Характеристики измерительных органов

Выполнение измерительных органов

Структурная схема дистанционной защиты

Принципы выполнения блокировки от качаний

Выбор параметров срабатывания

Принцип действия

Принцип действия дистанционной защиты основан на контроле измене- ния сопротивления. Например, если защищаемым объектом является линия (Рис.57),

Рис.57 Принцип действия дистанционной защиты

то в нормальном режиме параметры напряжения на шинах и тока в ли-

нии близки к номинальным:

U л = U норм,

I л = I норм,

отношение

U норм

zн =

I норм

 

соответствует нормальному режиму.

При возникновении короткого замыкания напряжение на шинах умень- шается, ток в линии увеличивается, контролируемое сопротивление уменьшается

 

 

В свою очередь,

 

 

zk = z 0 lk,

z = U k

k I k

< zн.

где

z 0 - сопротивление 1 км линии;

lk - длина линии, км.

Следовательно, контролируя изменение сопротивления, можно опреде- лить факт возникновения короткого замыкания и оценить удаленность точки короткого замыкания.

Обычно дистанционная защита выполняется в виде трех ступеней, ха- рактеристика ее времени срабатывания представлена на Рис.56. Первая ступень предназначена для работы при коротких замыканиях на защи-

щаемой линии

zсз < z л, то есть сопротивление срабатывания защиты

должно быть меньше сопротивления линии.

Для идеальных трансформаторов тока и трансформаторов напряжения и при отсутствии погрешностей измерительных органов в последнем вы- ражении должен стоять знак равенства, однако наличие погрешностей может привести к ложной работе защиты при коротком замыкании на смежных присоединениях.

Как правило, первая ступень охватывает 85 % длины защищаемой ли- нии. При коротких замыканиях в зоне действия первой ступени защита работает без выдержки времени, t 1 = 0.

Вторая ступень предназначена для надежной защиты всей линии. Ее зона действия попадает на смежную линию, поэтому для исключения неселективного срабатывания защиты при коротком замыкании на от-

ходящей линии в точке

K 2, вводится замедление на срабатывание,

t 2 = (0, 4 - 0,5)

сек.

 

Третья ступень выполняет функции ближнего и дальнего резервирова- ния

Характеристики измерительных органов дистанционной за- щиты

В качестве измерительных органов дистанционной защиты используют- ся реле сопротивления, которые могут выполняться на индукционной или полупроводниковой основе. Основное отличие различных исполне- ний реле заключается в способе обработки поступающей информации о токе и напряжении.

Поведение реле сопротивления в различных режимах зависит от его ха-

рактеристики

zср =

f (j р), где j р

- угол между током и напряжением,

подводимых к реле.

Полное сопротивление z состоит из активного r и реактивного x со-

противлений: z = r + jx

или, z =

,, поэтому характеристику

реле сопротивления представляют в плоскости z, откладывая r по го- ризонтальной, а x - по вертикальной оси.

Характеристики измерительных органов дистанционных защит должны быть надежно отстроены от нагрузочных режимов, учитывать влияние сопротивления дуги.

Виды характеристик реле сопротивления

1.

Круговая характеристика с центром в начале координат (Рис.58).

Рис. 58 Круговая характеристика с центром в начале координат

Зона, ограниченная окружностью, является зоной действия реле. Сопро-

тивление срабатывания таких реле не зависит от вают реле полного сопротивления.

j р, поэтому их назы-

2. Круговая характеристика, проходящая через начало координат (Рис.59).

 

Рис. 59 Характеристика направленного реле сопротивления

Реле с такой характеристикой не работают при направлении тока из ли- нии к шинам, поэтому оно является направленным. Точка 0 соответст- вует началу защищаемой линии. При коротком замыкании в начале ли- нии, когда r и x равны нулю, реле не работает, что является его недос- татком. Угол j, при котором сопротивление срабатывания реле макси- мально, называется углом максимальной чувствительности.

3.

Реле с эллиптической характеристикой (Рис.60).

Рис. 60 Реле сопротивления с эллиптической характеристикой

Такие характеристики использовались для третьих ступеней защит с це- лью улучшения отстройки от рабочих режимов и получения большей чувствительности.

 

4. Реле с многоугольными характеристиками (Рис.61).

Рис. 61 Реле с многоугольными характеристиками

Четырехугольная характеристика (Рис.61,а) используется для выполне- ния второй и третьей ступеней защит. Ее верхняя сторона должна фик- сировать концы защищаемых зон, правая боковая сторона обеспечивает отстройку от рабочих режимов. Левая сторона отстраивает защиту от мощностей нагрузок, передаваемых к месту ее включения. Нижняя сто- рона обеспечивает работу защиты при близких повреждениях, сопрово- ждающихся замыканием через переходное сопротивление.

Треугольная характеристика (Рис.61,б) применяется для реле сопротив- ления третьей ступени, обеспечивает необходимую отстройку от нагру- зочных режимов с соблюдением требуемой чувствительности.

Выполнение измерительных органов дистанционной защиты

В настоящее время измерительные органы дистанционных защит в большинстве случаев выполняются на аналоговых интегральных мик- росхемах или на цифровой электронике. В качестве примера рассмот- рим принцип действия дистанционных органов блок реле сопротивле- ния БРЭ 2801, выполненный на интегральной микроэлектронике.

Блок БРЭ 2801 содержит три реле сопротивления и выходной блок. В зависимости от требований к защите реле сопротивления позволяют по-

лучить следующие характеристики срабатывания с углом максимальной чувствительности равным 65о или 85о.

В схеме реле предусмотрена возможность изменять круговую характе- ристику на эллиптическую с отношением малых и больших осей

e = a = 0,7 5 и e = a = 0,5, (Рис. 61,б).

b b

Рис.62 Характеристики срабатывания реле сопротивления блока БРЭ

2801

1 – направленная окружность, смещенная в первый квадрант, с плавной уставкой смещения от 5 до 50% уставки;

2 – направленная окружность с нерегулируемым смещением в первый квадрант на

5% уставки;

3 – направленная окружность, проходящая через начало координат;

4, 5, 6 – направленная окружность с заданным смещением в третий квадрант, со- ответственно на 5%, 12% или 20% уставки;

7 – ненаправленная окружность с центром в начале координат.

Следует отметить, что регулировка характеристики смещения реле не влияет на значение выбранной уставки срабатывания и угла максималь- ной чувствительности.

Рассмотрим принцип работы реле на примере характеристики, имею- щей вид смещенной в третий квадрант (Рис.62). На окружности отметим точки 1 и 2, а вспомогательные вектора, соединяющие начало коорди-

нат с этими точками, обозначим как

Z 1 и

Z 2.

 

При внешнем коротком замыкании вектор

ur ur II

Z = Z

ur

 

расположен вне

ur

окружности и

aII

II

между разностными векторами Z -

Z 1 и

II

Z - Z 2

будет меньше p

ur ur I

2. При коротком замыкании в зоне работы реле вектор

Z = Z

ur I

расположен внутри окружности, а угол aI между векторами

ur I

Z - Z 1 и

Z - Z 2

становится больше p/2. Учитывая это обстоятельст-

во, можно различить нахождение вектора Z в зоне или вне зоны срабатывания.

Рис.63 Принцип работы реле сопротивления

Граничным условием срабатывания реле является выполнение равенства aСР = p/2.

Эллиптическая характеристика реле имитируется двумя соприкасаю-

щимися дугами окружностей. В этом случае угол срабатывания реле будет больше чем p/2.

В схеме реле, структурная схема которого приведена на Рис.64, реали- зация рассмотренного алгоритма организована следующим образом.

Сигналы, пропорциональные линейному напряжению U и соответст- вующей разности фазных токов I, поступают на измерительную часть

Рис.64 Структурная схема реле сопротивления

реле. С датчиков тока ДТ и напряжения ДН сигналы подаются в узел формирования, содержащий фильтры-сумматоры Ф1 и Ф2. Узел фор-

мирования обеспечивает формирование двух величин

E 1 и

E 2, каждая

из которых является линейной функцией тока и напряжения контроли-

руемой цепи и пропорциональна векторам

Z - Z 1 и

Z - Z 2:

 

или

E 1= k 11 U + k 12 I; и

E 2 = k 11 U + k 22 I;

E 1= k 11 I (U I + k 12

E 2 = k 11 I (U I + k 22

В этих выражениях U I = Z

k 11) = k 11 I (Z - Z 1);

k 11) = k 11 I (Z - Z 2).

является приведенным значением

сопротивления до места короткого замыкания, а отношения

комплексных коэффициентов

k 12

k 11= Z 1 и

k 22

k 11= Z 2 -

значениями вспомогательных векторов, проведенных из начала координат к особым точкам 1 и 2 на характеристике реле.

Сформированные напряжения

E 1 и

E 2 поступают в узел сравнения СС.

В нормальном режиме и при внешнем коротком замыкании угол между напряжениями не достигает угла срабатывания, и реле не работает. При коротком замыкании в зоне срабатывания фазовый сдвиг между сигна- лами возрастает и становится больше p/2, что приводит к срабатыва- нию реле.

Исполнительный блок ИБ выполнен на электромагнитном реле с двумя контактами.

Блок БРЭ 2801 позволяет осуществлять дистанционную защиту линий и трансформаторов напряжением (110-500) кВ. Погрешность реле по со- противлению составляет не более 10%. Время срабатывания в основной части характеристики не превышает 70 мс. Коэффициент возврата мо-

жет меняться от 1.07 до 1.15 и зависит от значения угла максимальной чувствительности.

Структурная схема дистанционной защиты

Один из типичных вариантов выполнения трехступенчатой дистанци- онной защиты представлен на Рис.65.

Рис.65 Структурная схема дистанционной защиты

При возникновении короткого замыкания в зоне действия первой сту- пени срабатывают дистанционные органы первой KZ1, второй KZ2 и третьей KZ3 ступеней. Сигналы от реле сопротивлений каждой ступени поступают на схемы логического умножения. Одновременно на другие входы схем подаются сигналы блокировки от качаний AKB и блокиров- ки от нарушения цепей напряжения KBV.

Блокировка от нарушения цепей напряжения KBV запрещает работу защиты при неисправности цепей напряжения. В случае срабатывания автоматических выключателей или предохранителей цепей трансфор- матора напряжения напряжение, подводимое к реле сопротивления, может оказаться недопустимо мало, что приведет к ложному действию защиты.

Блокировка от качаний AKB запрещает работу защиты при нарушении устойчивости в энергосистеме.

Сигналы с выходов схем логического умножения подаются на выходное реле KL и реле времени KT2 и KT3. Первым срабатывает реле KL, пода- вая команду на отключение выключателя без выдержки времени.

При коротком замыкании в зоне действия второй ступени срабатывают дистанционные органы второй KZ2 и третьей ступени KZ3 Реле време- ни KT2, отработав выдержку порядка (0.4 - 0.5) сек ., формирует коман- ду на отключение выключателя.

Третья ступень работает при отказе первой или второй ступеней защит или несрабатывании защит смежных присоединений.

Принципы выполнения блокировки от качаний

При нарушении параллельной работы энергосистемы нарушается син- хронная работа электростанций и возникает асинхронный ход, сопро- вождающийся периодическими изменениями (качаниями) тока и на- пряжения (Рис.66).В этих условиях реле сопротивления может замерить сопротивление меньше уставки и ложно сработать.

По принципу действия устройства блокировки от качаний могут быть разделены на две группы:

1. Короткие замыкания и качания различают по хотя бы кратковремен- ному наличию аварийных составляющих, например, токов обратной по- следовательности.

2. Короткие замыкания и качания различают по скорости изменения то- ков и напряжений.

Выбор параметров срабатывания дистанционной защиты Первичное сопротивление срабатывания первой ступени выбирается из условия отстройки от коротких замыканий на шинах противоположной

подстанции:

z 1 £ k z,,

где

сз н л

kн = (0,8 - 0,8 5) - коэффициент надежности, учитывающий по-

грешности трансформаторов тока и трансформаторов напряжения, реле сопротивления и погрешности расчета;

z л - сопротивление защищаемой линии.

Рис.66 Схема работы электростанции на приемную энергосистему:

I г - ток в линии;

xг - сопротивление генераторов электростанции;

xл - сопро-

тивление линии связи; xC

- сопротивление системы.: U г

- напряжение в месте

установки защиты;

I ар

- ток асинхронного режима;d - угол между э.д.с. гене-

ратора и системы.

Первичное сопротивление срабатывания второй ступени определяется по следующим условиям:

1. Отстройка от конца зоны действия первой ступени дистанционной защиты смежной линии

z 2 = k (z

+ kн z

),,

сз н л 1

kток л 2

z

сз

где 2

- первичное сопротивление срабатывания второй ступени дис-

танционной защиты линии

Л 1 (Рис.65);

z л 1

z л 2

- сопротивление защищаемой линии;

- сопротивление смежной линии;

kток - коэффициент токораспределения, учитывающий отношение тока короткого замыкания в месте установки защиты к току в линии, с защитой которой проводится согласование. Например, для дистан-

ционной защиты, представленной на Рис.67,

kток = I k 1

I k 2..

Рис.67 К расчету параметров срабатывания дистанционной защиты

2 Отстройка от короткого замыкания за трансформатором приемной подстанции

z 2 = k (z

+ zТ

),,

сз н Л 1

 

kток

где zТ

- сопротивление трансформатора.

Из рассчитанных значений сопротивлений срабатывания выбирается меньшее.

Коэффициент чувствительности второй ступени определяется по выра- жению:

z 2

kч = сз

z Л 1

³ 1. 25.

Выдержка времени для второй ступени принимается равной (0.4 - 0.5)

сек.

Сопротивление срабатывания третьей ступени выбирается из условия отстройки от нагрузочного режима:

z

£

3 U min sin jнагр. расч

cз,,

 

где U min - минимальное рабочее напряжение на шинах подстанции;

I н. max

- максимальный ток нагрузки;

kн =(1,2-1,25) - коэффициент надежности;

kв - коэффициент возврата;

jнагр. расч

- расчетный угол нагрузки;

jмч

- угол максимальной чувствительности реле.

Требуемый коэффициент чувствительности оценивается по короткому замыканию в конце зоны резервирования. Его значение должно быть не менее 1.2.

Пересчет первичного сопротивления срабатывания защиты на сопро- тивление срабатывание реле производится по выражению

z = z n

где

 

zср

тт,

ср сз nтн

- сопротивление срабатывания реле;

zсз

- первичное сопротивление срабатывания защиты;

nтт nтн

- коэффициент трансформации трансформатора тока;

- коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

В Ы В О Д Ы

1. Принцип действия дистанционной защиты основан на контроле со- противления.

2. Дистанционная защита удовлетворяет требованиям селективности в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания.

3. Защита отличается сравнительно высоким быстродействием.

4. В типовом исполнении дистанционная защита линий содержит три ступени.

5. Дистанционная защита в качестве основной защиты линий от меж- дуфазных коротких замыканий находит применение в сетях напряже- нием (110 - 220) кВ.

4. Основные алгоритмы функционирования за- щит с абсолютной селективностью

Продольная дифференциальная защита