ИЭ / 9 сем (станции+реле) / Экзамен / РЗ 9

27.Дифференциально-фазная защита. Принцип действия при внешних

ивнутренних КЗ. Фазовые соотношения токов (фазных и симметричных составляющих) при повреждениях в защищаемой зоне. Фазовые погрешности при внешних коротких замыканиях. Выбор токов манипуляции. [Л2 8.6,8.7; Л3 7.8-11]

Вобщем случае для защит, в которых информация о сравниваемых токах двух сторон участка передается по ВЧ или радиоканалу. Широкое применение имеют только защиты с ВЧ каналами. Для них целесообразно использование БС (блокирующего сигнала) с НО (нормально отсутствующими) токами ВЧ. Такое выполнение не требует передачи сигналов через место повреждения на защищаемом участке; они используются только на неповрежденных участках для блокирования действия защит последних.

Возможно сравнение модулей и фаз или только фаз токов. Обычно применяется последнее как упрощающее ВЧ часть защиты (требуется один, а не два сигнала) и обеспечивающее отстройку от переходных режимов внешних КЗ, тогда ТА могут работать с большими токовыми погрешностями. Защиты выполняются односистемными, осуществляющие сравнения токов, получаемых через комбинированные фильтры, обычно I1 + kI2, а не пофазное сравнение токов; это не только упрощает защиту и канал, но и обеспечивает ее большую чувствительность к несимметричным КЗ. Необходимо, однако, отметить, что и сравнение фаз токов I1 + kI2 имеет некоторые недостатки:

1)Защита может отказать в действии на линии с большой нагрузкой при обрыве фазы с односторонним КХ на землю (с этой точки зрения было бы предпочтительней сравнивать не фазы, а модули и фазы токов);

2)Возможны значительные фазовые погрешности фильтров при больших k, которые иногда хотелось бы принимать для обеспе-

чения kI2 ≥ I1.

Защиты должны иметь ПО, отстраиваемые от токов рабочих режимов линий, как и направленная защита с ВЧ блокировкой, использующая фазные величины.

281

Принцип действия и выполнение

Ниже рассматривается работа защиты на примере выполнения её для сетей 110-220 кВ. Структурная схема защиты дана на рисунке 8.11. Измерительная часть схемы включает ПО, орган управления передатчиком и орган сравнения фаз токов I1 + kI2 по концам защищаемой линии БВ (рис. 8.12), для которых приняты условные положительные направления внутрь защищаемой зоны.

Как и в продольных направленных защитах более чувствительные элементы основных ПО пускают ВЧ приемопередатчики, которые посылают и принимают ВЧ сигналы, менее чувствительные подготавливают цепи отключения. Для обеспечения надежного блокирования защиты при внешнем КЗ передатчики пускают до начала сравнения фаз, а останавливаются с некоторой задержкой после отключения повреждения. При этом предусматривается немедленная остановка передатчика при внутреннем КЗ и отключения выключателя сначала только с одной из сторон линии (для предотвращения блокирования полукомплекта защиты противоположной стороны линии на некоторое время, определяемое указанным замедлением остановки передатчиков). Это мероприятие сокращает время ликвидации КЗ при каскадном действии защиты. Указанные операции осуществляются логическое частью защиты.

С помощью органа управления передатчиком (органа манипуляции), обеспечивающего работу передатчика в течение каждого положительного по-

282

лупериода промышленной частоты, производится передача фазы манипулирующего тока I1 + kI2 со стороны данного полукомплекта. Приемники принимают ВЧ сигналы как своего передатчика, так и другой стороны и выполняется так, что выдают токи в органы сравнения фаз только при отсутствии принимаемых сигналов. Манипулирующие токи сфазированы таким образом, что передатчики при внешних КЗ работают в разные полупериоды, создавая в совокупности в приемниках непрерывные ВЧ сигналы и тем самым обеспечивая несрабатывание защиты. При внутренних КЗ принимаемые приемниками ВЧ сигналы имеют скважности, за счет которых обеспечивается срабатывание защиты. Так осуществляется сравнения фаз токов I1 + kI2 по концам линии.

Работа защиты, выполненной указанным образом, иллюстрирует

обычно приводимыми условными диаграммами, данными на рис.8.12, а-е для внешнего и внутреннего КЗ со сдвигом фаз сравниваемых токов на 180о в первом случае и при отсутствии такового во втором.

Практически токи двух сторон линии при внутреннем КЗ часто сдвинуты на значительные угол, определяемый сдвигом фаз ЭДС частей системы,

283

неодинаковыми углами сопротивлений этих частей, погрешностями ТА и комбинированных фильтров, создающих ток, пропорциональный I1 + kI2, а также свойствами фильтров. Поэтому желательно увеличение угла между этими токами, при котором защита могла бы срабатывать. Его предельное значение, однако, ограничивается условиями предотвращения излишни срабатываний защиты за счет разницы в угловых погрешностях тех же ТА, фильтров, конечной скорости распространения электромагнитных волн и сдвига фаз первичных токов, определяемого емкостной проводимостью защищаемого участка. Зона блокирования защиты обычно составляет 40-50о, и, следовательно, допустимый сдвиг по фазе сравниваемых токов I1 + kI2 при внутренних КЗ меньше 140-130о, что обычно приемлемо. При одностороннем питании места КЗ, когда ПО с приемной стороны не срабатывают, БС нет и защита может срабатывать. Однако при обычно используемых ПО последние иногда могут сработать с приемной стороны, например, от бросков тока двигателей потребителей, от тока несимметрии, и запустить свой передатчик, который будет посылать сплошные БС. Для предотвращения затягиваний отключения КЗ в таких случаях приходится принимать специальные меры.

Некоторые особенности выполнения пусковых органов.

Защита выполняется для действия при всех видах КЗ в сетях с глухозаземленными нейтралями, в том числе и при К(3). Однако основные ПО защиты включаются на составляющие токов обратной последовательности I2 или сумму абсолютных значений |I2| + k’|I0|. Для повышения их чувствительности иногда используются также компенсированные напряжения обратной последовательности; тогда органы включаются на |U2 – Z2kI2| + k''|I0|, где Z2k – сопротивление компенсации, соответствующее части защищаемого участка. Действие при К(3) обеспечивается за счет хотя бы кратковременно появляющейся в начальный момент несимметрии; при этом кратковременное срабатывание указанных органов фиксируется при К(3) дополнительным ПО сопротивления, включаемым, как это принято в дистанционных защитах, на Uм.ф. и соответствующее ему Iмф. В защите предусматриваются также дополнительные органы ОТ, включаемые на фазные токи Iф, отстраиваемые от Iраб max линии.

Более чувствительный ОТ обеспечивает пуск ВЧ передатчика и поэтому позволяет облегчить выполнение фильтров I2 ПО, поскольку не требуется ограничение их небалансов при внешних К(3) и качаниях с токами, превышающими Iраб max. Более грубый ОТ позволяет обеспечить срабатывание защиты

284

при К(3) без предварительной несимметрии, когда фильтровый ПО может отказать.

Логическая часть

Особенности логической части защиты определяются рассмотренными принципами её действия и выполнения. Она осуществляет логические операции ИЛИ, И, ИЛИ-НЕ, ВРЕМЯ, ПАМЯТЬ (см. рис.8.11). Пуск передатчика и подготовка цепей отключения от ПО происходит через логические элементы ИЛИ1 и ИЛИ2. Посылка передатчиком ВЧ импульсов имеет место при наличии сигналов от ПО и напряжения от органов манипуляции через логический элемент И, который выполнен в собственно передатчике. Передатчик должен запускаться даже при кратковременном срабатывании основных ПО; это обеспечивается элементом временной памяти П1. Остановка передатчика с некоторой задержкой осуществляется элементов времени В1, запускаемым чувствительными элементами ПО I2 и Iф при их возврате, т.е. через элементы ИЛИ-НЕ. Работа защиты на отключение происходит при срабатывании более грубых элементов ПО и появлении сигнала на выходе органа сравнения фаз, что обеспечивается элементов И2. Подготовка цепей отключения указанными ПО осуществляется с помощью логического элемента ИЛИ2; при этом подготовка этих цепей от органа сопротивления возможна при хотя бы кратковременном срабатывании более чувствительного элемента основного ПО I2 через элемент временной памяти П2, что обеспечивается элементом И1. Память П2 снимается элементом времени В2, пускаемым органом сопротивления.

285

Для дифференциально-фазной высокочастотной защиты принципиальное значение имеет вопрос фазовых соотношений токов по концам поврежденного участка, а также вопрос фазовых погрешностей при внешних коротких замыканиях; от них зависит выбор типа суммирующего органа, зоны действия органа сравнения фаз и типа пускового органа защиты.

Фазовые соотношения токов при повреждениях в защищаемой зоне

Исследуются фазовые сдвиги токов по концам поврежденной линии при различных полнофазных и неполнофазных режимах работы электропередачи. В приводимом ниже анализе сопротивления прямой и обратной последовательностей электропередачи приняты одинаковыми, положительные направления токов приняты от шин в сторону линии.

1. Симметричное короткое замыкание на ЛЭП с двусторонним пита-

нием

При симметричном трехфазном коротком замыкании на защищаемой линии токи по концам линии сдвинуты по фазе на угол, близкий к фазовому сдвигу э. д. с. эквивалентных источников. Этот угол составляет ориентиро-

вочно 30-50°.

2. Несимметричное короткое замыкание на ЛЭП с односторонним питанием

При несимметричном коротком замыкании на линии, имеющей одностороннее питание, токи прямой последовательности сдвинуты на 180°; токи обратной последовательности, так же как и токи нулевой последовательности, совпадают по фазе.

3. Работа электропередачи с отключенной одной фазой

В соответствии с рисунком 27-3 токи одноименных последовательностей по концам линии электропередачи, работающей с одной отключенной фазой, сдвинуты по фазе на 180°.

286

Рисунок 27-3. Распределение напряжений, токов и мощностей при размыкании одной фазы. а) схема ЛЭП; б) комплексная схема замещения в) распределение напряжений; г) распределение токов; д) распределение мощностей.

4. Однофазное короткое замыкание с разрывом фазы

С точки зрения распределения токов и их фазовых соотношений случай разрыва фазы с односторонним замыканием на землю (рисунок 27-4, а) аналогичен случаю однофазного короткого замыкания при неполнофазном режиме, например в цикле ОАПВ при неодновременном включении фазы с двух концов ЛЭП.

При указанном виде повреждения в зависимости от параметров системы могут иметь место неблагоприятные с точки зрения чувствительности диффе- ренциально-фазной высокочастотной защиты фазовые соотношения между токами одной и той же последовательности по обе стороны от места повреждения. При равенстве ЭДС эквивалентных источников фазовый сдвиг между одноименными симметричными составляющими тока всецело зависит от сопротивлений прямой (Z11) и нулевой (Z01) последовательностей участка электропередачи с той стороны, где заземлена фаза.

287

Рисунок 27-4. Однофазное КЗ с разрывом фазы А. а) расчетная схема; б) комплексная схема замещения.

Распределение токов в схеме (рисунок 27-4, б) не изменится, если промежуточные трансформаторы, через которые протекает ток I, заменить источниками тока I. При этом комплексная схема замещения для рассматриваемого случая, когда ЕI = ЕII , примет вид, изображенный на рисунке 27-4, а. Пользуясь методом наложения, можно найти распределение токов в этой схеме, поочередно включая источник тока I в схему прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Полагая Z1I = Z2I, Z1II = Z2II и обозначая Z1 = Z1I + Z1II и Z0 = Z0I + Z0II,

находим на основании рисунка 27-5:

Формулы 7-1 и 7-2 наглядно показывают следующее:

а) при Z1I > Z0I токи прямой (и обратной) последовательности по концам поврежденного участка совпадают по фазе, а токи нулевой последовательности сдвинуты на 180°.

288

б) при Z1I < Z0I токи нулевой последовательности совпадают по фазе, а токи прямой (и обратной) последовательности сдвинуты на 180°.

Рисунок 27-5. Комплексные схемы замещения с источниками тока при однофазных коротких замыканиях с разрывом фазы А. а) замыкание на землю фазы А; б) то же, фазы В; в) то же, фазы С.

Для определения угла сдвига между токами по концам линии удобно пользоваться отношением комплексных токов, так как при делении их друг на друга фазы токов вычитаются и, следовательно, аргумент (угол) комплексной дроби получается равным углу сдвига между токами.

В табл. 7-1 приведены соотношения между одноименными симметричными составляющими токов по концам линии в случае. однофазных коротких замыканий фаз А, В и С, при условии, что фаза А разомкнута. Поскольку ЕI принято равным ЕII, то ток I, входящий в выражения симметричных составляющих при делении, исключается. Выражения для случаев замыканий фазы В или С получены на основе комплексных схем замещения (рисунок 27-5, б и в).

Из табл. 7-1 видно, что в случае замыкания на землю фазы В или С условия для работы дифференциально-фазной высокочастотной защиты получаются более благоприятными, чем в случае замыкания фазы А (когда угол может достигать 180°).

Для сравнения фаз токов, получаемых на выходных зажимах комбинированных фильтров тока, можно аналогичным образом воспользоваться соотношениями комплексных величин, определяемых типом фильтра.

289

290