3 Характеристики срабатывания дистанционной защиты

Существуют различные варианты форм данных характеристик, самыми распространенными являются два:

– Круговая (в иностранной литературе – МНО) характеристика

– Многоугольная характеристика

Также существуют эллиптические характеристики и характеристики, составленные из секторов окружностей.

Один из вариантов выполнения многоугольной характеристики приведен на рисунке 12. На рисунке 13 приведены круговые характеристики.

Рисунок 12 – Зоны (ступени) цифровой дистанционной защиты с многоугольной характеристикой срабатывания

Рисунок 13 – Круговые характеристики срабатывания реле

Описание ступеней защиты

1. Пусковая ступень (Z_A)

Только в случае пуска по сопротивлению эта ступень будет иметь определенную характеристику на диаграмме сопротивлений. При использовании комбинированного пуска она изображается на U/I диаграмме.

Пусковая ступень не требуется, если каждая зона управляется независимо (то есть требование фазной селективности отсутствует). Однако даже в этом случае все ступени имеют зону блокирования нагрузки, а также ступень блокировки при качаниях, которая автоматически располагается вокруг самой большой из остальных ступеней.

2. Основные ступени защиты (Z₁, Z₂, Z₃)

Их число зависит от конструкции и производителя терминала. Как правило, их около трех. Первая из них не имеет выдержки времени и работает с неполным охватом основной зоны. Остальные ступени имеют выдержку времени и работают с полным охватом основной зоны; также они могут использоваться для резервирования смежных зон.

3. Управляемая ступень с полным охватом (Z_1B)

Она предназначена для использования в схеме защиты с передачей разрешающих сигналов телеуправления или совместно с АПВ. Более подробную информцию можно найти в [1] (п.3.1.10, основная информация на стр. 52-56).

4. Ступень блокировки при качаниях (Z_P)

Она располагается вокруг области срабатывания пусковой ступени при ее наличии или вокруг самой большой из предшествующих областей при ее отсутствии таким образом, что между ними существует интервал ΔZ.

Процесс качаний мощности связан с изменением разности фаз между ЭДС источников по обоим концам линии (рисунок 14).

Рисунок 14 – Диаграмма напряжений при качаниях в системе

Угол θ называется углом передачи. Передаваемая активная мощность связана с углом передачи выражением

(1.12)

Здесь . Выражение получено при допущении, что активное сопротивление линии много меньше реактивного.

Как можно видеть, максимум передаваемой мощности достигается при угле

θ = 90°. В то же время он соответствует пределу статической устойчивости, т.е. при превышении этого угла устойчивость может быть нарушена (происходит рассинхронизация). На практике эта величина, как правило, не превышает 60°.

Если все напряжения разделить на ток нагрузки, то можно получить эквивалентную диаграмму сопротивлений, измеряемых защитой (рисунок 15).

Рисунок 15 ­– Изменение измеряемого сопротивления при изменении угла передачи

Начало вектора измеряемого сопротивления лежит в точке А (начало координат).

При E₁ > E₂ конец вектора сопротивления перемещается по верхней дуге окружности, при E₁ < E₂ – по нижней дуге. В случае равенства ЭДС E₁ = E₂ конец вектора сопротивления перемещается по прямой, которая перпендикулярна отрезку, соответствующему суммарному полному сопротивлению, и проходит через его середину.

Даже при максимальном угле передачи (90°) сопротивление нагрузки должно с запасом превышать значение сопротивления, соответствующее наибольшей области срабатывания, приблизительно на 20%. Это необходимо, чтобы предотвратить срабатывание защиты при изменении нагрузки в нормальном режиме работы.

Однако на короткий период времени угол передачи может составлять величину, большую 90° , и при этом система может оставаться устойчивой.

При угле передаче, большем 90°, измеряемое сопротивление может оказаться внутри области срабатывания.

Если вектор полного сопротивления нагрузки попадет в соответствующую об­ласть срабатывания, и будет оставаться там в течение определённого времени, может произойти срабатывание защиты.

Отключение при существовании кача­ний мощности в системе может быть за­прещено с помощью так называемой функции блокировки при качаниях. Её принцип действия основан на том, что в случае возникновения замыкания полное сопротивление изменяется скачкообраз­но от рабочего значения до значения со­противления короткозамкнутой цепи, на­ходящегося внутри области срабатыва­ния дистанционной защиты. И наоборот, в случае возникновения качаний мощности в системе, вектор полного сопротивления постепенно изменяет своё положение. Скорость его изменения соответствует частоте качаний мощности в системе.

Измеряя dZ/dt или ΔZ/Δt и сравнивая их с пороговыми значениями, можно опреде­лить режим в системе: КЗ или качания.

Наиболее простой реализацией этого способа является определение времени прохождения вектором сопротивления зо­ны ΔZ между двумя характеристиками сра­батывания, Для этой цели в дистанцион­ной защите используется дополнительная характеристика, охватывающая пусковую (характеристика качаний мощности) с оп­ределённой постоянной зоной ΔZ, а время её прохождения Δt измеряется (рис. 17).

Это время будет тем меньше, чем меньше период качаний.

Для распознавания быстроразвивающихся качаний с малым периодом уставка ΔZ должна быть как можно больше, a Δt как можно меньше.

Типичные уставки: ΔZ = 10–20 % Z_A и Δt = 20–40 мс. При таких уставках воз­можно распознавание качаний с частотой 2—3 Гц.

При использовании специальных из­мерительных устройств возможно опре­деление качаний с частотой приблизи­тельно 7 Гц. В этом слу­чае необходимо постоянное измерение ΔZ/Δt на коротких интервалах (5 мс).

Если выявлен режим качаний, то бло­кирующий сигнал должен подаваться в те­чение всего времени, пока вектор полного сопротивления нагрузки (в данном слу­чае, вектор качаний мощности) находится внутри пусковой характеристики. Или возможно снятие блокирующего сигнала после определённой выдержки времени.

Естественно, наличие сигнала блоки­ровки при качаниях создаёт определён­ный риск того, что реальное короткое за­мыкание в течение времени блокирова­ния не будет отключено. Поэтому сигнал блокировки формируется только в сим­метричном режиме системы. Несиммет­рия (> 25 %) или появление тока нулевой последовательности мгновенно снимают блокировку.

Более того, продолжительность режи­ма качаний в системе может контролиро­ваться. Если возникает скачок, то блокировка мгновенно снима­ется. Поэтому аварийный режим опреде­ляется даже в маловероятном случае воз­никновения трёхфазного КЗ, когда вектор качаний мощности находится внутри пус­ковой характеристики срабатывания за­щиты (т.е. при наложении КЗ на качания).

В конечном счёте, можно выбрать сту­пени дистанционной защиты, которые бу­дут блокироваться при качаниях мощно­сти, т. е. например, все зоны, или только первая зона или все зоны кроме первой. В некоторых случаях, первая зона не бло­кируется, когда для отключения необхо­димо получить очень большое значение угла передачи (близкое к 180°) (при доста­точно узкой характеристике первой зоны в R-направлении). В этом случае допуска­ют, что система недолго будет находиться в стабильном состоянии и отключение же­лательно.

Блокировка ступеней с большими за­щищаемыми зонами не требуется, если не ожидается медленных качаний мощно­сти в системе, т. е. вектор качаний выйдет из зоны до того, как будет набрана выдерж­ка времени соответствующей ступени.

Если системные условия таковы, что необходима функция блокировки при ка­чаниях мощности в системе, в цифровых защитах рекомендуется блокировка всех ступеней, т.к. траектория и частота кача­ний зависят от многих факторов и никогда не могут быть точно спрогнозированы.