Высокочастотные защиты

ЧАСТЬ 5

5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ АБСОЛЮТНО СЕЛЕКТИВНЫХ И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЗАЩИТ

Работа абсолютно селективных защит, достоверно различающих КЗ в защищаемом элементе и вне его и обеспечивающих возможность отключения КЗ без выдержки времени, основаны на одновременном использовании информации о значениях электрических величин во всех присоединениях защищаемого элемента. Поэтому абсолютно селективные защиты, в отличие от относительно селективных, например ступенчатых, в общем случае требуют применения специальных каналов связи. В качестве каналов связи используются проводные, высокочастотные и радиоканалы. Возможно использование волоконно-оптических линий связи.

Проводные каналы состоят из жил кабеля с изоляцией до 1000 В. Информация по таким каналам передается на промышленной или тональной частоте, реже на постоянном токе. Для продольной защиты линий вдоль трассы в земле прокладывается специальный кабель, жилы которого используются и для цепей телемеханики и специальной связи. Недостатком таких проводных каналов является высокая стоимость прокладки кабеля, а также возможность повреждения его на неохраняемой территории подстанции. Поэтому для защит применение проводных каналов ограничивается небольшой длиной линии, приблизительно до 20 км. Для защит линий в пределах подстанций, защит генераторов, трансформаторов, двигателей и шин применяются проводные каналы с жилами контрольных кабелей. В этих случаях, длина вспомогательных проводов не превышает нескольких сот метров, провода находятся в пределах подстанции (станции).

Высокочастотные (ВЧ) каналы функционируют по проводам защищаемой линии, для чего производится ВЧ обработка линий. Обычно обработке подвергается одна фаза и ВЧ сигналы передаются по схеме фаза-земля.

Для релейной защиты используются ВЧ каналы, работающие на частотах 40-500 кГц.

ВЧ канал (рис. 5.1) содержит следующие элементы: провода фазы защищаемой линии, заградители (ВЗ), конденсаторы связи (КС), фильтры присоединения (ФП), ВЧ кабели и приемопередатчики.

ВЗ включены последовательно в провод фазы защищаемой линии и состоят из реактора и конденсатора, настроенных в резонанс на рабочую частоту, и представляют для нее большое сопротивление. Поэтому ВЧ сигналы не распространяются на соседние участки и могут циркулировать лишь между заградителями двух сторон линий. Заградители препятствуют распространению ВЧ сигналов на соседние участки, исключая тем самым возникновение помех на этих участках.

Высоковольтный КС изолирует ВЧ аппаратуру от высоковольтной линии и создает путь токам высокой частоты, для которых представляет малое сопротивление, а также препятствует токам промышленной частоты, для которых представляет большое сопротивление.

ФП, состоящий из воздушного трансформатора и конденсатора, согласует волновое сопротивление ВЧ кабеля и входное сопротивление линии, что исключает потери энергии на отраженные волны. Заземление обмотки трансформатора создает путь токам промышленной частоты, исключая их попадание в приемопередатчики. ФП вместе с КС образует полосовой фильтр, пропускающий определенную полосу частот.

ВЧ кабель соединяет приемопередатчик с ФП.

Приемопередатчик состоит из передатчика – генератора ГВЧ и приемника ПВЧ. С каждой стороны линии приемопередатчика настроены на одну и ту же частоту. Поэтому ПВЧ принимают сигналы своего ГВЧ и установленного на противоположном участке.

На ВЧ канал большое влияние оказывают помехи, обусловленные высоким напряжением линии – коронирование проводов, операции с коммутационными аппаратами, соседние ВЧ каналы. Влияние помех снижает порог чувствительности ПВЧ.

Структурная схема ВЧ защиты на одном из концов защищаемой линии показана на рис. 5.1. Схема содержит пусковой орган ПО, реагирующий орган РО, исполнительный орган ИО и приемопередающую аппаратуру канала ВЧ связи.

ПО фиксирует появление повреждения в некоторой зоне, размеры которой определяются его чувствительностью, но не устанавливает, на какой ЛЭП произошло повреждение. ПО подготавливает цепь отключения выключателя и при определенных условиях запускает передатчик канала ВЧ связи. РО на основании обработки результатов измерений токов и напряжений на данном конце и информации, принятой по каналу связи с противоположного конца линии, устанавливает наличие или отсутствие повреждения на защищаемой линии. В первом случае РО подает сигнал на ИО, который воздействует на цепь отключения выключателя.

Радиоканалы работают на ультракоротких, дециметровых и сантиметровых волнах (f =300–30000 МГц). Волны таких частот распространяются вблизи поверхности земли, не огибают ее выпуклостей. Поэтому такие каналы могут использоваться в пределах прямой видимости, т.е. на небольших расстояниях между антеннами – от 40 до 60 км.

Радиоканалы большой протяженности для усиления радиосигналов содержат промежуточные приемопередающие радиостанции. Такие радиоканалы носят название радиорелейных линий.

Радиоканалы имеют преимущества по сравнению с ВЧ каналами: работа их меньше зависит от повреждений на ЛЭП, им доступна более широкая полоса частот. Однако радиоканалы дороги из-за промежуточных трансляторов и в энергетике используются мало.

ВЧ защитами называются защиты, использующие ВЧ каналы. Передатчики пускаются и останавливаются сигналами РЗ, а сигналы с выходов приемников поступают в цепи РЗ и обусловливают выполнение ею заданных функций. Различают два способа использования ВЧ сигналов для РЗ: с разрешающими и блокирующими сигналами.

В России применяют ВЧ защиты, в которых по ВЧ каналу передаются блокирующие сигналы, запрещающие отключение линии при внешнем КЗ. Защита действует на отключение линии при КЗ на ней, когда блокирующие сигналы не передаются по каналу связи. При отсутствии КЗ сигналы по линии не передаются.

5.2. НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА С ВЧ БЛОКИРОВКОЙ

Направленные и дистанционные защиты с ВЧ блокировкой построены по принципу сравнения направления потоков мощности по концам защищаемой линии.

При внешнем КЗ мощность направлена на одном конце от шин в линию, а на другом – от линии к шинам. Сравнивая направления мощности по концам линии, можно определить, где возникло повреждение: на линии или за ее пределами.

Такое сравнение осуществляется при помощи реле мощности М, которые устанавливаются на обоих концах линии и включаются так, чтобы при КЗ на защищаемой линии они разрешали действие защит на отключение.

Рис. 5.2. Направление мощности по концам линии при КЗ

Поэтому при КЗ в т. К (рис. 5.2) подействуют на отключение только защиты 3 и 4, установленные на поврежденной линии БВ. На неповрежденной линии АБ реле мощности 1 замыкает свои контакты, разрешая ей действовать на отключение. Однако на приемном конце линии АБ реле мощности защиты 2 под влиянием мощности КЗ, направленной к шинам, размыкает свои контакты, чем запрещает действие на отключение своей защиты и одновременно блокирует действие защиты 1 посылкой блокирующего сигнала тока высокой частотой по проводам этой же линии. Блокирующий сигнал посылается специальными генераторами токов высокой частоты ГВЧ (рис. 5.3), управляемыми реле мощности М, и принимается специальными приемниками токов высокой частоты ПВЧ, настроенными на ту же частоту, что и генераторы. Приняв ВЧ сигнал, приемники выпрямляют полученный ток и подают его в обмотку блокирующего реле Б, которое размыкает цепь отключения своей защиты, не позволяя ей действовать на отключение.

Рис. 5.3. Принцип действия направленной защиты с ВЧ блокировкой

При КЗ на защищаемой линии ВЧ блокирующий сигнал отсутствует, т.к. реле мощности М, срабатывая, не позволяют действовать передатчикам высокой частоты ПВЧ. В этом случае контакты блокирующих реле остаются замкнутыми, разрешая реле мощности М действовать на отключение.

Таким образом, ВЧ блокирующий сигнал появляется в линии только при внешних КЗ, обеспечивая селективную работу защиты. Зона действия защиты ограничивается трансформаторами тока (ТТ), питающими реле мощности.

На рассмотренном принципе выполняются защиты, сравнивающие направления мощностей в фазах или мощности нулевой или обратной последовательности. Реле мощности в двух последних случаях включаются через соответствующие фильтры на токи и напряжения нулевой или обратной последовательности.

Упрощенная схема, поясняющая принцип выполнения и действия направленных ВЧ защит, показана на рис. 5.4. Защита состоит из трех основных элементов: пускового органа, органа направления мощности и блокирующего реле Б.

ПО выполняется при помощи двух комплектов реле, один из которых (реле П₂) пускает передатчик ВЧ поста, а второй (реле П₁) управляет цепью отключения защиты.

Орган направления мощности М осуществляется посредством обычных реле мощности.

Реле мощности замыкает свои контакты при мощности КЗ, направленной от шин в линию, срабатывая, оно останавливает передатчик (при помощи реле ПР), подает ток в рабочую обмотку блокирующего реле Б и замыкает цепь отключения защиты. При направлении мощности к шинам реле М не действует и разрешает пуск передатчика.

Блокирующее реле Б управляется током высокой частоты. При наличии ВЧ сигнала блокирующее реле размыкает цепь отключения, не позволяя защите действовать. В качестве блокирующего реле обычно используется поляризованное реле с двумя обмотками – рабочей и тормозной. Рабочая обмотка получает питание при срабатывании реле мощности и действует на замыкание контактов поляризованного реле. Тормозная обмотка питается выпрямленным током высокой частоты, получаемым из приемника, и действует на размыкание контактов реле. При одновременном питании рабочей и тормозной обмоток реле не действует, т.к. тормозной момент преобладает над рабочим.

При внешнем КЗ на обоих концах линии срабатывают пусковые реле П ₁ и П ₂. Они пускают передатчики и подают плюс к контактам реле мощности М. На питающем конце линии, где мощность КЗ направлена от шин в линию, реле мощности срабатывает, останавливает передатчик своего комплекта, подает плюс к контактам блокирующего реле Б и ток в его рабочую обмотку, подготавливая, таким образом, защиту к действию. Однако цепь отключения защиты остается разомкнутой контактами блокирующего реле, в тормозную обмотку которого поступает блокирующий ток с противоположного конца линии. На противоположном конце линии мощность КЗ направлена к шинам, поэтому реле мощности на этом конце линии не действует, разрешая реле П ₂ запустить передатчик, который посылает блокирующий ток высокой частоты. Этот ток, принятый и выпрямленный приемниками обоих постов, поступает в тормозные обмотки блокирующих реле Б и не позволяют им действовать. Таким образом, при внешнем КЗ ВЧ блокирующий сигнал посылается с того конца линии, где контакты реле мощности разомкнуты, что и обеспечивает селективность защиты.

При КЗ в зоне и двустороннем питании места повреждения мощность КЗ на обоих концах линии направлена от шин в линию. В обоих комплектах защиты срабатывают пусковые реле П ₁ и П ₂ и реле мощности М. Реле мощности размыкают при помощи промежуточного реле ПР цепь пуска ВЧ поста. Вследствие бездействия обоих передатчиков ток высокой частоты отсутствует, и блокирующие реле срабатывают, разрешая защите произвести отключение линии.

При качаниях, обычно сопровождающихся возрастанием тока и снижением напряжения, пусковые реле тока и сопротивления могут приходить в действие. Поэтому поведение защиты в этих условиях будет зависеть от поведения реле мощности М, которое зависит от положения точки электрического центра качаний. Если электрический центр качаний окажется в пределах защищаемой линии, то знаки мощности по ее концам будут положительными (т.е. направленными от шин в линию). В этом случае защита подействует неправильно и отключит линию. На всех остальных участках сети, где электрический центр расположен вне защищаемой линии, направления мощности по их концам будут различными и защита будет блокироваться, как и в условиях внешних КЗ.

Для предотвращения неправильных отключений применяется специальная блокировка, запрещающая работать защите при качаниях.

Первая из них, наиболее простое, состоит в том, что параметры срабатывания пусковых реле защиты выбираются с таким расчетом, чтобы они не действовали при качаниях. С этой целью у токовых защит ток срабатывания выбирается больше максимального тока качания I _сз >I _кач, а у дистанционных защит Z _сз должно быть меньше минимальной величины сопротивления, возможной в данной точке сети при качаниях.

Второй способ – отстройка от качаний при помощи выдержки времени порядка 1-2 сек. Это мероприятие применимо в тех случаях, когда указанное замедление защит допустимо по условиям устойчивости и бесперебойного питания потребителей.

Третий способ – применение блокировок, выводящих защиту из действия при возникновении качаний.

Блокирующие устройства должны удовлетворять двум основным требованиям:

1) выводить защиту из действия при качаниях, возникших как в нормальном режиме, так и при КЗ;

2) не должны препятствовать работе защиты, если во время качаний на защищаемом ею участке возникает КЗ.

Рис. 5.4. Упрощенная схема направленной защиты с ВЧ блокировкой

5.3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНАЯ ВЧ ЗАЩИТА

Дифференциально-фазная ВЧ защита основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой линии.

Рис. 5.5. Принцип действия дифференциально-фазной ВЧ защиты

Считая положительными токи, направленные от шин в линию, находим, что при внешних КЗ в т. К ₁ (рис. 5.5, а) токи I _m и I _n по концам защищаемой линии имеют различные знаки и, следовательно, их можно считать сдвинутыми по фазе на 180⁰. В случае КЗ на защищаемой линии (рис. 5.5, б) токи на ее концах имеют одинаковые знаки и их можно принять совпадающими по фазе, если пренебречь сдвигом векторов ЭДС Е _m и Е _n по концам ЛЭП.

В обычных схемах дифференциальных защит сравнение фаз токов осуществляется в дифференциальных реле (типа ДЗТ) путем непосредственного сравнения токов, проходящих в начале и конце линии. В дифференциально-фазной ВЧ защите сравнение фаз осуществляется косвенным путем посредством токов высокой частоты.

Защита (рис. 5.6) состоит из приемопередатчика, включающего в себя ВЧ генератора ГВЧ, приемник ПВЧ, реле отключения РО, питающегося током приемника и двух пусковых реле П ₁ и П ₂, одно из которых пускает ГВЧ, а второе контролирует цепь отключения защиты. Токи высокой частоты передаются по каналу, образованному проводом линии высокого напряжения и землей.

Рис. 5.6. Упрощенная принципиальная схема дифференциально-фазной ВЧ защиты

Особенностью защиты является то, что ГВЧ управляется непосредственно токами промышленной частоты при помощи специального трансформатора ТМ. Генератор включен так, что при положительной полуволне промышленного тока он работает, посылая в линию ток высокой частоты, а при отрицательной – запирается и ток высокой частоты прекращается. В то же время приемник выполнен таким образом, что при наличии токов высокой частоты, поступающих в его входной контур, выходной ток, питающий реле РО, равен нулю, а при отсутствии ВЧ сигнала появляется выходной ток, который поступает в реле РО. Таким образом, ГВЧ работает только в течение положительных полупериодов тока промышленной частоты, а приемник – при отсутствии ВЧ сигналов.

При внешнем КЗ (рис. 5.7, а), когда фазы первичных токов по концам линии противоположны, генератор на конце линии m работает в течение первого полупериода промышленного тока, а на конце n – в течение следующего полупериода. Ток высокой частоты протекает по линии непрерывно и питает приемники на обеих сторонах линии. В результате этого выходной ток в цепи приемника и реле РО отстуствует, и защита не сработает.

При КЗ в зоне (рис. 5.7, б) генераторы на обоих концах линии работают одновременно, поскольку фазы токов линии совпадают. ток высокой частоты, поступающий при этом в приемники, будет иметь прерывистый характер с интервалами времени, равными полупериоду промышленного тока. В этом случае приемник работает в промежутки времен, когда ВЧ ток отсутствует, и не работает во время его прохождения. В выходной цепи приемника появляется прерывистый ток, который сглаживается и подается в реле РО. Последнее срабатывает и отключает линию. Защита срабатывает, если при повреждении на ЛЭП, при котором сработали пусковые органы, расхождение фаз токов составляет не более 115-135⁰. При отсутствии ВЧ сигнала с противоположного конца защита также действует на отключение.

Рис. 5.7. Диаграмма токов в дифференциально-фазной ВЧ защите

По принципу своего действия дифференциально-фазная защита не реагирует на нагрузку и качания, т.к. в этих режимах токи на обоих концах ЛЭП имеют разные знаки.