7.7.4. Диференційно-фазовий високочастотний захист

Принцип дії диференційно-фазового високочастотного захисту (ДФЗ) заснований на порівнянні фаз струмів на початку та в кінці лінії, яка захищається. Вважаємо струми додатними у випадку спрямовання їх від шин у лінію. Тоді під час зовнішнього к.з. (точка К1, рис. 7.63а) струми на кінцях лінії мають різні знаки і відповідно їх можна вважати зсунутими один щодо іншого на кут 180. У випадку к.з. на лінії (точка К2 на рис 7.63б) струми на її кінцях мають однакові знаки і, якщо знехтувати зсувом між векторами та різницею кутів опорів лінії відносно точки к.з., їх можна прийняти такими, що збігаються за фазою.

Рис. 7.63. Принцип дії диференційно-фазового високочастотного захисту

Отже, порівнюючи фази струмів на кінцях лінії, можна зробити висновок про наявність точки к.з. на лінії чи поза нею.

У струмових диференційних захистах порівняння фаз здійснюється шляхом безпосереднього порівняння струмів на початку та в кінці лінії. У диференційно-фазовому високочастотному захисті порівняння фаз здійснюється непрямим шляхом за допомогою струмів високої частоти.

Розглянемо структурну схему ДФЗ.

Рис. 7.64. Структурна схема півкомплекту ДФЗ

Комплект ДФЗ, як і спрямованого захисту з ВЧ блокуванням, складається з двох однакових півкомплектів, розташованих на протилежних кінцях лінії. Структурна схема одного півкомплекту захисту наведена на рис. 7.64.

ДФЗ складається з таких структурних елементів:

– пускового органа, який складається з групи чутливих швидкодійних струмових реле, дистанційних реле, які реагують на к.з. у мережі. Пускові органи запускають ВЧ передавач, готують кола вимкнення захисту. Використовуються два комплекти пускових органів – чутливий, який забезпечує пуск ВЧ передавача, та грубий, який готує кола вимкнення;

– орган маніпуляції, складається з фільтрів прямої та оберненої послідовностей. Маніпуляція відбувається на основі комбінації струмів різних послідовностей – або . Це дозволяє захисту реагувати на всі види к.з. як симетричні, так і несиметричні. Отже, орган маніпуляції перетворює трифазний струм в однофазний за умови дотримання фазових співвідношень і формує на виході однофазну напругу – напругу маніпуляції (керування) ВЧ передавачем;

– високочастотний передавач генерує в лінію ВЧ сигнал. Запускається в роботу вимірними органами, а керується (маніпулюється) органом маніпуляції. Принцип маніпуляції ілюструється рис. 7.65. Генерація ВЧ сигналу здійснюється ВЧ передавачем тільки за наявності додатної півхвилі напруги маніпуляції. Під час від’ємної півхвилі сигналу маніпуляції генерація ВЧ сигналу відсутня.

Рис. 7.65. Принцип маніпуляції ВЧ передавачем

Високочастотний приймач під’єднується до пристрою під’єднання ВЧ апаратури. Він приймає ВЧ сигнали від ВЧ передавача другого півкомплекту, розміщеного на протилежному кінці лінії. Одночасно ВЧ приймач приймає ВЧ сигнали і від свого ВЧ передавача. ВЧ приймач виконаний так, що за наявності на його вході ВЧ сигналу, на його виході сигнал відсутній (рис. 7.66,б). Якщо на вході немає високочастотного сигналу, на виході ВЧ приймача з‘являється постійна напруга (рис. 7.66, а). Якщо на вході ВЧ приймача наявний перервний ВЧ сигнал, то на виході ВЧ приймача у моменти наявності ВЧ сигналу на вході, на виході постійна напруга відсутня, а в моменти відсутності ВЧ сигналу – на виході є постійна напруга. В цьому випадку вона має перервний характер (рис. 7.66 в).

Рис. 7.66. Принцип роботи ВЧ приймача

Орган порівняння фаз порівнює фази струмів початку та кінця лінії. У випадку, коли напруга на виході ВЧ приймача відсутня, на виході органа порівняння фаз сигнал, що дозволяє спрацювання захисту, теж відсутній. Коли на виході ВЧ приймача з‘являється протягом певного часу постійна напруга, орган порівняння фаз дає дозвіл на вимкнення вимикача.

За наявності перервного сигналу на виході ВЧ приймача тривалість сигналу на вході органа порівняння фаз залежить від кута зсуву між струмами протилежних кінців лінії. Тому величина сигналу на вході органа порівняння фаз залежить від кута зсуву фаз між струмами . Ця залежність називається фазовою характеристикою. Вона показана на рис. 7.67. Коли різниця фаз між струмами є недостатньою, пристрій не спрацьовує (на рис. 7.67 ця зона заштрихована). У протилежному випадку, коли напруга на виході ВЧ приймача буде відповідати уставці спрацювання органа порівняння фаз , орган порівняння фаз дозволятиме захисту спрацьовувати.

Рис. 7.67. Фазова характеристика ДФЗ

В ідеальному випадку під час зовнішнього к.з. кут між струмами на кінцях лінії становить 180, а у випадку к.з. на лінії . Насправді, внаслідок похибок трансформаторів струму, появою зсуву фаз між струмами по кінцях лінії внаслідок ємнісних струмів лінії, кутової похибки органа маніпуляції, кут між струмами протилежних кінців лінії спотворюється. У випадку значних спотворень можлива хибна робота захисту. Тому це необхідно враховувати під час відлагодження органа порівняння фаз. Досвід експлуатації показує, значення похибки може становити 40–50. З врахуванням необхідного запасу кут блокування приймається таким, що дорівнює 45–66.

а б

Рис. 7.68. Робота ДФЗ під час к.з. у зоні а) та під час к.з. поза зоною б)

Розглянемо, як працюють два півкомплекти ДФЗ під час к.з. у зоні та поза зоною дії захисту.

Під час к.з. у зоні чи поза зоною будуть спрацьовувати чутливі струмові органи двох півкомплектів та запускати ВЧ передавачі. Органи маніпуляції обох пів комплектів сформують сигнали та відповідно. ВЧ передавачі почнуть генерувати в лінію маніпульований ВЧ сигнал. ВЧ сигнали від обох ВЧ передавачів прийматимуть ВЧ приймачі. Потім, залежно від місця к.з. (в зоні чи поза зоною), ДФЗ працюватиме так:

– к.з. на лінії (рис. 7.68,а). Фази струмів під час цього к.з. збігаються. Високочастотний сигнал у лінії буде мати перервний характер з інтервалом часу, що дорівнює півперіоду струму промислової частоти. Внаслідок прийому перервного ВЧ сигналу на виходах обох ВЧ приймачів з’являється напруга, яка має так само перервний характер. Органи порівняння фаз обох півкомплектів дадуть дозвіл на вимкнення обох вимикачів – пошкоджена лінія буде вимкнена;

– зовнішнє к.з. (рис. 7.68, б). Під час цього к.з. фази струмів по кінцях лінії протилежні. Тому ВЧ сигнали від ВЧ передавачів обох півкомплектів створюватимуть неперервний спектр. ВЧ приймачі обох півкомплектів сприйматимуть цей неперервний спектр і в результаті напруга на виходах обох ВЧ приймачів буде відсутня – органи порівняння фаз двох півкомплектів не будуть давати дозвіл на спрацювання захисту – вимикачі вимикатись не будуть.

На рис. 7.69 показана функційна схема ДФЗ. За функційним призначенням у захисті можна виділити три взаємозв’язані канали:

– пусковий канал I, який призначений для запуску ВЧ передавача у випадку виникнення к.з. у мережі;

– канал вимкнення II, який готує кола вимкнення після виявлення вимірними органами пошкодження в мережі;

– канал порівняння фаз III, який на основі форми ВЧ сигналу в лінії дає дозвіл на вимкнення або блокує роботу захисту.

Рис. 7.69. Функційна схема ДФЗ

Пусковий канал I

У випадку к.з. у мережі спрацьовують чутливі пускові органи, які реагують на струми прямої, оберненої або нульової послідовностей, відповідно . Сигнали від цих пускових органів надходять на логічний елемент “або” DW1 та запускають орган маніпуляції (на схемі не показано). Для відлагодження від короткочасних спрацювань чутливих пускових органів в нормальних режимах, наприклад, комутаціях у мережі, призначений орган витримки часу DT1, на виході якого з’являється сигнал тільки за наявності сигналу на його вході протягом заданого часу. Після цього сигнал надходить на орган DS3, який здійснює продовження тривалості сигналу на його виході на деякий час після зникнення сигналу на його вході (до 600 мс). Сигнал від DS3 надходить на вхід логічного елемента DX1. На виході логічного елемента DX1 з‘явиться сигнал у такому випадку:

– за наявності сигналу від чутливих пускових струмових органів (від DS1);

– за відсутності сигналу заборони ВЧ сигналу від інших пристроїв релейного захисту, пристроїв телевимкнення, ПРВВ – на схемі це реалізовано контактом реле KL1_вх та елементом продовження сигналу DS4;

– за відсутності сигналу на вимкнення вимикача від каналу вимкнення – з виходу логічного елемента DX3.

Логічний елемент DX1 діє на запуск ВЧ передавача ВЧ_пд, який за законом маніпуляції в додатні півхвилі маніпульованого сигналу генерує високочастотний сигнал (рис. 7.65).

Канал вимкнення II

Підготовка сигналу на вимкнення здійснюється за трьома величинами, які надходять на вхід логічного елемента “або” DW4:

– за фактом спрацювання каналу вимкнення за струмом прямої послідовності ;

– за фактом спрацювання каналу вимкнення за струмом нульової послідовності ;

– за фактом спрацювання каналу вимкнення за струмом оберненої послідовності ;

– за фактом спрацювання каналу вимкнення за опором .

Канал вимкнення за опором призначений для підготовки каналу вимкнення під час симетричних к.з. Як відомо, що будь-яке симетричне к.з. починається з короткочасної несиметрії. Тому в перший момент часу спрацьовують два органи та . Від них сигнали надходять на логічний елемент “і” DX5 і від нього на елемент продовження тривалості сигналу DS6. З виходу останнього – на вхід логічного елемента “або” DW4. Хоча після короткочасного спрацювання органа сигнал на його виході зникне, одночасно він зникне на виході елемента DX5, але на виході DS6 сигнал на вимкнення залишиться надалі. Спрацювання двох органів та цього каналу забезпечує селективну роботу каналу – це значить, що к.з. не за “спиною”, а в напрямі лінії, оскільки характеристика дистанційного органу знаходиться в I квадранті. Крім того здійснюється відлагодження від хибного спрацювання захисту за несправності органа або .

Канал вимкнення за струмом оберненої послідовності реагує на стійке несиметричне к.з. В цьому випадку одночасно спрацьовують органи , а також один з органів .або або (останнє визначається логічним елементом “або” DW2). Одночасність спрацювання органа струму оберненої послідовності та спрямованого дистанційного органа контролюється логічним елементом “і” DX2. Як і в попередньому випадку, одночасне спрацювання цих органів забезпечує селективну роботу каналу – місце к.з. знаходиться в напрямі лінії.

Канал вимкнення за струмом нульової послідовності спрацьовує під час к.з. на землю. У цьому випадку спрацьовує орган вимкнення за струмом нульової послідовності .

З виходу логічного елемента “або” DW4 сигнал надходить на елемент затримки часу DT2 для відлагодження від хибного спрацювання під час короткочасних перехідних процесів у мережі (до 8 мс). З елемента DT2 сигнал надходить на елемент продовження тривалості сигналу DS2 (до 30 мс).

Сигнал на вимкнення сформується під час виконання таких умов:

– спрацювання каналу вимкнення – вихід логічного елемента DS2;

– спрацювання пускового каналу – сигнал від логічного елемента “або” DW5;

– відсутність несправності пристрою. У цьому випадку на відповідному інверсному вході логічного елемента “і” DX3, на який подається сигнал від елементів контролю справності пристрою, сигнал відсутній;

– наявність дозволяючого сигналу від каналу порівняння фаз III (сигнал на виході цього каналу буде за наявності в ВЧ спектрі безструмових пауз (рис. 7.68, а).

У випадку виконання всіх цих умов на виході логічного елемента DX3 формується сигнал, який надходить на елемент продовження тривалості сигналу DS8, а з нього – на вимкнення вимикача.

Самопідхоплення команди на вимкнення організоване за допомогою логічного елемента “і” DX4.

За наявності сигналу на вимкнення в пусковий канал I надходить сигнал на pзупинку ВЧ передавача (інверсний вхід DX1)– на протилежному кінці лінії на вході ВЧ приймача будуть безструмові паузи, що покращить умови вимкнення вимикача на протилежному кінці лінії другим півкомплектом захисту.

Наявність відгалужень на лінії, яка захищається, призводить до загрублення пускових органів захисту, що може спричинити зниження чутливості до недопустимого рівня. Тому в схемах ДФЗ використовується реле спрямування потужності оберненої порслідовності . Наявність цього органа дозволяє підвищити чутливість органів, які діють на вимкнення, але блокує канал вимкнення під час зовнішніх к.з. (к.з. “за спиною”).

Канал порівняння фаз III

Цей канал призначений для обробки ВЧ сигналів від свого та “чужого” ВЧ передавачів. За наявності в ВЧ спектрі безструмових пауз та з врахуванням фазної характеристики (рис. 7.67) на виході каналу формується сигнал на дозвіл вимкнення вимикача.

Однією з проблем застосування ДФЗ є вплив ємнісної провідності лінії. Вплив ємнісного струму лінії, особливо для ліній ультрависокої напруги та ліній нижчого класу напруги значної довжини, може бути суттєвим і впливати на роботу ДФЗ.

Під час зовнішнього к.з. (рис. 7.70) між струмами початку та кінця лінії може бути суттєва різниця за рахунок власного ємнісного струму лінії (рис. 7.70, в). Це може спричиняти до неправильну роботу захисту.

а

б

в

Рис. 7.70. Вплив ємнісної провідності лінії на роботу ДФЗ

Так, під час зовнішнього двофазного к.з. струм оберненої послідовності за рахунок ємнісного струму лінії буде більшим від струму оберненої послідовності . Співвідношення між цими струмами може бути таким, що вимикаючі органи півкомплекту А2 подадуть сигнал на вимкнення вимикача Q2. А струм буде недостатнім для спрацювання пускових органів півкомплекту А1 та запуску ВЧ передавача. Тому півкомплект А2, не отримавши блокуючих ВЧ сигналів від півкомплекту А1, подасть сигнал на вимкнення вимикача Q2 – відбудеться неселективна робота захисту.

Крім того, можливий випадок, коли під час к.з. у зоні дії захисту за рахунок кутового зсуву між струмами початку та кінця лінії, зумовленого впливом ємнісної провідності лінії, безструмові паузи на виході ВЧ приймача будуть недостатніми для спрацювання ДФЗ – захист не подасть сигнал на вимкнення пошкодженої лінії.

Тому в органі маніпуляції необхідно застосовувати спеціальну компенсацію впливу ємнісної провідності лінії. В існуючих комплексах, наприклад, ДФЗ-503, ДФЗ-504, для компенсації ємнісної провідності лінії в органі маніпуляції застосовуються напругові кола. Наявність кіл напруги ускладнює захист. У випадку несправностей у колах напруги захист працювати не може і виводиться з роботи. У зв’язку з великою імовірністю появи несправностей у колах напруги, понижується надійність функціонування захисту загалом.

Як показують дослідження, максимальна довжина лінії напругою 500 кВ, коли можна нехтувати впливом провідності лінії, становить 200 км. Тобто для таких випадків не обов’язково застосовувати компенсацію ємнісної провідності в органі маніпуляції. ДФЗ без компенсації ємнісних струмів може працювати лише з струмовими колами.

У разі несправностей у колах напруги реле опору може знаходитись у спрацьованому стані, але захист залишається в роботі. Захист буде працювати під час несиметричних к.з. та під час симетричних к.з. з попередньою несиметрією на протязі часу, достатньому для його спрацювання.

Розрахунок параметрів спрацювання ДФЗ зводиться до визначення уставок спрацювання вимірних та пускових органів захисту.

Струм спрацювання реле струму прямої послідовності , яке діє на пуск ВЧ передавача, визначається з умови відлагодження від максимального струму навантаження, який протікає в місці встановлення півкомплекту захисту

,

7.98

де – коефіцієнт відлагодження, приймається рівним 1,1; – коефіцієнт поверенення, залежить від типу реле, так, для реле РТ-40 приймається рівним 0,8, для мікропроцесорного реле – 0,97; – коефіцієнт трансформації трансформатора струму.

Струм спрацювання реле струму оберненої послідовності , яке діє на пуск ВЧ передавача, вибирається більшим з двох умов:

– відлагодження від максимального струму небалансу в максимальному режимі навантаження

,

7.99

де – коефіцієнт відлагодження, приймається рівним 1,2; – коефіцієнт поверенення, значення якого залежить від типу реле; – коефіцієнт трансформації трансформатора струму; ; ;

– відлагодження від складової оберненої послідовності, зумовленої стрибком ємнісного струму лінії під час короткочасної несиметрії, яка виникає під час увімкнення лінії під напругу:

,

7.100

де – коефіцієнт відлагодження, приймається рівним 1,7–2,0; – коефіцієнт трансформації трансформатора струму; – довжини лінії, км; – питомий ємнісний струм оберененої послідовності, який виникає під час увімкнення лінії під напругу, визначається з табл. 7.1.

Таблиця 7.1

Питомі ємнісні струми оберненої послідовності лінії

Кількість фаз, які вмикаються під напругу	Для лінії 220 кВ	Для лінії 330 кВ
Одна	0,1	0,22
Дві	0,13	0,26

Струм спрацювання реле струму нульової послідовності , яке діє на пуск ВЧ передавача, вибирається більшим з двох умов:

– відлагодження від максимального струму небалансу в максимальному режимі

7.101

де – коефіцієнт відлагодження, приймається рівним 1,2; – коефіцієнт поверенення, значення якого залежить від типу реле; – коефіцієнт трансформації трансформатора струму; ; ;

– відлагодження від складової оберненої послідовності, зумовленої стрибком ємнісного струму лінії під час короткочасної несиметрії, яка виникає під час увімкнення лінії під напругу:

7.102

де – коефіцієнт відлагодження, приймається рівним 1,7–2,0; – коефіцієнт трансформації трансформатора струму; – довжини лінії, км; – питомий ємнісний струм нульової послідовності, який виникає під час увімкнення лінії під напругу, визначається з табл. 7.2.

Таблиця 7.2

Питомі ємнісні струми нульової послідовності лінії

Число фаз, які вмикаються під напругу	Для лінії 220 кВ	Для лінії 330 кВ
Одна	0,3	0,65
Дві	0,27	0,6

Загальна характеристика високочастотних захистів:

1. Це є захисти з абсолютною селективністю. Тому вони можуть діяти з мінімальною можливою витримкою часу у випадку к.з. у будь-якому місці лінії, яка захищається. Це важливо для випадків, коли необхідно зберегти стійкість системи, тобто к.з. в будь-якій точці лінії необхідно вимикати з мінімально можливою витримкою часу.

2. Для організації передачі ВЧ сигналів між півкомплектами захисту використовується та сама лінія електропересилання, для захисту якої передбачений цей захист. Це суттєво знижує сумарні затрати – не потрібно будувати окрему лінію для передачі ВЧ сигналу.

3. Обмін інформації між півкомплектами захисту про фази струмів здійснюється за допомогою ВЧ сигналів, що дозволяє передавати інформацію з мінімальною затримкою в часі (швидкість передачі сигналів дорівнює швидкості світла).

4. Дія захисту заснована на блокувальному принципі. Тому навіть у випадку пошкодження на лінії і зникненні ВЧ сигналу від протилежного півкомплекту, захист буде працювати.

5. ДФЗ не потрібно відлагоджувати від хитань та асинхронного режиму – за своїм принципом виконання захист є нечутливим до таких режимів, тобто захист не має спеціального пристрою блокування під час хитань. Це суттєво спрощує виконання захисту.

6. ДФЗ має перевагу порівняно з спрямованим захистом з ВЧ блокуванням. Основними пусковими органами ДФЗ є струмові органи. Тому ДФЗ може правильно працювати у випадку виникнення несправностей в колах напруги, які, як свідчить досвід експлуатації, є більш ненадійним, ніж струмові кола, елементом. У спрямованих захистах з ВЧ блокуванням основними органами є реле спрямування потужності оберненої послідовності, реле опору, а також пристрій блокування під час хитань. Тому спрямовані захисти з ВЧ блокуванням у разі несправностей у колах напруги за своїм принципом працювати не можуть і виводяться з роботи.

7. Захист з ВЧ блокуванням за принципом своєї роботи має дещо меншу швидкість спрацювання у порівнянні з ДФЗ. Тому його застосовують для захисту системоутворюючих ліній, наприклад, ліній 750 кВ.

8. На роботу захисту суттєво впливає ємнісна провідність лінії, особливо це характерне для ліній ультрависокої напруги та ліній нижчого класу напруги значної довжини. Для компенсації цього впливу в ДФЗ в органах маніпуляції застосовують спеціальні компенсувальні пристрої.

Питання для самоперевірки

1. Принцип роботи диференційних захистів з високочастотними каналами.

2. ВЧ канал захисту та його організація.

3. Принцип роботи спрямованого захисту з ВЧ блокуванням.

4. Призначення основних каналів спрямованого захисту з ВЧ блокуванням.

5. Принцип роботи диференційно- фазового захисту (ДФЗ).

6. Що таке маніпуляція сигналів ВЧ передавачем ДФЗ?

7. Що собою представляє фазова характеристика ДФЗ?

8. Призначення основних каналів ДФЗ.

9. Як працює ДФЗ під час к.з. в зоні захисту?

10. Як працює ДФЗ під час к.з. поза зоною захисту?

11. Загальна характеристика диференційних захистів з високочастотними каналами.

7.8. Захист ліній від однофазних замикань на землю в мережах з ізольованими або компенсованими нейтралями