Основные книги / Релейная защита в пдф

Раздел 3. Защиты от замыканий на землю. Токовые направленные защиты

В разделе рассматриваются две темы:

-защиты от замыканий на землю;

-токовые направленные защиты.

Для закрепления теоретического материала по темам этого раздела предусмотрено проведение лабораторной работы «Исследование работы токовых защит на базе реального терминала ТЭМП 2501». Практические занятия в этом разделе не предусмотрены.

После проработки теоретического материала следует ответить на вопросы тренировочного теста №3. Правильные ответы на вопросы тренировочных тестов приведены на с. 220. При появлении затруднений по тестовым заданиям следует обратиться к теоретическому материалу [1] или проконсультироваться у преподавателя.

При эффективной проработке материала данного раздела можно набрать 7 баллов из 100 возможных.

3.1. Токовая защита линий от замыканий на землю в сети с заземленной, изолированной и компенсированной нейтралью

Защита от КЗ на землю воздушных линий напряжением 110-500 кВ с эффективно заземленной нейтралью в соответствии с требованиями ПЭУ должна быть, как правило, ступенчатой токовой направленной или ненаправленной нулевой последовательности.

Для релейно-контактных схем ток нулевой последовательности формировался путем соединения трансформаторов тока в схему Гольмгрина – параллельное соединение вторичных обмоток ТТ. Таким образом, получился фильтр токов нулевой последовательности, ток на выходе которого появлялся только при замыкании одной или двух фаз на землю.

Для цифровых защит применяется стандартная схема соединения вторичных обмоток ТТ в звезду для получения токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.

71

Применение для защит от КЗ на землю фильтра токов нулевой последовательности позволяет повысить чувствительность защит, так как ток срабатывания защиты не нужно отстраивать от полного рабочего тока фазы, а можно его отстроить от тока небаланса фильтра при максимальном значении тока трехфазного КЗ:

Iсз= Kн Iнб max,

где Iнб max – максимальный ток небаланса на выходе фильтра (ток в реле тока) в точке установки защиты при трехфазном КЗ,

Kн=1,3…1,5 – коэффициент надежности.

Защита от КЗ на землю имеет относительную селективность по времени с аналогичной защитой смежного участка.

Следует иметь в виду, что пути протекания токов нулевой последовательности определяются в сети точками заземления нейтралей трансформаторов.

Чувствительность защиты рассчитывается по отношению к минимальному току КЗ нулевой последовательности в конце защищаемого участка для основной зоны и по отношению к минимальному току КЗ нулевой последовательности в конце смежного участка для зоны резервирования:

где Кчо, Кчр – коэффициенты чувствительности для основной зоны и зоны резервирования.

3Iок min1, 3Iок min2 – минимальные токи нулевой последовательности в конце основной зоны и зоны резервирования.

Защита от простых замыканий на землю в воздушных и кабельных линий сетей 3-35 кВ с изолированной нейтралью выполняется ступенчатой, с действием на сигнал.

В соответствии с ПУЭ защита от замыканий на землю должна быть выполнена в виде:

- селективной защиты, устанавливающей поврежденное направление, с действием на сигнал;

72

-также селективной защиты, действующей на отключение, если это требуется по условиям безопасности; защита должна быть установлена на питающих элементах во всей электрически связанной сети;

-устройства контроля изоляции.

Защита от однофазных замыканий на землю, действующая на отключение без выдержки времени по требованиям безопасности, должна отключать только элемент, питающий поврежденный участок. В качестве резервной защиты должна быть предусмотрена защита нулевой последовательности с выдержкой времени 0,5 с, действующая на отключение всей электрически связанной сети.

Для релейно-контактных и цифровых защит кабельных линий ток нулевой последовательности получают от вторичной обмотки трансформатора тока нулевой последовательности, надетого на кабель.

На рис. 3.1 показана схема участка кабельной сети с тремя линиями W1, W2, W3 и точкой заземления 3 на кабеле W3. На каждом кабеле установлена защита нулевой последовательности, получающая сигнал от трансформатора тока нулевой последовательности (ТА1, ТА2, ТА3). На схеме показано растекание токов нулевой последовательности. Это емкостные токи 3Iос, определяемые емкостями фаз кабелей относительно земли. На схеме показан простой вариант одинаковых кабелей одинаковой длины.

Рис. 3.1. Схема растекания токов при простом замыкании на землю в сети с изолированной и компенсированной нейтралью

Пути протекания токов на схеме таковы, что при замыкании на землю на «чужом» кабеле через защиты неповрежденного кабеля течет ток повреждения.

73

По этой причине ток срабатывания защиты должен быть отстроен от максимального тока повреждения другого кабеля. Для нашего случая – от тока

3Iос= 3Uф Сw,

где Kн = 1,1…1,2 – коэффициент надежности;

Kб = 4…5 – коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока. Чувствительность защиты

ного реактора L (пунктир на рис. 3.1) появляется индуктивный ток. Для нашего случая полной компенсации это 6IOL, т. е. токи в трансформаторе тока нулевой последовательности поврежденного участка ТАЗ оказываются равными нулю.

Таким образом, при полной компенсации защита не способна выявлять повреждение и следует применять другой принцип действия защиты, например основанный на использовании высших гармоник.

3.2. Токовые направленные защиты

На линиях с двухсторонним питанием ток к точке КЗ течет с обеих сторон. То же самое происходит в любом замкнутом кольце линий даже при одном источнике питания. Как известно, в таких случаях линия должна отключаться с обеих сторон устройствами релейной защиты. Для обеспечения селективности приходится применять направленную защиту.

В соответствии с требованиями ПУЭ на одиночных воздушных линиях напряжением 110-500 кВ, имеющих питание с двух или более сторон, а также

74

на линиях, входящих в кольцевую сеть с одной точкой питания, от многофазных замыканий должна быть применена дистанционная защита (преимущественно трехступенчатая, используемая в качестве резервной или основной (последняя – только на линиях 110-220 кВ)).

В качестве дополнительной защиты рекомендуется использовать токовую отсечку без выдержки времени.

От замыканий на землю должна быть предусмотрена, как правило, ступенчатая токовая направленная или ненаправленная защита нулевой последовательности.

Раздел 4. Дистанционные и дифференциальные защиты линий

В разделе рассматриваются две темы:

-дистанционные защиты;

-дифференциальные защиты.

Лабораторные работы и практические занятия в данном разделе не предусмотрены.

После проработки теоретического материала следует ответить на вопросы тренировочного теста № 4. Правильные ответы на вопросы тренировочных тестов приведены на с. 220. При появлении затруднений по тестовым заданиям следует обратиться к теоретическому материалу [1] или проконсультироваться у преподавателя.

При эффективной проработке материала данного раздела можно набрать 5 баллов из 100 возможных.

4.1. Дистанционные защиты

Дистанционная защита (ДЗ) основана на дистанционном принципе, суть которого состоит в том, что измеряется сопротивление до точки КЗ. В качестве измерителя используется дистанционный орган – реле минимального сопротивления. Измеряемое напряжение петли КЗ делится на ток в этой петле. Полученное значение сопротивления сравнивается с сопротивлением срабатывания, и если оно оказывается меньше сопротивления срабатывания, – реле срабатывает.

75

В большинстве случаев дистанционная защита выполняется трехступенчатой. Ступени реализуются дистанционными органами, имеющими области срабатывания в комплексной плоскости сопротивлений с уставками ZI, ZII, ZIII при определенных углах φ, и элементами выдержки времени I, II, III ступеней.

Полное сопротивление Z, на которое реагирует ДЗ, является функцией многих факторов, но в основном зависит от расстояния между местом установки ДЗ и местом КЗ.

На рис. 4.1,а показана упрощенная структурная схема трехступенчатой ДЗ. На рис. 4.1,б приведены характеристики выдержек времени и сопротивлений срабатывания трех ступеней.

На структурной схеме пунктиром обведены: 1 – дистанционные органы, 2 – логическая часть, 3 – исполнительный орган (ИО), 4 – блокирующие устройства.

Рис. 4.1. Структурная схема трехступенчатой ДЗ (а) и характеристики выдержек времени и сопротивлений срабатывания трех ступеней (б)

Подробно показаны дистанционные органы (ДО) фаз ВС трех ступеней: I

– ДО ВС, II – ДО ВС, III – ДО ВС. ДО фаз AB, CA показаны стрелками на входах дизъюнкторов (схем ИЛИ1, ИЛИ2, ИЛИ3) логической части и обозначены

KZIAB, KZICA, KZIIAB, KZIICA, KZIIIAB, KZIIICA. Конъюнкторы (схемы И) И1, И2, И3 формируют сигналы на выходах при наличии входных сигналов от ДО и выходных сигналов блокирующих устройств.

76

Первая ступень мгновенного действия, вторая ступень имеет выдержку времени t2 (задержка КТ2), третья ступень – выдержку времени t3 (задержка КТ3). Исполнительный орган ИО выдает команду отключения на выключатель.

На рис. 4.1,б показаны выдержки времени трех ступеней t1, t2, t3. Ниже показаны схема участка сети, сопротивления до точек КЗ ZK1, ZK2, ZK3 и уставки ДО трех ступеней ZI, ZII, ZIII.

Блокирующие устройства содержат блоки УБК и УБН. УБК – это устройство блокировки при качаниях. При любом виде междуфазного КЗ, даже при симметричном трехфазном КЗ, в первый момент возникает несимметрия, и УБК выдает сигнал на выход, позволяя защите срабатывать. Блок УБН – это устройство блокировки при потере напряжения. В случае исчезновения напряжения на выходе УБН появляется сигнал, условно равный логической единице (1), при этом на выходе инвертора «НЕ» будет сигнал ноль (0), который блокирует защиту, не позволяя ей срабатывать ложно.

Рассмотрим расчет уставок трехступенчатой ДЗА линии W1 (рис. 4.2). Сопротивление срабатывания первой ступени ZIA выбирается из условия, чтобы ДО первой зоны не могли сработать при КЗ за пределами защищаемой линии.

ZIA K1Z1W1 KZ1удlW1,

где Z1W1 – первичное сопротивление прямой последовательности защищаемой линии W1;

K1 = 0,85 0,9 – коэффициент, учитывающий погрешности трансформаторов тока и напряжения и дистанционного органа в сторону увеличения Z1;

Z1уд – удельное сопротивление линии; lW1 – длина линии W1.

77

Таким образом, длина 1-й зоны ДЗА составляет величину l3IA= (0,85 0,9)lW1.

Вторая ступень ДЗА охватывает участок (вторая зона) своей линии W1, не вошедший в состав первой зоны, и часть следующей линии W2. Сопротивление срабатывания второй ступени и соответственно второй зоны ZIIA и выдержку времени t2 отстраивают от времени действия защит отходящих от шин противоположной подстанции линий или трансформаторов.

Выдержка времени второй ступени

t2A tсз max t,

где tсз max – наибольшая выдержка времени защит линий или трансформаторов следующего участка;

t – ступень селективности.

Длина 2-й зоны ДЗА должна быть отстроена от конца 1-й зоны ДЗВ следующей линии W2. Сопротивление срабатывания 2-й зоны защиты A

ZIIA K1 (ZW1 K2 ZIB ) K1Z1уд (lW1 K2l3IB ),

где K2 = 0,85 0,9 – коэффициент, аналогичный K1, но для следующей линии, на которой установлена дистанционная защита B;

ZIB – сопротивление срабатывания первой зоны ДЗВ; l3IB – длина первой зоны ДЗB.

Следует обратить внимание на то, что длина первой зоны ДЗA определяется путем умножения сопротивления линии W1 ZIW1 на коэффициент K1. При этом ZIW1 считается постоянной величиной, а длина второй зоны ДЗA рассчитывается с учетом того, что отстройку сопротивления приходится делать от сопротивления срабатывания ZIB, величина которого не является постоянной, а имеет свою погрешность (на рис. 4.2 отклонения от ZIA и ZIB заштрихованы). Поэтому следует брать произведение K2ZIB.

Третья ступень служит для резервирования присоединений (линий и трансформаторов), отходящих от шин противоположной подстанции В. ДО третьей ступени должны действовать при КЗ в конце наиболее длинной линии и за подключенными к ней трансформаторами. В большинстве случаев определяющим условием выбора ZIII является его отстройка от Zраб min.

78

Выдержка времени третьей ступени ДЗА выбирается по условию селективности с третьей ступенью резервируемой ДЗB (рис. 4.2):

t3A t3B t.

Современные цифровые ДЗ могут иметь различные характеристики дистанционных органов (ДО). Областью срабатывания ДО называется область в плоскости одного из входных сопротивлений Z, соответствующая срабатыва-

ристика срабатывания – это граничная линия в плоскости Z, отделяющая область срабатывания от области несрабатывания.

На рис. 4.3 в качестве примеров приведены характеристики срабатывания дистанционной защиты БМР3-ДЗ воздушных линий напряжением 6-35 кВ фирмы «Механотроника». Схема подключения этой защиты показана на рис. 4.4.

jX jX

Рис. 4.3. Характеристики срабатывания дистанционной защиты БМР3-ДЗ

79

Рис. 4.4. Схема подключения дистанционной защиты БМР3-ДЗ

80