Токовая направленная защита

ЧАСТЬ 3

3.1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ

Токовые направленные защиты (ТНЗ) используются в основном в кольцевых сетях напряжением U _ном£35 кВ с одним источником питания, если обеспечивают необходимую чувствительность и приемлемые выдержки времени. В сетях 110 и 220 кВ направленная токовая защита применяется в основном как резервная, а иногда, в сочетании с отсечкой, как основная.

Широкое применение в сетях с глухозаземленными нейтралями (U _ном³110 кВ) имеют токовые направленные защиты нулевой последовательности со ступенчатыми характеристиками как основные или резервные от К ⁽¹⁾ и К ^(1,1).

3.2. НЕОБХОДИМОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ В СЕТЯХ С ДВУХСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ

Направленной называется защита, реагирующая на ток, проходящий в защищаемом элементе, и фазу (направление) тока относительно напряжения в месте установки защиты. Условные положительные направления указанных токов приняты от шин, где установлена защита, вглубь защищаемой зоны. Необходимость в применении направленных защит возникает в сетях с двухсторонним питанием. Защита в этих сетях должна не только реагировать на появление тока КЗ, но для обеспечения селективности должна учитывать направление мощности КЗ в защищаемой линии.

В сетях с двухсторонним питанием (рис. 3.1) и кольцевых сетях направление тока и мощности КЗ зависит от места возникновения повреждения и может иметь два противоположных значения. Поэтому для ликвидации повреждений в таких сетях защита должна устанавливаться с обеих сторон защищаемой линии.

Рис. 3.1. Схема сети с двухсторонним питанием и размещение защит

Например, при КЗ на участке линии 2-3 (т. К ₁) через защиту 3 проходит ток от источника питания Б к точке КЗ. При КЗ в т. К ₂ на участке линии 4-5 через защиту 3 проходит ток от источника питания А.

Направление мощности КЗ, проходящей по линии, характеризует, где возникло повреждение: на защищаемой линии или на других присоединениях, отходящих от шин данной подстанции.

Это обстоятельство используется в направленной защите, которая по знаку мощности определяет, на каком присоединении возникло повреждение, и действует только при КЗ на защищаемом участке.

Простая токовая защита, не реагирующая на знак мощности, действует как при КЗ на защищаемой линии, так и при повреждениях на других присоединениях, отходящих от шин подстанции, питающей защищаемую линию. Поэтому получить селективное отключение КЗ в сетях с двухсторонним питанием с помощью простой токовой защиты, как правило, невозможно.

Предположим, что в сети на рис. 3.1 установлены максимальные токовые защиты (МТЗ), и рассмотрим действие какой-либо из них, например защиты 3. При КЗ в т. К ₁ выдержка времени защиты 3 должна быть меньше времени действия защиты 4, 5, 6, 7, 8, т.е. t ₃< t ₄ <t ₅ <t ₆ <t ₇ <t ₈. В случае же КЗ в т. К ₂ защита 3 должна действовать меденнее защиты 4 (t ₃> t ₄). Одновременное выполнение обоих требований приведет к неселективной работе защиты.

Эту неселективность можно устранить, заменив МТЗ защиты 3 направленной защитой, действующей только при направлении мощности КЗ от шин в линию. В этом случае защита 3 не будет действовать при КЗ в т. К ₂ и второе требование отпадает. При аналогичном выполнении всех остальных защит сети селективное отключение повреждений становится возможным при выборе выдержек времени защит, действующих в одном направлении, по ступенчатому принципу.

В соответствии с изложенным можно сформулировать следующие принципы выполнения селективной защиты в сетях с двухсторонним питанием:

1. Защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой линии и действовать при направлении мощности от шин в линию.

2. Выдержки времени на защитах, работающих при одном направлении мощности (от генератора А или Б), должны согласовываться между собой по ступенчатому принципу, нарастая по направлению к источнику питания, от тока которого действуют направленные защиты.

3.3. СХЕМА ТОКОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАШИТЫ

Максимальная направленная защита должна реагировать на величину тока и направление мощности КЗ. Она представляет собой МТЗ, дополненную реле направления мощности. Схема защиты (рис. 3.2) состоит из трех основных элементов (органов защиты): два пусковых реле тока KA, которые срабатывают при появлении тока КЗ и выдают сигнал, разрешающий РЗ действовать; два реле направления мощности KW, которые срабатывают при направлении мощности от шин в линию и подают сигнал, разрешающий РЗ действовать. Если же мощность направлена к шинам, то реле KW выдают сигнал, блокирующий действие РЗ.

Рис. 3.2. Упрощенная схема максимальной направленной защиты

3.4. РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

Реле направления мощности (РНМ) реагируют на значение и знак мощности, подведенной к их зажимам. Они используются в схемах как орган, определяющий по направлению (знаку) мощности (протекающей по защищенной ЛЭП);. где произошло повреждение – на защищаемой ЛЭП или на других присоединениях, отходящих от шин подстанции (рис. 3.3, а). В первом случае мощность КЗ S _К1 направлена от шин в ЛЭП и РНМ должно срабатывать и замыкать свои контакты, во втором – мощность КЗ S _К2 направлена к шинам, в этом случае реле не должно замыкать контакты.

Реле мощности имеет две обмотки: одна питается напряжением U _p, а другая – током сети I _р (рис. 3.3, б). Взаимодействие токов, проходящих по обмоткам, создает электромагнитный момент, значение и знак которого зависят от напряжения U _p, тока I _р и угла сдвига φ_р между ними.

РНМ должны обладать высокой чувствительностью, т.к. при КЗ вблизи места установки защиты напряжение U _p резко снижается, достигая в пределе нуля; при этом мощность, подводимая к реле, оказывается очень малой и при недостаточной чувствительности реле может не сработать, т.е. может иметь «мертвую» зону.

Рис. 3.3. Реле направления мощности: а) – принцип действия; б) – схема включения

Чувствительность РНМ оценивается минимальной мощностью, при которой реле замыкает свои контакты. Эта мощность называется мощностью срабатывания и обозначается S _ср.

РНМ выполняются мгновенными. Время срабатывания РНМ должно быть минимальным.

Индукционные реле мощности выполняются с подвижной системой в виде цилиндрического ротора (рис. 3.4, а). Реле имеет замкнутый магнитопровод 1 с выступающими внутрь полюсами. Между полюсами установлен стальной цилиндр (сердечник) 2, повышающий магнитную проницаемость междуполюсного пространства. Алюминиевый цилиндр (ротор) 3 может поворачиваться в зазоре между стальным сердечником и полюсами. При повороте ротора 3 происходит замыкание контактов реле 6.

Для возврата ротора и контактов в исходное положение предусматривается противодействующая пружина 7 (рис. 3.4, б).

Обмотка 4 питается напряжением , а обмотка 5 – током , где U _c и I _c – напряжение и ток сети (защищаемого элемента). Ток в обмотке 4 создает магнитный поток Ф _н (поляризующий).

Ток I _р, проходящий по обмотке 5, создает магнитный поток Ф_т (рабочий).

На рис. 3.5 изображена векторная диаграмма магнитных потоков Ф_н и Ф_т. За исходный для ее построения принимается вектор напряжения U _p. Ток I _н сдвинут по фазе относительно напряжения U _p на угол a, а ток I _р – на угол φ_р.

Рис. 3.4. Реле мощности: а) – с цилиндрическим ротором;

б) – ротор реле и направление положительного момента М_э

Рис. 3.5. Векторная диаграмма реле мощности

Угол a определяется индуктивным и активным сопротивлением обмотки 4, питаемой напряжением, и называется углом внутреннего сдвига реле. Угол φ_р зависит от параметров сети и схемы присоединения реле.

Магнитные потоки Ф_н и Ф_т изображены на диаграмме совпадающими с создающими их токами I _н и I _р.

Из векторной диаграммы следует, что потоки Ф_н и Ф_т, а также токи I _н и I _р сдвинуты по фазе на угол y = a – φ_р.

Магнитные потоки Ф_н и Ф_т пронизывают подвижную систему реле и наводят в ней вихревые токи I _дн и I _дт (рис. 3.4, а).

Взаимодействие вихревых токов с магнитными потоками создает электромагнитный момент М_э, который равен

.

Имея ввиду, что , , а y = a – φ_р, получаем

.

Анализируя последнее выражение, можно сделать следующие выводы:

- электромагнитный момент реле пропорционален мощности S _р на его зажимах;

- знак электромагнитного момента реле определяется знаком Sin(a – φ_р) и зависит от значения φ_р и угла внутреннего сдвига a.

Это иллюстрируется рис. 3.5, где зона отрицательных моментов заштрихована. Незаштрихованная часть диаграммы соответствует области положительных моментов, где Ф_т опережает Ф_н, а y и его синус имеют положительный знак. Линия АВ, проходящая через углы a – φ _р = 0 и 180°, называется линией изменения знака момента. Она всегда расположена под углом a к вектору U _p, т.е. совпадает с направлением векторов I _н и Ф_н.

Линия СD (перпендикулярная АВ) называется линией максимальных моментов. Момент М _э достигает максимума при a – φ _р = 90°, т. е. когда I _р опережает I _н на 90°. Угол φ_р, при котором М _э достигает максимального значения, называется углом максимальной чувствительности, значение которого зависит от угла a.

Реле не действует, если отсутствует напряжение или ток в реле или если Sin(a – φ_р) = 0. Последнее условие имеет место при a = φ_р иφ_р = a+ 180°.