Схемы включения дистанционных органов на ток и напряжение

Требования к схемам включения. Измерительные PC должны включаться на такие напряжения и токи сети, при которых сопротивление на зажимах реле , во-первых, будет пропорционально расстоянию до места повреждения и, во-вторых, будет иметь одинаковые значения (по модулю и углу) при всех видах КЗ в одной точке. Для соблюдения этих требований к ДО необходимо подводить напряжение в месте установки ДЗ, равное падению напряжения в сопротивлении до точки К: (см. рис. 6.7). При этом для обеспечения одинакового при всех видах КЗ ток , подводимый к PC, должен равняться току КЗ , вызывающему падение напряжения в сопротивлении :

(6.15)

Исходя из изложенного выше, ДО включаются на напряжение и ток петли КЗ. Схемы включения ДО, реагирующие на междуфазные КЗ и ДО, реагирующие на однофазные КЗ, должны быть разными.

Включение дистанционных органов, реагирующих на междуфазные короткие замыкания. Включение на междуфазные напряжения и разность фазных токов осуществляются согласно табл. 6.1 и рис. 6.8. При трехфазных КЗ все три ДО находятся в одинаковых условиях, к каждому из них подводится междуфазное напряжение, равное . Фазное напряжение равно падению напряжения в проводе от места установки PC до точки К. Отсюда напряжение

(6.16)

где – ток трехфазного КЗ, проходящий по фазе; – сопротивление прямой последовательности фазы от места установки реле до точки К; – расстояние до места КЗ; – удельное сопротивление прямой последовательности фазы на 1 км длины.

Рис. 6.8. Схема включения дистанционных органов от междуфазных КЗ

Ток в каждом реле равен геометрической разности токов двух фаз, т. е. , следовательно, сопротивление на зажимах каждого PC:

(6.17)

Таблица 6.1

При двухфазных КЗ, например, между фазами В и С только один ДО, включенный на напряжение между поврежденными фазами В и С, получает напряжение, пропорциональное расстоянию L. Это напряжение равно падению напряжения в фазах В и С:

. (6.18)

Ток .Отсюда находим:

. (6.19)

Таким образом, при всех видах междуфазных КЗ сопротивление на зажимах реле равно сопротивлению прямой последовательности фазы.

Включение дистанционных органов, реагирующих на однофазные короткие замыкания. Дистанционные органы, предназначенные для определения удаленности мест однофазных КЗ, включаются по схеме с токовой компенсацией (рис. 6.9). Схема предусматривает три PC, каждое из которых включается согласно табл. 6.2 на напряжение и ток:

При таком значении сопротивление на зажимах реле при однофазных КЗ получается равным сопротивлению прямой последовательности до места КЗ. Следовательно, при включении по табл. 6.2 ИО, реагирующего на однофазные КЗ, сопротивление на его зажимах получается таким же, как и у реле, реагирующих на междуфазные КЗ и включенных по табл. 6.1. В обоих случаях .

Коэффициент компенсации

задается постоянной величиной, однако его точное значение зависит от места КЗ и влияния смежных линий электропередачи.

Таблица 6.2

Величина активного сопротивления задается отдельно для междуфазных и однофазных замыканий, так как активное сопротивление в месте КЗ при однофазном замыкании существенно больше, чем при междуфазных КЗ. Для одиночной линии без грозозащитного троса можно считать, что поэтому

Рис. 6.9. Схемы включения дистанционных органов на ток

Характеристики срабатывания дистанционной защиты и их изображение на комплексной плоскости. Сопротивление является комплексной величиной, поэтому характеристики срабатывания PC и сопротивления на их зажимах удобно изображать на комплексной плоскости в осях (рис. 6.10). В данном случае по оси вещественных величин откладываются активные сопротивления ,а по оси мнимых величин – реактивные сопротивления

Полное сопротивление на зажимах реле может бытьвыражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа и изображено в осях вектором с координатами и (рис. 6.10, а). Величина этого вектора характеризуется модулем а его направление – углом , который определяется соотношением и . На рис. 6.10, б видно, что угол равен углу сдвига фаз между векторами тока и напряжения , следовательно, можно считать, что на комплексной плоскости вектор совпадает с осью положительных сопротивлений R,а напряжение – с направлением Z_p. Тот или иной участок сети, например, W1(рис. 6.10, в) можно представить в осях величиной , имея в виду, что каждая точка ЛЭП характеризуется определенными сопротивлениями и .

а) б) в)

г) д)

Рис. 6.10. Характеристики реле сопротивления на комплексной плоскости R, jX:
а – изображение Z_p; б – треугольник сопротивлений; в, г – участок сети
и его изображение в осях R, jX; д – область сопротивлений Z_р при КЗ
через сопротивление электрической дуги R_дφ

Если сопротивление всех участков сети имеет один и тот же угол то их геометрическое место на комплексной плоскости изображается в виде прямой, смещенной относительно оси R на угол (рис. 6.10, г). Начало защищаемой ЛЭП, где установлена рассматриваемая ДЗ А, совмещается с началом координат (рис. 6.10, в, г). Координаты всех участков сети, попадающих в зону ДЗ А,считаются положительными и располагаются в I квадранте комплексной плоскости (рис. 6.10, г). Координаты участков сети (рис. 6.10, в) слева от точки А считаются отрицательными и располагаются в IIIквадранте. Сопротивление линии W1показано на диаграмме отрезком АВ, W2 – отрезком ВС и W3 –отрезком АО. Сопротивление от места установки ДЗ до точки К изображено отрезком АК под углом к оси R (рис. 6.10, в, г). Если КЗ произошло через электрическую дугу, имеющую активное сопротивление , то сопротивление до места КЗ будет изображаться отрезком , равным геометрической сумме отрезков и (рис. 6.10, д):

Исследования показали, что значение R пропорционально длине дуги , м, и тем меньше, чем больше ток КЗ: ,где К – постоянная величина, равная 1200–1600.

Графическое изображение характеристик срабатывания реле. Характеристики срабатывания PC выпуска ЧЭАЗ (рис. 6.11) представляют собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию Заштрихованная часть характеристики, где соответствует области действия реле. При Z_р, выходящих за пределы заштрихованной части, т. е. при , реле не работает. Однако область срабатывания PC имеет ограничения: реле не должно действовать при сопротивлении нагрузки ( ) и при качаниях. Для этого векторы и должны располагаться за пределами области срабатывания реле, т. е. должно соблюдаться условие и по возможности .

Ненаправленное реле полного сопротивления. Характеристика этого реле (рис. 6.11, а) имеет вид окружности с центром в начале координат и радиусом, равным Реле работает при при любых углах между вектором и осью R. Характеристика срабатывания PC выражается уравнением где К –постоянная величина.

Зона действия реле расположена в четырех квадрантах, в том числе в I и III. Реле с характеристикой (рис. 6.11, а) работает как ненаправленное PC.

Направленное реле полного сопротивления. Данное реле имеет зависящее от угла (рис. 6.11, б). Его характеристика срабатывания изображается окружностью, проходящей через начало координат. Сопротивление срабатывания имеет максимальное значение при где – угол максимальной чувствительности реле, при котором , т. е. равен диаметру окружности ОВ.

Зависимость срабатывания этого реле от угла может быть представлена в виде

Реле не работает при , расположенных в IIIквадранте. Это означает, что оно не может действовать, если мощность направлена к шинам подстанции. Следовательно, рассмотренное реле является направленным. Направленное PC имеет «мертвую зону» при повреждениях в начале защищаемой ЛЭП.

Реле с круговой характеристикой, смещенной относительно начала координат.На рис. 6.11, в приведена характеристика, смещенная в III квадрант на расстояние Z". Такое реле рассчитано на работу при КЗ на защищаемой линии W1 (рис. 6.11, в) и включает в зону своего действия питающие эту ЛЭП шины и часть длины (пропорциональную Z") других отходящих от шин ЛЭП. На рис. 6.11, в – это шины А и часть ЛЭП W3. Уравнение смещенной характеристики в векторной форме имеет вид

Для ДО второй и третьей ступеней находят применение реле с характеристикой, смещенной в сторону I квадранта. Такая характеристика позволяет увеличить зону действия и улучшить отстройку от нагрузки.

Реле с эллиптической характеристикой.На рис. 6.11, г изображена характеристика направленного реле, имеющая вид эллипса. Сопротивление срабатывания такого реле зависит от угла и имеет наибольшее значение при . Угол , как и в предыдущем случае, равен . Сопротивление равно большой оси эллипса 2а. Как известно, эллипс является геометрическим местом точек, сумма расстояний которых до фокусов b и d постоянна и равна большой оси 2а. На основании этого, обозначая координаты фокусов b и d, Z' и Z", а координаты любой точки С эллипса – , получаем уравнение эллиптической характеристики:

По сравнению с круговой характеристикой эллиптическая характеристика имеет меньшую рабочую область. Это дает возможность лучше отстроить реле от качаний и перегрузок, но ухудшает чувствительность при КЗ через переходное сопротивление .

Реле с характеристикой в виде многоугольника. Характеристика направленных PC, имеющая форму четырехугольника, показана на рис. 6.11, д. Сопоставляя эту характеристику с площадью ОКК'К" (рис. 6.11, д), можно установить, что четырехугольная характеристика реле в большей мере, чем другие характеристики, совпадает с контуром области расположения векторов при КЗ и является с этой точки зрения наиболее рациональной.

Пунктиром показан вариант характеристики ОА' и ВС',предусматривающий расширение зоны реле для обеспечения его действия при двустороннем питании КЗ через переходное сопротивление. С учетом сопротивления электрической дуги вектор может располагаться при КЗ на защищаемом участке ЛЭП в пределах площади четырехугольника ОА'ВС'. Действие реле при КЗ будет обеспечено, если характеристика срабатывания реле будет охватывать область комплексной плоскости, в которой может находиться вектор сопротивления при КЗ на ЛЭП (площадь ОА'ВС', рис. 6.11, д).

На рис. 6.11, е показана характеристика, имеющая форму
треугольника, применяемая для третьей зоны ДЗ. Она позволяет отстроиться от при больших значениях тока нагрузки , чему соответствует минимальное значение и допускает срабатывание PC при значительном переходном сопротивлении в случае удаленных КЗ.

Реле реактивного сопротивлениясрабатывает при

,

где К – постоянная величина.

Характеристика таких PC изображается прямой линией, параллельной оси X (рис. 6.11, ж), отстоящей от нее на расстоянии

Рис. 6.11. Характеристики срабатывания реле сопротивления

Характеристики микропроцессорных дистанционных защит. Микропроцессорная ДЗ работает при всех видах повреждения, измеряя разность фазных токов при междуфазных КЗ и линейное напряжение между двумя фазами. При однофазном КЗ реле измеряет фазный ток и фазное напряжение.

Сопротивление при однофазном замыкании значительно больше, чем при междуфазном Х₀ = (2–5,5)Х₁. Кроме этого в проводе, в котором возникло КЗ, наводится напряжение от тока, протекающего в других линиях, находящихся в зоне влияния. В защите все это учитывается коэффициентом компенсации . При однофазном замыкании реле измеряет величину .К фазному току добавляется ток нулевой последовательности, умноженный на коэффициент компенсации. Поскольку ток в смежных линиях может не совпадать по фазе с током на поврежденной линии, коэффициент компенсации представляет собой комплексную величину, поэтому должны быть рассчитаны величина и угол компенсации.

Дистанционная защита учитывает, что КЗ может быть через дугу, имеющую активное сопротивление. Это сопротивление учитывается расширенной характеристикой защиты. Величина сопротивления дуги зависит от величины тока и длины дуги. При замыкании на землю ток меньше, а длина дуги значительно больше. Поэтому и сопротивление дуги значительно больше. Уставки по активному сопротивлению защиты выполняются по возможности большими и отстраиваются от активного сопротивления нагрузки.

Дистанционная защита PD632 или MiCOM P433–P439 может быть выполнена с круговой или прямоугольной характеристикой.