Релейная защита и автоматика энергосистем. Лекция 9

1.

Релейная защита и автоматика энергосистем – Лекция 9
Дистанционные защиты линий.

2.

Дистанционные защиты линий
Принцип действия. Измерительным органом дистанционной
защиты является реле сопротивления. Оно вычисляет
сопротивление, подводимое к реле, с помощью двух (рис. 19)
электрических величин (как в реле направления мощности) –
U1
тока и напряжения:
U2
kН
ZР
I1
I2
kТ
где ZР – сопротивление, подведенное на зажимы реле KZ1; U1, I1
– первичные напряжение и ток линии W1; kН, kТ –
коэффициенты трансформации трансформаторов напряжения
TV1 и тока TA1; U2, I2 – вторичные напряжение и ток,
подведенные на зажимы реле KZ1. Обычно сопротивление ZР
вычисляется косвенно. Реле сопротивления является реле
минимального действия, так как оно срабатывает при снижении
подводимого сопротивления меньше уставки.
Рисунок 19 – Схема
дистанционной защиты
включения

3.

Область применения. Используется в сетях U = 110 кВ и выше, а
также в сетях U = 6–35 кВ, если сеть имеет несколько
источников питания или традиционная токовая защита не
обеспечивает требуемой чувствительности. Защита применяется
от всех многофазных и однофазных КЗ в сети с заземленной
нейтралью.
Рисунок 19 – Схема
дистанционной защиты
включения

4.

Характеристики срабатывания дистанционной защиты
В реле сопротивления формируют специальные
характеристики срабатывания, которые изображают в
комплексной плоскости сопротивления.
Самая простая дистанционная защита – ненаправленная
(называемая «реле полного сопротивления»), имеющая
круговую характеристику, с центром в начале координат
(рис. 20), причем заштрихованная область внутри
окружности является областью срабатывания. В отличие
от обычной токовой ненаправленной защиты она имеет то
преимущество, что использует дополнительный параметр
– напряжение, которое при КЗ также изменяется,
повышая чувствительность защиты. Реле с такой
характеристикой обычно используется в сетях 6-35 кВ.
Рисунок
20
–
Характеристика
срабатывания дистанционной защиты

5.

Круговая характеристика (рис. 21), проходящая через
центр координат, является направленной, так как
величина сопротивления срабатывания изменяется в
зависимости от угла вектора сопротивления. Часто такая
характеристика используется в первых (рис. 21 ―
окружность 1) и во вторых (рис. 21 ― окружность 2)
ступенях дистанционной защиты.
Рисунок
21
–
Характеристика
срабатывания дистанционной защиты

6.

Эллиптические характеристики (рис. 22,а) используются обычно в качестве второй и третьей
ступеней. Трапецеидальные (рис. 22,б) и треугольная (рис. 22,в) характеристики используются для
третьей ступени дистанционной защиты. Две круговые характеристики (рис. 22,г) используются для
измерительного органа однофазного АПВ.
а)
б)
в)
Рисунок 22 – Характеристики срабатывания дистанционной защиты
г)

7.

В современных микропроцессорных защитах наряду с круговыми используются полигональные
характеристики срабатывания с учетом ограничения по области нагрузок (рис. 23,а) и повышенной
чувствительности к КЗ на землю (рис. 23,б), а также в качестве пускового органа (рис. 23,в)
а)
б)
Рисунок 23 – Характеристики срабатывания дистанционной защиты
в)

8.

Кроме перечисленных выше характеристик срабатывания
дистанционной защиты, могут использоваться и другие, ―
например, в электрических сетях железной дороги используется
характеристика, которая называется «замочная скважина».
Чтобы чувствительность дистанционной защиты была
максимальной при КЗ и чтобы она ложно не срабатывала при
наибольшей нагрузке, характеристики срабатывания имеют
Рисунок 24 – Области сопротивлений
нагрузки и КЗ на ЛЭП
формы, изображенные на рис. 20-23. Уставка угла максимальной
чувствительности должна быть равна углу ЛЭП:
xЛЭП
МЧ = ЛЭП,
ЛЭП arctg
rЛЭП
где угол ЛЭП в свою очередь определяется по формуле
Обычно ЛЭП = 45…78о и зависит от сечения провода, класса напряжения, т.е. расстояния между
проводами. В то же время надо помнить, что желаемый cos НАГР = 0,7…1,0, при этом НАГР =
45…0о. В связи с вышесказанным можно нарисовать на комплексной плоскости сопротивления
область (рис. 24), при попадании в которую защита должна срабатывать (область КЗ на ЛЭП) или
не должна срабатывать (область нагрузки).

9.

Реализация реле сопротивления
Наиболее общая структурная схема реле сопротивления
приведена на рис. 25 (подобную структуру имеет реле
направления мощности).
На рисунке 25 обозначены: ПТ и ПН – преобразователи тока
и напряжения; У – уставка; СС1 и СС2 – схемы сравнения;
ИО – исполнительный орган. В явном или косвенном виде
реле сопротивления имеет такую структуру. Входной ток IВХ
и входное напряжение UВХ преобразуются ПН и ПТ в
напряжения UI и UU. Сигналы UI и UU могут быть как
дискретными, так и аналоговыми. В зависимости от этого
СС1 может быть как логическим элементом, например И, так Рисунок 25 – Структурная схема реле
и специальной фазосравнивающей схемой аналоговых сопротивления
сигналов. В схеме сравнения СС1 происходит вычисление
сигнала, пропорционального ZР. Схема сравнения СС2
сравнивает вычисленную величину с уставкой У и, если
последняя больше, подает команду исполнительному органу
на отключение.

10.

Первая ступень дистанционной защиты
Сопротивление срабатывания. Аналогично токовой
защите первой ступени первая ступень дистанционной
защиты должна быть отстроена от КЗ в конце
защищаемой линии, то есть:
Z СI ,,АЗ lW 1ZУД
где lW1 – длина защищаемой линии W1; ZУД – удельное
сопротивление линии W1.
Чтобы требование селективности было обеспечено и
условие выполнялось с необходимым запасом,
запишем:
I ,А
I
Z С , З kОТС ZW 1
где kIОТС ― коэффициент отстройки, kIОТС = 0,8…0,9;
ZW1 – сопротивление линии W1, ZW1 = ZУД . lW1.
Зона,
защищаемая
дистанционной
защитой,
составляет 80…90% от всей длины линии W1 (рис.
26).
Рисунок 26 – Линия электропередачи, защищаемая
дистанционной защитой

11.

Время срабатывания защиты выбирается
аналогично токовым защитам – для всех первых
ступеней дистанционной защиты принимается
tIС,З=0 (для защит, которые имеют собственную
задержку на срабатывание tIС,З>0,08 с, так как
быстродействующая
защита
должна
быть
отстроена от времени работы разрядников,
которое равно tРАЗР=0,06 – 0,08 с).
Чувствительность I ступени дистанционной
защиты не проверяется, так как она защищает
80―90% линии.
Рисунок 26 – Линия электропередачи, защищаемая
дистанционной защитой

12.

Вторая ступень дистанционной защиты
Сопротивление
срабатывания.
Вторая
ступень
дистанционной защиты отстраивается от конца зоны
(рис. 27) действия I ступени защиты предыдущей
линии W2, исходя из этого условия сопротивление ее
срабатывания соответствуют выражению:
I ,Б
Z
С ,З
II , А
II
Z С , З kОТС lW 1ZУД kОТС
kТОК , Б
Рисунок 27 – Отстройка II ступени дистанционной
защиты и зона ее действия
или вторая ступень дистанционной защиты отстраивается от КЗ за трансформатором Т1 приемной
подстанции в точке К3, из этого условия сопротивление ее срабатывания определяется следующим
образом: II , А
II
ZТ , MIN
Z С , З kОТС lW 1ZУД kОТС
kТОК ,Т
где kТОК,Б ― коэффициент токораспределения, учитывающий несоответствие токов в защите KZ1 и в линии W2
подстанции Б при КЗ в K2; kТОК,T ― коэффициент токораспределения, учитывающий несоответствие токов в защите KZ1
и в трансформаторе Т1 подстанции Б при КЗ в K3; kIIОТС ― коэффициент отстройки, обычно kIIОТС kIОТС ; k*ОТС ―
коэффициент учитывает возможность отрицательной погрешности органа сопротивления защит подстанции Б, k*ОТС <1;
k**ОТС ― коэффициент учитывает погрешности измерения при K(2) за трансформатором с соединением обмоток / , часто
принимается = 1.

13.

Время срабатывания защиты (аналогично токовым
защитам) ― для всех вторых ступеней ДЗ
принимается tIIС,З= tIС,З + t =0,5 c ( t ― ступень
селективности).
Чувствительность второй ступени дистанционной
защиты проверяется из соотношения:
II
kОТС
Z СII, З
Z K1
1,5
где ZK1 ― сопротивление до места короткого
замыкания в точке К1.
Рисунок 27 – Отстройка II ступени дистанционной
защиты и зона ее действия

14.

Третья ступень дистанционной защиты
Сопротивление срабатывания. Аналогично токовым защитам третья ступень дистанционной
защиты отстраивается от наиболее тяжелого рабочего режима (сопротивление при этом
наименьшее):
III
Z С , З Z РАБ , MIN
Однако более тяжелым является условие возврата реле сопротивления при отключении К1 (рис. 27)
и возникшем самозапуске нагрузки:
Z ВIII, З Z СЗП
По аналогии с МТЗ , из предыдущей формулы можно получить:
Z СIII, З, А
III
kОТС
U Р , MIN
k В kCЗП I Р , MAX
где kIIIОТС ― коэффициент отстройки, обычно kIIIОТС kIОТС; kВ ― коэффициент возврата реле
сопротивления, kВ >1;UP,MIN ― минимальное напряжение, которое присутствует при самозапуске
нагрузки после отключения КЗ в точке К1. Выражение относится к третьей ступени дистанционной
защиты с круговой характеристикой срабатывания (рис. 20) с центром в начале координат.

15.

Сопротивление срабатывания защиты с учетом направленности дистанционной защиты, т.е. со
специальными характеристиками записывается:
― для круговой 2 ХС (рис. 21), проходящей через начало координат:
ZУ
kОТС ,Э Z РАБ .MIN
cos
III
kОТС
kОТС , Э
k В kCЗП
где kОТС,Э ― эквивалентный коэффициент, равный
; ZРАБ.MIN ― минимальное
сопротивление максимального рабочего режима, ; ― разница = Р - МЧ , между углами Р ―
рабочего режима при самозапуске нагрузки и МЧ ― максимальной чувствительности уставки
защиты;
― для круговой 3 ХС (рис. 21), смещенной в III (I) квадрант на величину ZСМ (-ZСМ):
Z
III
С ,З
kОТС ,Э Z РАБ .MIN (kОТС ,Э Z РАБ .MIN Z СМ cos )
kОТС ,Э Z РАБ .MIN cos Z СМ

16.

― для эллиптической 1 ХС (рис.22, а), проходящей через начало координат:
2
sin 2
kОТС Z РАБ , MAX cos
2
Z СIII, З
cos
где ɛ ― эллипсность (эксцентриситет), отношение малого радиуса эллипса к большому;
― для эллиптической ХС 2 (рис. 22, а), смещенной в третий квадрант на величину ZСМ:
2
sin 2
kОТС ,Э Z РАБ , MIN cos
Z CМ cos
2
Z CIII, З
Z CМ
cos
kОТС ,Э Z РАБ , MIN
― для треугольной ХС (рис. 22, в):
III kОТС ,Э Z РАБ , MIN sin РАБ
1, 04 kОТС ,Э Z РАБ , MIN sin РАБ
ZC ,З
o
o
cos(90 75 )
o
o
o
o
при
35
115
,
(47
115
)
РАБ
РАБ

17.

― для трапецеидальной ХС (рис. 22,б):
kОТС ,Э Z РАБ , MIN (3,3cos РАБ sin РАБ )
o
o
при
339
53
РАБ
1,5
kОТС ,Э Z РАБ , MIN sin РАБ при 53o РАБ 127 o
Z CIII, З kОТС ,Э Z РАБ , MIN (sin РАБ 3,3cos РАБ )
при 127o РАБ 201o
1,5
kОТС ,Э Z РАБ , MIN sin РАБ
при 201o РАБ 339o
0,15
Время срабатывания третьей ступени дистанционной защиты (аналогично МТЗ) должно быть
больше времени срабатывания третьей ступени дистанционной защиты предыдущей линии:
tСIII, З, А tСIII, З, Б t
где tIII,АС,З= tIII,БС,З + t ― время срабатывания третьей ступени дистанционной защиты (рис. 27)
подстанции А, tIII,БС,З ― время срабатывания третьей ступени дистанционной защиты подстанции
Б; t ― ступень селективности, обычно t = 0,5 с.

18.

Чувствительность третьей ступени дистанционной защиты проверяется для основной зоны
действия по выражению
III
Z
III
kОТС
С , З 1,5
Z K1
и для резервной зоны:
III
kОТС
Z СIII, З
ZK 2
1, 25
или
III
kОТС
Z СIII, З
ZK 3
1, 25

19.

Мертвая зона дистанционной защиты
При КЗ близких к защите (рис. 28) напряжение на
шинах очень мало и принимается равным нулю.
Электромагнитные,
индукционные
и
полупроводниковые
(с
магнитоэлектрическим
исполнительным органом) реле сопротивления в этом
случае
не
срабатывают
из-за
того,
что
результирующий момент от напряжения меньше
противодействующего момента пружины.
Рисунок 28 – Участок сети с близким к защите КЗ
Такое обстоятельство для защиты называется «мертвой зоной». Применяют два способа для
устранения мертвой зоны:
― вводится дополнительная обмотка напряжения, к которой подключается резонансный контур,
называемый контуром «памяти». К этому контуру подводится UВХ пропорциональное UРАБ;
― дополнительный контур «памяти» питается от токовых цепей с током IР.
В микропроцессорных защитах мертвая зона устраняется программно.