Релейная защита. УМК. Релейная защита. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения учебнометодический комплекс
 Скачать 12.1 Mb.
|
|
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. 217. 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. Применение для защит от КЗ на землю фильтра токов нулевой последовательности позволяет повысить чувствительность защит, т. к. 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= KнIнб 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 заземленных 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 воздушных и кабельных линиях 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; - 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. По этой причине ток срабатывания защиты должен быть отстроен от максимального тока повреждения другого кабеля. Для нашего случая – от тока 3Iос= 3Uф Сw, где Uф – фазное напряжение; ω – угловая частота; Cw – емкость фазы защищаемой линии. Ток срабатывания защиты определяется по формуле  ,где Kн = 1,1…1,2 – коэффициент надежности; Kб = 4…5 – коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока; Чувствительность защиты  ,где IТНП повр. линии – ток поврежденной линии. Для схемы рис. 3.1 IТНП повр. линии = 6Iос. В сети с компенсированной нейтралью за счет включения дугогасительного 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. Токовая направленная защита 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 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 (последнее – 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 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. 217. 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. Измеряется 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. В предыдущем параграфе изложены требования ПУЭ в части применения дистанционных защит и там же указано, что 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 которые 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.  а) б)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. 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 показана 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. Второй 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 за пределами защищаемой линии.   Рис. 4.2. К расчету уставок трехступенчатой ДЗА линии W1 где Z1W1 – первичное сопротивление прямой последовательности защищаемой линии W1; K1 = 0,850,9 – коэффициент, учитывающий погрешности трансформаторов тока и напряжения и дистанционного органа в сторону увеличения Z1; Z1уд – удельное сопротивление линии; lW1 – длина линии W1. Таким образом, длина 1-й зоны ДЗА составляет величину l3IA= (0,850,9)lW1. Вторая ступень ДЗА охватывает участок (вторая зона) своей линии W1, не вошедшей 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  где tсз max – наибольшая выдержка времени защит линий или трансформаторов следующего участка; Δt – 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  где K2 = 0,850,9 – 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 W1ZIW1 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. ДО третьей ступени должна 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. Выдержка времени третьей ступени ДЗА выбирается по условию селективности с третьей ступенью резервируемой ДЗB (рис. 4.2)  Современные цифровые ДЗ могут иметь различные характеристики дистанционных органов (ДО). Областью срабатывания ДО называется область в плоскости одного из входных сопротивлений Z, соответствующая срабатыванию ДО при нахождении в ней контролируемого параметра  , а характеристика срабатывания – это граничная линия в плоскости Z, отделяющая область срабатывания от области несрабатывания.На рис. 4.3 в качестве примера приведены характеристики срабатывания дистанционной защиты БМР3-ДЗ воздушных линий напряжением 6-35 кВ фирмы «Механотроника». Схема подключения этой защиты показана на рис. 4.4.  Рис. 4.3. Характеристики срабатывания дистанционной защиты БМР3-ДЗ  Рис. 4.4. Схема подключения дистанционной защиты БМР3-ДЗ 4.2. Дифференциальные защиты Для воздушных и кабельных линий в сетях напряжением 3-10 кВ с изолированной нейтралью в соответствии с требованими ПЭУ следует предусматривать установку продольной дифференциальной токовой защиты (для коротких линий) в том случае, если токовая ступенчатая защита не обеспечивает требуемых быстродействия и селективности. На коротких одиночных линиях 20 и 35 кВ с двусторонним питанием, когда это требуется по условиям быстродействия, допускается применение продольной дифференциальной защиты в качестве основной.  Рис. 4.5. Структурная схема продольной дифзащиты линии Для воздушных линий в сетях напряжением 110-500 кВ с эффективно заземленной нейтралью в соответствии с ПУЭ при необходимости прокладки специального кабеля использование продольной дифференциальной защиты должно быть обосновано технико-экономическим расчетом. Все вышеизложенное относится к защитам с непосредственным сравнением токов. Это может быть осуществлено путем соединения цепей трансформаторов токов, например, через телефонный кабель. На рис. 4.5 в качестве примера приводится структурная схема продольной дифференциальной защиты линии типа 7SD60 с соединительными проводами. Защита состоит из двух полукомплектов S1 и S2, расположенных по концам защищаемой линии W. В схеме используются суммирующие промежуточные трансформаторы СТ1, СТ2 при трехфазном исполнении защиты. Комплекты соединены двумя проводами, каждый из которых имеет сопротивление Rп/2. В защите вычисляется дифференциальный ток  , как абсолютное значение суммы векторов токов левого и правого плеч  и  . Тормозной ток вычисляется как сумма абсолютных значений этих же векторов  .Тем самым реализуется алгоритм с торможением сравниваемыми токами. Контроль исправности соединительных проводов и обмен отключающими сигналами между полукомплектами S1 и S2 обеспечиваются наложением на схему сравнения первичных токов высокочастотной последовательности импульсов. Кодирования последовательность импульсов генерируется одним из полукомплектов («ведущим») и принимается обоими полукомплектами. Трансформаторы ВЧ1 и ВЧ2 условно отображают гальваническое разделение цепей при передаче и приеме ВЧ-импульсов частоты 2000 Гц, форма которых изменяется в зависимости от передаваемой информации. Дифзащиты с непосредственным сравнением токов по проводам ограничиваются длиной защищаемой линии (1520 км) и наличием помех. Рис. 4.6 демонстрирует два полукомплекта дифзащиты с обменом цифровыми сигналами, передаваемыми по волоконно-оптической линии связи (ВО) или по коммуникационной сети (КС). Защита содержит два полукомплекта S1 и S2 и коммуникационные преобразователи (КП). Дифференциальные продольные защиты на основе обмена цифровыми сигналами могут быть дифференциально-фазными, но такие защиты применяются на линиях высоких классов напряжения и в настоящем издании не рассматриваются.  Рис. 4.6. Структурная схема продольной дифзащиты линии На параллельных линиях в сетях напряжением 3-35 кВ в соответствии с требованиями ПУЭ могут применяться ступенчатые защиты тока или ступенчатые защиты тока и напряжения такие же как и на одиночных линиях, а в сети 35 кВ – дистанционные. Для ускорения отключения поврежденной линии на линиях с двухсторонним питанием может быть применена дополнительная защита с контролем направления мощности в параллельной линии. Эта защита может быть выполнена в виде отдельной поперечной токовой направленной защиты или только в виде цепи ускорения установленных защит (МТЗ, дистанционной) с контролем направления мощности. На приемном конце двух параллельных линий с односторонним питанием, как правило, должна быть использована поперечная дифференциальная направленная защита. Если защита, выполненная по вышеприведенным условиям, не удовлетворяет требованиям быстродействия, а защита с контролем направления мощности в параллельной линии неприменима или нежелательна, в качестве основной защиты на параллельных линиях с двусторонним питанием и на питающем конце двух параллельных линий с односторонним питанием следует применять поперечную дифференциальную направленную защиту. Для режима работы одной из параллельных линий и отключенной второй линии на работающей линии должны быть предусмотрены ступенчатые токовые защиты. На коротких параллельных линиях в отдельных случаях допускается применение продольной дифференциальной защиты. Рассмотрим вариант установки поперечных дифференциальных направленных защит на обоих концах параллельных линий с односторонним питанием. Питание подается на подстанцию A, электрическая энергия передается на приемную подстанцию B (рис. 4.7). На подстанциях A и B установлены защиты, показанные в виде блоков с обозначениями KA, KW, где KA – реле тока, KW – реле направления мощности. Эти обозначения условные и просто обозначают то, что защита токовая направленная. При дальнейшем изложении будем называть эти поперечные дифференциальные токовые защиты просто защитами A и B. При КЗ в точке K1 в середине линии W1 (рис. 4.7,а) ток КЗ II по линии W1 в три раза больше тока КЗ III, текущего по линии W2. Со стороны шин подстанции B к точке K3 K1 течет ток  , только этот ток находится в противофазе с током III. Рис. 4.7. Поперечная дифференциальная направленная защита параллельных линий Защита А реагирует на разность токов II и III, срабатывает и дает команду на отключение выключателя Q1. Защита В реагирует на разность фаз токов I'I и III, срабатывает и дает команду на отключение выключателя Q3. Таким образом, поврежденная линия W1 будет отключена с обеих сторон, а линия W2 остается в работе. На рис. 4.7,б показан случай КЗ в точке K2 на середине линии WII. Защиты А и В срабатывают и отключают выключатели Q2 иQ4 линии WII. Фазы токов на рис. 4.7,а и б показаны стрелками (направления токов). Особенности поперечной дифференциальной направленной защиты параллельных линий легко обнаружить, детально рассмотрев поведение защит при различных точках КЗ. Если КЗ случится на шинах приемной подстанции В защиты А и В не срабатывают, т. к. токи II и III по линиям WI и WII одинаковы. На самом деле за счет производственных допусков на сечения жил параллельных линий, сопротивления линий WI и WII оказываются неодинаковыми даже при одинаковых сечениях. Значит и токи КЗ будут отличаться. Вторичные токи трансформаторов тока также будут отличаться за счет их погрешностей по току и фазе. Отсюда следует, что ток срабатывания защиты А и защиты В должен быть отстроен от тока небаланса при КЗ на шинах подстанции В. Если мысленно перемещать точку K1 (K2) в сторону подстанции А, то она обязательно попадет в такое место на линии, при КЗ в котором ток КЗ со стороны шин подстанции В станет равен току срабатывания защиты В. При дальнейшем перемещении точки K1 вверх ток КЗ будет меньше тока срабатывания защиты В. Значит эта точка есть граница мертвой зоны защиты В. Аналогичная ситуация возникает при движении точки КЗ вниз – попадем в мертвую зону защиты А. Следовательно, защита А имеет мертвую зону со стороны шин подстанции В, а защита В – со стороны шин подстанции А. При обеих установленных защитах мертвые зоны защит превращаются в зоны каскадного действия, т. к. действие одной из защит меняет картину растекания токов КЗ и вызывает действие другой защиты. Но, т. к. защита А и В, являясь дифференциальными, обладают свойством абсолютной селективности, то они работают без выдержки времени. Отсюда следует, что КЗ в любой точке линии WI, WII, отключается практически мгновенно. Защита А сравнивает токи по амплитуде, защита В – по фазе. Отключение любой из параллельных линий по любой причине лишает оставшуюся в работе линию вообще какой-либо защиты, поэтому в дополнение к защитам А и В следует предусматривать, например, МТЗ на выключателях Q1 иQ2. При этом защиты А и В оказываются бесполезными, поэтому обычно цепи питания этих защит включаются через последовательно соединенные блок-контакты выключателей: защита А – через блок-контакты выключателей Q1 и Q2, защита В – через блок-контакты выключателейQ3 иQ4. И последняя особенность состоит в том, что МТЗ1 и МТЗ2 на выключателях Q1 иQ2, имеющие одинаковые выдержки времени, отстроения от МТЗ линии, отходящей от шин подстанции В, при КЗ на шинах подстанции В, за счет погрешности по времени будут срабатывать неодинаково. Это вызовет ложную работу защиты В. Для предотвращения этого в защиту В вводится задержка, перекрывающая разновременность защит МТЗ1 и МТЗ2. Расчет поперечных дифференциальных направленных защит параллельных линий подробно описан в [4], там же приводится числовой пример расчета. Параллельные линии под один выключатель могут защищаться поперечной ненаправленной защитой. |