Общие вопросы выполнения релейной защиты

ЧАСТЬ 1

Казань 2012

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УДК 621.316.925.1

ББК 31.279.1

В24

В24

Релейная защита электроэнергетических систем.Конспект лекций по дисциплине «Релейная защита электроэнергетических систем». Для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения / Сост.: Э.Ф. Хакимзянов, И.Л. Кузьмин, Д.Ф. Губаев – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2012. – 171 с.

Изложены принципы действия автоматических устройств защитного отключения – релейной защиты электроэнергетических систем с иллюстрацией их действия алгоритмами функционирования. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и очно-заочной форм обучения по направлению подготовки 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем». В подготовке данного учебного пособия принимал участие студент Денисенко С.А. (гр. АУСм-1-11)

УДК 621.316.925.1

ББК 31.279.1

Ó Казанский государственный энергетический университет, 2012

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ФУНКЦИИ И СВОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

На рис. 1.1 показана схема части электроэнергетической системы. Условно изображены: электростанция (ЭС) с генераторами G и трансформаторами Т, электроэнергетическая система (ЭЭС), связывающие их транзитные линии электропередачи с двухсторонним питанием Л1 - Л3, их автоматические выключатели Q и линии потребителей электроэнергии с односторонним питанием, отходящие от шин А, Б, В, Г подстанций. Каждый выключатель снабжен приводом, представляющим собой механическое или электромеханическое устройство, имеющее электромагниты включения YAC и отключения YAT. При подаче напряжения на электромагнит включения происходит включение выключателя (срабатывает YAC); при подаче напряжения на электромагнит отключения – его отключение (срабатывает YAТ). При номинальных напряжениях U _ном≤220 кВ применяются трехфазные приводы, производящие включение или отключение одновременно всех трех фаз.

Рис. 1.1. Схема электроэнергетической системы

При функционировании ЭЭС возможны различные ее состояния: нормальный режим работы, утяжеленный (ненормальный), аварийный и послеаварийный режим.

К утяжеленному относится режим, сопровождающийся сверхтоками перегрузок, сниженными амплитудой и (или) частотой напряжения, качаниями синхронных генераторов, однофазным замыканием на землю в сети с изолированной (компенсированной) нейтралью.

Аварийный режим наступает при возникновении короткого замыкания (КЗ). При КЗ в т. К на Л2 токи КЗ протекают по линиям Л1 - Л3. Для линии Л2 указанное КЗ – это внутреннее повреждение, а для Л1 и Л3 – внешнее, проходящие по ним токи называются внешними (сквозными) токами. Для ликвидации повреждения защиты 3 и 4 (номера защит и выключателей совпадают) должны воздействовать на отключение выключателя Q3 и Q4. При отказе защиты 3 или выключателя Q3 ликвидация повреждения возможна отключением Q1 и Q2.

Основное назначение релейной защиты (РЗ) – выявление повреждения и действие на отключение выключателей для отделения поврежденного электроэнергетического объекта.

Дополнительное назначение релейной защиты – выявление утяжеленного режима работы и выдача информации о нем – действие на сигнал.

На каждом из указанных на схеме рис. 1.1 элементов ЭЭС в общем случае должна быть установлены основная и резервная защиты.

Основной называют защиту, которая должна действовать ранее других при внутренних повреждениях – при КЗ на защищаемом элементе.

Резервная защита предусматривается для действия вместо основной и вместо защит смежных элементов при их отказе или отказе их выключателей.

Включенная в работу защита выполняет ряд функций:

- не срабатывает в нормальном и утяжеленном режимах при отсутствии повреждений – отсутствии требований к срабатыванию;

- не срабатывает при внешних КЗ, если работают защиты и выключатели поврежденного элемента;

- срабатывает при внутренних повреждениях.

В процессе эксплуатации возможны отказы функционирования, к которым относятся:

- ложное срабатывание – срабатывание при отсутствии повреждений;

- излишнее срабатывание – срабатывание при внешних КЗ и отсутствии требований к срабатыванию (когда на смежных элементах сработают защиты и отключат соответствующие выключатели);

- отказ срабатывания – несрабатывание при требовании к срабатыванию (или повреждении на защищаемом элементе, или внешних повреждениях и отказе защит или выключателей этих элементов).

Для выполнения перечисленных функций защита должна обладать определенными свойствами: селективностью и устойчивостью функционирования, составляющими техническое совершенство, а также надежностью функционирования.

Селективность – избирательность действия защиты. Защита селективна, если она не срабатывает без КЗ, при внешних КЗ (когда там работают свои защиты и выключатели) и срабатывает при КЗ на защищаемом элементе.

По принципу обеспечения селективного действия различают защиты абсолютно селективные и относительно селективные.

Абсолютно селективными называются защиты, которые по принципу действия реагируют на повреждения только на защищаемом элементе, т.е. имеют ограниченную защищаемую зону, и не требуют при этом выдержки времени, т.к. при КЗ на «чужих» участках они не приходят в действие.

Быстродействие – главное достоинство основных защит с абсолютной селективностью. Однако абсолютно селективные защиты не могут выполнять функции резервных защит при отказе защит или выключателей смежных элементов. Поэтому такие защиты не могут использоваться как единственные на защищаемом элементе. Для этого необходима защита, которая могла бы выполнять все функции резервной.

Относительно селективными защитами называются защиты, селективность действия которых обеспечивается ступенчатым выбором параметров срабатывания защит нескольких элементов (например, выдержек времени). Такие защиты могут срабатывать и при внешних КЗ, если отказали защиты или выключатели поврежденного элемента. Однако, для того чтобы защита поврежденного элемента имела возможность сработать, нужно конечное время. Поэтому, в общем случае, относительно селективные защиты медленнодействующие. Возможны сочетания функций основных и резервных защит.

Селективность срабатывания при внутренних КЗ оценивается защитоспособностью и быстротой срабатывания.

Защитоспособность – способность устройства обеспечивать заданную полноту защиты элемента при учитываемых внутренних металлических КЗ.

Быстрота срабатывания. В общем случае желательно иметь основную защиту с возможно меньшей выдержкой времени времени t _з, т.к. при этом уменьшается время отключения КЗ: t _от= t _з+ t _ов, где t _ов – время отключения выключателя. Снижение t _от уменьшает размеры повреждений, повышает запас устойчивости, надежность работы потребителей. Вместе с тем выполнение быстродействующей защиты, как правило, требует более сложных решений, например установки одновременно абсолютно селективной защиты как основной и относительно селективной в качестве резервной.

Необходимое быстродействие выбирается таким, чтобы время t _от не превосходило максимально допустимое. Для ЛЭП напряжением U _ном≤220 кВ допустимое t _от определяется в соответствии с ПУЭ критерием остаточного напряжения: трехфазные КЗ в точках системы, при которых остаточное напряжение на шинах, через которые осуществляется параллельная работа синхронных генераторов, меньше 0,6 U _ном, должны отключаться без выдержки времени.

Устойчивость функционирования должна быть обеспечена, прежде всего, при отсутствии КЗ и при внешних КЗ (отстройкой от них). Устойчивость несрабатывания обеспечивается выбором параметров срабатывания защит.

Параметры срабатывания защиты (например, токи срабатывания, выдержки времени) выбираются так, чтобы защита не срабатывала без КЗ и при внешних КЗ (если там срабатывают свои защиты и отключают свои выключатели).

После этого проверяется устойчивость функционирования при внутренних КЗ, оцениваемая чувствительностью.

Чувствительность характеризует способность защиты реагировать на заданные виды повреждений (и утяжеленные режимы работы), т.е. выполнять функции срабатывания.

При параметрах срабатывания, выбранных из условий устойчивости несрабатывания в режимах без КЗ и при внешних КЗ, не всегда удается выполнит защиту с требуемой по [1] чувствительностью. Последнее обусловливается отсутствием четкого разграничения областей режимов без КЗ, внешних КЗ и КЗ в защищаемом элементе. Например, на длинных, сильно нагруженных линиях рабочие токи I _раб могут быть соизмеримы с токами при КЗ на удаленном конце линии в минимальном режиме работы системы.

Чувствительность оценивается коэффициентом чувствительности k _ч. Для максимальных токовых защит (МТЗ), срабатывающих при возрастании воздействующей входной величины, коэффициент чувствительности оценивается при повреждении в расчетной точке отношением минимального тока в измерительном органе – реле тока защиты I _рmin к его току срабатывания I _ср:

.

Значения k _ч, требуемые для разных типов защит различных элементов системы, устанавливаются [1] в пределах 1,2-2.

Значения k _ч>1 учитывают возможность КЗ через переходные сопротивления R _п и снижения тока КЗ относительно расчетного.

Под надежностью рекомендуется принимать способность объекта (системы, устройства) выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования.

Применительно к релейной защите заданный объем функций определяется их перечнем и ограничивается техническим совершенством устройства. Для оценки уровня надежности устройств релейной защиты обычно используются частные показатели:

· коэффициент неготовности к срабатыванию, характеризующий надежность срабатывания, т.е. выполнение функций при внутренних и внешних КЗ с требованиями к срабатыванию;

· коэффициент неготовности к несрабатыванию при внешних КЗ, характеризующий надежность выполнения функции несрабатывания при внешних КЗ без требования к срабатыванию;

· параметр потока ложных срабатываний, характеризующий надежность несрабатывания в режимах без КЗ.

1.2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЧАСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

В настоящее время в энергосистемах в эксплуатации одновременно находятся разные устройства релейной защиты и автоматики: электромеханические реле, блоки реле, шкафы и панели на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции (операционные усилители и логические элементы), внедряются устройства с исполнением универсальных и специализированных микропроцессорных систем.

Главные функциональные части, составляющие структуру устройства релейной защиты от КЗ, приведены на рис. 1.2. На выходе измерительной преобразовательной части (ИПЧ) по совокупности входных токов i(t) и напряжений u(t) формируются комбинации сигналов, характеризующие работу в нормальном режиме, при внешних КЗ или при КЗ в защищаемой зоне. Указанное формирование комбинаций сигналов в ИПЧ выполняется измерительными органами (ИО) различных типов и назначения.

Рис. 1.2. Функциональная схема релейной защиты

В логической части (ЛЧ) по совокупности сигналов, поступающих от ИО, по заданным алгоритмам принимается одно из двух возможных решений – отключить или не отключить выключатель Q.

Исполнительная часть (ИЧ) необходима для усиления сигналов – превращения их в управляющее воздействие непосредственно на электромагнит отключения привода выключателя.

Сигнальная информационная часть (СЧ) выдает информацию о действии защиты, когда проходит управляющее воздействие на отключение выключателя. Источник оперативного тока (ИП) обеспечивает напряжением питания все цепи защиты, автоматики и управления приводами выключателей, независимо от режима работы присоединения.

Процессы функционирования устройств РЗ всегда могут быть представлены в виде последовательности действий, в результате выполнения которых после поступления входных воздействующих величин всегда должно быть получено одно из двух возможных решений – отключить или не отключить присоединение (выключатель).

Такие процессы относятся к алгоритмическим процессам. Алгоритмические процессы могут быть представлены алгоритмом функционирования. Алгоритм может описывать все части процесса независимо, или абстрагировано, от элементов базы реализации, т.е. представлять только принцип действия измерительной и логической части устройств релейной защиты.

Логическая часть устройств релейной защиты содержит комбинационные логические элементы И, ИЛИ, НЕ и различного рода временные задержки.

ИЧ устройств РЗ содержит несколько ИО, воспринимающих от первичных измерительных трансформаторов сигналы и обрабатывающих их по различным алгоритмам.

Напряжения u(t) и токи i(t) – входные сигналы ИПЧ, называются входными воздействующими величинами. Принято различать ИО с одной, двумя или более входными воздействующими величинами. Например, ИО тока или напряжения являются органами с одной входной воздействующей величиной.

ИО направления мощности или сопротивления – ИО с двумя входными воздействующими величинами (напряжением и током).

1.3. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ

И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЭС

В энергетических системах могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций и подстанций, их распределительных устройств, линий электропередачи (ЛЭП) и электроустановок потребителей электрической энергии.

Повреждения в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения в элементах энергосистемы.

Повышенный ток выделяет большое количество тепла, вызывающее разрушения в месте повреждения и опасный нагрев неповрежденных линий и оборудования, по которым этот ток проходит.

Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы генераторов и энергосистемы в целом.

Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению величин напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и линий электропередачи.

Таким образом, повреждения нарушают работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждений или расстройства работы энергосистемы.

Для обеспечения нормальной работы ЭЭС и потребителей электроэнергии необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной сети, восстанавливая таким путем нормальные условия их работы и прекращая разрушения в месте повреждения.

Опасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно обнаружить отклонение от нормального режима и принять меры к его устранению (снизить ток при его нарастании, понизить напряжение при его увеличении и т.д.).

В связи с этим возникает необходимость в создании и применении автоматических устройств, выполняющих указанные операции и защищающих систему и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов.

1.4. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

Большинство повреждений в электрических системах приводит к КЗ фаз между собой или на землю (рис. 1.3). В обмотках электрических машин и трансформаторов, кроме КЗ бывают также замыкания между витками одной фазы.

Рис. 1.3. Виды повреждений в электрических установках:

а, б, в и д – трехфазное, двухфазное, однофазное и двухфазное на землю КЗ;

г и е – замыкания одной фазы и двух фаз на землю в сети с изолированной нейтралью

Основными причинами повреждений являются:

1) нарушение изоляции токоведущих частей, вызванное ее старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическимим повреждениями;

2) повреждение проводов и опор ЛЭП, вызванное их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, пляской проводов и другими причинами;

3) ошибки персонала при операциях (отключение разъединителей под нагрузкой, включение их на ошибочно оставленное заземление и т.д.);

Все эти повреждения являются следствием конструктивных недостатков или несовершенства оборудования, некачественного его изготовления, дефектов монтажа, ошибок при проектировании, неудовлетворительного или неправильного ухода за оборудованием, ненормальных режимов работы оборудования, работы оборудования в условиях, на которые оно не рассчитано. Поэтому повреждения нельзя считать неизбежными, но в то же время нельзя и не учитывать возможность их возникновения.

Короткие замыкания являются наиболее опасным и тяжелым видом повреждения. При КЗ ЭДС Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генераторов, трансформаторов и линий.

Поэтому в контуре замкнутой накоротко ЭДС возникает большой ток I _к, называемый током КЗ.

КЗ подразделяются на трехфазные, двухфазные и однофазные в зависимости от числа замкнувшихся фаз; на замыкания с землей и без земли; замыкания в одной и двух точках сети.

При КЗ вследствие увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, т.к. напряжение в любой точке М (рис. 1.4) , где - ЭДС источника питания, а – сопротивление от источника питания до т. М.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте КЗ (т. К) и в непосредственной близости от него (рис. 1.4). В точках сети, удаленных от места повреждения, напряжение снижается в меньшей степени.

Рис. 1.4. Влияние понижения напряжения при КЗ на работу потребителей

Происходящее в результате КЗ увеличение тока и снижение напряжения приводят к ряду опасных последствий:

а) Ток КЗ I _к согласно закону Джоуля-Ленца выделяет в активном сопротивлении r цепи, по которой он проходит в течение времени t, тепло .

В месте повреждения это тепло и пламя электрической дуги производят большие разрушения, размеры которого тем больше, чем больше ток I _к и время t.

Проходя по неповрежденному оборудованию и ЛЭП, ток КЗ I _к нагревает их выше допустимого предела, что может вызвать повреждение изоляции и токоведущих частей.

б) Понижение напряжения при КЗ нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели. Момент вращения двигателей M _д пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: .

Поэтому при глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Нормальная работа осветительных установок, составляющих вторую значительную часть потребителей электроэнергии, при снижении напряжения также нарушается.

Вторым наиболее тяжелым последствием снижения напряжения является нарушение устойчивости параллельной работы генераторов. Это может привести к распаду системы и прекращению питания всех ее потребителей.

1.5. НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ

К ненормальным относятся режимы, связанные с отклонениями от допустимых значений величин тока, напряжения и частоты, опасные для оборудования или устойчивой работы энергосистемы.

Рассмотрим наиболее характерные ненормальные режимы.

Перегрузка оборудования, вызванная увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальный ток, допускаемый для данного оборудования в течение неограниченного времени.

Если ток, проходящий по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемого им дополнительного тепла температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимую величину, что приводит к ускоренному износу изоляции и ее повреждения. Время, допустимое для прохождения повышенных токов, зависит от их величины. Характер этой зависимости показан на рис. 1.5 и определяется конструкцией оборудования и типом изоляционных материалов. Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к разгрузке или отключению оборудования.

Рис. 1.5. Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока t=f(I):

I _н – номинальный ток оборудования

Повышение напряжения сверх допустимого значения возникает обычно на гидрогенераторах при внезапном отключении их нагрузки. Разгрузившийся генератор увеличивает частоту вращения, что вызывает возрастание ЭДС статора до опасных для его изоляции значений. Защита в этих случаях должна снизить ток возбуждения генератора или отключить его.

Качания возникают при нарушении синхронной работы генераторов электростанций ЭЭС. Для пояснения процесса качаний рассмотрим упрощенную схему ЭЭС с двумя электростанциями А и В (рис. 1.6, а). В режиме нормальной синхронной работы электростанций А и В электрические частоты вращения векторов ЭДС Е_А и Е_В одинаковы: ω_А=ω_В=ω=2∙π∙ f (рис. 1.6, б). При отсутствии нагрузки и равенстве по значению и фазе ЭДС Е _А= Е _В= Е ток в межсистемной ЛЭП отсутствует (рис. 1.6, а). В случае нарушения синхронизма, когда, например, ω_А>ω_В, положение вектора Е _А по отношению к Е _В будет изменяться, появится разность ЭДС Δ Е = Е _А – Е _В, под действием которой возникнет уравнительный ток . Разность ЭДС Δ Е будет изменяться с изменением угла δ (рис. 1.6, б). При δ=0 Δ Е =0, при δ=180° Δ Е =2 Е. При дальнейшем нарастании угла δ ЭДС Δ Е начнет уменьшаться и станет равной нулю, когда δ достигнет 360° (или δ=0). При повторном цикле увеличения δ процесс изменения Δ Е повторяется вновь. Колебания значения Δ Е вызывают соответствующие колебания (качания) значения тока I _ур и напряжений U _A и U _B, как показано на рис. 1.6, в.

Рис. 1.6. К пояснению действия релейной защиты при качаниях: а – схема энергосистемы, б – векторная диаграмма при наличии между ЭДС угла δ, в – диаграмма изменений токов и напряжений, г – определение положения центра качаний К _ц

Напряжение снижается от нормального до некоторого минимального значения, имеющего разное значение в разных точках сети (рис. 1.6, г). В точке К _ц, называемой электрическим центром качаний, напряжение имеет наименьшее значение и снижается до нуля при δ=180°, когда Е _А= Е _В. В остальных точках сети напряжение снижается, но остается больше нуля, нарастая от центра качаний К _ц к источниками питания А и В. Возрастание тока вызывает нагрев оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу всех потребителей ЭЭС. Качание – очень опасный ненормальный режим, отражающийся на работе всей ЭЭС.

По характеру изменения тока и напряжения (рис. 1.6, в) качания похожи на КЗ. Большинство устройств РЗ могут приходить в действие при качаниях и отключать защищаемые ими элементы. Такие хаотичные отключения разделяют ЭЭС на изолированные участки с дефицитом или избытком генерируемой мощности, что может привести к частичному или полному нарушению электроснабжения питающихся от ЭЭС потребителей. Поэтому необходимы меры, исключающие хаотичное действие РЗ при возникновении качаний.

Асинхронный режим. К ненормальным режимам относится также работа синхронного генератора без возбуждения. При работе в асинхронном режиме увеличивается частота вращения генератора и возникает пульсация тока статора. Для генераторов некоторых видов длительная работа в асинхронном режиме не допускается, а для других допускается лишь при уменьшенном значении активной мощности. В отдельных случаях потеря возбуждения, не представляя опасности для самого генератора, может послужить причиной резкого снижения напряжения, угрожающего нарушением устойчивости параллельной работы. В этом случае генератор, оставшийся без возбуждения, должен быть немедленно отключен от сети.

1.6. ОСОБЕННОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЭЭС

При выполнении релейной защиты, действующей на отключение, в сетях с глухозаземленными нейтралями (110 кВ и выше) учитываются трехфазные K ⁽³⁾, двухфазные K ⁽²⁾ (между двумя фазами), двухфазные на землю K ^(1,1) и однофазные K ⁽¹⁾ КЗ. В этих сетях защита выполняется двумя комплектами: комплектом от междуфазных КЗ, включенным на полные токи и напряжения фаз, и комплектом от КЗ на землю, включенным на токи и напряжения нулевой последовательности.

В сетях с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы, при выполнении релейной защиты, действующей на отключение, учитываются K ⁽³⁾, K ⁽²⁾ и двойные КЗ на землю K _дв^(1,1). При однофазных замыканиях на землю K _з⁽¹⁾(не КЗ!) защита, как правило, выполняется действующей на сигнал, за исключением тех случаев, когда по условиям техники безопасности требуется отключение K _з⁽¹⁾. В этих сетях выполняют защиту от всех видов КЗ, включенной на полные токи и напряжения, либо при K _дв^(1,1), переключаемой на слагающие нулевой последовательности.

На трансформаторах (автотрансформаторах) принято выполнять защиту, действующую на отключение при всех видах многофазных и однофазных КЗ на выводах и в обмотках, а также при витковых КЗ и возникновении «пожара» стали.

Работа РЗ определяется подводимыми токами, напряжениями и фазными соотношениями между ними. Поэтому для анализа работы устройств РЗ необходимо рассчитать токи в защите, напряжения в месте установки защиты, а также построить векторные диаграммы этих величин. При построении векторных диаграмм задаются условными положительными направлениями токов к месту КЗ, напряжений – к нейтральным, а ЭДС – от нейтральных точек системы.

В целях упрощения в расчетах величин при КЗ не учитывают ток нагрузки и расчеты производят для начального момента времени без учета переходного сопротивления в месте КЗ.

1.7. МНОГОФАЗНЫЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В ОДНОЙ ТОЧКЕ

Трехфазные КЗ K ⁽³⁾рассматриваются для неразветвленной цепи (рис. 1.7). Исходными при построении векторной диаграммы являются ЭДС системы Е _А, Е _В и Е _С. Ток в месте КЗ и в защите одинаков, и его модуль, например, для фазы А равен , а аргумент (угол сдвига относительно Е _А) . В месте КЗ . Модуль остаточного напряжения в месте установки защиты , а аргумент .

Рис. 1.7. Схема замещения сети (а) и векторная диаграмма токов и напряжений при K ⁽³⁾ (б)

Короткое замыкание между фазами В и С K _ВС⁽²⁾. Для всех элементов (рис. 1.7) принимается равенство сопротивлений прямой и обратной последовательностей Z ₁= Z ₂= Z.

Исходными при построении являются векторы ЭДС системы. Ток в неповрежденной фазе , а т.к. сумма трех фаз равна 0, то (рис. 1.8). Токи в неповрежденных фазах определяются эквивалентной ЭДС E _BC= E _B– E _C и суммой сопротивлений в контуре КЗ. С учетом принятого допущения (Z ₁= Z ₂) ток и сдвинут относительно Е _ВС на угол . В месте КЗ напряжение между поврежденными фазами , а фазные напряжения . Напряжение в месте установки защиты равно сумме напряжения в месте КЗ и падения напряжения в линии ; ; . Вектор междуфазного напряжения в месте установки защиты сдвинут относительно тока на угол φ_Л в сторону опережения.

Рис. 1.8. Векторная диаграмма токов и напряжений при К⁽²⁾

На рис. 1.9 представлено изменение векторной диаграммы напряжений вдоль системы в зависимости от вида КЗ.

Рис. 1.9. Изменение векторной диаграммы напряжений вдоль системы, имеющий j_С=j_Л, при металлических КЗ: а – схема сети; б - замыкание между тремя фазами;

в – замыкание между фазами В и С

1.8. КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

Однофазное КЗ на землю фазы А , в отличие от междуфазных повреждений, характеризуется появлением токов и напряжений нулевой последовательности. Сопротивление нулевой последовательности одноцепной линии не равно сопротивлению прямой последовательности, и всегда (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема замещения сети (а) и векторная диаграмма токов и напряжений при K ⁽¹⁾ (б)

В месте КЗ напряжение поврежденной фазы . Ток в поврежденной фазе равен геометрической сумме токов прямой, обратной и нулевой последовательностей , или , и сдвинут относительно ЭДС на угол .

Напряжение поврежденной фазы в месте установки защиты (в начале линии) равно

,

и поскольку ,

.

Напряжение опережает ток на угол

.

Напряжения неповрежденных фаз в месте КЗ и не остаются неизменными и равными ЭДС Е _В и Е _С. Вследствие взаимоиндуктивной связи с поврежденной фазой в неповрежденных индуцируются ЭДС .

Двухфазное КЗ на землю в сети с глухозаземленными нейтралями K ^(1,1) также характеризуется появлением слагающих нулевой последовательности. В месте металлического КЗ ток прямой, обратной и нулевой последовательностей при условии определяется как

;

;

.

При КЗ на землю защита включается на слагающие нулевой последовательности. Поэтому для выбора параметров срабатывания защиты достаточно определить значение, например, токов I ₀ при К ⁽¹⁾ и К ^(1,1). В соответствии с приведенными соотношениями при КЗ в одной и той же точке и условии :

.

Двойные замыкания на землю К _дв^(1,1) учитываются в сетях с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы. Например, на линии (рис. 1.11, а) фаза В замкнулась в т. К _В, а фаза С – в т. К _С. Токи нулевой последовательности проходят лишь в части линии между точками К _В и К _С, т.к. вне этого участка нет контура для их замыкания. При К _дв^(1,1) между фазами В и С ток в фазе А отсутствует, в начале линии до т. К _С токи проходят в поврежденных фазах I _двB^(1,1)=– I _двС^(1,1), а сумма их равна нулю. На участке К _С- К _В ток проходит лишь в фазе В, появляется ток нулевой последовательности . На рис. 1.11, б показаны линии Л1 и Л2, отходящие от шин подстанции, на одной из которых произошло замыкание фазы В в т. К _В, а на другой – фазы С в т. К _С – К _дв^(1,1). Если при этом защита отключит Л2, то на Л1 останется однофазное замыкание на землю К _з⁽¹⁾, не являющееся КЗ. Поэтому целесообразно отключать лишь одно место повреждения при К _дв^(1,1), а оставшееся К _з⁽¹⁾ может быть ликвидировано ремонтным персоналом при получении сигнала о нем.

Рис. 1.11. Двойные замыкания на землю в сети

1.9. СООТНОШЕНИЯ ТОКОВ

ПРИ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ СВЯЗЯХ CЕТИ

Соотношения рассматриваются для наиболее распространенной группы соединения обмоток Y/Δ-11. При анализе работы защит необходимо знать соотношения электрических величин как на стороне, где произошло повреждение, так и на других сторонах трансформатора.

На рис. 1.12, а приведена электрическая схема такого трансформатора, указаны начала (A, B, C, a, b, c) и концы (X, Y, Z, x, y, z) обмоток, а также условные положительные направления токов в подводящих проводах обмоток, соединенные треугольником (I _AΔ, I _BΔ, I _CΔ), в фазах этих же обмоток (I _α, I _β, I _γ) и в фазах обмоток, соединенных звездой (I _AY, I _BY, I _CY).

Рис. 1.12. Трансформатор со схемой соединения обмоток Y/Δ-11 (а) и векторная диаграмма токов в симметричном режиме (б)

Для трансформатора с коэффициентом трансформации равным единице, числа витков обмоток соотносятся как . Из равенства намагничивающих сил обмоток () следуют соотношения ; ; . Соотношения для токов I _Δ и I _Y можно получить, исходя из первого закона Кирхгофа для узлов a, b, c:

; ; ,

или

; ; .

Векторная диаграмма токов в симметричном режиме приведена на рис. 1.12, б. Определение токов на стороне звезды при известных токах на стороне треугольника может быть получено при отсутствии токов нулевой последовательности, когда . При этом

; ; .

При двухфазном КЗ, например, между фазами В и С на стороне звезды токи I _AY=0, I _α=0; I _BY=– I _СY. Следовательно, ; ; .

При двух других видах двухфазных КЗ вид векторной диаграммы остается неизменным и лишь циклически изменяются фазы (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Векторные диаграммы токов при К ⁽²⁾ на стороне звезды

При двухфазном КЗ между фазами В и С на стороне треугольника также справедливо соотношение . При равных сопротивлениях каждой фазы обмотки токи ; . Уравнение токов для узла b имеет вид или . Таким образом, ; ; .

При двух других двухфазных КЗ вид векторной диаграммы остается неизменным и лишь циклически изменяются фазы.

При однофазном КЗ, например, фазы А на стороне звезды токи равны и . На стороне треугольника: ; ; . При двух других видах однофазных КЗ вид векторной диаграммы остается неизменным и лишь циклически изменяются фазы (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Векторные диаграммы токов при K ⁽¹⁾ на стороне звезды треугольника

На основании приведенных соотношений и векторных диаграмм следуют общие выводы для трансформаторов со схемой соединения Y/Δ-11 при КЗ на разных сторонах трансформатора:

1. В симметричном режиме токи на стороне треугольника I _Δ сдвинутся относительно токов на стороне звезды I _Y на угол π/6 против часовой стрелки.

2. При двухфазных КЗ на стороне, где произошло повреждение, в двух поврежденных фазах проходят равные и противоположно направленные токи. На другой стороне трансформатора при этом проходят в двух фазах равные токи и в меньшие, чем на поврежденной стороне, а в третьей – вдвое больший () и противоположно направленный.

3. При однофазных КЗ на стороне звезды проходит ток в поврежденной фазе; на стороне треугольника при этом проходят в двух фазах одинаковые и в раз меньшие, чем ток на стороне звезды.

1.10. ОДНОФАЗНЫЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

Однофазные замыкания на землю K _з⁽¹⁾ являются частыми в сетях с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы. Ток замыкания при K _з⁽¹⁾ определяется достаточно большим емкостным сопротивлением фаз относительно земли, поэтому допустимо пренебрегать всеми остальными индуктивными и емкостными сопротивлениями в контуре замыкания.

Для общего анализа электрических величин распределенные емкости элементов относительно земли заменяют сосредоточенными. В нормальном режиме работы (рис. 1.15) под действием ЭДС проходят емкостные токи ; ; , опережающие соответствующие ЭДС на π/2 (рис. 1.16, а). Т.к. , то в сети отсутствуют слагающие нулевой последовательности. Ввиду сравнительно малого значения этих токов можно пренебречь падением напряжения от них в линии. Поэтому фазное напряжение . Обойдя контур одной из фаз, можно определить напряжение нейтрали относительно земли из условия . При указанных на рисунке условных положительных направлениях , т.е. .

Рис. 1.15. Токи и напряжения при замыкании на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью

При замыкании на землю в т. K _А⁽¹⁾ (рис. 1.15) напряжение замкнувшейся фазы U _А⁽¹⁾=0, ток I _з⁽¹⁾=3 I ₀. Если пренебречь падением напряжения от емкостных токов, то напряжение в любой точке замкнувшейся фазы U _А⁽¹⁾=0, напряжение нейтрали .

Рис. 1.16. Векторные диаграммы токов и напряжений в сети с изолированной нейтралью: а – в нормальном режиме, б – при замыкании на землю фазы А

При построении векторной диаграммы (рис. 1.16, б) целесообразно принять за исходную точку A. Напряжение неповрежденных фаз , ; , .

Сумма напряжений , напряжение последовательности .

Поскольку нейтраль источника изолирована, то . В неповрежденных фазах проходят токи, определяемые напряжения этих фаз: , ; , ; в поврежденной фазе ; .

В случае, когда от питающих шин отходят несколько линий, через защиту поврежденной линии проходит сумма токов нулевой последовательности неповрежденных линий, определяемых емкостями линий относительно земли, а через защиты неповрежденных линий – токи, определяемые их емкостями относительно земли. При K _з⁽¹⁾ треугольник междуфазных напряжений не искажается, поэтому не нарушается работа потребителей, включенных на эти напряжения, а емкостные токи фаз увеличиваются лишь в в неповрежденных фазах и в 3 раза в поврежденной фазе, оставаясь по прежнему малыми, определяемыми значительными емкостными сопротивлениями. Учитывая это, а также отсутствие в ряде случаев резерва у потребителей, защиту от K _з⁽¹⁾ выполняют действующей на сигнал (если отключение не диктуется требованиями техники безопасности).

1.11. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Общие вопросы выполнения защиты от КЗ. Способы выполнения защиты от КЗ весьма разнообразны. Однако все защиты выполняются обычно автономными устройствами с использованием, как правило, токов и напряжений промышленной частоты защищаемых элементов сети.

По способам обеспечения селективности при внешних КЗ они могут быть отнесены к двум основным группам. В одну из них входят защиты, обладающие относительной селективностью, в другую – абсолютной селективностью. Защиты с абсолютной селективностью работают только при КЗ на защищаемом участке и поэтому обычно выполняются без выдержки времени. Это является их большим достоинством. Защиты с относительной селективностью могут работать при КЗ как на защищаемом участке, так, в качестве резервных, и на смежных. Для обеспечения их селективности при КЗ вне защищаемого участка они должны в таких случаях работать с временем, большим времен срабатывания защит смежных элементов.

В некоторых случаях для обеспечения более быстрого отключения КЗ оказывается целесообразным снижать требования к селективности защит с относительной селективностью, допуская их срабатывание при КЗ на части смежных участков даже при исправности защит и выключателей последних. Такие защиты называются неселективными. Они применяются обычно в сочетании с устройствами автоматического повторного включения (АПВ), исправляющими их недостаточно совершенную работу. Так, например, неселективные защиты иногда используются на радиальных линиях в распределительных сетях с односторонним питанием, часто имеющих большое число последовательно расположенных участков. Защиты с абсолютной селективностью не могут быть неселективными. По выполняемым функциям защиты делятся на основные и резервные. Наличие в сети резервных защит считается обязательным. Для выполнения функций дальнего резервирования защиты должны обладать относительной селективностью.

В некоторых случаях используются также дополнительные защиты, выполняющие некоторые вспомогательные функции, например ускорение отключения КЗ на части участка, защиту «мертвых зон», определяемых направленными элементами основных и резервных защит, и т. д.

Защиты с относительной селективностью. К этой группе относятся токовые, токовые направленные и дистанционные защиты. Их селективность при внешних КЗ обеспечивается выбором выдержек времени защиты и параметров срабатывания измерительных органов и контролем (если оказывается необходимым) направления мощности КЗ. Ниже возможность такого выбора определяется на примере защиты линий законами изменений токов, напряжений и знаков мощностей, характеризующими КЗ в различных точках защищаемой сети (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Зависимости электрических величин от места металлического КЗ (т. K)

Ток КЗ I _к, проходящий через устройства защиты, включенные по концам защищаемых участков, тем меньше, чем больше удалено место повреждения (т. К) от места включения защиты (точка 3) (рис. 1.17, а), т.к. его значение уменьшается с увеличением сопротивления петли КЗ. Это и дает возможность создавать токовые защиты с выдержками времени тем большими, чем меньше значение I _к. Чем более резко снижается I _к вдоль защищаемого направления, тем более эффективным оказывается осуществление таких защит. Длина защищаемой зоны токовой защиты зависит от режима работы сети. Остаточное напряжение петли КЗ в месте включения защиты U _к, наоборот тем больше, чем более удалена эта точка (рис. 1.17, б). Поэтому дистанционные защиты, функционирование которых обычно определяется сопротивлением петли КЗ Z _к, пропорциональным отношению U _к/ I _к, будут иметь тем большие Z _к, чем более удалена точка КЗ от места включения защиты (рис. 1.17, в). При этом оказывается несущественной крутизна снижения I _к.

Полная мощность КЗ всегда направлена к месту повреждения, поэтому ее знак дает возможность выявлять место КЗ по отношению к месту включения защиты.

Выдержки времени рассматриваемых защит в функции расстояния от места их включения до точки КЗ могут иметь ступенчатый (рис. 1.18, а), плавный или зависимый (рис. 1.18, б) и ступенчато-плавный или комбинированный (рис. 1.18, в) вид. Под выдержкой времени понимается не уставка на органе выдержки времени, а полное время срабатывания защиты до момента подачи отключающего сигнала на выключатель. Для сетей напряжением 35 кВ и выше обычно используются защиты со ступенчатыми характеристиками с числом ступеней три, иногда четыре. В распределительных сетях более низких напряжений применяются и другие исполнения, например при необходимости сочетать их с защитами, выполняемыми плавкими предохранителями, имеющими плавные характеристики выдержек времени. Преимуществом защит со ступенчатыми характеристиками по сравнению с другими является более простое выполнение измерительных органов.

Рис. 1.18. Виды характеристик выдержки времени t=f(l) защит с относительной селективностью

На рис. 1.19 приведены трехступенчатые характеристики выдержек времени защит, включенных на радиальные линии сети с односторонним питанием. Каждый комплект защиты (1, 2, 3) имеет три ступени, характеризуемые выдержками времени t ^I, t ^II, t ^III и защищаемыми зонами l ^I, l ^II и l ^III, определенными при металлических КЗ.

Рис. 1.19. Ступенчатые характеристики выдержек времени защит с относительной селективностью и сетей с односторонним питанием

Первые ступени (I) обычно работают без специально устанавливаемой выдержки времени (t ^I определяется конечным собственным временем срабатывания элементов защиты). Защищаемые ими первые зоны l ^I охватывают только часть длины участка, ближайшую к месту включения защиты. Охват всего участка, как правило, нецелесообразен, т.к. при этом защита данного участка могла бы излишне срабатывать при КЗ в начале смежных элементов.

Вторые ступени (II) работают с выдержкой времени t ^II, обычно одинаковой для всех защит линий сети. Это время, составляющее в среднем около 0,5 с, предотвращает возможность срабатывания II ступени защиты при КЗ в начале смежных элементов. Защищаемая II ступенью зона l ^II должна с запасом охватывать конец участка (за первой зоной) и шины подстанции противоположной стороны. Конец l ^II ограничивается началом второй зоны защиты смежного участка, что предотвращает возможность одновременного срабатывания смежных защит (последующей и предыдущей) с одинаковым t ^II при КЗ во второй зоне предыдущей защиты (например, защиты 3 при КЗ в l ^II₂ защиты 2).

Третьи ступени (III) имеют наибольшие выдержки времени t ^III, выбираемые по ступенчатому принципу тем большими, чем ближе включена защита к источнику питания. Основное назначение III ступеней – выполнение функций резервирования при КЗ на предыдущем участке и отказе его защиты или выключателя. Конец зон действия l ^III III ступеней часто не фиксируется. Очень часто защиты выполняются таким образом, что последующие ступени каждого устройства могут срабатывать при несрабатывании по некоторым причинам (например, вследствие недостаточной чувствительности) предыдущих ступеней. В таких случаях III ступени, являющиеся наиболее чувствительными, резервируют также работу I и II ступеней своего комплекта защиты, а II ступень – работу I ступени.

Сокращение числа ступеней защиты линий иногда осуществляется путем исключения одной из них или совокупности двух. При этом для основных защит одновременное исключение II и III ступеней недопустимо, так как оставлять защиту только с I ступенью нельзя – она не защищает конца участка. Такая защита иногда применяется только как дополнительная, обеспечивающая быстрое отключение КЗ в начале участка, имеющего другую основную защиту.

На рис. 1.20 приведены ступенчатые характеристики выдержек времени защиты для участков линий сети с двусторонним питанием. В этом случае комплекты защиты включаются с обеих сторон каждого участка и для обеспечения полной селективности при внешних КЗ дополняются органами направления мощности, разрешающими им срабатывать только при направлении мощности КЗ от шин в сторону защищаемого участка. Характеристики защит 1 и 3, действующих при направлении мощности КЗ слева направо, на рис. 1.20 показаны сверху, а защит 2 и 4, действующих соответственно при направлении мощности КЗ справа налево, - снизу.

Рис. 1.20. Ступенчатые характеристики выдержек времени защит с относительной селективностью в сети с двухсторонним питанием

Диаграммы на рис. 1.19 и 1.20 подтверждают возможность правильной ликвидации КЗ защитами с относительной селективностью.

Защиты с абсолютной селективностью. К этой группе относятся защиты, основанные на непосредственном или косвенном сравнении электрических величин по концам защищаемой линии или на двух или нескольких присоединенных к общим шинам линиях электроустановки. В первом случае защиты называются продольными, во втором – поперечными. При непосредственном сравнении электрических величин по связующим звеньям передаются контролируемые электрические величины, а при косвенном – сигналы блокировки или разрешения срабатывания от сработавших элементов защиты и защит в целом.

Для продольных защит в качестве связующих звеньев, по которым передается информация об электрических величинах с одного конца участка на другой, используются вспомогательные провода, прокладываемые обычно в земле, провода самой защищаемой линии, по которым передаются сигналы токами высокой частоты, или редко – специальные радиоканалы.

В качестве связующих звеньев для поперечных защит целесообразно, очевидно, применять вспомогательные провода, прокладываемые в пределах данной электроустановки.

В защитах с абсолютной селективностью могут сравниваться мгновенные токи или только фазы токов, а также знаки мощностей или иногда направления мгновенных токов.

Защиты, непосредственно сравнивающие мгновенные токи, называются дифференциальными токовыми; их разновидностью являются дифференциально - фазные токовые, в которых сравниваются фазы токов. Защиты, сравнивающие знаки мощностей, называются направленными. В некоторых случаях, например для параллельных цепей линий, применяются и поперечные токовые направленные защиты, в частности дифференциальные.

На рис. 1.21, а показана линия с двусторонним питанием, оборудованная защитой с абсолютной селективностью. Условные положительные направления токов I _I и I _II с двух ее сторон, показанные на схеме стрелками, приняты от шин А и Б в сторону линии. При КЗ на защищаемой линии (т. К ₁) токи КЗ I _I и I _II сдвинуты по фазе на относительно небольшой угол d (рис. 1.21. б), определяемый углом сдвига ЭДС Е _А и Е _Б и неодинаковыми углами сопротивлений arctg (X _A/ R _A) и arctg (X _Б/ R _Б) двух частей системы по отношению к т. К ₁. В случаях внешних КЗ этот угол для участков не очень большой длины, если пренебречь их емкостной проводимостью, равен 180° (рис. 1.21, в). Мощности КЗ при повреждении на линии и тех же условных направлениях, что и токи, имеют одинаковые знаки, а в случаях внешних КЗ – разные.

С учетом указанного различия в фазных соотношениях токов или знаках мощности КЗ представляется возможным обеспечивать селективность при внешних КЗ рассматриваемой группы защит без использования выдержек времени.

Рис. 1.21. Принцип действия продольных защит с абсолютной селективностью

Неселективные защиты. Рассматриваемые защиты являются разновидностью защит с относительной селективностью и часто отличаются от последних только выбором параметров срабатывания отдельных ступеней.

На рис. 1.22 в виде примера приведена трехступенчатая характеристика защиты 3 участка АБ линии с односторонним питанием. Она отличается от характеристик защит рис. 2.3 тем, что ее первая зона l ^I₃ охватывает весь участок АБ и шины подстанции Б. При таком выполнении защиты КЗ в любой точке защищаемого участка будут отключаться без выдержки времени. При КЗ в начале участка БВ одновременно с первой ступенью защиты 2 будет срабатывать первая ступень защиты 3. Ее нежелательное, но намеренно допущенное срабатывание будет исправляться АПВ. В отечественной практике находят применение неселективные токовые защиты преимуществен