Н.В. Чернобровов Релейная защита

Для получения требуемой точности необходимо:

1) обеспечить стабильность емкости С и тока утечки конден сатора С, сопротивления R, питающего напряжения U и напряже ния срабатывания Uс. p;

2) иметь отношение Uс. p /U≤ 0,63, при этом реле работает на

Реле состоит из пускового устройства, выполненного с помощью тран зистора (триода) Т1 типа р-n-р, зарядного контура RС, делителя напряжения Д3—Д6 и реагирующего нуль-индикатора, выполненного посредством триодов Т2 и Т3 типа п-р-п. Точки а и b соответствуют тем же точкам на схеме рис. 11-51.

Нормально триод Т1 и диод Д1 открыты и шунтируют емкость С. На базу триода Т2 подается положительное по отношению к эмиттеру смещение через резистор R3, и он открывается током базы, замыкающимся по этому сопротивлению. При этом на базу Т3 через открытый триод Т2 подается отрицательный по отношению к эмиттеру потенциал, вследствие чего триод Т3 закрывается и ток в реле Р отсутствует. Диод Д2 закрыт, так как на него подано напряжение обратного знака. При поступлении сигнала А на вход реле времени триод Т1 закрывается и конденсатор С начинает заряжаться. Диоды Д1 и Д2 закрыты, поэтому процесс заряда зависит только от параметров контура RС. Когда потенциалы точек a и b сравняются, диод Д2 откроется и подаст напряжение точки а к базе триода Г2- Параметры цепей подобраны так, что потенциал точки а получается ниже потенциала точки b, поэтому триод T2 закрывается.

В результате этого база триода Т3 получает положительный потенциал через сопротивление R4. Триод Т3 открывается, и в реле Р появляется ток коллектора, под действием которого оно срабатывает. При снятии сигнала А триоды Тг, Т2, Т3 возвращаются в первоначальное состояние, а конденсатор С разряжается за 0,02 с. Напряжение, питающее схему реле времени, стабилизируется с помощью опорных диодов Д3—

Д6.

Данное реле имеет выдержку времени до 9 с. Погрешность реле не более ±0,15 с при изменении температуры от 25 до +50 °С.

д) Примеры схем бесконтактных релейных защит на полупроводниках

В качестве примера бесконтактной защиты на полупроводниках, разработанной ВНИИЭлектропривод на типовых элементах ЛОГИКА, в приложении приводится схема максимальной защиты, выпускаемая ЧЭАЗ для линий 6—10 кВ. Ниже приводится более сложная схема одноступенчатой трехсистемной дистанционной защиты, разработанная ВНИИЭ [Л. 56]. Эта защита предназначена для использования в качестве резервной от междуфазных к. з. на ли-

ниях 110—220 кВ.

291

С т р у к т у р н а я с х е м а защиты представлена на рис. 11-53. Защита состоит из дистанционного органа 1, выполненного с помощью трех направленных реле сопротивления с

эллипти-

ческой характеристикой; пускового органа 2, реагирующего на I2 и I0; логической схемы 3, осуществляемой с помощью элементов ИЛИ, И и усилителей У; конденсаторного реле времени 4 и исполнительного органа 5. Все элементы схемы выполнены на полупроводниках, кроме исполнительного органа, в качестве которого используется электромеханическое реле типа РП-7.

Реле сопротивления РС действуют на элемент ИЛИ, выполненный на трех диодах по схеме рис. 11-45. Для увеличения мощности выход схемы ИЛИ1 заведен на усилитель У1.

Пусковое реле в данной защите не является обязательным, поскольку дистанционный орган защиты отстроен от нагрузки. Пусковой орган предусмотрен для исключения неправильной работы защиты при нарушениях в питающих ее цепях напряжения и отстройки от нагрузки и качаний в симметричном режиме. Выходной сигнал пускового реле I2 и I0 воздействует на элемент временной памяти ВП, который как бы запоминает полученный сигнал и продолжает его передавать в течение 0,1 с после прекращения действия реле I2 и I0. Такая работа ВП равносильна замедлению возврата пускового реле и необходима Для надежного действия последнего при трехфазных к. з., когда токи несимметрии I2 и I0 возникают кратковременно, лишь в начале к. з., в течение 0,01—0,03 с.

Защита приходит в действие, если на элемент И поступает входной сигнал от пускового органа (через элемент ИЛИ2) и от дистанционного органа одновременно. Возникающий при этом выходной сигнал на элементе И усиливается усилителем У2 и подается на реле времени В. По истечении заданной выдержки времени t3 реле времени срабатывает и посылает сигнал на исполнительный орган, который с помощью поляризованного реле РП-7 дает команду на отключение выключателя линии.

Для обеспечения действия защиты при симметричных трехфазных к. з., когда импульс, подаваемый пусковым органом (реагирующим на первоначальную несимметрию), прекращается значительно раньше, чем срабатывает реле времени защиты, предусмотрена обратная связь с выхода усилителя У2. Одновременно с подачей сигнала на реле времени по цепи обратной связи подается сигнал на элемент ИЛИ2, Благодаря этому при трехфазных к. з. после прекращения сигнала от пускового органа элемент ИЛИ2 будет продолжать посылку сигнала на элемент И за счет обратной связи. Таким образом, создается своеобразная цепь самоудерживания от дистанционных органов схемы, обеспечивающая действие защиты при кратковременном срабатывании пускового органа.

следовательности Ф2 и трансформатора Т0 и выпрямляются мостами В1 и Вг. На стороне выпрямленного тока мосты соединены параллельно. Для сглаживания выпрямленного напряжения предусмотрен конденсатор С3. Напряжение между точками 1 и 2 (рис. 11-54) определяется величиной большого тока (I2 или

I0).

Реагирующим элементом пускового органа, обладающим временной памятью, являются триоды Т3 и Т4.

292

Параметры сопротивлений (R12 — R10 и R14 — R11) подобраны таким образом, что потенциал эмиттера триода Т3 при отсутствии I2 и I0 получается выше потенциала базы, вследствие чего триод Т3 закрыт. При этом на базу Т4 подается положительный потенциал (через R15). Триод T4 открыт и напряжение на выходных зажимах органа 11-7 равно нулю, так как они зашунтированы открытым триодом T4.

При появлении Iг или I0 выпрямленный ток I замыкается по сопротивлению R10 и на его зажимах появляется напряжение U = IR10, пропорциональное этим токам. При определенном значении I2 или I0 потенциал точки 2 повышается настолько, что диод Д6 закрывается, вызывая увеличение потенциала в точке 3. В результате этого триод Т3 открывается, а триод Т4 вследствие понижения потенциала в точке 4 закрывается, размыкая цепь между II и 7. На выходе пускового органа (точки II и 7) появляется напряжение, означающее, что он сработал.

При исчезновении I2 и I0 триод Т3 снова закрывается. Но благодаря памяти, осуществленной с помощью заряженного конденсатора С5, Т4 открывается не сразу, а только через 0,01 с, пока не разря дится С5. Эта емкость была заряжена при предшествующем открытии триода Т3 током, протекавшим по цепи С5

— R11. Потенциал точки 4, от которого зависит состояние триода Т4, по мере разряда емкости С5 повышается. По окончании разряда, продолжающегося 0,01 с, потенциалы точек 4 и 7 (базы и эмиттера) становятся равными, триод T4 открывается и выходное пряжение (сигнал) на зажимах 11-7 исчезает. Таким образом, с помощью конденсатора С5 осуществляется временное запоминание появления I2 или I0. Регулирование уставки срабатывания реле производится изменением напряжения, снимаемого с фильтров обратной I2 и нулевой I0 последовательностей.

Д и с т а н ц и о н н ы й о р г а н. В качестве реле сопротивлений РС (рис.11 -54) применяются реле, рассмотренные в § 11-6. Они включаются на междуфазное напряжение и разность фазных токов по табл.

11-1.

на

Реле РС состоит из промежуточного трансформатора напряжения ТН и трансформаторов ТР, с п о- мощью которых получаются напряжения U1 и UII.

Эти напряжения выпрямляются выпрямителями В3 и В4, а затем сравниваются посредством схемы сравнения, построенной на балансе напряжения. На выходных зажимах т и п получается напряжение

293

. . .

U тп = | U 1| — | U II |, подводимое к нуль-индикатору.

Нуль-индикатор является двухкаскадным усилителем на триодах Т1 (типа р-п-р) и Т2(типа п-р-п). Триод Т2 является общим для всех трех реле РС. Для этого выходной зажим 1 триода Т1 каждого

реле связан с базой Т2 через диод Д5 по схеме ИЛИ.

При отсутствии напряжения на зажимах m и n или при его отрицательном знаке триод Т1 открыт, на диоды Д5 подается обратное напряжение и они закрываются. База триода Т2 имеет по отношению к эмиттеру положительный потенциал (через R5) , поэтому триод Т2 открыт и напряжение на выходных зажи-

мах 1—3 равно нулю.

При появлении положительного напряжения на выходе схемы сравне ния (зажимы m и n) триод Т1 закрывается. Конденсатор С2 начинает заряжаться, и когда потенциал точки 7 станет равным потенциалу в точке 3, диод Д5 откроется, в результате чего потенциал базы Т2 станет ниже потенциала эмиттера и триод Т2 откроется. На выходных зажимах 1—3 появляется напряжение, воздействующее на логическую часть защиты.

Конденсаторы С1 служат для регулирования величины малой оси эллиптической характеристики срабатывания реле. Конденсатор С2 создает замедление срабатывания реле на 0,1 с.

Л о г и ч е с к а я с х е м а з а щ и т ы изображена на рис. 11 -55. Она состоит из логических

элементов ИЛИ2 (рис. 11-53) и И (R21, R22, R23, R29, Д8, Д9), усилителя У2 (рис. 11-53), реле времени РВ и выходного реле РП.

К зажиму 1 схемы подается сигнал от дистанционного органа, а к за жиму II — от пускового. Сопротивления R21 и R29 образуют элемент ИЛИ2, выходом которого является точка 8. При появлении сигнала // от пускового органа ИЛИ от обратной связи через сопротивление R29 в точке 8 появляется напряжение.

Точка 9 является выходом элемента И2 и одновременно входом усилителя У2, состоящего из двух триодов Т5 и Т6. Элемент И образуется с помощью диода Д9 и сопротивления R22, по которому поступает сигнал 1 от дистанционного органа, и точки 8, с которой приходит сигнал II от пускового реле.

Если пусковой и дистанционные органы защиты не действуют, то сигн алы I и II отсутствуют. При этом потенциал базы триода Т5 (точка 9) ниже, чем у его эмиттера (точка 7), вследствие чего Т5 закрыт. Закрыт также и диод Д9 поскольку на него подано обратное напряжение. Усилитель У 2 и реле времени не работают. В случае появления сигнала // потенциал точки 9 (от которого зависит работа Т5) не меняется, так как диод Д9 закрыт и не пропускает сигнал //. При появлении сигнала / потенциал зажима / повы шается, но при этом открывается диод Д9, в результате чего потенциал точки 9 остается ниже точки 7 и триод Т5 не работает.

При действии пускового и дистанционного органов сигналы / и // появ ляются одновременно. Сигнал // держит диод Д9 запертым, и благодаря этому под влиянием сигнала / потенциал точки 9 повышается.

Таким образом, на выходе элемента И появляется сигнал, в результате которого триод Т5 открывается, а Т6 закрывается. Это вызывает повышение потенциала, т. е. появление сигнала на выходном зажиме ///

294

Рассмотренная защита имеет в 4 раза меньшие габариты по сравнению с аналогичной одноступенчатой дистанционной защитой с реле типа КРС-131. Потребление цепей напряжения защиты равно 3 В·А, а токовых цепей составляет 1 В • А при токе 5 А. Для устранения мертвой зоны предусматри вается смещение характеристики реле сопротивления в III квадранте примерно на 10%. Угол φм.ч имеет две уставки: 60 и 80°.

11-15. ВЫБОР УСТАВОК ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Ниже рассматривается выбор характеристик трехступенчатой защиту на примере участка сети, показанного на рис. 11-56 [Л. 81]. Выбираются уставки защиты А, уставки защит В и С принимаются заданными. Для большей наглядности характеристики согласуе-мых между собой дистанционных защит t3 = f (z) обычно изображаются графически на диаграмме в осях t, z, (рис. 11-56, б). По оси z откладываются первичные сопротивления прямой последовательности z1 рассматриваемых участков сети.

При выборе сопротивлений срабатывания дистанционных органов необходимо учитывать погрешности, вызывающие отклонение zс.р. от принятой уставки zу, считаем, что zс.р. = zу ± z. На величину z влияют погрешности реле, измерительных трансформаторов и неточность настройки реле на заданную уставку zу.

Помимо того возможна погрешность в определении сопротивлений участков сети, что учитывается дополнительным запасом.

Первая зона защиты. В р е м я с р а б а т ы в а н и я первой зоны не регулируется, оно определяется собственным временем действия реле и в зависимости от конструкции реле составляет: t1 = 0,02 ÷ 0,15 с.

С о п р о т и в л е н и е с р а б а т ы в а н и я п е р в о й з о н ы z1A выбирается из условия, чтобы дистанционный орган этой зоны не мог сработать за пределами за-

Поэтому z1A выбирается меньше сопротивления защищаемой линии z1Л так, чтобы

где z1Л — сопротивление прямой последовательности защищаемой линии Л1; к1 — коэффициент, учитывающий с некоторым запасом погрешности z, могущие вызвать увеличение zс.р.. Величина к1 зависит от точности реле, для реле КРС к1 =0,85.

П о г р е ш н о с т ь т р а н с ф о р м а т о р о в т о к а приводит к сокращению зоны действия защиты. Поэтому трансформаторы тока, питающие дистанционную защиту, следует выбирать по кривым предельной кратности (при 10%-ной погрешности) при максимальном токе к. з. в конце первой зоны.

Вторая зона. Вторая зона защиты должна надежно охваты вать защищаемую

295

линию Л1, поэтому она выходит за ее пределы.

Для обеспечения селективности сопротивление срабатывания zI1A и выдержку времени второй зоны tI1A отстраивают от быстродействующих защит трансформаторов и линий, отходящих от шин противоположной подстанции (рис. 11-57). Выдержка времени выбирается равной:

где tIВ — максимальное время действия быстродействующих защит следующего участка (tIВ ~ 0,1 с).

Ступень t зависит от погрешности реле времени второй зоны и времени отключения

выключателя и колеблется от 0,3 до 0,5 с с учетом этого tI1A = 0,4 ÷ 0,6 с.

При выбранном значении tI1A протяженность второй зоны не должна выходить за пределы зон быстродействующих защит линий и трансформаторов, питающихся от под-

зона защиты А должна быть отстроена от точки К' аналогично тому, как отстраивалась первая зона этой же защиты от конца линии (т. е. от точки В). Сопротивление от защиты А до К' равно z1Л + к1 z1В, отсюда

где к1 —коэффициент, учитывающий сокращение z1В в на z, принимается равным 0,85—0,9; кII — коэффициент, учитывающий возможное увеличение zI1A в результате погрешностей дистанционного органа второй зоны защиты А, принимается равным 0,85.

При нескольких источниках питания (ГА и ГВ на 11-56, а) zI1A выбирается с учетом токораспределения по выражению

где kт — коэффициент токораспределения, равный отношению тока к. з. Ik(ЛII), проходящему по линии ЛII, к току к. з. Ik(ЛI), текущему по линии ЛI.

Коэффициент кT должен выбираться при таком реальном режиме, когда Ik(ЛI) имеет максимальное значение, а Ik(ЛII))— минимальное.

Д л я о т с т р о й к и от к. з. за т р а н с ф о р м а т о ра м и Т подстанции В с учетом токораспределения вторая зона должна удовлетворять условию

где z1t — сопротивление наиболее мощного трансформатора на подстанции В, учитывается наименьшее z1t, имеющее место при регулировании напряжения изменением коэффициента трансформации (Δn) рассматриваемого трансформатора (по данным завода); коэффициент токораспределения

кII— то же, что и в выражении (11-51).

За окончательную величину zI1A принимается меньшее из двух значений по выражениям

(11-52) и (11-54).

Вы б р а н н о е zI1A проверяется по условию надежного действия ( ч у в с т в и т е л ь -

но с т и ) при к. з. на шинах подстанции В. Согласно ПУЭ

296

срабатывания.

Все реле сопротивления должны работать в диапазоне токов к. з., лежащем между токами точ-

ной работы реле, с тем чтобы погрешность реле не превышала 10%. Для проверки выполнения этого условия по техническим данным на реле определяются зна чения тока точной работы при выбранных уставках. Эти значения токов сопоставляются с м аксимальными и минимальными величинами Iк. з, имеющими место в конце данной зоны.

Особенность выбора уставок срабатывания первой и второй зон на линиях с ответвлениями.

На линиях с ответвлениями, питающими понизительные под станции (рис. 11-59), первая и вторая зоны выбираются по рассмотренным выше условиям и д о п о л н и - т е л ь н о отстраиваются от к. з. за трансформатором ответвления.

Такое ограничение их действия позволяет обеспечить селективность дистанционной защиты с максимальными защитами трансформатора ответвления и питающейся от него сети без увеличения выдержки времени t1 и tII первой и второй зон защиты.

Отстройка zII производится по формуле (11-54), где вместо zI(ЛI) подставляется сопротивление линии от места установки защиты А до трансформатора ответвления.

Отстройка ведется для наиболее тяжелого случая., когда линия отключена с противоположной стороны (кТ = 1).

В нормальном режиме работы л и н и и з а с ч е т п о д п и т к и м е - с т а к. з. со стороны подстанции В запас отстройки от к. з. за трансфор матором повышается.

Выдержка времени tII выбирается по условию (11-50). При этом допускается неселективное действие первой зоны защиты А, имеющей t1 = 0, при к. з. в трансформаторе ответвления. Эта неселективность устраняется с помощью АПВ на линии. Вторая зона при повреждении в трансформаторе действует селективно, поскольку t11 отстраивается от быстродействующих линий и трансформаторов.

Чувствительность третьей зоны защиты должна проверяться по к. з. за трансформатором ответвления, а выдержка времени tII должна быть отстроена от времени действия максимальной защиты этого трансформатора.

11-16. КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

Выполнение защит на дистанционном принципе имеет целый ряд существенных преимуществ, способствовавших широкому применению этих защит в электрических сетях высокого и сверхвысокого напряжения.

Главными достоинствами дистанционного принципа являются:

1.Селективность действия в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания.

2.Малые выдержки времени в начале защищаемого участка, которые обеспечиваются первой зоной, охватывающей до 85—90% защищаемой линии, что необходимо по условиям устойчивости, требующим быстрого отключения повреждений вблизи шин электростанции и мощных узловых подстанций.

3.Значительно большая чувствительность при к. з. и лучшая отстройка от нагрузки и качаний по сравнению с токовыми максимальными защитами.

Кчислу недостатков дистанционных защит следует отнести:

1. Сложность защиты как в части схемы, так и в части входящих в ее состав реле. Дистанционные защиты с электромеханическими реле являются самыми многорелейными и многоконтактными защитами.

Бесконтактные защиты на полупроводниковых приборах отличаются сложностью логической части схемы и большим количеством элементов в ней.

2.Невозможность обеспечения мгновенного отключения к. з. в пределах всей защищаемой линии. Поэтому они не могут служить основными защитами на тех участках сети, где необходимо выполнение этого требования.

3.Реагируют на качания и нагрузку. Необходимость отстройки от последней существенно ограничивает чувствительность защиты и понижает ее эффективность в качестве резервной защиты смежных участков, а возможность действия при качаниях вынуждает усложнять защиту применением блокировки.

4.Возможность ложной работы при неисправностях в цепях напряжения, что уменьша-

299

ет их надежность и вызывает необходимость применения соответствующей блокировки.

За последние годы много сделано для усовершенствования дистанционных защит, большие успехи в этой области достигнуты отечественной техникой.

В качестве реальных путей дальнейшего усовершенствования дистанционных защит можно указать на следующие возможности:

1. Сочетание дистанционной защиты с высокочастотной блокировкой (см. гл. 12) или передачей отключающих импульсов на противоположный конец линии, что позволяет обеспечить быстродействие защиты в пределах всей защищаемой линии.

2. Внедрение дистанционных защит на полупроводниковых элементах, способствующее повышению надежности защиты за счет устранения многоконтактности их схем и улучшения параметров реагирующих органов.

3. Применение упрощенных схем дистанционной защиты при использовании ее для резервирования основных защит защищаемой ВЛ и защит смежных участков.

Несмотря на отмеченные недостатки, дистанционная защита является пока наиболее совершенной резервной защитой от междуфазных к. з. для линий всех напряжений до 750 кВ включительно и достаточно быстродействующей защитой для высоковольтных сетей 110 и 220 кВ, где она с успехом используется в качестве основной защиты на линиях средней и большой длины.

ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЗАЩИТЫ

12-1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЗАЩИТ

Высокочастотные (в. ч.) защиты являются быстродействующими и предназначаются для линий средней и большой длины. Они применяются в тех случаях, когда по условиям устойчивости или другим причинам требуется быстрое двустороннее отключение к. з. в любой точке защищаемой линии.

Удовлетворяющие этому же требованию продольные дифференциальные защиты непригодны для длинных линий вследствие высокой стоимости соединительного кабеля и недопустимого увеличения его сопротивления.

Высокочастотные защиты состоят из двух комплектов, расположенных по концам защищаемой линии. Особенность этих защит заключается в том, что для их селективного действия при внешних к. з. необходима связь между комплектами защиты, осуществляемая посредством токов высокой частоты, которые передаются по проводам защищаемой линии.

По принципу своего действия в. ч. защиты не реагируют на к. з. вне защищаемой линии и поэтому, так же как и дифференциальные защиты, не имеют выдержки времени. В настоящее время применяются два вида в. ч. защит:

а) направленные защиты с высокочастотной блокировкой (т. е. с блокировкой токами высокой частоты), основанные на сравнении направлений мощности к. з. по концам защищаемой линии:

б) дифференциально-ф а з н ы е в. ч. защиты, основанные на сравнении фаз токов по концам линии.

12-2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ БЛОКИРОВКОЙ

Направленная в. ч. защита реагирует на направление (или знак) мощности к. з. по концам защищаемой линии. Как видно из ряс. 12-1, а, при к. з. на защищаемой линии (в точке К1 мощности к. з. на обоих концах

300