Функции пусковых органов, виды и требования к ним

В § 11.3 отмечалось, что пусковые органы (ПО) применяются в односистемных ДЗ, выполняемых с переключениями в цепях тока и напряжения, а также в трехсистемных, если они имеют один комплект ДО на две ступени ДЗ или если их ДО не от­строены от максимальной нагрузки. Пусковые органы в этих ДЗ выполняют следующие функции:

1) в односистемных схемах подводят при КЗ к ДО токи и на­пряжения поврежденных фаз для правильного определения положения места повреждения;

2) в схемах с одним комплектом ДО для I и II ступеней про­изводят переключения, необходимые для изменения уставки срабатывания при КЗ за пределами I зоны;

3) не позволяют ДЗ действовать на отключение в нормальном режиме, если для повышения чувствительности к КЗ ее ДО недостаточно отстроены от нагрузки;

4) при необходимости осуществляют пуск элементов времени II и III ступеней;

5) выполняют роль ДО резервной (обычно III) ступени ДЗ. Все ПО должны удовлетворять трем основным требованиям:

обладать достаточной чувствительностью в пределах заданной зоны действия, иметь надежную отстройку от I _{н тах} и, по воз­можности, не действовать при качаниях. В односистемных ДЗ ПО должны четко определять, на каких фазах возникло КЗ, и в зависимости от этого подводить к ДО напряжение и ток, обеспечивающие его правильное действие.

В качестве ПО применяются токовые реле, реагирующие на фазные токи. Необходимость отстройки ПО от нагрузки ограничивает чувствительность ДЗ при КЗ, особенно на длинных и сильно загруженных НЭП. В связи с этим наибольшее применение находят PC с характеристиками, позволяющими надежно отстроить ПО от нагрузки и обеспечить в то же время наибольшую зону действия при КЗ. На протяженных ЛЭП сле­дует использовать PC с эллиптическими и сложными характе­ристиками. Для обеспечения надежного пуска ДЗ при КЗ через переходное сопротивление R _пхарактеристика срабатывания PC, изображенная в осях R, jX, должна охватывать заштрихованную площадь ОКК'К", показанную на рис. 11.13, д, в которой распо­лагаются векторы Z _p при КЗ через R _п. С учетом изложенного наиболее рациональной характеристикой ПО является четырех­угольник. Лучшими качествами с точки зрения отстройки от нагрузки и качаний обладает токовое реле ОП. Оно не реаги­рует на симметричные режимы и, следовательно, не может сра­ботать при симметричной нагрузке и качаниях.

Токовые пусковые органы, реагирующие на фазные токи, выполняются с помощью максимальных реле тока. При большой кратности тока эти ПО обладают четкой избирательностью поврежденных фаз. Токовые ПО должны устанавливаться на каждой фазе защищаемой ЛЭП. В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью токовые ПО можно устанавли­вать на двух фазах. Ток срабатывания ПО отстраивается от I _{раб тах} так же, как I _с.зMT3 (см. гл. 4). Наибольшее применение токовый пуск находит в ДЗ сетей 35 кВ. При наличии токовых ПО отпадает необходимость применения блокировки при не­исправностях в цепях напряжения.

Токовые реле обратной последовательности. Двухфазные КЗ сопровождаются появлением тока ОП, и реле надежно дей­ствует. При трехфазных КЗ I ₂= 0. Чтобы обеспечить пуск ДЗ от реле ОП при трехфазных КЗ, предусматривается особая схе­ма, фиксирующая кратковременное появление I ₂в первый момент возникновения повреждения. Эта схема рассмотрена в § 12.4 (см. рис. 12.4 и 12.5). Очевидно, что ПО, реагирующий на ток I ₂, не может действовать избирательно, определяя по­врежденную фазу, и по этой причине не может применяться в односистемных ДЗ. Преимуществом пуска от тока I ₂являет­ся недействие его при симметричных перегрузках и качаниях, а также высокая чувствительность при КЗ, поскольку I _с.р ОП отстраивается только от I _нб фильтра, имеющего небольшое значение.

Пусковые реле сопротивления. Схемы включения. Пусковые PC ненаправленные и направленные, с круговыми и эллипти­ческими характеристиками включаются на междуфазные на­пряжения и разность одноименных фаз токов согласно табл. 11.1. Схема табл. 11.1 обеспечивает стабильность зоны действия при всех видах КЗ, что очень важно, когда пусковые реле выполняют функции ДО III зоны ДЗ. Однако эта схема не обеспечивает избирательности поврежденных фаз. При двух­фазных КЗ все три реле питаются током КЗ и имеют понижен­ное напряжение, поэтому при близких КЗ они могут сработать все одновременно, что не позволяет выявлять поврежденные фазы по действию пусковых реле.

Ненаправленные реле сопротивления. Для исключения дей­ствия пускового реле в нормальном режиме и при нагрузках его сопротивление срабатывания выбирается меньше ми­нимального значения сопротивления Z _{pаб min}, возникающего на зажимах реле в рабочем режиме (рис. 11.35), т. е.:

< = / , (11.27)

где - минимальное рабочее напряжение; - наибольший ток нагрузки.

Чем больше нагрузка, тем меньше чувствительность пуско­вого реле при КЗ. Поэтому на длинных ЛЭП с большими на­грузками PC с круговой характеристикой в начале координат оказывается недостаточно чувствительным при КЗ. Ненаправ­ленные PC применяются в качестве ПО в сетях 35 кВ и на не­длинных и малозагруженных ЛЭП 110кВ. По сравнению с то­ковыми пусковыми реле ненаправленные PC отличаются большей чувствительностью к КЗ.

Пусковые направленные реле сопротивления с круговой характеристикой. Характеристика 2 направленного реле (рис. 11.35) значительно лучше удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ПО, чем ненаправленное PC с характеристи­кой 1.

Недостатком направленного реле является мертвая зо­на по напряжению, так как реле не работает при U_p = О или зна­чениях, близких к нему. Этот недостаток при двухфазных КЗ устраняется применением подпитки реле напряжением третьей фазы. Для устранения мертвой зоны при трехфазных КЗ уста­навливается токовая отсечка или производится смещение характеристики реле в сторону III квадранта. Последнее допу­стимо, поскольку III ступень ДЗ работает с выдержкой вре­мени.

Направленные PC с круговой характеристикой получили широкое применение в качестве ПО в сетях 110-500 кВ. Их при­менение особенно целесообразно на длинных, сильно загру­женных ЛЭП.

Пусковые направленные реле с эллиптической (или оваль­ной) характеристикой. На рис. 11.36 приведены для сравнения характеристики двух направленных PC. Обе характеристики имеют одинаковую зону действия (отрезок АВ) при КЗ с углом = = . Но при реле с эллиптической характеристикой имеют меньшую зону действия, чем PC с круговой характеристикой, поэтому они лучше отстраиваются от на­грузки и качаний. Реле с эллиптической характеристикой до­пускают значительно меньшее переходное сопротивление R _пв месте КЗ. Это является недостатком, который нужно учи­тывать при выборе уставки по малой оси эллипса. Реле имеет мертвую зону при двух- и трехфазных КЗ, которая устраняется так же, как у направленного PC с круговой характеристикой.

Реле сопротивления с блокировкой от фазоограничителя, ограничивающего действие ПЗ при перегрузке. Улучшение характеристики ПО можно получить, применив комбинирован­ный пуск, состоящий из направленного PC и блокирующего PC смешанного типа (рис. 11.37, а). Характеристика 2 смешанного типа выражается уравнением Z _c.p = k / cos ( - ) и представля­ет собой прямую линию, проходящую под углом 90° - к оси R. Величина k является проекцией векторов Z _c.p на перпендику­ляр AM и имеет постоянное значение. Зона действия реле за­штрихована. Сочетанием направленного PC и блокирующего реле 2, отсекающего правую часть характеристики, можно до­стигнуть дальнейшего улучшения характеристики пускового устройства. В качестве блокирующего реле можно использо­вать РНМ с углами внутреннего сдвига 60 и 30°.

Пусковое реле с характеристикой в виде четырехугольника. Характеристика PC показана на рис. 11.37, б. Площадь четырех­угольника ABCD должна быть минимальной, но обеспечива­ющей работу реле в пределах выбранной зоны действия. Исхо­дя из этого характеристика реле должна удовлетворять сле­дующим условиям: для обеспечения направленности действия точка А характеристики должна совпадать с началом коорди­нат - точкой 0; прямая ВС должна проходить через точку L, соответствующую концу расчетной зоны действия реле (рис. 11.37, в); прямая AL представляет собой характеристику сопротивления защищаемой зоны и образует с осью R угол , равный углу полного сопротивления линии Z _л. Точка С выби­рается из условия действия реле при КЗ в конце защищаемой зоны при наличии переходного сопротивления R _пв месте по­вреждения. Как указывалось:

Z_ac = Z_AL + R _п = Z_AL + Z. (11.28)

С учетом угла сдвига фаз между векторами I _к = I _N + I _M и I _N (рис. 11.37,2) прямая ВС должна проходить относительно оси R под углом = + где - угол запаса, учитыва­ющий угловую погрешность измерительных трансформаторов и погрешность в срабатывании реле. Сторона CD должна быть смещена относительно отрезка AL на величину Z, характери­зующую дополнительное сопротивление, обусловленное электрической дугой R _п. При приближении места КЗ к точке А ток I _к возрастает, в результате R _ди Z уменьшаются. С учетом этого угол принимается меньшим угла защищаемой ли­нии . Сторона AD должна равняться значению Z', которое определяется сопротивлением электрической дуги при КЗ в начале ЛЭП (точка А), и иметь угол = + . Сторона АВ располагается под углом > с таким расчетом, чтобы реле надежно действовало при металлических КЗ на защищаемом участке ЛЭП (прямая AL) с учетом погрешности измеритель­ных трансформаторов и реле. Полученная характеристика реле ABCD обеспечивает необходимую чувствительность при КЗ и имеет наилучшую отстройку от нагрузки и качаний по сравнению с другими характеристиками, обладающими равной чувствительностью при металлических КЗ. Для устранения мертвой зоны и улучшения резервирования при КЗ на длинных электропередачах можно применять смещение характеристи­ки относительно начала координат.

11.13. ПОГРЕШНОСТЬ СРАБАТЫВАНИЯ PC, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ТОКОМ I _Р

Реле сопротивления, выполняющие функции ДО, определя­ют зону действия ступеней ДЗ. Для обеспечения стабильно­сти этих зон к PC предъявляются требования точности работы. В идеальном PC Z _c.p = (U _Р/ I _Р)_с.р должно равняться заданной уставке независимо от абсолютных значений U _Ри I _Р. Однако в действительности, вследствие ограниченной чувствительно­сти реагирующего органа и других элементов схемы, Z _c.p у всех видов PC зависит не только от уставки Z _у но и от абсолютных значений тока I _Р. Под его влиянием Z _c.pотклоняется от Z _у в сторону уменьшения. Возникает нежелательная погрешность Z в срабатывании реле, приводящая к сокращению его зоны действия. Рассмотрим характер зависимости Z _c.p = f (I _Р) на при­мере реле с круговой характеристикой, построенного на срав­нении абсолютных значений двух напряжений рабочего К _I I _Ри тормозного К_U U _г(см. гл. 11). С учетом порога чувствительно­сти РО, характеризуемого напряжением U _п.ч, PC приходит в действие при рабочем напряжении | К _I I _Р| = | К_UU _Р|+ U _п.ч. Разделив это значение на К_UI _Р, получим

| Z _p| = | К _I /К_U | - | U _п.ч / К_U I _Р|. (11.29)

Наличие второго слагаемого в правой части (11.29), зави­сящей от тока I _Р, создает погрешность в работе PC

Z = Z _у -Z _c.р = . (11.30)

Из (11.29) и (11.30) следует, что основной причиной зависи­мости Z _c.p от I _Р, вызывающей погрешность в действии статиче­ских реле, является наличие порога чувствительности у РО, для преодоления которого на вход РО необходимо подать рабо­чее напряжение U _раб > U _п.ч. В электромеханических PC Z _c.pтакже зависит от тока I _Р из-за ограниченной чувствительности реле, обусловленной противодействием пружины и трением подвижной системы реле. Второй причиной, порождающей зависимость от тока, является нелинейность элементов схемы реле (полупроводниковых приборов, промежуточных трансфор­маторов и преобразователей и др.). Типичная характеристика Z _c.p = f (I _Р), построенная на основе (11.30) Z _c.p= Z _у, изображает­ся на рис. 11.38 прямой 1. Действительная характеристика пред­ставлена кривой 2. При Z _c.p = 0, имеющем место, когда U _Р = 0, PC срабатывает только при I _Р = I _с.р. При этом тормозное напря­жение К_UU _Ротсутствует и согласно (11.30) I _Р образует рабочее напряжение К _I I _Р = К _I I _{с.р min}, необходимое для преодоления U _п.чРО.

При малых токах I _Р, соизмеримых с I _{с.р min} погрешность в срабатывании реле Z = особенно велика, Z _c.p оказывается намного меньше Z _y, что приводит к резкому уменьшению зоны действия реле. По мере увеличения I _Р значение погреш­ности Z_I уменьшается и, начиная с некоторой точки (рис. 11.38), становится настолько малым, что им можно пре­небречь, считая, что Z _c.p= Z _y. При больших значениях I _Р воз­можно насыщение магнитопроводов промежуточных транс­форматоров и нелинейности выпрямителей, что снова вызовет увеличение Z_I и уменьшение Z _c.p.

Зависимость Z _c.p = f (I _Р), приведенная на рис. 11.38, характер­на и для других видов PC, поскольку все они имеют конечную чувствительность, определяемую значением U _п.ч. Кривая 2 на рис. 11.38 показывает, что каждое PC может работать с до­статочной точностью только в определенном диапазоне то­ков I _Р, особенно в начальной части кривой - в области малых токов. Принято, что для дистанционных органов погрешность Z_I не должна превышать 10% Z _y.

Из этого условия по кривой Z _c.p = f (I _Р), полученной опыт­ным или расчетным путем, для каждого типа реле определя­ются токи точной работы: в области малых токовой в области больших токов, при которых погрешность Z_I рав­на 10%, а сопротивление срабатывания Z _c.p = 0,9 Z _y.

В современных конструкциях ток точной работы в начальной части характеристики 1 7А. При выборе уставок PC необходимо проверять, что при повреждении в конце зоны дей­ствия токи КЗ I _{к min} , а I _{к max} . Если эти условия не будут выполняться, то погрешность реле превзойдет 10% и соответственно сократится зона действия PC.

Для уменьшения зависимости работы PC от тока I _Р и сниже­ния погрешности Z_I необходимо, как это следует из (11.30), повышать чувствительность реагирующего органа реле (уменьшая этим U _п.ч ), увеличивать в возможных пределах коэффи­циент К_U при напряжении U _Р, принимать меры к уменьшению нелинейности элементов схемы.