Токовые направленные защиты. Принцип действия защиты.

Токовые направленные защиты

Направленные защиты ставятся на линиях с двухсторонним питанием. На линиях с двухсторонним питанием используются:

1. Токовые отсечки.

2. Направленная максимальная защита.

3. Продольная дифференциальная защита.

4. Дистанционная защита.

5. Высокочастотная защита.

Первая ступень защиты.

ТО без выдержки времени обладает селективностью на линиях с двусторонним питанием. Она используется в качестве первой ступени токовой направленной защиты

Выбор ее тока срабатывания рассмотрен в лекции № 7. Реле направления мощности ставят, если требуется повысить чувствительность токовой отсечки.

Вторая ступень защиты.

Токовая отсечка с выдержкой времени, которая ставится на линиях с односторонним питанием, также обладает селективностью и на линиях с двусторонним питанием. При выборе ее тока срабатывания необходимо учитывать токи подпитки от второго источника.

При коротких замыканиях в точках K1 и K2, ток проходящий в месте установки защиты A1, оказывается меньше токов и за счет тока «подпитки» от генератора G2. Отношения

называют коэффициентами токораспределения. Их учитывают при выборе тока срабатывания второй ступени линии А1.

Третья ступень защиты – максимальная токовая защита. Для селективного действия в сетях с двусторонним питанием МТЗ дополняется измерительным органом направления мощности КW. Такая защита называется токовой направленной.

Измерительные органы защиты.

1. Максимальное реле тока – РТ-40.

2. Реле направления мощности.

Защита реагирует не только на значение тока в защищаемом элементе, но и на его фазу относительно напряжения на шинах у места установки защиты.

Селективное действие защиты обеспечивается соответствующим включением органа направления мощности и выбором выдержки времени.

Принцип действия защиты.

При замыкании в любой точке фаза тока, протекающего через защиты А1 и А4 не меняется. Их можно выполнить без реле направления мощности.

Векторные диаграммы при замыкании в точке К1

Векторные диаграммы при замыкании в точке К2

Фаза тока при перемещении точки КЗ от К1 к К2 в защитах А2 и А3 меняется на противоположную. Это используется в направленной защите.

Реле направлении мощности защиты А2 срабатывает при сдвиге фаз соответствующему КЗ в т. К1, а А3 – при сдвиге фаз, соответствующему КЗ в т. К2.

При КЗ в т. К1 срабатывают измерительные органы защит А1,А2,А4.

Для селективного отключения линии АБ согласовывают выдержки времени защит А1 и А4.

При КЗ в т. К2 срабатывают измерительные органы защит А1,А3,А4.

Для селективного отключения линии БВ согласовывают выдержки времени защит А1 и А4.

Выдержка времени и ток срабатывания направленной МТЗ. Мертвая зона. Схемы включения реле направления мощности.

Выдержка времени направленной МТЗ

Стрелками показаны направления токов при которых срабатывает реле направления мощности (РНМ). Наличие РНМ в защитах 2 и 3, 4 и 5 позволяет не согласовывать их по времени.

Защиты объединяют в две группы:

1. А2, А4, А6.

2. А5, А3, А1.

В пределах каждой группы выдержки времени выбираются по ступенчатому принципу, как у МТЗ линии с одним источником питания.

Первая группа.

Минимальная выдержка у защиты А2. tА2.

tА4= tА2+∆t, tА6= tА4+∆t

Аналогично для второй группы min выдержка у РЗ А3-tA3.

tА5= tА3+∆t, tА1= tА5+∆t

Ток срабатывания направленной МТЗ

Расчет тока срабатывании выполняется, (как и у ненаправленной МТЗ).

В данном случае учитываются только максимальные токи, направленные от шин в линию. Следовательно, величина токов срабатывания может быть ниже, чем у ненаправленной МТЗ.

При неисправности цепей напряжения защита может срабатывать ложно из-за неправильного срабатывания реле направления мощности. Поэтому в схеме применяют устройство контроля неисправности цепей напряжения, которые выводят защиту из действия при их неисправности.

В сетях с глухозаземленными нейтралями, при коротком замыкании на землю, возможны срабатывания реле направления мощности, включенных на токи неповрежденных фаз при направлении мощности КЗ к шинам.

Защита может выводиться из действия при однофазных КЗ. Если не выводится, то необходимо дополнительно отстроиться по току срабатывания

Мертвая зона токовой направленной защиты.

Чтобы реле направления мощности сработало, к нему нужно подводить напряжение.

При трехфазном КЗ, в месте установки защиты, напряжение равно 0.

Если, то реле работать не будет.

Появляется мертвая зона – зона, в пределах которой РНМ не действует. По величине эта зона небольшая.

Наличие мертвой зоны является недостатком направленной защиты.

Направленная МТЗ служит основной РЗ в сетях напряжением до 35кВ, в сетях 110 и 220кВ она работает в основном как резервная.

ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА ЛЭП. Принцип действия.

Для защиты сетей с более сложной схемой и несколькими источниками питания используются сложные защиты такие как ДЗ.

Дистанционной защитой называется защита, выдержка времени которой автоматически изменяется в зависимости от удаленности места К.З. от места установки защиты.

Определение удаленности до места К.З. производится дистанционной защитой путем измерения сопротивления, которое определяется сравнением остаточного напряжения на шинах где установлена защита, и величины тока К.З., проходящего по защищаемой линии.

Следовательно, отношение остаточного напряжения на шинах к току К.З., проходящему по защищаемой линии пропорционально расстоянию LК.З. от места установки защиты до места К.З.

Основным органом дистанционной защиты является реле сопротивления, которое измеряет сопротивление линии до места К.З., определяет, на каком участке произошло К.З. и совместно с другими органами защиты обеспечивает ее действие с необходимой выдержкой времени. Реле сопротивления могут выполняться, реагирующими на полное сопротивление, реактивное, активное. В России используется только реле, реагирующее на полное сопротивление. Дистанционная защита выполняется так, чтобы их выдержка времени зависела от сопротивления, которое измеряют входящие в схему реле сопротивления. Эта зависимость называется характеристикой времени срабатывания защиты. Обычно изготавливают и используется дистанционная защита со ступенчатой выдержкой времени. Ступенчатая характеристика состоит из двух или трех участков.

При К.З. в первой зоне защита действует с выдержкой времени t1 и реле сопротивления измеряет сопротивление от 0 до ZI и т.д. Таким образом, чем больше сопротивление до места К.З., тем с большей выдержкой времени действует защита. Первая зона защиты, как правило, настроена на 80-85% длины линии (Л1). Больший охват недопустим, т.к. из-за погрешностей ТТ, самих реле сопротивлений, ТН защита может сработать при К.З. на смежном участке линии (Л2).

Применяются два способа получения ступенчатой характеристики:

Отдельное реле сопротивления для каждой ступени.

Для первой и второй зоны одно реле сопротивления. Для третьей зоны устанавливается отдельное реле сопротивления.

Реле сопротивления по принципу своего действия срабатывает, когда измеренное им сопротивление меньше настроенной уставки на нем. Поэтому реле сопротивления второй зоны срабатывает при К.З. в первой и второй зоне, а реле сопротивления третьей зоны при К.З. в первой, второй третьей зонах. Однако поскольку выдержка времени второй зоны больше первой, а выдержка третьей больше второй, то всегда срабатывает ступень с меньшей выдержкой, чем и обеспечивается ступенчатость характеристики.

Дистанционная защита относится к сложным защитам, состоящей из нескольких элементов:

пусковой орган – для пуска защиты при К.З. Выполняется на реле полного сопротивления;

дистанционный орган – удаленности К.З.;

орган выдержки времени;

блокировка, действующая при повреждении цепей напряжения, питающих защиту;

блокировка, действующая при качаниях, которые воспринимаются пусковыми реле и реле сопротивления как К.З.

Первые ступени выполняются без выдержки времени (t'≤0,1сек). При выборе Z'с.з. рабочего режима с минимальным рабочим сопротивлением не является расчетным, некоторые используемые защиты на них вообще не реагируют. Первые ступени обязательно направленные. Первичное сопротивление срабатывание выбирается из условия отстройки от К.З. в начале предыдущих присоединений (линии, трансформаторов, автотрансформаторов) – точки К1 и К2:

где lл – длина;

Z₁ – удельное сопротивление прямой последовательности;

K'отс. – коэффициент отстройки, учитывающий положительную погрешность РС (0,85-0,95), погрешности ТТ и влияние переходных сопротивлений Rn в месте К.З. Токовые погрешности обычно отрицательны, они уменьшают Iр и увеличивают Zр. Характеристики срабатывания реле стремиться иметь такими, чтобы Rn не приводило к уменьшению Zр.

Для охвата первой ступенью всей длины линии lл иногда принимают (неселективное действие).

Вторые ступени.

Время срабатывания стремятся для всех защит иметь минимальными, обычно одинаковыми, выбирая их на ступень Δt>t' предыдущих участков и tт защит без выдержки времени трансформаторов подстанции в конце линии. Вторые ступени выполняются направленными, допускается характеристику смещать в III квадрант для исключения “мертвой” зоны.

Первичные сопротивления срабатывания определяется по тем же условиям, что и токовых направленных защит: отстройка от начала второй зоны (конца первой) предыдущих ДЗ (при выборе одинаковыми их вторых ступеней); отстройка от К.З. за трансформаторами (автотрансформаторами) подстанции в конце линии (точка К3), при которых трансформаторы могут отключаться своими защитами с t>tII. При расчетах обычно пренебрегают разницей углов сопротивлений смежных элементов. Тогда;

где - одно из сопротивлений срабатывания Iст. ДЗ линий, отходящих от шин подстанции Б (если их несколько);

Z_Т.min – минимальное эквивалентное сопротивление трансформаторов в режиме их параллельной работы на подстанции Б с учетом возможности изменения ктр при регулировании РПН;

коэффициент, меньший 1, учитывающий отрицательную погрешность органа сопротивления защиты Б (часто принимается равным 0,9);

коэффициент обычно равный 1;

Кток.Б и Кток.Т – коэффициенты токораспределения, учитывающие (как и при выборе токов срабатывания I''с.з. II ступеней токовых направленных защит) неравенство токов в месте включения защит (линии АБ) и в линиях БВ (Кток.Б) или в трансформаторах (Кток.Т) при К.З. в расчетных точках (соответственно в конце и К3). Кток.Б и Кток.Т >1, облегчая согласование или <1, затрудняя его. При отсутствии на подстанции Б нагрузок или дополнительных связей между Б и смежными подстанциями Кток.Б=1.

При м.ф.К.З. на участке БГ на расстоянии l от шин Б по участкам АБ и ВГ проходят неравные токи IАБ и IБГ . Сопротивление на зажимах реле сопротивления на подстанции А:

для а) Кток <1, для б) Кток >1.

Таким образом, сопротивление на зажимах органа участка, смежного с поврежденным, определяется не только местоположением повреждения (lАБ+l), но и коэффициентом токораспределения Кток=IАБ/IБГ, характеризует долю тока IБГ поврежденного участка, проходящего по не поврежденному. При практических расчетах пренебрегают сдвигом фаз между указанными токами и считают Кток действительным числом. Если Кток<1, то Zр.А оказывается больше Z1(lАБ+l), что следует учитывать при выборе ,

увеличивая его и следовательно повышая чувствительность защиты к К.З. в конце участка и на шинах подстанции Б. Неблагоприятные, но необходимые для участка соотношения получаются при Кток>1

Расчетным является выражение дающее меньшее . При выбранном таким образом проверяется чувствительность II ступени при металлическом К.З. в конце защищаемого участка, на шинах противоположной подстанции (п/ст. Б). При наличии III резервной ступени считается возможным иметь .

Выдержки времени III ступени выбирается по встречно-ступенчатому принципу, и часто бывают значительными, что мало приемлемо в кольцевых сетях с несколькими источниками питания. III ступени с таким образом выбранным временем срабатывания tIII даже будучи направленными не обеспечивают селективность.

Некоторое улучшение селективности III ступени и уменьшение их ΔtIII достигается сокращением их зон, выбором в кольцевых сетях наименьшего ответственного участка, который при К.З. отключается первым.

в отличии от и обычно выбирается по условиям отсрочки от минимального рабочего сопротивления Zраб.min ( <Zраб.min ) при φр= φраб. Однако более тяжелым является возврат органа в исходное состояние после отключения внешнего К.З. Поэтому проверяют условие:

где Котс >1;

кз.z >1 - коэффициент, учитывающий понижение переходное сопротивление Zр=Zпер.min по сравнению с Zраб.min за счет самозапуска двигателей потребителей, обуславливающего повышение тока в защищаемой линии и понижение напряжения.

Сопротивление Zв.з.расч. выражается через Zс.з.расч. , определенного по формуле:

Конец Zс.з.расч. с углом φраб. определяет на комплексной плоскости Z расчетную точку характеристики срабатывания III ступени . Эта характеристика должна обеспечивать необходимую чувствительность защиты (кч≥1,5) при металлическом м.ф.К.З. в конце защищаемой зоны участка. При К.З. в конце смежных элементов, когда защита может работать как резервная (дальнее резервирование) считается желательным иметь кч≥1,25. Для обеспечения требования чувствительности характеристика III ступени требуется иметь отличную от характеристики I и II ступеней. Ограничение чувствительности III ступени при этом определяется режимами с передачей в основном реактивных мощностей, когда φраб. может приближаться к 900, а Zраб=Uраб/Iраб может быть хотя и значительным, но конечным.

Требования к форме характеристики органов сопротивления с двумя входными величинами следующие: