Принципы действия и назначение дифференциальных защит линий и трансформаторов

На линиях, отходящих от шин электростанций или узловых подстанций энергосистем, часто по условиям устойчивости тре­буется обеспечить отключение к. з. в пределах всей защищаемой линии без выдержки времени (t = 0). Это требование нельзя выполнить с помощью мгновенных токовых отсечек, так как зона их действия охватывает только часть защи­щаемой линии. Кроме того, отсечки неприменимы на коротких линиях, где токи к. з. в начале и конце линии не имеют сущест­венного различия. В этих случаях используются защиты, прин­цип действия которых обеспечивает отключение повреждений без выдержки времени в пределах всей защищаемой линии, в том числе и на линиях малой протяженности.

К защитам такого типа относятся дифференциаль­ные защиты. Они обеспечивают мгновенное отключение к. з. в любой точке защищаемого участка и обладают селектив­ностью при к. з. за пределами защищаемой линии (внешние к. з.).

Дифференциальные защиты подразделяются на продоль­ные и поперечные. Первые служат для защиты как одинарных, так и параллельных линий, вторые — только парал­лельных линий.

Принцип действия продольной дифференциальной защиты

Принцип действия продольных дифференциальных защит ос­нован па сравнении величины и фазы токов в начале и конце защищаемой линии.

Как видно из рис. 1, при внешнем к. з. токи II и III на концах линии АВ направлены в одну сторону и равны по величине, а при к. з. на защищаемой линии они направлены в разные сто­роны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопо­ставляя величину и фазу токов II и III, можно определять, где возникло к. з. — на линии или за ее пределами. Такое сравнение токов по величине и фазе осуществляется в реагирующем органе (реле) дифференциальной защиты.

Для этой цели по концам линии устанавливаются трансфор­маторы тока TI и TII с одинаковым коэффициентом трансформации. Их вторичные обмотки соединяются при помощи соединительного кабеля и подключаются к дифференциальному реле таким образом, чтобы при внешних к. з. ток в реле был равен разности токов в начале и конце линии, т. е. II - III, апри к. з. на линии — их сумме II + III.

Имеются две принципиально различные схемы дифференци­альных защит с циркулирующими токами и уравновешенными напряжениями.

Оценка продольной дифференциальной защиты.

Принцип действия защиты прост и надежен. Защита не реаги­рует на качания и перегрузки и действует без выдержки времени при коротком замыкании в любой точке линии. К недостаткам защиты следует отнести высокую стоимость соединительного кабеля и работ по его прокладке, а также возможность ложной работы при повреждении соединительных проводов.

При наличии автоматического контроля повреждения кабеля обнаруживаются, как правило, своевременно, и случаи ложной работы защиты по этой причине редки. Защиту следует применять на коротких линиях в тех случаях, когда требуется мгновенное отключение повреждений в пределах всей линии.

Защита получила распространение на линиях 110 и 220.кВ длиной до 10—15 км.

Принцип действия и виды поперечных дифференциальных защит параллельных линий.

Поперечные дифференциальные защиты применяются на па­раллельных линиях, имеющих одинаковое сопротивление, и основаны на сравнении величин и фаз токов, протекающих по обеим линиям. Благодаря равенству сопротивлений линий в нормальном режиме и при внешнем к. з. токи в них равны по величине и фазе (II =III) (рис. 2).

В случае к. з. на одной из линийравенство токов нарушается. На питающем конце (А) линии токи II и III совпадают по фазе, но различаются по величине, а на приемном (В) противоположны по фазе, что следует из токораспределения, приведенного на рис. 2 б. Таким образом, нарушение равенства токов в параллельных линиях по величине или фазе является признаком повреждения одной из них.

Поперечные дифференциальные защиты применяются двух видов: на параллельных линиях, включенных под один общий выключатель, — токовая поперечная дифференциальная защита, на параллельных линиях с самостоятельными выключателями; -направленная поперечная дифференциальная защита.

Дифференциальная защита Назначение и принцип действия дифференциальной защиты (рис. 3).

Принцип действия дифференциальной защиты трансформаторов, так же как и дифференциальной защиты линий и генераторов, основан на сравнении величины и направления токов до и после защищаемого элемента (в данном случае трансформатора). При внешнем к. з. и нагрузке токи II и III с обоих концов трансформатора направлены в одну сторону, как показано на рис. 3, а, и находятся в определенном соотношении, равном коэффициенту трансформации трансформатора

При к. з. в трансформаторе токи II и III направлены встречно от шин к месту повреждения (рис. 3, а). В первом случае защита не должна действовать, во втором — должна работать. С учетом этого и выполняется схема защиты. Трансформаторы тока T I и T II, питающие схему, устанавливаются с обоих сторон защищаемого трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются разноименными полярностями так, чтобы при внешнем к. з. и нагрузке вторичные токи IIВ и IIIВ были направлены в контуре соединительных проводов последовательно (циркулировали по ним). Дифференциальное реле Р включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соединении в случае внешнего к. з. и при токе нагрузки вторичные токи IIВ и IIIВ замыкаются по обмотке реле Р и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен разности вторичных токов:

При к. з. в защищаемом трансформаторе вторичные токи IIВ и IIIВ проходят по обмотке реле в одном направлении, как это следует из рис. 3, б, в результате этого ток в реле равен их сумме:

Если I_р > I_cр, то реле сработает и отключит трансформатор.

Для того чтобы, дифференциальная защита не работала при нагрузке и внешних к. з., необходимо уравновесить вторичные токи в плечах защиты так, чтобы ток в реле, равный их разности, отсутствовал:

Для этого необходимо, чтобы

.

Эти выражения являются условием селективности при внешних к. з.

5- 4. Принципы действия и назначение дистанционных защит. Структурная схема.

Назначение и принцип действия.

В сетях сложной конфигурация с несколькими источниками питания максимальные и направленные защиты не могут обеспечить селективного отключения к. з. В этом нетрудно убедиться на примере кольцевой сети с двумя источниками питания, представленной на рис. 1.

При к. з. на линии Л2 максимальная направленная защита 3 должна работать быстрее защиты 1, а при к. з. на линии Л1, наоборот, защита 1 должна работать быстрее защиты 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены при помощи максимальной направленной защиты. Кроме того, максимальные и направленные защиты часто не удовлетворяют требованию быстроты действия. Токовые отсечки далеко не всегда применимы, а продольные дифференциальные защиты могут устанавливаться только на коротких линиях.

В связи с этим возникла необходимость в применении других принципов, позволяющих получить защиты с необходимым быстродействием, обеспечивающие селективность и чувствительность в электрических сетях любой конфигурации. Одной из таких защит является дистанционная защита.

Выдержка времени дистанционной защиты t зависит от расстояния (дистанции) L_рк (рис. 2) между местом установки защиты и точкой к. з., т. е. t = f (L_рк), и нарастает плавно или ступенчато с увеличением этого расстояния (рис. 3). При таком принципе действия ближайшая к месту повреждения дистанционная защита всегда имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные защиты, благодаря этому автоматически обеспечивается селективное отключение поврежденного участка

Например, при к. з. в точке К₁, (см. рис. 2) защита 2, расположенная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдержкой времени, чем более удаленная защита 1. Если же к. з. возникнет в точке К₂, то время действия защиты 2 автоматически увеличится и к з. будет селективно отключено защитой 3, которая в этой случае срабатывает быстрее остальных защит (2 и 1).

Основный элементом дистанционной защиты является дистанционный орган (называемый также измерительным органом), определяющий удаленность к. з. от места установки защиты.

В качестве дистанционного (измерительного) органа используются реле сопротивления, непосредственно или косвенно реагирующее на полное, активное, или реактивное сопротивление линии (z, r, x). Сопротивление фазы линии от места установки реле до места к. з. пропорционально длине этого участка, так как

,

,

где z_рк, r_рк, x_рк - полное, реактивное и активное сопротивления участка линии длиной l_рк; z_y, x_y, r_у - удельное сопротивление на 1км линии.

Таким образом, поведение реле, реагирующих на сопротивление линии, зависит от удаленности места повреждения L_рк. В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует дистанционный орган (z, х или r), дистанционные защиты подразделяются на защиты полного, реактивного и активного сопротивлений. Дистанционные защиты реактивного и особенно активного сопротивлений применяются редко.

Для обеспечения селективности дистанционные защиты в сетях сложной конфигурации необходимо выполнять направленными, действующими только при направлении мощности к. з. от шин в линию (рис. 1). Выдержки времени у защит, работающих при одинаковом направлении мощности, взаимно согласовываются так, чтобы при к. з. за пределами защищаемой линии каждая защита имела выдержку времени на ступень больше выдержки времени защит на следующем участке. Направленность действия дистанционных защит осуществляется при помощи обычных реле направления мощности или путем применения направленных измерительных или пусковых органов, способных реагировать на направление мощности к. з.

Характеристики выдержки времени дистанционных защит.

Зависимость времени действия дистанционной защиты от расстояния или сопротивления до места к. з. t = f (L_рк) или t =f(z) называется характеристикой выдержки времени дистанционной защиты. Но характеру этой зависимости дистанционные защиты делятся на три группы: с плавно нарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенчатыми и комбинированными характеристиками (рис. 3).

Конструктивное выполнение дистанционных защит с наклонной и комбинированной характеристиками значительно сложнее, чем с характеристикой ступенчатого типа; в то же время ступенчатые защиты обеспечивают более быстрое отклонение повреждений, чем защиты с наклонной характеристикой. В результате этого наиболее распространенными являются дистанционные защиты со ступенчатой характеристикой. Они выполняются в большинстве случаев с тремя ступенями времени: t_I, t_II, t_III, соответствующими трем зонам действия защиты (рис. 3, б). Имеются защиты и с большим числом ступеней и зон, но увеличение их числа ведет к усложнению защит и не дает существенной пользы.

Элементы и упрощенная схема дистанционной защиты.

Дистанционная защита относится к числу сложных защит. Все разновидности этой защиты состоят из нескольких общих элементов (органов защиты), выполняющих определенные однотипные функции.

Взаимную связь между органами дистанционной защиты, их назначение и выполняемые ими функции можно пояснить упрощенной схемой защиты со ступенчатой характеристикой, показанной для одной фазы на рис. 5.

Защита состоит из следующих органов:

1) пускового органа 1, пускающего защиту при возникновении к. з. Обычно пусковой орган выполняется при помощи реле полного сопротивления или токовых реле. На рис. 5 в качестве пускового органа 1 показано реле сопротивления, питаемое током I_р и напряжением U_Р сети;

2) дистанционного органа 2, определяющего удаленность места к. з. В ступенчатых защитах - выполняется с помощью реле минимального сопротивления. К реле подводятся ток и напряжение защищаемой линии (I_p и U_p), и оно срабатывает при условии, что

где z_c.p - наибольшее сопротивление, при котором реле начинает действовать, т. е. сопротивление срабатывания реле.

Сопротивление z_p иногда называется фиктивным, так как в некоторых режимах (например, при нагрузке и качаниях) z_р не является сопротивлением лилии. В этих случаях оно представляет собой отношение U_Р/I_Р, обладающее размерностью сопротивления, но не имеющее физического значения;

3) органа выдержки времени 3, создающего выдержку времени, с которой в зависимости от поведения дистанционного органа действует защита; выполняется в виде реле времени обычной конструкции;

4) органа, направления мощности 4, не позволяющего работать защите при направлении мощности к. з. к шинам подстанции. Выполняется при помощи реле направления мощности и предусматривается только в тех случаях, когда пусковые и дистанционные органы не обладают направленностью;

5) блокировки, автоматически выводящее защиту из действия в тех режимах, когда защита может сработать неправильно при отсутствии повреждения. Обычно применяются две блокировки: а) блокировка 5 от исчезновения напряжения U_р при неисправностях в цепях напряжения, питающих защиту; при U_р = О, z_р = 0, в этих условиях пусковые реле (если они реагируют на z) и дистанционные органы защиты приходят в действие, что может привести к неправильной работе защиты; блокировка 5 она приходит в действие при неисправностях в цепях напряжения, снимает оперативный ток с защиты, не позволяя ей действовать на отключение;

6) блокировка 6 от неправильного действия защиты при качаниях в системе; в этом режиме напряжение U_р снижается, а ток I_р возрастает, при этом z_p уменьшается, в результате чего пусковые и дистанционные органы защиты могут сработать и вызвать неправильное действие защиты; при возникновении качаний блокировка 6 приходит в действие и выводит защиту из работы, размыкая ее цепь отключения.

Работа схемы. При к. з. на линии работают пусковое реле ПО и реле мощности ОМ. Через их контакты подается плюс постоянного тока к контактам дистанционных органов и на катушку реле времени третьей зоны. Если к. з. возникло в пределах первой зоны, то дистанционный орган первой зоны ДО₁ замыкает контакты, образуя цепь на отключение линии. Если к. з. произошло во второй зоне, ДО₁ не работает, так как сопротивление на его зажимах больше уставки сопротивления срабатывания первой зоны (z_р > z₁). В этом случае приходит в действие дистанционный орган второй зоны ДО_II. Он замыкает, контакты и пускает реле времени В_II. По истечении времени t_IIB_II замыкает контакт и посылает импульс на отключение.

При к. з. за пределами второй зоны дистанционные органы ДО_I и ДО_II не работают, так как сопротивления на их зажимах превышают уставки сопротивления срабатывания. Защита не может действовать со временем первой и второй зон. Реле времени В_III, запущенное пусковым реле, срабатывает, когда истечет его выдержка времени t_III, и посылает импульс на отключение выключателя. Специальных измерительных органов третьей зоны для упрощения защиты обычно не ставят.