5.7. Дистанционные защиты.

В сетях сложной конфигурации с большим числом источников питания обеспечить селективное отключение повреждений с помощью простых направленных защит не удается. Дифференциальные защиты на ЛЭП также имеют ограниченное применение, что связано с их особенностями. Один из способов защиты сложных систем - использование дистанционных защит (ДЗ). Дистанционной называется защита, время действия которой зависит от расстояния (дистанции) между местом установки защиты и точкой КЗ. Выдержка времени нарастает в зависимости от увеличения расстояния до точки КЗ.

При таком принципе ближайшая к месту КЗ защита всегда будет иметь меньшую выдержку времени. ДЗ всегда выполняются направленными.

На рис. 5.19 представлена условная схема замещения линии электропередачи. Слева изображен источник питания, представляемый ЭДС системы и эквивалентным сопротивлением энергосистемы . Справа от ЛЭП изображено сопротивление , выполняющее роль потребителя мощности. В нормальном режиме в месте установки реле сопротивления протекает ток , а ТV измеряет напряжение на шинах. Отношение напряжения к току характеризует общее (эквивалентное) сопротивление всего участка изображенной сети в нормальном режиме:

. (5.31)

По величине , и общее комплексное сопротивление имеет активно-индуктивный характер, причем активная составляющая сопротивления больше, чем реактивная. Это связано с тем, что обычно . При возникновении КЗ сопротивление шунтируется, происходит снижение напряжения и резкое увеличение тока . Эквивалентное сопротивление участка значительно снижается за счет отсекания и части , при этом

, (5.32)

таким образом, значительно уменьшается по модулю в сравнении с , и так как для элементов энергосистемы обычно выполняется условие , то поворачивается относительно , как это изображено на рис. 5.20.

Принцип действия ДЗ основан на резком снижении сопротивления при КЗ. В связи с тем, что при КЗ напряжение снижается, а ток увеличивается, ДЗ получаются более чувствительными, чем токовые, т.к. реагируют на изменение сразу двух параметров - тока и напряжения. Причем сопротивление при КЗ уменьшается в несколько раз больше по сравнению с уменьшением напряжения или увеличением тока.

Основной элемент ДЗ - дистанционный орган, определяющий удаленность КЗ от места установки защиты. В качестве его используют реле сопротивления, реагирующее чаще всего на полное сопротивление . Выполнение реле активного или реактивного сопротивления сложнее и не имеет особых достоинств при применении в ДЗ.

Для обеспечения селективности:

• ДЗ выполняются направленными, для этого применяется реле направления мощности или направленное реле сопротивления;

• выдержки времени у защит, работающих при одном направлении мощности, согласуются между собой. Выдержка времени защиты при КЗ за пределами защищаемой линии на t больше, чем на соседней.

Для реле сопротивления, используемого в дистанционных защитах, наиболее наглядно изображает на плоскости рабочую и нерабочую зоны характеристика срабатывания.

Характеристикой срабатывания реле сопротивления называется зависимость . Реле сопротивления подключено к трансформаторам тока и напряжения. Если измеряемое сопротивление попадает внутрь характеристики срабатывания реле, изображаемой в координатах - рис. 5.21, то оно замыкает свои контакты, если не попадает, то контакты реле остаются разомкнутыми. Если место установки защиты совместить с началом координат, то для ненаправленного реле полного сопротивления будет иметь вид окружности (рис. 5.21), радиус которой выставлен на реле сопротивления. Таким образом, характеристика представляет собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию . При реле работает, при - не работает. Следовательно, реле сопротивления является реле минимального действия, которое срабатывает при уменьшении воздействующей величины. Характеристики срабатывания направленного реле имеют вид, показанный на рис. 5.22.

Для всех реле сопротивления необходимо выполнение следующих требований:

1. Быстродействие, чтобы мгновенная ступень отключала КЗ как можно быстрее.

2. Точность работы: реле не должно отличаться от более, чем на 10%. Это требование обеспечивает стабильность зон ДЗ.

3. Высокое значение .

Зависимость выдержки времени защиты может возрастать плавно или ступенчато (рис. 5.23).

Технически наиболее просто выполнена ступенчатая зависимость. Дистанционные защиты, используемые в энергосистемах, имеют 3 или 4 ступени.

Реле сопротивления, основной элемент ДЗ, выполняются электромеханическими, статическими или на интегральных микросхемах. Принцип действия всех разновидностей реле основан на сравнении нескольких напряжений, которые являются функциями напряжения и тока.

Изменение коэффициентов k позволяет получать различные характеристики срабатывания реле (круговые, эллиптические и т.п.).

Рассмотрим в качестве примера расчет уставок трехступенчатой дистанционной защиты. График согласования защит приведен на рис. 5.24.

I зона ДЗ1 охватывает часть Л1. Уставка по сопротивлению I зоны рассчитывается с учетом погрешностей в работе реле сопротивления (Z) и .

Для того чтобы I зона не выходила за пределы Л1 - .

I ступень ДЗ - мгновенная, и зависит от времени замыкания контактов реле сопротивления и промежуточных реле: .

II зона ДЗ1 охватывает всю Л1 и часть линии подстанции А. II зона ДЗ1 захватывает также часть Л2 и является для нее резервной. По сопротивлению и по времени II зона ДЗ1 согласуется с I зоной ДЗ2:

, (5.33)

где ,

- коэффициент токораспределения, который учитывает различие тока, протекающего по реле защиты и тока в месте КЗ при сложной конфигурации сети;

, (5.34)

где - суммарный ток КЗ при КЗ в точке К1,

- ток, протекающий по реле защиты 1 при расчетном КЗ в точке К1.

Для надежного действия реле сопротивление II зоны должно быть на 3540% больше, чем . Условием обеспечивается селективное отключение повреждений в начале Л2.

III зона. Протяженность III зоны зависит от чувствительности реле сопротивления, на которых установка выбирается по условию отстройки от нагрузочных режимов:

; (5.35)

. (5.36)

Время действия .

III зона должна по возможности охватывать линии Л1 и Л2.

Схема трехступенчатой дистанционной защиты приведена на рис. 5.25.

Обозначения, принятые на схеме:

БН - блокировка от нарушения цепей напряжения;

ПО - пусковой орган;

ОМ - орган направления мощности;

ДОI, ДОII - дистанционные органы I и II ступеней (зон); БК - блокировка от качаний;

КТII, КТIII - орган выдержки времени II и III зон;

KL - выходное реле защиты;

КНI, КНII, КНIII - сигнальные реле I, II и III зон.

Найденные устанавливаются следующим образом:

на ДОI; на ДОII; на ПО.

При КЗ в I зоне работают ПО, ДОI и ДОII, т.к. , сигнал на отключение подается через БК без выдержки времени.

При КЗ во II зоне и ДОI не работает, отключение происходит со временем действия II зоны.

При КЗ в III зоне и , поэтому работает только ПО и отключение линии происходит со временем (как и у МТЗ).

Наличие БН необходимо, т.к. при обрыве цепей напряжения , и это может быть воспринято защитой как трехфазное или двухфазное КЗ в месте установки защиты, поэтому устройство БН выводит защиту из действия при обрыве цепей напряжения. При снижении в результате КЗ БН не должно препятствовать работе защиты. Это достигается специальной схемой подключения БН к трансформаторам напряжения.

БК выводит I зону защиты из действия при возникновении качаний.

Большое значение для правильной работы защиты имеет точная и правильная работа дистанционных органов защиты. Их назначение - измерять расстояние от места установки защиты до точки КЗ. Как правило, на дистанционных органах выставляется уставка по сопротивлению I и II зон.

При выборе схемы включения дистанционных органов необходимо:

• чтобы на зажимах реле было пропорционально расстоянию до места КЗ;

• не зависел от вида КЗ и режима работы сети, что обеспечивает стабильность зон при различных видах КЗ.

Для выполнения этих требований включение реле выполняется на ток и напряжение петли КЗ, а именно дистанционный орган включается на линейное напряжение ( ) и разность соответствующих фазных токов .

Уставка III зоны ДЗ по сопротивлению выставляется на пусковых органах. Схема включения пусковых органов может быть такой же, как и дистанционных, а если одной из задач пусковых органов является определение вида КЗ, то пусковые органы включают на линейное напряжение и фазный ток, например, и .

Подобная схема включения используется в схемах, где дистанционный орган переключается на разные токи и напряжения в зависимости от вида возникшего КЗ. Поскольку выбирается по условию отстройки от , то на сильно загруженных линиях эта величина может быть соизмерима с . Для увеличения чувствительности пусковых органов используют направленное реле сопротивления (рис.5.26).

При металлических КЗ угол близок к углу _м.ч (угол максимальной чувствительности - это угол, при котором значение достигает максимального значения), а в нагрузочных режимах , поэтому, если близок к за счет увеличения , попадает в зону работы реле.

Следует отметить, что существуют причины, искажающие замеры дистанционных органов, связанных с влиянием переходного сопротивления дуги, которое определяется по эмпирической формуле, Ом:

, (5.37)

где , .

Дистанционные защиты являются основными защитами ЛЭП 35; 110 кВ. На ЛЭП 220 кВ и 500 кВ они используются как резервные.