Принцип действия, основные органы и выбор параметров максимальной токовой направленной защиты

 

Основные органы защиты. Защита содержит два вида измери­тельных реле: максимальное реле тока КА и реле направления мощности KW (рис. 8.2), которые образуют соответственно изме­рительные органы тока и направления мощности. Выдержка вре­мени создается с помощью реле времени КТ. Защиту можно вы­полнить с использованием электромеханических реле на постоян­ном (рис. 8.2) или переменном оперативном токе. Имеются также схемы защиты на полупроводниковых элементах.

Принцип действия защиты. Размещение защит А1—А4 показа­но на рис. 8.3, а. Из рассмотрения векторных диаграмм напряже­ния и тока (рис. 8.3, б, в) следует, что фаза тока в месте включе­ния защит А2 и A3 относительно напряжения Ů _Б на шинах под­станции Б при перемещении повреждения из точки К ₁ в точку К ₂дискретно изменяется на угол π. При построении векторных диа­грамм за положительное направление тока принято направление от шин в сторону линии (рис. 8.3, а). Угол φ_л сдвига фаз то­ка İ _к относительно напряжения считается положительным при от­стающем токе и отрицательным при опережающем токе.

Защиту А2 необходимо выполнить так, чтобы она действовала на отключение только при углах сдвига фаз между током и напря­жением, соответствующих короткому замыканию в точке К ₁, а защиту А3 – при повреждении в точке К ₂. Из этого следует, что реле направления мощности при подведении к нему напряжения Ů _р= Ů _Б и тока İ _р= İ' _к (рис. 8.3, б) и İ _р= İ'' _к (рис. 8.3, в) должно срабатывать при угле φ_р между Ů _р и İ _р, равном φ_л, и не срабатывать при φ_р=(φ_л+π).

Выбор выдержки времени. Наличие реле направления мощности в схемах защит А2 и А3 дает возможность не согласовывать между собой их выдержки времени. Действительно, при коротком замыкании в точке К ₁ векторная диаграмма напряжения и тока у места установки защиты А ₄ такая же, как и у места установки защиты А2, в связи с чем приходят в действие только эти защиты. Поэтому для селективного отключения поврежденного участка АБ необходимо, чтобы выдержка времени t₂ защиты А2 была меньше выдержки времени t₄ защиты А4. Точно так же долж­ны быть согласованы между собой выдержка времени t ₃ защиты A3 и выдержка времени t ₁ защиты А1, что следует из рассмотре­ния векторных диаграмм напряжения и тока у места установки этих защит при коротком замыкании в точке К ₂ (рис. 8.3, в).

Таким образом, благодаря реле направления мощности все защиты разбиваются на две группы (А2, А4 и A3, А1), не связан­ные между собой выдержками времени. В пределах каждой груп­пы выдержки времени выбираются, как у максимальной токовой защиты, по ступенчатому принципу: t ₄ = t ₂+ Δ t и t ₁= t ₃+ Δt. В соответствии с этим на рис. 8.4 построены характеристики вы­держки времени максимальных токовых направленных защит с независимой выдержкой времени в радиальной сети с двусторон­ним питанием, состоящей из трех участков. Стрелками указано на­правление мощности, при котором органы направления разрешают защитам срабатывать. С учетом этого защиты объединены в две группы: А2, А4, А6 и А5, A3, А1. Минимальную выдержку времени имеют защиты А2 и А5. Они отстраиваются по времени от защит других присоединений соответственно подстанций A и Г. В каж­дой группе защит время срабатывания увеличивается по мере приближения к источникам питания. Принято считать, что вы­держки времени максимальных токовых направленных защит определяются по встречно-ступенчатому принципу.

 Учитывая действие реле направления мощности, можно убе­диться в селективном действии защиты при коротком замыкании в любой точке рассматриваемой сети. Селективность не наруша­ется, если некоторые защиты выполнить без органа направления мощности. В действительности нет необходимости снабжать орга­ном направления мощности защиту A3, так как в рассматриваемом случае она отстроена от защиты А2 по времени. По такой же при­чине без органа направления мощности можно выполнить защи­ты А4, А1 и А6 (t ₄> t ₅; t ₁> t _A; t ₆> t _Г ).

В общем случае при наличии на подстанции нескольких при­соединений защита, имеющая наибольшую выдержку времени, мо­жет не иметь органа направления мощности, так как селективность ее действия при коротких замыканиях на других присоединениях обеспечивается выдержкой времени.

 Действие защиты в кольцевых сетях. В кольцевых сетях с од­ним источником питания (рис. 8.5, а) выдержки времени макси­мальных токовых направленных защит также выбирают по встреч­но-ступенчатому принципу. При этом, однако, защиты А2 и А5, установленные на приемных сторонах головных участков АБ и АВ, можно выполнить действующими без выдержки времени. Такая возможность определяется направлением мощности в этих защи­тах. При нормальной работе, а также при внешних коротких за­мыканиях на участках кольца и других присоединениях подстан­ций Б и В мощность у места установки защит А2 и А5 всегда направлена от линий к шинам, поэтому их органы направления мощности препятствуют срабатыванию. Защиты также не сраба­тывают при повреждениях вне кольца на других присоединениях подстанции А, так как ток повреждения при этом по кольцу не проходит. Только при коротких замыканиях на защищаемых ли­ниях АБ и АВ органы направления мощности защит А2 и А5 срабатывают и защиты смогут подействовать на отключение. Это дает возможность выполнить их действующими без выдержки времени и принципиально отказаться от измерительных органов тока.

При коротком замыкании на головном участке АБ вблизи шин подстанции А, например в точке K ₁, ток к.з. в точку повреждения в основном проходит через выключатель Q1 (ток I' _к). Только не­большая доля тока к.з., равная I'' _к, замыкается по кольцу. При приближении точки повреждения K ₁ к шинам А ток I'' _к уменьшает­ся и при некотором расстоянии между точкой K ₁ и подстанцией А становится меньше тока, необходимого для срабатывания защи­ты А2. Защита А2 срабатывает только после отключения защи­той А1 выключателя Q1, когда весь ток повреждения проходит по кольцу. Таким образом, при повреждении в пределах некоторой зоны, расположенной в рассматриваемом случае у шин А, защи­та А2 действует всегда только после срабатывания защиты А1 независимо от соотношения их выдержек времени. Такое пооче­редное действие защит, как уже известно, называется каскадным, а указанная зона — зоной каскадного действия. В общем случае зона каскадного действия может распространяться на линии, смеж­ные с головными участками.

При каскадном действии защит время отключения поврежден­ного участка увеличивается. Кроме того, может происходить не­правильная работа защит А4 и А6, органы направления мощности которых при коротком замыкании в точке K ₁ находятся в состоя­нии после срабатывания. Неправильное действие может произойти в том случае, если их токи срабатывания I _с.з4 и I _с.з6 меньше то­ка I'' _к , а ток срабатывания I _с.з2 защиты А2 — больше I'' _к. Поэтому желательно сокращение зоны каскадного действия.

На рис. 8.5, б показана кольцевая сеть с двумя источниками питания. В такой сети встречно-ступенчатый принцип не обеспечи­вает селективного действия защиты. Это трудно осуществить и в кольцевой сети с одним источником питания, если имеются диа­гональные связи, не проходящие через шины источника питания (связь между шинами Б и Г, показанная штриховой линией).

Выбор тока срабатывания. Ток срабатывания максимальной токовой направленной защиты, как и рассмотренной выше (см. § 6.3) максимальной токовой (ненаправленной) защиты, должен удовлетворять условию

 

I _с.з > (k _зап k _с.з / k _в) I _раб.max.                                          (8.3)

 

Однако в отличие от максимальной токовой защиты при опре­делении максимального рабочего тока I _раб.max можно учитывать только максимальный режим, соответствующий направлению мощ­ности от шин в линию. При этом может оказаться, что в режиме передачи мощности от линии к шинам измерительный орган тока сработает, однако защита в целом не подействует из-за органа направления мощности. Как уже отмечалось, в таких условиях находятся защиты А2 и А5 (рис. 8.5, а), установленные с прием­ной стороны головных участков кольцевой сети.

При снижении тока срабатывания защиты необходимо учиты­вать возможность нарушения цепей напряжения и вследствие этого переориентацию органа направления мощности. Поэтому в схему защиты включается устройство контроля исправности цепей на­пряжения (см. § 1.2), если ток срабатывания измерительного орга­на тока не отстроен от максимальной нагрузки при ее направле­нии к шинам. Устройство контроля исправности цепей напряже­ния должно при срабатывании выводить защиту из действия. Если режим максимальной нагрузки при ее направлении к шинам проявляется редко, то устройство контроля исправности цепей напряжения может действовать на сигнал. При этом ток срабаты­вания I _с.з должен быть больше рабочего тока при нормальной работе вне зависимости от направления мощности:

 

I _с.з > (k _зап / k _в) I _раб..                                                      (8.4)

 

В сетях с глухозаземленными нейтралями при коротком замы­кании на землю возможны срабатывания реле направления мощ­ности, включенных на токи неповрежденных фаз при направлении мощности к.з. к шинам [11]. Поэтому при выборе тока срабатыва­ния защиты кроме двух условий (8.3) и (8.4) должно выполняться третье, по которому I _с.з должен быть больше максимального тока неповрежденных фаз:

 

I _с.з > k _зап I _нп.max..                                                         (8.5)

 

Условие (8.5) не учитывается, если защита выполняется так, что при коротких замыканиях на землю она автоматически выво­дится из действия.

Как уже отмечалось, возможно нарушение селективности за­щиты в режиме каскадного действия. Во избежание этого при вы­боре тока срабатывания необходимо согласовывать чувствитель­ность защит смежных участков. Это согласование, как и выбор выдержек времени, проводится только для защит, входящих в одну группу, например А2, А4 и А6 (рис. 8.5, а). Причем защита, имею­щая меньшую выдержку времени, должна иметь и меньший ток срабатывания, т. е. I _с.з3< I _с.з4< I _с.з6 . В общем случае в пределе каждой группы защит должно выполняться условие

 

I _{с.з n} > k _зап I _{с.з ( n-1 )}.                                                       (8.6)

 

Таким образом, токи срабатывания, как и выдержки времени, должны удовлетворять встречно-ступенчатому принципу и выби­раться по условию, дающему большее значение тока.

Мертвая зона защиты. Как уже отмечалось (см. § 2.6), дейст­вие реле направления мощности определяется углом сдвига фазφ_p. Однако для срабатывания реле необходимо, чтобы подводимое к нему напряжение было не меньше чем U _c.pmin. Соответствующим включением реле это обеспечивается при всех несимметричных коротких замыканиях в любой точке защищаемой линии. Мерт­вая зона практически образуется только при металлических трех­фазных коротких замыканиях на небольшом участке l _м.з , располо­женном у места включения реле.

При коротком замыкании в конце мертвой зоны остаточное междуфазное напряжение у места включения реле

 

U ⁽³⁾_ост = U _p = √3 I ⁽³⁾_к Z _1уд l _м.з / К _U,

 

где Z _1уд — полное удельное электрическое сопротивление прямой последовательности линии, Ом/км.

Для угла максимальной чувствительности U _p= U _c.pmin (см. § 2.6). В общем случае угол φ_p отличается от угла максимальной чувствительности, поэтому при трехфазном коротком замыкании в конце мертвой зоны выполняется условие U _p= U _c.pmin/cos(φ_p+α). С учетом этого из соотношения для определения U ⁽³⁾_ост получается выражение для мертвой зоны реле направления мощности:

 

l _м.з = К _U U _c.pmin/[√3 I ⁽³⁾_к Z _1удcos(φ_p+α)].                   (8.7)

 

Выражение (8.7) справедливо при больших кратностях тока I ⁽³⁾_к, при которых U _c.pmin остается практически постоянным. В общем случае длина l _м.з определяется исходя из необходимости иметь минимальную мощность срабатывания S _c.pmin. Учитывая, что

 

S _c.p = U _p I _p = [√3 I ⁽³⁾_к Z _1уд l _м.з / К _U ] I ⁽³⁾_к / K_I,

 

можно получить

 

l _м.з = К _U K_I S _c.pmin/[√3 Z _1уд(I ⁽³⁾_к)² cos(φ_p+α)].           (8.8)

 

Наличие мертвой зоны является недостатком направленной за­щиты, хотя длина этой зоны, как правило, невелика.