3 Лекция . Структурная схема дистанционной защиты со ступенчатой характеристикой, характеристики срабатывания реле сопротивления и их изображение на комплексной плоскости

          Содержание лекции: изучается работа и назначение трехступечатой дистанционной защиты линий высокого напряжения. Приводятся основные виды характеристик срабатывания реле сопротивления.

          Цель лекции: изучается логика работы дистанционной защиты линий от междуфазных КЗ.

      

3.1Структурная схема дистанционной защиты со ступенчатой характеристикой

          В отечественных энергосистемах ДЗ применяется для дей­ствия при междуфазных КЗ, а для действия при однофазных КЗ используется более простая ступенчатая МТЗ НП. На рисунке 3.1 приведена упрощенная структур­ная схема трехступенчатой ДЗ от междуфазных КЗ с направ­ленными измерительными ДО (дистанционные органы). Защита имеет четыре функцио­нальные части, обведенные пунктиром на рисунке 3.1, а: измери­тельную 1, логическую 2, исполнительную 3, вспомогательную.

       Измерительная часть 1 состоит из измерительных ДО, определяющих удаленность места КЗ или, точнее говоря, всю зону степени, в пределах которой возникло повреждение. Ди­станционный ИО выполняется с помощью направленных минимальных PC, действующих при определенном направле­нии мощности КЗ (от шин в линию). Реле сопротивления вклю­чается через ТН и ТТ на первичные напряжения U_p-п и ток I_р.п в начале защищаемой ЛЭП. Вторичное напряжение на за­жимах PC U_p = U_p.п  / K_U , а вторичный ток I_р = I_р.п  / К_I. Сопротивление на входных зажимах реле определяется по выражению

             

                                                                                                ,                             (3.1)

             где   Z_p.п = U_р.п / I_р.п - первичное значение сопротивления, подведенного к зажимам реле.

           Первичное сопротивление Z_с.з = Z_c.p(K_U / K_I) называется сопротивлением срабатывания ДЗ. В трехступенчатой  ДЗ,  изображенной на рисунке 3.1, для каждой ступени установлен свой отдельный комплект ДО KZI, KZII, KZIII, действующий при КЗ в пределах I, II, III зон (ступеней) соответственно.

          Для правильного определения зоны поврежде­ния при различных видах двухфазных КЗ в каждой ступени ДЗ необходимо устанавливать три PC - одно для действия при КЗ между фазами АВ, второе - при КЗ между фазами ВС и третье - при КЗ между фазами СА.        Схема с тремя измерительными PC в каждой ступени полу­чила название трехсистемной. На рисунке 3.1 для упроще­ния показан один комплект KZBC и указано место подсоеди­нения двух других KZAB и KZCA. Срабатывая, измеритель­ные реле KZ действуют на логическую часть ДЗ 2.Логическая часть 2 имеет два органа времени КТ2 (второй ступени t_II) и КТЗ (третьей ступени t_III). Первая ступень ДЗ замедления не имеет (t_I = 0).Логические органы (ЛО), ИЛИ, И, НЕ, получив сигналы от KZ и элементов блокирующей части 4, формируют выходные сигналы, воздействующие на органы времени и ИО. Исполнительный орган 3 (ИО). Получив сигнал от КТ2, КТЗ или непосредственно от KZI, АВ (ВС, СА) ИО пере­дает команду на отключение выключателя. Исполнительный орган выполняется с помощью электромеханического проме­жуточного реле или в виде статического устройства на тиристорах.

 

        Вспомогательное блокирующее устройство 4 служит для блокирования действия ДЗ путем автоматиче­ского вывода ее из работы в режимах, когда ДЗ может непра­вильно сработать при отсутствии повреждения на защища­емой ЛЭП. К таким режимам относятся качания в энергоси­стеме и повреждения в цепях ТН, питающих ДЗ. Устройство 4 состоит из блокировки при качаниях УБК и блокировки УБН, действующей при неисправностях в цепях ТН.

       Блокировка при качаниях УБК. Во время кача­ний напряжение U_p в месте установки ДЗ периодически сни­жается, а ток I_р в защищаемой ЛЭП возрастает, при этом соот­ветственно уменьшается Z_p = U_p/I_p. Реагирующие на U_p, I_p и Z_p измерительные органы PC могут прийти в действие, что вызовет неправильное срабатывание первой ступени ДЗ, ра­ботающей мгновенно. Вторая и третья ступени имеют выдерж­ку времени, и они, как правило, не успевают сработать за вре­мя периода качаний. Поэтому блокировка УБК, как показано на рисунке 3.1, блокирует первую ступень, а в тех случаях, когда время действия второй ступени мало (t_II < 1 с), - и вторую. Блокировка УБН. При неисправностях в цепях напря­жения ТН напряжение U_p, подводимое к PC, исчезает или рез­ко понижается. В результате этого реле сопротивления, вклю­ченные на это напряжение, приходят в действие, что приво­дит к неправильному срабатыванию ДЗ. При исправном со­стоянии цепей напряжения с выхода УБН, на входы всех логических элементов И по­ступает логический сигнал 1, разрешающий появление сигна­ла на элементах И и, как следствие этого, возможность дей­ствия ДЗ, если срабатывают ИО (PC). При неисправностях в цепях ТН выходной сигнал УБН изменяется с логической 1 до логического 0, чем блокируется действие элемента И, т. е. исключается возможность появления сигнала на его выходе.

Работа ДЗ. В нормальном режиме Z_p = U_p.н/ I_р.н = Z_р._н (здесь U_p.н, I_p.н, Z_p.н - напряжение, ток, сопротивление на зажимах PC в режиме максимальной нагрузки, когда Z_p.н имеет наи­меньшее значение). Сопротивления срабатывания PC всех ступеней выбираются меньше, Z_{р.н min}. Поэтому PC всех ступе­ней, а следовательно, и ДЗ в целом не действуют.

         В режиме короткого замыкания. Если КЗ возникло в пре­делах первой ступени, в точке К1 (рисунок 3.1,б), то Z_p < Z_I KZI приходит в действие, срабатывает и блокировка УБК, на входе И1 появляются три сигнала: УБК, KZ1 и УБН. На выхо­де И1 появляется сигнал о срабатывании KZ1, который посту­пает на ИО; ДЗ действует на отключение ЛЭП без выдержки времени     (с t = 0).

          При КЗ в I зоне кроме KZI работают ИО KZII и KZIII, но II и III ступени имеют выдержки времени, и поэтому раньше срабатывает I ступень. Если КЗ происходит во II зоне (точка К2), но за пределами I зоны, то KZI не действует, работают KZII и KZIII, которые через соответствующие логические эле­менты ИЛИ, И, НЕ посылают сигналы на КТ2 и КТЗ. Реле КТ2 срабатывает с t_II раньше КТЗ и подает сигнал на ИО, послед­ний замыкает цепь отключения выключателя ЛЭП. При КЗ в точке КЗ за пределами II зоны, но в пределах III зоны KZI и KZII не действуют, срабатывает KZIII с выдержкой времени fin на реле КТЗ, и затем выходной элемент ИО подает команду на отключение.

          Использование комплексной плоскости для изображения характеристик PC. Сопротивление является комплексной вели­чиной, поэтому характеристики срабатывания PC Z_c.p (Z_p, _р) и сопротивления на их зажимах Z_p удобно изображать на комп­лексной плоскости в осях R, jX. В этом случае по оси вещественных величин откладываются активные сопротивле­ния R, а по оси мнимых величин - реактивные сопротивле­ния X. Полное сопротивление на зажимах реле Z_p = U_р/I_р может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа Z_p = R_p + jX_p = Z_pe^j и изображено в осях R, jX вектором с координатами R_p и jX_p. Величина этого вектора характеризуется модулем |Z_p | =        , а его направление - углом _р, который определя­ется соотношением Х_р и R_p, поскольку tg _р = X_p/R_p.

          Графическое изображение характеристик срабатывания реле.

          Характеристики срабатывания основных типов PC, изображен­ные на рисунке 3.2, представляют собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию Z_p = Z_c.p. Заштрихованная часть характеристики, где Z_p  Z_c.p, соответствует области дей­ствия реле. При Z_p, выходящих за пределы заштрихованной части, т. е. при Z_p > Z_c.p, реле не работает.

        Характеристика срабатывания реле должна обеспечивать работу реле при КЗ в пределах принятой зоны действия (Z'). С учетом сопротивления электрической дуги вектор Z_p = Z_K + R_д может располагаться при КЗ на защищаемом участке ЛЭП в пределах площади четырехугольника ОАВС, показанного на рисунке 3.2, д.

Действие реле при КЗ будет обеспечено, если характеристики срабатывания реле, показанные на рисунке 3.2, будут охватывать область комплексной плоскости, в которой может находиться вектор сопротивления Z_p при КЗ на ЛЭП (площадь ОАВС рисунке 3.2, д ).     

 

Рисунок 3.2- Характеристики срабатывания реле сопротивления

         Однако область срабатыва­ния PC имеет ограничения: реле не должно действовать при сопротивлении нагрузки (при Z_{pa6 min}) и при качаниях. Для

этого векторы Z_{pa6 min} и Z_кaч должны располагаться за преде­лами области срабатывания реле, т. е. должно соблюдаться условие       Z_c.р < Z_{pa6 min} и по возможности Z_c.p < Z_кaч .

         Направленное реле полного сопротивления имеет Z_c.p, за­висящее от угла _р (рисунок 3.2, б). Его характеристика срабаты­вания изображается окружностью, проходящей через начало координат. Сопротивление срабатывания имеет максималь­ное значение при _р = _м.ч, где _м.ч - угол максимальной чув­ствительности реле, при котором Z_c.р = Z_{c.p max}, т. е. равен диа­метру окружности 0В.

        Зависимость срабатывания этого реле от угла _р может быть представлена уравнением

                                         Z_с.р = Z_{c.p max} cos( _м.ч - _р).                               (3.2)

Реле не работает при Z_p, расположенных в III квадранте. Это означает, что оно не может действовать, если мощность направлена к шинам подстанции. Следовательно, рассмот­ренное реле является направленным. Как и РИМ, направлен­ное PC имеет "мертвую зону" при повреждениях в начале за­щищаемой ЛЭП.

          Реле с эллиптической характеристикой. На рисунке 3.2, г изображена характеристика направленного реле, имеющая вид эллипса. Сопротивление срабатывания такого реле Z_c.p зависит от угла _р и имеет наибольшее значение при _р = _м.ч. Угол _м.ч, как и в предыдущем случае, равен _л. Сопротивле­ние Z_{c.p max} равно большой оси эллипса.

          По сравнению с круговой характеристикой эллиптическая характеристика имеет меньшую рабочую область. Это дает возможность лучше отстроить реле от качаний и перегрузок, но ухудшает чувствительность при КЗ через переходное сопро­тивление R_п

         Реле с характеристикой в виде многоугольника. Подобная характеристика направленных PC, имеющая форму четырех­угольника, показана на рисунке 3.2, д. Четырехугольная характеристика реле в большей мере, чем другие характеристики, совпадает с контуром об­ласти расположения векторов Z_p при КЗ и является с этой точки зрения наиболее рациональной.  Пунктиром показан вариант характеристики ОА' и ВС', преду­сматривающий расширение зоны реле для обеспечения его действия при двустороннем питании КЗ через переходное сопротивление.

         На  рисунке 3.2, е показана характеристика, имеющая форму треугольника, применяемая для третьей зоны ДЗ. Она позво­ляет отстроиться от Z_p при больших значениях тока нагрузки I_{раб max}, чему соответствует минимальное значение Z_{pa6 min} = 0,9U_ном /I_{раб тах} , и допускает срабатывание PC при значитель­ном переходном сопротивлении R_п в случае удаленных КЗ.