НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕЙ 6 страница

При качаниях возникают условия для неправильных действий РЗ, которые могут при­вести к тяжелым аварийным последствиям. Максимальное значение тока качания может да­же превосходить ток трехфазного короткого замыкания, а измеряемое сопротивление может быть ниже, чем Z_cp первых мгновенных ступеней срабатывания дистанционных защит.

Если подстанция находится вблизи точки С на линии АВ, то при качаниях при , когда , а U_с = 0, быстродействующая РЗ может отключить линию, т.к. ее пуско­вые органы могут воспринять этот режим как трехфазное симметричное к.з. В результате произойдет деление ЭЭС с несбалансированными нагрузками в ее двух частях: в одной части ЭЭС частота может быть высокой, а в другой - низкой, что может привести к работе АЧР в одной части ЭЭС и отключению генераторов - в другой, поэтому при качаниях РЗ не должна работать, т.е. требуется применение специальных мер, предотвращающих ложное срабаты­вание РЗ при качаниях.

Возможны следующие три способа, предотвращающие ложную работу РЗ при качаниях:

1. Параметры срабатывания РЗ выбираются такими, чтобы пусковые органы РЗ не дей­ствовали при качаниях, т.е ; . При этих условиях первые быстродействующие ступени токовых и дистанционных защит не будут срабатывать при ка­чаниях. Однако использование этих условий снижает чувствительность РЗ. При расчете уставок дистанционных защит с применением реле сопротивления практически невозможно отстроить от т.к. последнее может принимать нулевое значение.

2. Отстройка от качаний при помощи выдержки времени , если это за­медление РЗ допустимо по условиям устойчивости. По крайней мере, должно быть не меньше периода качаний T_s. Использование этого способа отстройки от качаний снижает быстродействие защиты.

3. Применение специальных блокировок, выводящих РЗ из действия при качаниях, ко­гда первые два способа отстройки являются неприемлемыми. Блокировки должны удовле­творять двум требованиям: выводить РЗ из действия при качаниях и позволять РЗ действо­вать, если при качаниях произошло к.з. на защищаемом элементе.

Обычно используют два типа блокирующих устройств:

1) блокировки, отличающие режим к.з. от режима качаний по появлению асимметрии тока или напряжения. Режим качаний - симметричный, а большая часть режимов к.з. - несим­метричные, с возникновением токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей;

2) блокировки, отличающие к.з. от качаний по скорости изменения электрических па­раметров (I, U, Z) в месте установки защиты. При к.з. скорость изменения указанных пара­метров намного выше, чем при качаниях.

Рассмотрим блокировку, отличающую к.з. от качаний по скорости изменения электри­ческих параметров (рис. 76)

В качестве пусковых реле блокировки (рис. 77) могут быть взяты реле сопротивления KZ₁ и KZ₂ с разными уставками срабатывания .Время замкнутого состоя­ния контактов реле KZ₁ (t₁) и реле КZ₂ (t₂) показаны на рис. 76. При качаниях сопротив­ление на зажимах KZ начнет плавно уменьшаться, и первым срабатывает более чувствительное реле КZ₁ (см. рис. 76), а затем KZ₂. При срабатывании KZ₁ в точке 1 работает реле KL и становится на самоподхват своим нижним кон­тактом. Верхний контакт реле KL размыкает цепь РЗ, т.е. происходит блокировка РЗ при ка­чаниях. Реле KL самоудерживается до тех пор, пока реле KZ₁ не вернется в исходное состояние (в точку 4) - см. рис. 76.

При к.з. из-за большой скорости снижения Z реле KZ1 и КZ2 срабатывают одновременно и реле KL не успевает сработать. Блокировки РЗ не происходит.

Следует заметить, что время t' (от моментасрабатывания КZ₁ до срабатывания KZ2) тем меньше, чем меньше период качаний T_s. При реле KL не срабатывает и защита не блокируется при качаниях. Для четкой работы блокировки необходимо ускорять быстродей­ствие реле KL и разносить уставки срабатывания реле KZ₁ и KZ₂, т.е. увеличивать t'. Реле КZ₁ не должно работать в нормальном режиме ЭЭС и в режиме ее максимальной нагрузки, т.е.

Для четкой работы блокировки необходимо, чтобы . Однако этого соотношения трудно добиться на длинных и сильно нагруженных линиях, т.к. получается малым, a должно быть большим, чтобы блокировка не работала при к.з. В

связи с этим наибольшее распространение получили блокировки, реагирующие на появление I₂ или U₂ при к.з., т.к. они применимы как на коротких, так и на длинных линиях, причем, обычно трехфазные к.з. начинаются с однофазных и двухфазных, и поэтому из-за неодновре­менности замыкания всех трех фаз кратковременно появляются I₂ и U₂ и при трехфазных к.ч. Схема блокировки представлена на рис. 78.

Данная блокировка разрешает работать РЗ при появлении U₂(I₂) при к.з. и не позво­ляет РЗ действовать на отключение, если несимметрия отсутствует (при качаниях).

В состав схемы входит реле КV₁(КА₁) фиксирующее появление несимметрии. Для этого оно подключается на фильтр напряжений (токов) обратной последовательности ZV (ZA). Реле KL₁ вводит или выводит из действия РЗ. Реле KL₂ с замедлением на воз­врат вы­полняет операции по прекра­щению пуска защиты через время t_воз, достаточное для срабатывания I ступени дис­танционной защиты.

В нормальном режиме несимметрия отсутствует и контакты реле КV₁ (КА₁) замкнуты, катушка реле KL₁ обтекается током, при этом контакты KL1.2 замкнуты, контакт пуска РЗ KL1.1 ра­зомкнут и защита выведена из действия, контакт АL 1.3 также находится в разомкнутом со­стоянии. Реле KL₂ также находится в сработанном состоянии. Его контакт KL2.1 разомкнут.

При возникновении к.з. появляется несимметрия напряжений и токов, в результате сра­батывает реле KV₁ (КА₁), размыкается его контакт и прерывается цепь питания реле KL₁, размыкается контакт KL 1.2, который фиксирует даже кратковременные появления несим­метрии независимо от последующего положения контактов KV₁ (КА₁).

Контактом KL1.1 вводится в действие защита, отключающая к.з. Контакт KL1.3 подает питание на обмотку реле AT, которое при срабатывании рвет свой контакт КТ₁ и снимает напряжение с реле КL₂. Замыкающимся контактом KТ₂ реле КT становится на самоподхват. Реле KL₂ замыкает свой контакт АL2.1 через 0,2-0,3 с, подавая питание на обмотку реле KL₁, которое сработает и контактом KL 1.1 выведет защиту из действия.

Кроме приведенных выше схем блокировки применяются устройства, реагирующие на скорости изменения тока или напряжения.

11. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ

Высокочастотные защиты наиболее современные и быстродействующие из всех суще­ствующих защит ЛЭП. Они применяются тогда, когда по условиям сохранения устойчивости и скорейшей ликвидации к.з. требуется быстрое двухсторонне отключение ЛЭП при к.з. в любой точке защищаемой линии. Данные защиты устанавливаются на длинных линиях на­пряжением выше 220 кВ.

Высокочастотные защиты состоят из двух комплектов, установленных по концам за­щищаемой линии. Высокочастотными защиты называются потому, что связь между ком­плектами защиты, установленными с обеих сторон ЛЭП, осуществляется с помощью токов высокой частоты. Эти токи передаются по проводам защищаемой линии. По принципу действия высокочастотные защиты не реагируют на к.з. вне зоны (на соседних ЛЭП и присоединениях), поэтому их можно выполнять без выдержки времени, т.к. согласо­вания по времени с соседними линиями не требуется. Существует два вида высокочастотных защит ЛЭП:

1. Направленные защиты с высокочастотной блокировкой.

2. Дифференциально-фазные защиты.

Направленная защита с высокочастотной блокировкой. Защита реагирует на на­правление (знак) мощности к.ч. но концам защищаемой ЛЭП.

При внешнем к.з. (К₁) направления мощности по концам линии разные: S₁(+), a S₂(-) (рис. 79). При к.з. на защищаемой линии обе мощности S₁ и S₂ имеют одинаковое направ­ление (рис. 79). Сравнение направления S₁ и S₂ производится с помощью реле направления мощности. На обеих сторонах линии установлены высокочастотные приемопередатчики, состоящие из генераторов высокой частоты (ГВЧ) и приемников высокой частоты (ПВЧ) (рис. 80). Сигнал ГВЧ1 (ГВЧ2) может воспринимать ПВЧ1 и ПВЧ2. Направление S опреде­ляется в «комплекте защиты». Если S имеет знак «+», то работает реле направления мощно­сти и останавливает ГВЧ своего конца. Если S имеет знак «-», то реле мощности не работает, ГВЧ посылает высокочастотные сигналы по ЛЭП, которые воспринимают оба ПВЧ. Наличие высокочастотного сигнала как от ГВЧ1, так и от ГВЧ2 запрещает работу комплектов защиты 1 и 2. Так при к.з. в точке К₁ (рис. 79) есть высокочастотный сигнал от ГВЧ2, его восприни­мают ПВЧ1 и ПВЧ2, и это служит запретом работы защиты на обоих концах линии. При к.з. в точке K₂ (рис. 79) не работает ни ГВЧ1, ни ГВЧ2 и высокочастотный сигнал запрета отсут­ствует. Срабатывают оба комплекта защиты на отключение ЛЭП с двух сторон.

Упрощенная схема направленной защиты с высокочастотной блокировкой приведена на рис. 81.

В данной защите можно выделить две части - высокочастотную и релейную. К высоко­частотной части защиты относятся:

ЗФ - заградительный фильтр, препятствующий протеканию токов высокой частоты за преде­лы защищаемой линии; КС - конденсатор связи, пропускает в высокочастотный приемопередатчик токи высокой

частоты и не пропускает токи с f = 50 Гц;

ФП - фильтр присоединения - воздушный трансформатор с отпайками, служит для возмож­ности подключения ВЧК - высокочастотного кабеля к фазе линии. Через ВЧК подключается высокочастотный приемопередатчик. Канал циркуляции то­ков высокой частоты - «фаза-земля».

Релейная часть защиты состоит из пусковых реле ПО₁ и ПО₂. ПО₁ служит для пуска ГВЧ, а ПО₂ - для подготовки цепей отключения. Реле БР имеет две обмотки - рабочую и тормозную. Условием его срабатывания является наличие тока в рабочей обмотке Р и отсут­ствие тока в тормозной обмотке Т. При другом сочетании токов реле БР не работает. Тор­мозная обмотка Т реле подключена на выход высокочастотного приемника. Наличие тока высокой частоты в линии приводит к наличию тока в тормозной обмотке и запрещает работу защиты на отключение.

При к.з. на линии высокочастотный сигнал отсутствует, тока в тормозных обмотках ре­ле нет и защита отключает поврежденную линию с обеих сторон без выдержки времени. За­щита может быть установлена и на ЛЭП с односторонним питанием. Направленные защиты с высокочастотной блокировкой могут ложно срабатывать при качаниях в энергосистеме, когда электрический центр качаний попадает на защищаемую линию. В такой ситуации нет к.з., но направление мощности по обоим концам защищаемой ЛЭП соответствует направле­нию «из шин в линию». При качаниях направленная защита с высокочастотной блокировкой выводится из действия. Ток срабатывания пускового реле ПО2 должен быть отстроен от тока нагрузки и надежно действовать при к.з. на противоположном конце линии, т.е.

или

где .

Чувствительность защиты проверяется по k_ч, который должен быть не меньше .

Пусковой орган ПО₁ по чувствительности в 2 раза выше, чем ПО₂, поскольку от пуска или останова ГВЧ зависит правильность работы защиты.

Дифференциально-фазная защита. Защита основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой линии. За «+» принято направление тока от шин в линию.

При к.з. К₁ (рис. 82) токи I₁ и I₂ имеют разные знаки, и можно считать их сдвинуты­ми по фазе на 180°. При к.з. К₂ (рис. 82) токи I₁и I₂ имеют одинаковые знаки и совпадают

по фазе. Сравнение фаз тока по концам ЛЭП выполняется с помощью высокочастотных сиг­налов и может быть пояснено с помощью следующих графиков (рис. 82).

ГВЧ запускаются только в положительную полуволну тока. ПВЧ имеют ток в выходной цепи, если I_в/ч по линии имеет импульсы и паузы. От ПВЧ ток подается на отключающее ре­ле защиты (РО). При к.з. в зоне защиты оба передатчика работают в одинаковые полуперио­ды тока, тем самым обеспечивая отключение ЛЭП с двух сторон.

Схема ДФЗ приведена на рис. 83. Высокочастотная часть защиты аналогична описан­ной выше. Релейная часть состоит из пусковых реле и , реагирующих на трехфаз­ные к.з., и и реагирующих на двухфазные к.з. и к.з. на землю. Реле и включены на фильтр токов обратной и нулевой последовательностей.

ОМ - орган манипуляции, управляет работой ГВЧ, запуская его в положительную полу­волну тока (см. рис. 82).

ОСФ - орган сравнения фаз тока, осуществляет сравнение фаз тока, идущего по ЛЭП на основе совпадения или несовпадения высокочастотных импульсов по времени. В случае сплошного высокочастотного сигнала тока на выходе ОСФ нет и защита не работает.

Реле и служат для запуска ГВЧ, а реле и - для подготовки цепей отключения.

Чувствительность реле, запускающих ГВЧ, должна быть больше, т.к. четкость их за­пуска определяет правильную работу защиты.

12. УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЛЭП

Способ выполнения защиты ЛЭП зависит от уровня напряжений, конфигурации сети, протяженности ЛЭП. Релейная защита линий выполняется с помощью комплекта, реаги­рующего на междуфазные замыкания (двух- и трехфазные), и отдельного комплекта, реаги­рующего на замыкания на землю (однофазные и двухфазные). Данное разделение обусловле­но тем, что зашита от замыканий на землю основана на появлении токов 3I₀, возникающих при данном виде замыканий, обладает более высокой чувствительностью.

Линии напряжений 6-10 кВ радиальной сети в основном защищаются с помощью МТЗ или МТЗ с блокировкой по минимальному напряжению, если обычная МТЗ имеет низкий k_ч.

Для обычной МТЗ /сз определяется по условию

где - коэффициент надежности; k_B - коэффици­ент возврата; k_C3 - коэффициент самозапуска асин­хронных двигателей; I_{нагр.mах} - максимальное зна­чение тока нагрузки.

Для МТЗ с блокировкой по минимальному на пряжению

Для ,

где I_{норм .раб} - нормальный ток рабочего режима.

Значение получается выше, если I_сз меньше, а I_сз, найденный по выражению (2) меньше, чем по (1).Основным недостатком МТЗ является наличие большой вы­держки времени на участках сети вблизи источников питания. В сильно загруженных сетях МТЗ обладают низким значением k_ч.

Часто для снижения времени действия защиты при больших токах к.з. используют МТЗ, выполненные на реле с зависимой от тока выдержкой времени (реле серий РТВ и РТ-80). Цифровые устройства релейной защиты, предназначенные для защиты элементов 6-10 кВ. имеют возможность реализовать характеристику , аналогичную приведенной на рис. 84. Согласование защит по времени на таком типе реле требует несколько больше рас­четов, чем МТЗ с независимой от тока выдержкой времени.

В сетях с двухсторонним питанием напряжением до 35 кВ в качестве основной защиты от междуфазных к.з. применяется направленная МТЗ. Принцип действия ее основан на том, что данная защита работает только при определенном направлении мощности к.з. (направ­ление мощности «от шин в линию»). Защиты установлены с обеих сторон линии, тем самым достигается селективное отключение поврежденного участка. Выбор I_сз производится по выражению (1). По времени между собой согласуются защиты, работающие при одинаковом направлении мощности. Выдержка времени увеличивается по мере приближения к источни­ку, от тока которого работают данные защиты.

Кроме перечисленных недостатков, свойственных МТЗ, направленная МТЗ имеет еще один - мертвую зону (недействие защиты при к.з. в месте установки защиты). Это недействие определяется поведением реле направления мощности, которое не работает при напряжении U_p = 0, подведенном к реле, что характерно для близких к месту установки защиты трех­фазных к.з. Часто для защиты линий до 35 кВ применяется трехступенчатая токовая защита. Первая ступень данной защиты - токовая отсечка без выдержки времени, вторая ступень - токовая отсечка с выдержкой времени и 3-я ступень - МТЗ, причем пусковые органы в сетях 110 кВ и выше подключаются по схеме полной звезды, а в сетях 35 кВ и ниже - по двухфаз­ной двухрелейной схеме. В сетях с изолированной нейтралью РЗ, выполненная по схеме полной звезды, может при двойных к.з. на землю отключить оба места повреждения, что не­желательно, поэтому защиту выполняют по схеме неполной звезды или по схеме включения реле на разность токов двух фаз.

В сетях с глухозаземленной нейтралью РЗ должна действовать на отключение выклю­чателя при всех видах к.з. Такую защиту выполняют двумя способами:

1) по схеме полной звезды;

2) в виде двух комплектов. Одного - от междуфазных к.з., а другого - от однофазных к.з. Комплект от междуфазных к.з. выполняется по схеме неполной звезды, а комплект от замыканий на землю - по схеме фильтра тока нулевой последовательности. Схема полной звезды менее чувствительна к однофазным к.з., чем схема ФТНП. Комплект от замыканий на землю может выполняться с меньшей выдержкой времени.

Для отключения однофазного к.з. обычно применяются защиты, реагирующие на токи и напряжения нулевой последовательности, поэтому направленная МТЗ, включенная на фазные токи, часто используется только в качестве защиты от междуфазных замыканий. В связи с этим при к.з. на землю направленная МТЗ блокируется, т.е. автоматически выводится из действия, посредством токового реле, включенного в нулевой провод ТА, соединенных в звезду. Для исключения неправильного действия защиты (реле, включенного на ток непо­врежденной фазы) применяют пофазный пуск защиты, а токи срабатывания направленных МТЗ выбирают с учетом тока неповрежденных фаз.

Токовая отсечка - самый простой вид токовой защиты. Селективность действия ее дос­тигается выбором Iсз : Iсз= k_н • I_{кз.вн.mах}, где I_{кз.вн.mах} - максимальное значение I_kз при к.ч. в начале следующей ЛЭП. При таком выборе Iсз для 1-ой ступени она охватывает не всю линию, а лишь ту часть, где I_кз > I_сз, но поскольку защита работает только на своей ЛЭП, то можно не согласовывать ее по времени с защитами соседних ЛЭП, т.е. выполнить се мгновенной. Вторая и третья ступени выполняются с выдержками времени и зона их дейст­вия охватывает свою линию (2-я ступень) и соседние линии (3-я ступень).

От замыканий на землю в сетях с изолированными и компенсированными нейтралями используются специальные защиты, обладающие повышенной чувствительностью, т.к. вели­чина тока при замыканиях на землю в таких сетях очень мала.

В таких сетях применяют защиты, подключенные к трансформаторам тока нулевой по­следовательности, направленные защиты, реагирующие на угол сдвига между током 3I₀ и напряжением 3U_о, возникающим при замыкании, а также защиты, реагирующие па токи промышленной или непромышленной частоты. Данные защиты работают на сигнал при токе замыкания I₃ < 5 А и на отключение при I3 ³ 5 А .

Линии в сетях сложной конфигурации и с напряжением U ³ 110 кВ защищаются с по­мощью дистанционных и высокочастотных защит. Данные защиты позволяют селективно отключать повреждения: высокочастотные защиты - без выдержки времени, а дистанцион­ные защиты - без выдержки времени в пределах 1-й зоны защиты. Подробные описания вы­сокочастотных защит и дистанционных защит приведены в пособии выше.

В качестве защиты линий могут применяться дифференциальные защиты - продольные и поперечные (для коротких линий).

Принцип продольной дифзащиты заключается в сравнении величин и направлений то­ков по концам линии. С трансформаторов тока с двух сторон токи подаются в реле. При к.з. за пределами линии токи компенсируют друг друга, а при к.з. на линии по реле протекает сумма этих токов и защита работает на отключение линии с двух сторон. Основной недоста­ток продольной дифзащиты заключается в наличии соединительных проводов, связывающих комплекты, - сопротивление их может быть большой величины, что приводит к увеличению нагрузки на трансформаторы тока больше допустимой. Работа трансформатора тока в таком режиме сопровождается увеличением токовой погрешности, что, в свою очередь, может при­вести к неправильной работе защиты.

Продольные дифзащиты применяются на линиях малой длины (до 10 км) и на напря­жение до 110 кВ. Поперечная дифзащита применяется на параллельных линиях, имеющих одинаковую длину и одинаковое сопротивление. Принцип действия основан на сравнении токов по величине в одноименных фазах параллельных ЛЭП. В нормальном режиме и при к.з. за пределами ЛЭП токи эти одинаковые и ток реле I_p = 0. При к.з. на одной из линий ток в ней становится больше, чем в неповрежденной линии, Ip > 0, и защита работает на от­ключение поврежденной ЛЭП без выдержки времени.

Для защиты от замыканий на землю в сетях с глухозаземленными нейтралями исполь­зуют трехступенчатую токовую защиту аналогичную описанной выше, но только токовые реле включены на трансформаторный фильтр токов нулевой последовательности. Данная защита действует на отключение ЛЭП с временем трех ступеней. 1 -я ступень мгновенная, а 2-я и 3-я - с выдержками времени.

13. ЗАЩИТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И ДВИГАТЕЛЕЙ

Релейная защита генераторов должна надежно и с необходимым защищать генератор от всех возможных к.з. В статорной обмотке возникают к.з. - междуфазные, витковые и к.з. на корпус (на землю). В роторной обмотке наиболее часто возникают замыкания на землю. К ненормальным и недопустимым режимам работы генератора относятся: увеличение из-за к.з. во внешней сети и перегрузок генератора; несимметричная нагрузка фаз, возникающая при двухфазных и однофазных к.з. во внешней сети; опасное повышение U на статоре, возникающее из-за сброса нагрузки на генераторе; на роторе могут возникать режимы «перегрузки током», которая возникает при действии АРВ.

Рис. 85 Продольная дифзащита генератора

На генераторах стоят защиты от всех перечисленных к.з. и ненормальных режимов работы, действующие чаще всего на отключение. Релейная защита генераторов должна обладать высоким , быстродействием и не допускать излишних отключений генераторов.

В качестве основной защиты статорной обмотки от всех видов к.з. используется продольная дифференциальная защита, в зону действия которой входит статорная обмотка генератора и ее выводы к сборным шинам (рис. 85).

Трансформаторы тока (ТА) установлены на нулевых выводах и со стороны выводов к сборным шинам во всех фазах, всех ТА одинаковы. ТА соединяются в « ».

Принцип действия продольной дифференциальной защиты, а также конструкции и особенности реле РНТ и ДЗТ изложены ранее.

В качестве реле КАприменяется реле РНТ-565 или ДЗТ-11, причем последнее позволяет получить более высокое значение .

При выполнении защиты на реле РНТ-565 ток срабатывания защиты выбирается исходя из двух условий:

1. , где , где - коэффициент надежности; k_одн - коэффициент однотипности, учитывающий одинаковые или различные трансформаторы тока использованы в защите; если трансформаторы тока одинаковые, то k_одн=0,5, если трансформаторы тока различные k_одн=1; - коэффициент апериодичности, учитывающий влияние апериодической составляющей , , если реле имеет отстройку от апериодической составляющей , если нет, то ; -токовая погрешность ТА; - максимальное значение периодической составляющей I_кз при расчетном внешнем к.з. (точка K1рис. 85).