурирована пользователем при помощи программных ключей:

Ненаправленной;

С контролем направления мощности обратной последовательности;

С контролем направления мощности нулевой последовательности.

Резервирование при отказе выключателя (УРОВ)

Сигнал "УРОВ" выдается через заданное время после выдачи сигнала на отключение выключателя при сохранении тока через отключаемое защитой присоединение. Алгоритм УРОВ выполнен с контролем положения выключателя. Уставки по времени: от 0,10 до 1,00 с, шаг 0,01 с.

Автоматическое повторное включение (АПВ)

Блок обеспечивает двукратное АПВ. Первый и второй циклы АПВ могут быть выведены из действия независимо друг от друга программными ключами. АПВ может блокироваться при срабатывании отсечки и наличии напряжения 3Uo (земля в сети).

Защита от многофазных замыканий

В качестве основной защиты используем ТО

Ток срабатывания защиты

Ток срабатывания реле

Коэффициент чувствительности

Следовательно, защита не удовлетворяет условиям чувствительности

Согласно ПУЭ на одиночных линиях с односторонним питанием от многофазных замыканий следует устанавливать ступенчатые токовые защиты. Если такие защиты не удовлетворяют требованиям чувствительности или быстроты отключения, должна быть предусмотрена ступенчатая дистанционная защита. В последнем случае в качестве дополнительной защиты рекомендуется использовать токовую отсечку без выдержки времени.

Дистанционная защита

I Ступень

Находим сопротивление срабатывания I ступени защиты

Сопротивление линии (90%)

Сопротивление трансформатора

Сопротивление срабатывания реле

II Cтупень

Сопротивление линии (10%)

Сопротивления двигателей:

где - сверхпереходное сопротивление, 0.2.

Время срабатывания защиты

III Cтупень

Сопротивление срабатывания защиты

Сопротивление срабатывания реле по формуле (3.7)

Коэффициент чувствительности защиты как основной

Защита от замыканий на землю

Выполняется с помощью ТТНП

Находим ёмкостной ток ВЛ

Удельный ёмкостной ток провода АС 70- 0,045А/км

Ток срабатывания защиты от замыкания на землю

Ток замыкания на землю для ВЛ

Проверяем чувствительность

Следовательно, защита удовлетворяет условиям чувствительности

Выбор источника оперативного тока

В качестве источника оперативного тока используем аккумуляторные батареи, т.е. используем источники постоянного оперативного тока. Основным преимуществом которой является независимость от режима работы и состояния первичной сети. Поэтому постоянный оперативный ток обладает большей надежностью во время нарушения нормальной работы сети.

Сети напряжением 110 -220кВ работают в режиме с эффективно или глухозаземленной нейтралью. Поэтому замыкание на землю в таких сетях является коротким замыканием с током, иногда превышающим ток трехфазного КЗ, и подлежит отключению с минимально возможной выдержкой времени.

Воздушные и смешанные (кабельно-воздушные) линии оснащаются устройствами АПВ. В ряде случаев, если применяемый выключатель выполнен с пофазным управлением, применяется пофазное отключение и АПВ. Это позволяет отключить и включить поврежденную фазу без отключения нагрузки. Так как в таких сетях нейтраль питающего трансформатора заземлена, нагрузка практически не ощущает кратковременной работы в неполнофазном режиме.

На чисто кабельных линиях АПВ, как правило, не применяется.

Линии высокого напряжения работают с большими токами нагрузки, что требует применения защит со специальными характеристиками. На транзитных линиях, которые могут перегружаться, как правило, применяются дистанционные защиты, позволяющие эффективно отстроится от токов нагрузки. На тупиковых линиях во многих случаях можно обойтись токовыми защитами. Как правило, не допускается, чтобы защиты срабатывали при перегрузках. Защита от перегрузки, при необходимости, выполняется на специальных устройствах.

Согласно ПУЭ, устройства предотвращения перегрузки должны применяться в случаях, если допустимая для оборудования длительность протекания тока составляет менее 1020 мин. Защита от перегрузки должна действовать на разгрузку оборудования, разрыв транзита, отключение нагрузки, и только в последнюю очередь на отключение перегрузившегося оборудования.

Линии высокого напряжения, как правило, имеют значительную длину, что усложняет поиск места повреждения. Поэтому, линии должны оснащаться устройствами, определяющими расстояние до места повреждения. Согласно директивным материалам СНГ, средствами ОМП должны оснащаться линии длиной 20 км и более.

Задержка в отключении короткого замыкания может привести к нарушению устойчивости параллельной работы электростанций, из-за длительной посадки напряжения может остановиться оборудование и нарушиться технологический процесс производства, могут произойти дополнительные повреждения линии, на которой возникло короткое замыкание. Поэтому, на таких линиях очень часто применяются защиты, которые отключают короткие замыкания в любой точке без выдержки времени. Это могут быть дифференциальные защиты, установленные по концам линии и связанные высокочастотным, проводниковым или оптическим каналом. Это могут быть обычные защиты, ускоряемые при получении разрешающего, или снятии блокирующего сигнала с противоположной стороны.

Токовые и дистанционные защиты, как правило, выполняются ступенчатыми. Количество ступеней не менее 3, в ряде случаев бывает необходимо 4, или даже 5 ступеней.

Во многих случаях, все требуемые защиты можно выполнить на базе одного устройства. Однако выход со строя этого одного устройства оставляет оборудование без защиты, что недопустимо. Поэтому защиты линий высокого напряжения целесообразно выполнять из 2 комплектов. Второй комплект является резервным и может быть упрощен по сравнению с основным: не иметь АПВ, ОМП, иметь меньшее количество ступеней и т.д. Второй комплект должен питаться от другого автомата оперативного тока и комплекта трансформаторов тока. По возможности, питаться от другой аккумуляторной батареи и трансформатора напряжения, действовать на отдельный соленоид отключения выключателя.

Устройства защиты высоковольтных линий должны учитывать возможность отказа выключателя и иметь УРОВ, либо встроенное в само устройство, либо организованное отдельно.

Для анализа аварии и работы релейной защиты и автоматики требуется регистрация как аналоговых величин, так и дискретных сигналов при аварийных событиях.

Таким образом, для высоковольтных линий комплекты защиты и автоматики должны выполнять следующие функции:

Защиту от междуфазных коротких замыканий и коротких замыканий на землю.

Пофазное или трехфазное АПВ.

Защиту от перегрузки.

УРОВ.

Определение места повреждения.

Осциллографирование токов и напряжений, а также регистрация дискретных сигналов защиты и автоматики.

Устройства защиты должны резервироваться или дублироваться.

Для линий, имеющих выключатели с пофазным управлением, необходимо иметь защиту от неполнофазного режима, действующую на отключение своего и смежных выключателей, так как длительный неполнофазный режим в сетях СНГ не допускается.

7.2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

Как указывалось в гл. 1, в сетях с заземленной нейтралью необходимо учитывать дополнительно два вида короткого замыкания: однофазного и двухфазного замыкания на землю.

Расчеты токов и напряжений при коротких замыканиях на землю ведутся методом симметричных составляющих см. гл. 1. Это важно, в том числе, и потому, что защиты используют симметричные составляющие, которые в симметричных режимах отсутствуют. Использование токов обратной и нулевой последовательности позволяет не отстраивать защиту от тока нагрузки, и иметь уставку по току меньшую тока нагрузки. Например, для защиты от замыканий на землю, главным образом используется токовая защита нулевой последовательности, включаемая в нулевой провод соединенных в звезду трех трансформаторов тока.

При использовании метода симметричных составляющих, схема замещения для каждой из них составляется отдельно, затем они соединяются вместе по месту КЗ. Например, составим схему замещения для схемы рис 7.1.

X1 сист. =15 Ом
X0 сист. =25 Ом	Л1 25км АС-120	Л2 35 км АС-95

Т1 – 10000/110

UK = 10,5 Т2 – 16000/110 UK = 10,5

Рис. 7.1 Пример сети для составления схемы замещения в симметричных составляющих

При расчете параметров линии 110 кВ и выше для схемы замещения, обычно пренебрегают активным сопротивлением линии. Индуктивное сопротивление прямой последовательности (Х 1 ) линии по справочным данным равно: АС-95 – 0,429 Ом на км, АС-120 – 0,423 ом на км. Сопротивление нулевой последовательности для линии со стальными торсами тро-

сами равно 3 Х 1 т.е. соответственно 0,429 3 =1,287 и 0,423 3=1,269.

Определим параметры линии:

	Л 1 = 25 0, 423 = 10, 6 Ом;		Л 1 = 25 1, 269 = 31, 7 Ом
	Л 2 = 35 0, 423 = 15, 02 Ом;		Л 2 = 35 1, 269 = 45, 05 Ом

Определим параметры трансформатора:

Т1 10000кВА.

X 1 T 1 = 0, 105 1152 10 = 138 Ом;

X 1 T 2 = 0, 105 1152 16 = 86, 8 Ом; X 0 T 2 = 86, 8 Ом

Сопротивление обратной последовательности в схеме замещения равно сопротивлению прямой последовательности.

Сопротивление нулевой последовательности трансформаторов обычно принимается равным сопротивлению прямой последовательности. Х 1 Т = Х 0 Т . Трансформатор Т1 не входит в схему замещения нулевой последовательности, так как его нейтраль разземлена.

Составляем схему замещения.

X1C =X2C =15 Ом

X1Л1 =X2Л1 =10,6 Ом

X1Л2 =X2Л1 =15,1 Ом

X0C =25 Ом

X0Л1 =31,7 Ом

X0Л2 =45,05 Ом

X1Т1 =138 Ом

X1Т2 =86,8 Ом

X0Т2 =86,8 Ом

Расчет трехфазных и двухфазных КЗ производится обычным путем, см. таблицу 7.1. Таблица 7.1

	сопротивление до мес-			КЗ трехфазный			КЗ двухфазный
	та КЗ X 1 ∑ = ∑ X 1			= (115 3) X 1			0, 87 I
	15+10,6 = 25,6 Ом
	25,6+15,1 =40,7 Ом
	25,6+ 138=163,6 Ом
	40,7+86.8 =127,5 Ом

Для расчета токов замыкания на землю необходимо использовать метод симметричных составляющих.Согласно этому методу, эквивалентные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности вычисляются относительно точки КЗ и включаются последовательно в схеме замещения для однофазных КЗ на землю рис.7.2, а и последовательно/параллельно для двухфазных на землю рис.7.2, б .

X 1Э

X 2Э

X 0Э

X 1Э

X 2Э

X 0Э I 0

I 0б

Рис. 7.2. Схема включения эквивалентных сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательности для расчета токов короткого замыкания на землю:

а) – однофазного; б) – двухфазного; в) – распределение токов нулевой последовательности между двумя точками заземления нейтрали.

Выполним расчет КЗ на землю см. таблицы 7.2, 7.3.

Схема прямой и обратной последовательности состоит из одной ветви: от источника питания до места короткого замыкания. В схеме нулевой последовательности 2 ветви от заземленных нейтралей, которые являются источниками тока КЗ и должны в схеме замещения соединяться параллельно. Сопротивление параллельно соединенных ветвей определяется по формуле:

X 3 = (X a X б ) (X а + X б )

Токораспределение по параллельным ветвям определяется по формулам:

I a = I Э X Э X а ; I в = I Э X Э

Таблица 7.2 Токи однофазного КЗ

Х1 Э

Х2 Э

Х0 Э = Х0 а //Х0 б *

ХЭ

Iкз1

Iкз2

Iкз0

Iкз0 а *

Iкз0 б

I КЗ

I1 +I2 +I0

* Примечание . Определяется сопротивление параллельно соединенных двух участков схемы нулевой последовательности по формуле 7.1.

** Примечание . Распределяется ток между двумя участками нулевой последовательности по формуле 7.2.

Таблица 7.3 Токи двухфазного КЗ на землю

	Х1 Э	Х2 Э	Х0 Э *	Х0-2 Э ** =	ХЭ	I КЗ1	I КЗ 2 ***	I КЗ0	I КЗ 0 а ****	I КЗ0 б	IКЗ *****≈
				Х0 Э //Х2							I1 +½ (I2 +I0 )

*Примечание. Определяется сопротивление параллельно соединенных двух участков схемы нулевой последовательности по формуле 7.1, расчет выполнен в таблице 7.2.

**Примечание. Определяется сопротивление параллельно соединенных двух сопротивлений обратной и нулевой последовательности по формуле 7.1.

***Примечание. Распределяется ток между двумя сопротивлениями обратной и нулевой последовательности по формуле 7.2.

****Примечание. Распределяется ток между двумя участками нулевой последовательности по формуле 7.2.

*****Примечание. Ток двухфазного КЗ на землю указан по приближенной формуле, точное значение определяется геометрическим путем см. ниже.

Определение фазных токов после расчета симметричных составляющих

При однофазном КЗ весь ток КЗ протекает в поврежденной фазе, в остальных фазах ток не протекает. Токи всех последовательностей равны между собой.

Для соблюдения таких условий симметричные составляющие располагаются следующим образом (рис.7.3):

Ia 1

Ia 2

I a 0 I b 0 I c 0

Ia 0

Ia 2

Ib 1

Ic 2

Ia 1

Ic 1

Ib 2

Токи прямой

Токи обратной

Токи нулевой

Ic 1

Ib 1

Ic 0

Ib 0

последоват.

последоват.

последоват.

Ic 2

Ib 2

Рис.7.3. Векторные диаграммы для симметричных составляющих при однофазном КЗ

При однофазном КЗ токи I1 = I2 = I0 . В поврежденной фазе они равны по величине и совпадают по фазе. В неповрежденных фазах равные токи всех последовательностей образуют равносторонний треугольник и результирующая сумма всех токов равна 0.

При двухфазном коротком замыкании на землю ток в одной неповрежденной фазе равен нулю. Ток прямой последовательности равен сумме токов нулевой и обратной последовательности с обратным знаком. Исходя из таких положений, строим токи симметричных составляющих (рис. 7.4):

Ia 1

Ia 1

Ia 2

Iс 2

Ib 2

Ia 0

I a 0 I b 0 I c 0

Iс 2

Ib 2

Iс 1

Ib 1

Ia 2

Ic 0

Iс 1

Ib 1

Ib 0

Рис. 7.4 Векторные диаграммы симметричных составляющих токов двухфазного КЗ на землю

Из построенной диаграммы видно, что фазные токи при замыканиях на землю построить довольно сложно, так как угол фазного тока отличается от угла симметричных составляющих. Его следует строить графически или использовать ортогональные проекции. Однако с достаточной для практики точностью величину тока можно определить по упрощенной формуле:

I ф = I 1 + 1 2 (I 2 + I 0 ) = 1,5 I 1

Токи в таблице 7.3 подсчитаны по этой формуле.

Если сравнить токи двухфазного КЗ на землю по таблице 7.3 с током двухфазного и трехфазного КЗ по таблице 7.1, можно сделать вывод, что токи двухфазного КЗ несколько ниже тока двухфазного КЗ на землю, поэтому чувствительность защиты следует определять по току двухфазного КЗ. Токи трехфазного КЗ соответственно выше тока двухфазного КЗ на

землю, поэтому определение максимального тока КЗ для отстройки защиты производится по трехфазному КЗ. Это значит, что для расчетов защиты не нужен ток двухфазного КЗ на землю, и его считать незачем. Ситуация несколько изменяется при расчете токов короткого замыкания на шинах мощных электростанций, где сопротивление обратной и нулевой последовательности меньше сопротивления прямой. Но к распредсетям это не имеет отношения, а для электростанций токи считаются на ЭВМ по специальной программе.

7.3 ПРИМЕРЫ ВЫБОРА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ТУПИКОВЫХ ВЛ 110-220 КВ

Схема 7.1. Тупиковая воздушная линия 110–220 кВ. Со стороны ПС1 и ПС2 питание отсутствует. Т1 ПС1 включен через отделитель и короткозамыкатель. Т1 ПС2 включен через выключатель. Нейтраль стороны ВН Т1 ПС2 заземлена, на ПС1 – изолирована. Минимальные требования к защите:

Вариант 1 . Должна быть применена трехступенчатая защита от междуфазных коротких замыканий (первая ступень, без выдержки времени, отстроена от КЗ на шинах ВН ПС2, вторая, с малой выдержкой времени, от КЗ на шинах НН ПС1 и ПС2, третья ступень – максимальная защита). Защиты от замыканий на землю – 2 ступени (первая ступень, без выдержки времени отстроена от тока, посылаемого на шины заземленным трансформатором ПС2, вторая ступень с выдержкой времени, обеспечивающей ее согласование с защитами внешней сети, но не отстроенная от тока КЗ, посылаемого трансформатором ПС2). Должно быть применено двух или однократное АПВ. Чувствительные ступени должны ускоряться при АПВ. Защиты пускают УРОВ питающей подстанции. К дополнительным требованиям можно отнести защиту от обрыва фаз, определение места повреждения на ВЛ, контроль ресурса выключателя.

Вариант 2 . В отличие от первого защита от замыканий на землю выполнена направленной, что позволяет не отстраивать ее от обратного тока КЗ и, таким образом, выполнить более чувствительную защиту без выдержки времени. Таким образом, удается защитить всю линию без выдержки времени.

Примечание . В этом и последующих примерах не даются точные рекомендации по выбору уставок защиты, упоминания о настройке защит используются для обоснования выбора типов защиты. В реальных условиях может быть применена другая настройка защит, что и требуется определить при конкретном проектировании. Защиты могут быть заменены устройствами защиты других типов, имеющих подходящие характеристики.

Набор защит, как уже было сказано, должен состоять из 2 комплектов. Защита может быть реализована на 2х устройствах выбранных из:

MiCOM Р121, Р122, Р123, P126, Р127 фирмы ALSTOM,

F 60, F650 фирмы GE

двух реле REF 543 фирмы АВВ – подбирается 2-е подходящие модификации,

7SJ 511, 512, 531, 551 SIEMENS– подбирается 2-е подходящие модификации,

двух реле SEL 551 фирмы SEL.

Схема 7.2. Разомкнутый транзит на подстанции 3.

Двухцепная воздушная линия заходит на подстанцию 2, секции которой работают параллельно. Предусматривается возможность переноса разреза на ПС2 в ремонтном режиме.

В этом случае включается секционный выключатель на ПС3. Транзит замыкается только на время переключения и, при выборе защит, его замыкание не учитывается. На 1 секции ПС3 включен трансформатор с заземленной нейтралью. Источника тока для однофазного КЗ на подстанциях 2 и 3 нет. Поэтому защита на стороне без питания работает только в «каскаде», после отключения линии со стороны питания. Несмотря на отсутствие питания с противоположной стороны защита должна быть выполнена направленной как при замыканиях на землю, так и при междуфазных коротких замыканиях. Это позволяет на приемной стороне правильно определить поврежденную линию.

В общем случае для того, чтобы обеспечить селективную защиту с небольшими выдержками времени, особенно на коротких линиях, необходимо применить четырехступенчатую защиту, уставки которой выбираются следующим образом: 1 ступень отстраивается от КЗ

в конце линии, 2 ступень согласовывается с первой ступенью параллельной линии в каскаде и первой ступенью смежной линии, 3 ступень согласовывается со вторыми ступенями этих ВЛ. При согласовании защит со смежной линией учитывается режим одна с двумя: на первом участке - 1 ВЛ, на втором участке – 2, что существенно загрубляет защиту. Эти три ступени защищают линию, а последняя, 4 ступень резервирует смежный участок. При согласовании защит по времени учитывается время действия УРОВ, что увеличивает выдержки времени согласуемых защит на время действия УРОВ. При выборе уставок защиты по току, они должны быть отстроены от суммарной нагрузки двух линий, так как одна из параллельных ВЛ может отключиться в любой момент, и вся нагрузка будет подключена к одной ВЛ.

В составе устройств защиты оба комплекта защит должны быть направленными. Можно применить следующие варианты защит:

MiCOM, Р127 и Р142 фирмы ALSTOM,

F60 и F650 фирмы GE,

два реле REF 543 фирмы АВВ – подбирается направленные модификации,

реле 7SJ512 и 7SJ 531 фирмы SIEMENS,

два реле SEL 351 фирмы SEL.

В ряде случаев, из соображений обеспечения чувствительности, отстройки от токов нагрузки или обеспечения селективной работы, может потребоваться применение дистанци-

Z = L Z

онной защиты. Для этой цели одна из защит заменяется на дистанционную. Может быть применена дистанционная защита:

MiCOM P433, Р439, P441 фирмы ALSTOM,

D30 фирмы GE,

REL 511 фирмы АВВ – подбирается направленные модификации,

реле 7SA 511 или 7SА 513 фирмы SIEMENS,

реле SEL 311 фирмы SEL.

7.4. ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ

Назначение и принцип действия

Дистанционные защиты - это сложные направленные или ненаправленные защиты с относительной селективностью, выполненные с использованием минимальных реле сопротивления, реагирующих на сопротивление линии до места КЗ, которое пропорционально расстоянию, т.е. дистанции. Отсюда и происходит название дистанционной защиты (ДЗ). Дистанционные защиты реагируют на междуфазные КЗ (кроме микропроцессорных ДЗ). Для правильной работы дистанционной защиты необходимо наличие цепей тока от ТТ присоединения и цепей напряжения от ТН. При отсутствии или неисправности цепей напряжения возможна излишняя работа ДЗ при КЗ на смежных участках.

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные МТЗ (НТЗ) не могут обеспечить селективного отключения КЗ. Так, например, при КЗ на W 2 (рис. 7.5) НТЗ 3 должна подействовать быстрее РЗ I, а при КЗ на W 1 , наоборот, НТЗ 1 должна подействовать быстрее РЗ 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены с помощью НТЗ. Кроме того, МТЗ и НТЗ часто не удовлетворяют требованиям быстродействия и чувствительности. Селективное отключение КЗ в сложных кольцевых сетях может быть обеспечено с помощью дистанционной РЗ (ДЗ).

Выдержка времени ДЗ t 3 зависит от расстояния (дистанции) t 3 = f (L PK ) (рис. 7.5) между

местом установки РЗ (точка Р) и точкой КЗ (К), т. е. L PK , и нарастает с увеличением это-

го расстояния. Ближайшая к месту повреждения ДЗ имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные ДЗ.

Например, при КЗ в точке К1 (рис. 7.6) Д32, расположенная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдержкой времени, чем более удаленная Д31. Если же КЗ возникает и в точке К2, то время действия Д32 увеличивается, и КЗ селективно отключается ближайшей к месту повреждения ДЗЗ.

Основным элементом ДЗ является дистанционный измерительный орган (ДО), определяющий удаленность КЗ от места установки РЗ. В качестве ДО используются реле сопротивления (PC), реагирующие на полное, реактивное или активное сопротивление поврежденного участка ЛЭП (Z , X , R ).

Сопротивление фазы ЛЭП от места установки реле Р до места КЗ (точки К) пропорционально длине этого участка, так как величина сопротивления до места КЗ равна длине

участка умноженному на удельное сопротивление линии: уд . .

Таким образом, поведение дистанционного органа, реагирующего на сопротивление линии, зависит от расстояния до места повреждения. В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует ДО (Z , X или R ), ДЗ подразделяются на РЗ полного, реактивного и активного сопротивлений. Реле сопротивления, применяемые в ДЗ для определения со-

противления Z PK до точки КЗ, контролируют напряжение и ток в месте установки ДЗ (рис. 7.7.).

∆ – дистанционная защита

К зажимам PC подводятся вторичные значения U P и I P от ТН и ТТ. Реле выполняется так, чтобы его поведение в общем случае зависело от отношения U P к I P . Это отношение является некоторым сопротивлением Z P . При КЗ Z P = Z PK , и при определенных значениях Z PK , PC срабатывает; оно реагирует на уменьшение Z P , поскольку при КЗ U P умень-

шается, а I P возрастает. Наибольшее значение, при котором PC срабатывает, называется сопротивлением срабатывания реле Z cp .

Z p = U p I p ≤ Z cp

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

			Характеристики зависимости време-
	Рис. 7.7. Подключение цепей тока и на-	ни дистанционных защит t = f (L
	пряжения реле сопротивления
		а – наклонная;б – ступенчатая;в – комбинированная
	Характеристики выдержки времени	дистанционных защит

Зависимость времени действия ДЗ от расстояния или сопротивления до места КЗ t 3 = f (L PK ) или t 3 = f (Z PK ) называется характеристикой выдержки времени ДЗ. По ха-

рактеру этой зависимости ДЗ делятся на три группы: с нарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенчатыми и комбинированными характеристиками

(рис. 7.8). Ступенчатые ДЗ действуют быстрее, чем ДЗ с наклонной и комбинированной характеристиками и, как правило, получаются проще в конструктивном исполнении. ДЗ со ступенчатой характеристикой производства ЧЭАЗ выполнялись обычно с тремя ступенями времени, соответствующими трем зонам действия ДЗ (рис. 7.8, б ). Современные микропроцессорные защиты имеют 4, 5 или 6 ступеней защиты. Реле с наклонной характеристикой разрабатывались специально для распределительных сетей (например ДЗ-10).

Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью устройств дистанционной защиты

На ЛЭП с двухсторонним питанием ДЗ устанавливаются с обеих сторон каждой ЛЭП и должны действовать при направлении мощности от шин в ЛЭП. Дистанционные РЗ, действующие при одном направлении мощности, необходимо согласовать между собой по времени и по зоне действия так, чтобы обеспечивалось селективное отключение КЗ. В рассматриваемой схеме (рис. 7.9.) согласуются между собой Д31, ДЗЗ, Д35 и Д36, Д34, Д32.

С учетом того, что первые ступени ДЗ не имеют выдержки времени (t I = 0 ), по условию селективности они не должны действовать за пределами защищаемой ЛЭП. Исходя из этого протяженность первой ступени, не имеющей выдержки времени (t I = 0 ), берется меньше протяженности защищаемой ЛЭП и обычно составляет 0,8–0,9 длины ЛЭП. Остальная часть защищаемой ЛЭП и шины противоположной подстанции охватываются второй ступенью ДЗ этой ЛЭП. Протяженность и выдержка времени второй ступени согласуются (обычно) с протяженностью и выдержкой первой ступени ДЗ следующего участка. Например, у второй сту-

Рис.7.9 Согласование выдержек времени дистанционных РЗ со ступенчатой характеристикой:

∆ z – погрешность дистанционного реле; ∆ t – ступень селективности

Последняя третья ступень ДЗ является резервной, ее протяженность выбирается из условия охвата следующего участка, на случай отказа его РЗ или выключателя. Выдержка вре-

мени принимается на ∆ t больше времени действия второй или третьей зоны ДЗ следующего участка. При этом зона действия третьей ступени должна быть отстроена от конца второй или третьей зоны следующего участка.

Структура защиты линии с использованием дистанционной защиты

В отечественных энергосистемах ДЗ применяется для действия при междуфазных КЗ, а для действия при однофазных КЗ используется более простая ступенчатая МТЗ нулевой последовательности (НП). Большинство микропроцессорной аппаратуры имеет дистанционную защиту, действующую при всех видах повреждения, в том числе и при замыканиях на землю. Реле сопротивления (РС) включается через ТН и ТТ на первичные напряжения в

начале защищаемой ЛЭП. Вторичное напряжение на зажимах PC: U p = U pn K II , а вторичныйток: I p = I pn K I .

Сопротивление на входных зажимах реле определяется по выражению.