8.3. Токовые направленные защиты нулевой последовательности

В сетях с заземленными нейтралями, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка, селективное действие МТЗ НП можно обеспечить только при наличии органа направления мощности. Направленные МТЗ НП (НТЗ НП) действуют при КЗ на защищаемой ЛЭП и не работают при повреждениях на всех остальных присоединениях, отходящих от данной подстанции. Такое поведение НТЗ НП обеспечивается с помощью РНМ KW0, реагирующего на знак (направление) мощности НП при КЗ. Выдержки времени на защитах НТЗ НП, действующих при одном направлении мощности, должны выбираться по ступенчатому принципу. Структурная схема направленной защиты НП приведена на рис.8.5, а.

П о этой схеме выполняются защиты как на электромеханических, так и на полупроводниковых реле. Схема состоит из пускового реле КА0, реагирующего на появление КЗ на землю, реле направления мощности KW0, определяющего направление мощности при КЗ, и реле времени КТ. Пусковое реле и цепь тока РНМ включаются на 3I₀ в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды, а на входные зажимы цепи напряжения РНМ подводится напряжение 3U₀ от разомкнутого треугольника ТН. При таком включении реле KW0 реагирует на мощность НП S₀ = U₀I₀. С учетом угла сдвига между векторами U₀^I₀ ≈ 90º и равенств U_р = 3U₀, I_р = 3I₀ используются реле НП, реагирующие на мощность:

(8.6)

где φ_р = φ₀ – угол сдвига фаз между U_р и I_р или U₀ и I₀.

У словия работы РНМ НП можно понять из рассмотрения векторных диаграмм напряжения и тока, питающих реле (U₀ и I₀) при одно- и двухфазных КЗ на землю (рис.8.6 и 8.7). Для упрощения принято, что поврежденная ЛЭП разомкнута. За исходные при построении всех диаграмм взяты векторы ЭДС эквивалентного генератора энергосистемы Е_А, E_B, E_C, которые можно считать неизменяющимися при КЗ.

Однофазное КЗ, например, на фазе А характеризуется следующими условиями, вытекающими на рис.8.6, а: I_А = I_К, I_А отстает от Е_А на 90°; U_AK = 0; U_B = Е_B; U_C = Е_C. Векторы 3I₀ и 3U₀ находятся геометрическим сложением векторов фазных токов и напряжений. В месте КЗ ток 3I_ок = I_А и, следовательно, ,а вектор . При принятых допущениях U_BK + U_CK = – E_A поэтому

(8.7)

Из рис. 8.6, б следует, что I_ок опережает U_ок на 90°.

Векторная диаграмма напряжений и токов в точке Р, удаленной от места однофазного КЗ, отличается от предыдущего случая значениями U_A и U₀: U_AP = jI_окX_P–_K. Напряжения неповрежденных фаз: U_B=E_B и U_C = Е_C (рис.8.6, в).

Векторы U_оP и I_ок аналогично предыдущему случаю находятся геометрически суммированием фазных напряжений и токов. В соответствии с этим , .

П ри двухфазном КЗ на землю векторная диаграмма токов и напряжений в месте повреждения фаз В и С приведена на рис.8.7, б. Этот вид повреждения характеризуется в месте КЗ тремя условиями, очевидными из рис.8.7, a: U_BK = 0; U_CK = 0; I_A= 0; U_A = E_A. В поврежденных фазах проходят токи I_В и I_С, каждый из которых состоит из двух составляющих, показанных на рис.8.7 пунктиром.

Одна составляющая замыкается по контуру поврежденных фаз В и С и обусловливается разностью ЭДС Е_B – Е_C, а вторая проходит по контуру поврежденная фаза–земля под действием Е_B и Е_C соответственно. Результирующие токи I_В и I_С, в отличие от токов при двухфазном КЗ без земли, сдвинуты между собой на угол θ, меньший 180°, (рис.8.7, б):

Диаграмма для точки Р, находящейся на некотором удалении от места повреждения, представлена на рис.8.7, в. Очевидно, что токи в точке Р такие же, как и в точке К. Напряжение неповрежденной фазы также не меняется. Напряжения поврежденных фаз U_BP и U_CP равны падению напряжения от точки К до точки Р.

Напряжение . С учетом того, что U_AP= E_A, находим

Отсюда и из векторной диаграммы следует, что U_oP < U_oK. Ток I₀ опережает U_oK и U_oP на угол φ_ок. Если не учитывать активного сопротивления, то φ_ок = 90°.

Векторные диаграммы на рис.8.6 и 8.7 позволяют сделать выводы:

1) угол сдвига φ_р = φ_o, определяющий знак и значение мощности S_p, на которую реагируют РНМ НП, равен (считая Z = X), согласно рис.8.7, б, в, 90°. При учете активного сопротивления сети φ_o составляет 100-120°. Отсюда следует, что для НТЗ НП необходимо применять РНМ, имеющие максимальный момент в диапазоне значений φ_р = 90 ÷ 120°. К подобным реле относятся электромеханические реле типа РБМ-177 с α = –20° и φ_м.ч = –110° и реле на интегральных микросхемах типа РМ 12-11, РМ 12-18 с φ_м.ч = –100°;

2) ток 3I₀ при однофазном КЗ равен I_K (в режиме одностороннего питания), а при двухфазном КЗ с землей – геометрической сумме токов поврежденных фаз, т.е. току КЗ, проходящему через землю;

3) напряжение 3U₀ имеет наибольшее значение (равное фазному напряжению) в месте КЗ (точка К). По мере удаления от точки КЗ напряжение 3U₀ уменьшается. Из рис.8.3, в следует, что чем дальше от места КЗ находится РНМ, тем хуже условия его работы. При удаленных КЗ S_p(U_p) может оказаться меньше S_c.p(U_c.p), в результате чего РНМ, а следовательно, и РЗ не будут работать.

Д ля расширения зоны действия НТЗ НП необходимы высокочувствительные РНМ. Для исключения отказа РНМ из-за недостаточной чувствительности при удаленных КЗ можно применять схему, показанную на рис.8.8. В этой схеме реле KW0 срабатывает не при КЗ на защищаемой ЛЭП (как в обычных схемах), а при повреждениях на землю (точка К2) на ЛЭП и трансформаторах, подключенных к шинам, от которых отходит защищаемая ЛЭП. При этом реле KW0 подает сигнал, блокирующий НТЗ НП, т.е. запрещающий ей действовать. В случае КЗ на защищаемой ЛЭП (К1) реле KW0 не работает и НТЗ НП действует только по сигналу, подаваемому реле тока КА0 без разрешающего сигнала РНМ, как ненаправленная НТЗ НП. При такой схеме чувствительность пускового реле должна быть меньше чувствительности РНМ, когда последнее блокирует РЗ.