Н.В. Чернобровов Релейная защита
.pdf
при неблагоприятном значении угла φр, при котором sin (α — φр) равен или близок к нулю. Отсюда следует, что, в о - п е р в ы х , реле должно включаться на такое напряжение, которое при близких к. з. не снижается до нуля, и, в о - в т о р ы х , напряжение и ток, подводимые к реле, должны подбираться так, чтобы угол сдвига между ними φр в условиях к. з. не достигал значений, при которых мощность на зажимах реле приближается к нулю.
Следует отметить, что первое требование выполнимо только при двухфазных и однофазных к. з., в случае же трехфазного к. з. все фазные и между фазные напряжения могут снижаться до нуля.
В современных схемах максимальных направленных защит применяется включение реле направления мощности по так называемым 90-градусной и иногда 30-градусной схемам. Соответствующие указанным схемам сочетания токов и напряжений приведены в табл. 7-1 применительно к схеме включения реле на рис, 7-6.
Названия схем 90-градусная, 30-градусная и т. п. носят условный характер. Схемы именуются по углам срр между током и напряжением, подведенными к реле в симметричном трехфазном режиме при условии, что токи в фазах совпадают с одноименными фазными напряжениями (рис. 7-7). Свойства каждой схемы могут быть выявлены анализом работы реле мощности, включенного по той или иной схеме, при к. з.
б) 90-градусная схема
151
Подобным анализом можно выяснить наиболее выгодные углы внутреннего сдвига реле α. Так, если положить α = 90°, то рассматриваемое реле станет косинусным. При включении его по 90-градусной
схеме линия изменения знака момента N1N2 расположится перпендикулярно вектору UР = UВС, а линия максимальных моментов будет совпадать с UР (рис. 7-10). Из диаграммы на рис. 7-10 видно, что при φк = 0 момент реле равен нулю, поэтому косинусные реле не следует включать по 90 -градусной схеме.
Исследования показывают, что 90-градусная схема оказывается наиболее выгодной
152
для реле направления мощности с углом α от 30 до 60°. Оптимальные условия имеют место при α = 45°.
Теоретический анализ и практический опыт позволяют сделать следующие общие выводы о включении реле смешанного типа φм.ч = —30° и —45° по 90-градусной схеме:
1)Знак момента реле при всех видах к. з. в зоне положителен, а при повреждениях вне зоны — отрицателен.
2)Величина момента Мэ в диапазоне возможных изменений угла φр остается значительной и достаточной для действия реле.
3) Напряжение UР при симметричных к. з. имеет максимально возможное значение, обеспечивающее минимальную величину мертвой зоны.
Недостатком 90-градусной схемы является возможность неправильной работы однофазных реле мощности при к. з. за силовым трансформатором с соединением обмоток звезда
— треугольник [Л. 23]. В случае двухфазного к. з. на стороне звезды через электрическую дугу с большим сопротивлением может неправильно выбрать направление мощности одно из реле, установленных со стороны треугольника. Трехфазные реле мощности в подобных случаях действуют правильно. Однако сочетания опасных условий настолько редки, что в практике эксплуатации указанный недостаток не проявляется. Поэтому 90-градусная схе-
ма в настоящее время считается лучшей и рекомендуется как типовая для реле направления мощности смешанного типа.
Тридцатиградусная схема включения может использоваться ля реле ко синусного типа. Реле, включенные по этой схеме, дедут себя правильно при всех видах к. з. Недостатком 30-градусной двухфазной схемы является возможность отказа в действии реле при двухфазных к. з. из-за недостаточной величины напряжения. Ввиду этого для двухфазных защит 30-градусная схема не применяется. Включенные по 30-градусной схеме реле направления мощности могут работать неправильно в случае к. з. за трансформатором с соединением обмоток звезда — треугольник с той же степенью вероятности, что и при 90градусной схеме включения.
7-4. ПОВЕДЕНИЕРЕЛЕМОЩНОСТИ, ВКЛЮЧЕННЫХНА ТОК НЕПОВРЕЖДЕННОЙФАЗЫ
а) Токи в неповрежденных фазах
При двухфазных к. з. на линии, питающей нагрузку, в неповрежденной фазе проходит ток нагрузки Iн.
В сетях с глухозаземленной нейтралью при замыканиях на землю (двухфазных и однофазных) в неповрежденных фазах появляется, кроме тока нагрузки Iн, еще некоторая доля тока к. з. Iк.
153
б) Влияние тока в неповрежденных фазах на реле
Анализ и опыт показывают, что ток нагрузки Iн и составляющая тока повреждения kIк = к3I0, ответвляющаяся в неповрежденные фазы, могут создать момент на реле, противоположный по знаку моменту реле поврежденных фаз.
Поэтому реле направления мощности, включенные на ток неповрежденных фаз, могут дей-
ствовать н е п р а в и л ь н о . Например, если при к. з. на линии Л2 (рис. 7-13) направление мощности в фазах линии Л1 будет соответствовать показанному на рисунке, то реле направления мощности, установленные на неповрежденных фазах В и С линии Л1, замкнут свои контакты и разрешат защите отключить неповрежденную линию.
Трехфазное реле мощности под действием элементов, питающихся током неповрежденных фаз, может также работать неправильно. Результирующий момент этого реле:
Если при повреждении на одной фазе А (рис. 7-13) моменты Мв и Мс от токов неповрежденных фаз будут противоположны моменту МА и превзойдут
его в сумме (Мв + Мс) > МА , ТО реле на линии Л1 подействуют неправильно.
в) Пофазный пуск
Неправильное действие реле мощности неповрежденных фаз предотвращается примене-
нием пофазного пуска. Принцип пофазного пуска состоит в том, что пусковые реле разрешают замыкать цепь на отключение только реле мощности, включенным на токи поврежденных фаз.
В схемах с однофазными реле мощности пофазный пуск принято выполнять подачей оперативного тока к реле мощности от пускового реле, включенного на тот же ток (рис.
7-14).
154
В защитах с трехфазными реле мощности пофазный пуск осуществляется подводом напряжения к элементам реле мощности через контакты пусковых реле (рис. 7-15). В момент к. з. пусковое реле, включенное на ток неповрежденной фазы, не действует, поэтому включенный на этот же ток элемент мощности не получает напряжения и не участвует в создании момента на оси реле. Такой способ пофазного пуска может применяться и в схемах с однофазными реле. При пофазном пуске пусковые реле неповрежденных фаз не должны действовать; для этого их ток срабатывания отстраивается от токов, возникающих в неповрежденных фазах при к. з., т. е. Iс.р. >Iн.ф.
В сети с глухозаземленной нулевой точкой при к. з. на землю ток Iн.ф.может оказаться значительным за счет большой величины тока повреждения kIк. Это приводит к необходимости загрубления защиты.
7-5. БЛОКИРОВКА МАКСИМАЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ
Для отключения однофазных к. з. обычно применяются защиты, реагирующие на токи и напряжения нулевой последовательности. Поэтому максимальная направленная защита,
155
включаемая на фазные токи, часто используется только в качестве защиты от междуфазных замыканий. В связи с этим при к. з. на землю защита блокируется (т. е. автоматически выводится из действия) посредством токового реле То. Реле То включается в нулевой провод трансформаторов тока, соединенных в звезду, и при замыканиях на землю срабатывает и снимает плюс с защиты, лишая ее возможности действовать на отключение
(рис. 7-16).
Пофазный пуск в таких схемах сохраняется для исключения из работы реле мощности неповрежденной фазы при двухфазных к. з. При наличии блокировки при замыканиях на землю ток срабатывания пусковых реле выбирается из условия отстройки
от тока нагрузки Iн, проходящего в неповрежденной фазе во время двухфазных к. з. Необходимость в учете тока повреждения отпадает, благодаря чему повышается чувствительность защиты и упрощается выбор тока срабатывания пусковых реле.
7-6. ВЫБОР УСТАВОК ЗАЩИТЫ
а) Ток срабатывания пусковых реле
Для предотвращения неправильной работы защиты ток срабатывания пусковых реле необходимо отстроить от т о к о в н а г р у з к и с учетом самозапуска двигателей в послеаварийном режиме (т. е. после отключения внешнего к. з.) и от т о к о в п о в р е ж д е - н и я , в о з н и к а ю щ и х в н е п о в р е ж д е н н ы х ф а з а х при к. з. на землю в сети с глухозаземленной нейтралью.
Выбор тока срабатывания I с . з по п е р в о м у у с л о в и ю производится так же, как и для максимальной защиты, на основе соображений, изложенных в § 4-5, по формуле
Максимальное значение тока Iн.макс следует определять исходя из наиболее тяжелых, но возможных в эксплуатации режимов. В кольцевых сетях и радиальных с двусторонним питанием (рис. 7-1, а и б) максимальные нагрузки на линиях возникают при размыкании сети. Например, в случае отключения линии ЛЗ в сети, показанной на рис. 7-1, б, ток нагрузки на линии Л1 достигает максимального значения.
Для повышения чувствительности защиты в отдельных случаях можно не считаться с максимальной нагрузкой, направленной к шинам подстанции, так как при атом реле мощности не позволяет защите действовать на отключение. Однако при этом нужно учитывать возможность неправильного действия защиты при нарушении ее цепи напряжения.
В этом случае фазы напряжений, подводимых к защите, искажаются и поэтому реле мощности может замкнуть свои контакты, разрешая подействовать защите при направлении мощности к шинам подстанции.
156
За окончательное значение I с . з принимается большая величина, полученная по выражениям (7-2) и (7-3).
Для защит в сети с малым током замыкания на землю (где Iн.ф. = Iн) и для защит в сети с глухозаземленной нейтралью, блокируемых при замыканиях на землю, ток срабатывания пусковых реле выбирается только по первому условию, т. е. по формуле (7-2).
Для обеспечения селективности чувствительность защит, действующих в одном направлении, необходимо согласовывать так, чтобы токи срабатывания нарастали при обходе защит против направления их действия.
Чем ближе точка К1 к шинам питающей подстанции, тем меньше ток IКА.
Если ток IКА окажется меньше I с . з 6 защиты 6, то последняя не будет действовать до тех пор, пока линия не отключится со стороны питающей подстанции защитой 7. После этого ток IКА возрастет и защита 6 придет в действие. Такое поочередное отключение линии сначала с одного, а потом с другого конца называется к а с к а д н ы м.
В случае несогласованности защит по чувствительности, например, если защита 4 чувствительнее защиты 6, а ток к. з. IКА < I с . з 6 , но больше I с . з 4 , защита 4 сработает неселективно раньше, чем произойдет отключение линии ЛЗ со стороны питающей подстанции, и подстанция /// лишится напряжения.
Таким образом, в показанной на рис. 7-1, б сети токи срабатывания защит должны удовлетворять условию
для защит, действующих при обратном направлении мощности,
Разница в величине тока срабатывания двух смежных защит обычно принимается око-
ло 10%.
В схемах с блокировкой по напряжению напряжение срабатывания реле минимального напряжения выбирается по (4-15).
Чувствительность пусковых токовых реле при к. з. проверяется, так же как и чувствительность максимальной защиты, по (4-6).
б) Выдержка времени защиты
157
Обозначая через t ступень времени между двумя смежными защитами, покажем графически согласование времени действия защит (рис. 7-17).
Рассматривая диаграмму выдержек времени на рис. 7-17, можно заметить, что направленность действия требуется не для всех защит. Например, выдержка времени защиты А3 больше, чем защиты Б2; следовательно, селективность защиты А3 при направлении мощности к. з. к шинам может быть обеспечена без органа направления. То же самое относится и к защите Б6. Отсюда вытекает общее правило, что орган направления должен устанавливаться на тех защитах, у которых при направлении мощности к. з. к шинам нельзя обеспечить селективность посредством выдержки времени. В тех же случаях, когда при направлении мощности к. з. к шинам селективность удается обеспечить при помощи выдержки времени, можно применять максимальную токовую защиту. Для выяснения, в каких именно точках сети можно установить ненаправленные защиты, нужно сначала выбрать выдержки времени по встречно ступенчатому принципу. Защита должна согласовываться по времени не только с защитами, установленными на транзитных линиях кольцевой или радиальной сети, но также с защитами других присоединений, отходящих от шин противоположной подстанции. Так, например, защита 4 на рис. 7-1, б должна иметь выдержку времени, согласованную с защитой 6 и защитой 8., Выдержка времени t4 выбирается на ступень выше той защиты, у которой время действия больше. Если t8 > t6, то t4 = t8 + t.
7-7. МЕРТВАЯ ЗОНА
158
Для вычисления Uс.р
а) определяют Sс.р, пользуясь лабораторными испытаниями или заводскими данны-
ми;
б) вычисляют ток в реле при трехфазном к. з. в самом начале линии (точка N), тогда
Мертвая зона является недостатком защиты. Однако опыт эксплуатации показывает, что в случае применения чувствительных реле отказ последних из-за мертвой зоны крайне редок вследствие малого значения т.
7-8. ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТСЕЧКИ
159
Токовые направленные отсечки основаны на том же принципе, что и токовые ненаправленные отсечки (см. гл. 5).
Реле направления мощности в схеме отсечки не позволяет ей действовать при мощности к. з., направленной к шинам. Следовательно, отстройка тока срабатывания направленной отсечки ведется только от токов к. з., направленных от шин подстанции. В этом заключается принципиальное отличие направленной отсечки от ненаправленной.
Направленная отсечка применяется в сети с двусторонним питанием, когда токовая отсечка оказывается слишком грубой из-за необходимости отстройки ее от тока к. з., притекающего с противоположного конца защищаемой линии к шинам подстанции, где установлена отсечка.
В этом случае ток срабатывания у направленной отсечки меньше, чем у ненаправленной; поэтому зона действия у первой отсечки значительно больше, чем у второй.
Вследствие наличия мертвой зоны у реле мощности направленная отсечка должна применяться только в тех случаях, когда простая отсечка не удовлетворяет условию чувствительности. Схема мгновенной направленной отсечки отличается от схемы направленных токовых защит (рис. 7-4) только отсутствием реле времени.
Направленные отсечки выполняются мгновенными и с выдержкой времени. Выбор тока срабатывания производится, как. и у простой токовой отсечки, по выражению (5-2) (см. § 5-3) с тем отличием, что направленную отсечку не требуется отстраивать от к. з. за шинами данной подстанции, так как в этом случае мощность направлена к шинам и отсечка блокируется реле мощности. Направленные отсечки реагируют на токи качаний. Поэтому их следует отстраивать от токов при качаниях, как это было показано в § 5-5, или снабжать блокировкой от качаний, если отстройка от токов качания вызывает недопустимое загрубление отсечки.
В ряде случаев оказывается возможным применять трехступенчатые направленные защиты, состоящие из мгновенной отсечки, отсечки с выдержкой времени и чувствительной токовой защиты. Применение ступенчатой токовой направленной защиты следует рекомендовать во всех случаях, когда она удовлетворяет требованиям чувствительности и быстродействия.
7-9. КРАТКАЯ ОЦЕНКА ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ
Принцип действия токовых направленных защит прост и надежен и позволяет обеспечить селективную защиту сетей с двусторонним питанием. Сочетание направленных отсечек с направленной токовой защитой дает возможность получить защиту, во многих случаях обеспечивающую достаточную быстроту отключения к. з. и чувствительность. Опыт эксплуатации показывает, что направленная защита работает надежно.
К недостаткам защиты следует отнести:
1)большие выдержки времени, особенно вблизи источников питания;
2)недостаточную чувствительность в сетях с большими на грузками и небольшими относительно их кратностями тока к. з.;
3)мертвую зону при трехфазных к. з.;
4)возможность неправильного выбора направления при нарушении цепи напряжения, питающей реле направления мощности.
Максимальная направленная защита широко применяется в качестве основной защиты сетей напряжением до 35 кВ с двусторонним питанием.
В сетях 110 и 220 кВ направленная токовая защита применяется в основном как резервная, а иногда, в сочетании с отсечкой, как основная.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С БОЛЬШИМ ТОКОМ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
160