Принцип действия, основные органы и выбор параметров токовой направленной защиты и токовой направленной защиты нулевой последовательности

Для селективного действия в сетях с двусторонним питанием токовая защита дополняется измерительным органом направления мощности KW. Такая защита называется токовой направленной.

Она, как и токовая, обычно выполняется трехступенчатой с относительной селективностью. Ранее отмечалось, что первая и вторая ступени токовой защиты сохраняют селективность в сетях с двусторонним питанием, поэтому они могут и не иметь органов направления мощности. В отличие от токовой защиты токовая направленная благодаря реле KW реагирует не только на абсолютное значение тока в защищаемом элементе, но и на его фазу относительно напряжения на шинах у места установки защиты, т. е. действует зависимости от направления мощности при коротких замыкание Селективное действие защиты обеспечивается соответствуют включением органа направлен мощности и выбором выдержки времени. Размещение защит А1—А4 показано на рис. 11.2, а. Из рассмотрения векторных диаграмм напряжения и тока (рис. 11.2, б, в) следует, что фаза тока в месте включения защит А2 и A3 относительно напряжения U_Б на шинах подстанции Б при перемещении повреждения из точки К₁ в точку K₂ дискретно изменяется на угол π. При построении векторных диаграмм за положительное направление мгновенного значения тока принято направление от шин в сторону линии (рис. 11.2, а)- Угол φ_л сдвига фаз тока I_к относительно напряжения считается положительным при отстающем токе и отрицательным при опережающем токе. Защиту А2 необходимо выполнить так, чтобы она действовала на отключение только при углах сдвига фаз между током и напряжением, соответствующих короткому замыканию в точке К₁, а защиту A3 — при повреждении в точке K₂. Из этого следует, что реле направления мощности при подведении к нему напряжения U_P=U_Б и тока I_Р=I'_к (рис. 11.2, б) и I_Р=I"_к (рис. 11.2, в) должно срабатывать при угле φ_Р между U_p и I_Р, равном φ_л, и не срабатывать при φ_Р=(φ_л+π). При коротком замыкании в точке К₁ векторная диаграмма напряжения и тока у места установки защиты А4 такая же, как и у места установки защиты А2, в связи с чем приходит в действие и защита А4. Поэтому для селективного отключения линии АБ необходимо согласовать между собой параметры этих защит. Точно так же должны быть согласованы параметры защиты А1 и защиты A3. Благодаря органу направления мощности все защиты разбиваются па две группы (A2, А4 и А1, A3), не связанные между собой. В пределах каждой группы параметры выбирают, как для токовых защит.

Рис. 11.2. Размещение защит в сети и векторные диаграммы, поясняющие действие токовой направленной защиты

Первая ступень защиты. У токовой направленной защиты первая ступень может быть ненаправленной, оставаясь обычной токовой отсечкой без выдержки времени. Выбор ее тока срабатывания для защиты линии с двусторонним питанием рассмотрен выше. Необходимость в органе направления мощности появляется, если требуется повысить чувствительность токовой отсечки. Так, например, направленной целесообразно выполнить отсечку А1, при этом с коротким замыканием в точке К_А можно не считаться и ток срабатывания I^I_{с.з А1} токовой направленной отсечки А1 отстроить только от максимального тока внешнего короткого замыкания I⁽³⁾_{к.вн maxA}. Таким образом, на линии с двусторонним питанием направленной может быть только одна из токовых отсечек.

Некоторые особенности имеет токовая направленная защита на линиях постоянного тока электрифицированного транспорта. В таких сетях для предотвращения пережога провода электрической дугой при к.з. время отключения поврежденного Участка не должно превышать 0,1 с. Поэтому для выполнения токовой направленной защиты применяют быстродействующие поляризованные автоматические выключатели, например типа АБ 2/3 (см. 12.1), полное время отключения которых не превышает 0,08 с.

На основе этих выключателей невозможно выполнить токовую направленную защиту со ступенчатой характеристикой выдержки времени, поэтому в тяговых сетях постоянного тока токовая направленная защита содержит только первую ступень — токовую направленную отсечку — и ее стремятся выполнить так, чтобы она защищала всю линию. Характерны для таких сетей соизмеримость токов к. з. и максимальных токов нагрузки, поэтому для выполнения защиты, срабатывающей при коротких замыканиях и не действующей в нормальных режимах работы, линию между двумя источниками питания ИП1 и ИП2 приходится секционировать. Пост секционирования (ПС) располагают примерно в середине линии (рис. 21.3). Для автоматических выключателей SF1—SF4 при выборе тока срабатывания должно выполняться условие [5, 26].

Iраб max+150≤I^I_с.з≤I_{к min} -(250...350). (11.8)

Рис. 11.3. Тяговая сеть постоянного тока с быстродействующими поляризованными автоматическими выключателями

Рис. 11.4. Учет коэффициентов токораспределения при выборе тока срабатывания второй ступени токовой направленной защиты

Ток I_{раб max} определяется ориентировочно по вероятному числу поездов в пределах защищаемой линии, один из которых находится в режиме трогания. Минимальный ток повреждения I_{к min}—ток в месте установки автоматического выключателя при к.з. в расчетной точке. Для автоматических выключателей SF1 и SF4 расчетной точкой является точка К₂, для выключателя SF2 — точка K₁, а для SF3 — точка К₃ При таком выборе тока срабатывания возможны как неселективные действия автоматических выключателей SF1, SF4, так и наличие незащищенных зон у поста секционирования.

Вторая ступень защиты. Условия выбора параметров второй ступени такие же, как и условия выбора параметров токовой отсечки с выдержкой времени ненаправленных токовых защит. Это значит, что вторая ступень защиты А1 (рис. 11.4) должна быть отстроена по времени от первых ступеней защит А2 всех отходящих от шин противоположной подстанции линий и от быстродействующих зашит A3 трансформаторов, подключенных к этим шинам, а ее ток срабатывания должен быть выбран по наибольшему из токов к.з. I⁽³⁾_к проходящих по защищаемой линии при повреждении в конце защищаемых зон первых ступеней отходящих линий (точка К₁) и при коротком замыкании на шинах низшего напряжения трансформаторов (точка К₂). Выдержка времени обычно не превышает 0,5 с, а при выборе тока срабатывания приходится учитывать так называемые токи «подпитки». Из рассмотрения рис. 11.4 следует, что при коротких замыканиях в точках К₁ и К₂ ток I_к⁽³⁾, проходящий в месте установки защиты А1, оказывается меньше токов I⁽³⁾_к.л и I⁽³⁾_к.т за счет тока «подпитки» от генератора G2. Отношения I_К⁽³⁾/I_к.л⁽³⁾= =k_р.л и I_к⁽³⁾/I_к.т⁽³⁾=k_р.т называются коэффициентами токораспределения. Их необходимо учесть при выборе тока срабатывания второй ступени защиты А1 линии АБ:

I^II_{с.з A1}≥k^II_отсk_р.лI^I_{с.з A2}

I^II_{с.з A1}≥k^II_отсk_р.лI⁽³⁾_кт (11.9)

Рис. 11.5. Встречно-ступенчатый принцип выбора выдержки времени максимальной токовой направленной защиты

Третья ступень защиты—максимальная токовая направленная защита. Выбор параметров защиты рассмотрим на примере использования ее в сети, показанной на рис. 6.4.

Выбор выдержки времени. Стрелками указано направление мощности, при котором органы направления мощности разрешают защитам срабатывать. С учетом этого защиты объединены в две группы: А2, А4, А6 и A5, A3, A1. В пределах каждой группы выдержки времени выбираются, как у максимальной токовой защиты, по ступенчатому принципу. Минимальную выдержку времени имеют защиты А2 и А5. Они отстраиваются по времени от защит других присоединений соответственно подстанций А и Г. В каждой группе защит выдержка времени увеличивается по Мере приближения к источникам питания на величину Δt. На рис. 21.5 построены характеристики максимальных токовых направленных защит с независимой выдержкой времени. Принято считать, что выдержки времени максимальных токовых направленных защит выбираются по встречно-ступенчатому принципу.

Учитывая поведение реле направления мощности, можно убедиться в селективном действии защиты при коротком замыкании в любой точке рассматриваемой сети. Селективность не нарушается, если некоторые защиты выполнить без органа направления мощности. В действительности нет необходимости снабжать органом направления мощности защиту A3, так как в рассматриваемом случае она отстроена от защиты А2 по времени. По такой же причине без органа направления мощности можно выполнить защиты А4, А1 и А6 (t₄^III>t₅^III; t₁^III>t_A^III; t₆^III>t_Г^III).

Рис. 11.6. Размещение и особенности работы максимальной токовой направленной защиты в кольцевых сетях

В общем случае при наличии на подстанции нескольких присоединений защита, имеющая наибольшую выдержку времени, может не иметь органа направления мощности, так как селективность ее действия при коротких замыканиях на других присоединениях обеспечивается выдержкой времени.

В кольцевых сетях с одним источником питания (рис. 11.6, а) выдержки времени максимальных токовых направлениях защит также выбирают по встречно-ступенчатому принципу. При этом, однако, защиты А2 и А5, установленные на приемных сторонах головных участков АБ и АВ, можно выполнить действующими без выдержки времени. Такая возможность определяется направлением мощности в этих защитах. При нормальной работе, а также при внешних коротких замыканиях на участках кольца и других присоединениях подстанций Б и В, мощность у места установки защит А2 и А5 всегда направлена от линий к шинам, поэтому их органы направления мощности препятствуют срабатыванию. Защиты также не срабатывают при повреждениях вне кольца на других присоединениях подстанции А, так как ток повреждения при этом по кольцу не проходит. Только при коротких замыканиях на защищаемых линиях АБ и АВ органы направления мощности защит A2 и А5 срабатывают и защиты смогут подействовать на отключение. Это дает возможность выполнить их действующими без выдержки времени и принципиально отказаться от измерительных органов тока.

При коротком замыкании на головном участке АБ вблизи шин подстанции A, например в точке К₁, ток к.з. в точку повреждения в основном проходит через выключатель Q1 (ток I′_к). Только небольшая доля тока к.з., равная I_к", замыкается по кольцу. При приближении точки повреждения К₁ к шинам А ток I_к" уменьшается и при некотором расстоянии между точкой K₁ и подстанцией А становится меньше тока, необходимого для срабатывания защиты А2. Защита А2 срабатывает только после отключения защитой А1 выключателя Q1, когда весь ток повреждения проходит по кольцу. Таким образом, при повреждении в пределах некоторой зоны, расположенной в рассматриваемом случае у шин А, защита А2 действует всегда только после срабатывания защиты А1 независимо от соотношения их выдержек времени. Такое поочередное действие защит, как уже известно, называется каскадным, а указанная зона — зоной каскадного действия. В общем случае эта зона может распространяться на линии, смежные с головными участками.

При каскадном действии защит время отключения поврежденного участка увеличивается. Кроме того, может происходить неправильная работа защит А4 и А6, органы направления мощности которых при коротком замыкании в точке K₁ находятся в состоянии после срабатывания. Неправильное действие может произойти в том случае, если их токи срабатывания I^III_с.з4 и I^III_с.з6 меньше тока I_к", а ток срабатывания I^III_с.з2 защиты А2 — больше I_к′′. Поэтому желательно сокращение зоны каскадного действия.

На рис. 21.6, б показана кольцевая сеть с двумя источниками питания. В такой сети встречно-ступенчатый принцип выбора выдержки времени не обеспечивает селективного действия защиты. Это трудно осуществить и в кольцевой сети с одним источником питания, если имеются диагональные связи, не проходящие через шины источника питания (связь между шинами Б и Г, показанная штриховой линией).

Выбор тока срабатывания. Ток срабатывания максимальной токовой направленной защиты, как и рассмотренной выше максимальной токовой (ненаправленной) защиты, должен удовлетворять условию

I^III_с.з≥(k^III_отсk_сзн/k_в)I_{раб. max}. (11.10)

Однако в отличие от максимальной токовой защиты при определении максимального рабочего тока I_{раб. max} можно учитывать только максимальный режим, соответствующий направлению мощности от шин в линию. При этом может оказаться, что в режиме передачи мощности от линии к шинам измерительный орган тока сработает, однако защита в целом не подействует из-за органа направления мощности. Как уже отмечалось, в таких условиях находятся защиты А2 и А5 (рис. 11.6, а), установленные с приемной стороны головных участков кольцевой сети.

При снижении тока срабатывания защиты необходимо учитывать возможность нарушения цепей напряжения и вследствие этого переориентацию органа направления мощности. Поэтому в схему защиты включается устройство контроля исправности цепей напряжения (см. 7.2), если ток срабатывания измерительного органа тока не отстроен от максимальной нагрузки при ее направлении к шинам. Устройство контроля исправности цепей напряжения должно при срабатывании выводить защиту из действия. Если режим максимальной нагрузки при ее направлении к шинам проявляется редко, то устройство контроля исправности цепей напряжения может действовать на сигнал. При этом ток срабатывания I^III_с.з должен быть больше рабочего тока при нормальной работе вне зависимости от направления мощности:

I^III_с.з≥(k^III_отс/k_B)I_раб (11.11)

В сетях с глухозаземленными нейтралями при коротком замыкании на землю возможны срабатывания реле направления мощности, включенных на токи неповрежденных фаз при направлении мощности к.з. к шинам [10, 60]. Поэтому при выборе тока срабатывания защиты кроме двух условий (21.10) и (21.11) должно выполняться третье, по которому I^III_с.з должен быть больше максимального тока неповрежденных фаз:

I^III_с.з≥k^III_отсI_{нп max} (11.12)

Условие (11.12) не учитывается, если защита выполняется так, что при коротких замыканиях на землю она автоматически выводится из действия.

Как уже отмечалось, возможно нарушение селективности защиты в режиме каскадного действия. Во избежание этого при выборе тока срабатывания необходимо согласовывать чувствительность защит смежных участков. Это согласование, как и выбор выдержек времени, проводится только для защит, входящих в одну группу, например А2, А4 и А6 (рис. 11.6, а), причем защита, имеющая меньшую выдержку времени, должна иметь и меньший ток срабатывания, т. е. I^III_с.з2<I^III_с.з4<I^III_с.з6. В общем случае в пределах каждой группы защит должно выполняться условие

I^III_с.зn≥k^III_отсI^III_с.з(n-1) (11.13)

Таким образом, токи срабатывания, как и выдержки времени, должны удовлетворять встречно-ступенчатому принципу и выбираться по условию, дающему большее значение тока.

Мертвая зона токовой направленной защиты. Как уже отмечалось, действие реле направления мощности определяется углом сдвига φ_р. Однако для срабатывания реле необходимо, чтобы подводимое к нему напряжение было не меньше U_{c.p min}. Соответствующим включением реле это обеспечивается при всех несимметричных коротких замыканиях в любой ,точке защищаемой линии. Мертвая зона практически образуется только при металлических трехфазных коротких замыканиях на небольшом участке l_м.з, расположенном у места включения реле.

При коротком замыкании в конце мертвой зоны остаточное междуфазное напряжение у места включения реле

U⁽³⁾_ост=U_p= I⁽³⁾_кZ_1удl_м.з/K_U,

где Z_1уд—полное удельное электрическое сопротивление прямой последовательности линии, Ом/км.

Для угла максимальной чувствительности U_p=U_{c.p min}. В общем случае угол φ_р отличается от угла максимальной чувствительности, поэтому при трехфазном коротком замыкании в конце мертвой зоны выполняется условие U_р=U_{с.р min}/соs(φ_р+α). С учетом этого из соотношения для определения U⁽³⁾_ост получается выражение для мертвой зоны реле направления мощности:

l_м.з=K_UU_{с.р min}/[ I⁽³⁾_кZ_1удcos(φ_р+α)] (11.14)

Выражение (11.14) справедливо при больших кратностях тока I_к⁽³⁾, при которых U_{с.p min} остается практически постоянным. В общем случае длина l_м.з определяется исходя из необходимости иметь минимальную мощность срабатывания S_{c.p min}. Учитывая, что

S_{с.р min}=U_{с.р min}I⁽³⁾_к/K_I

можно получить из (11.14)

l_м.з= K_UK_IS_{с.р min}/[ (I⁽³⁾_к)²Z_1удcos(φ_р+α)] (11.15)

Наличие мертвой зоны является недостатком направленной защиты, хотя длина этой зоны, как правило, невелика.

Токовая направленная защита нулевой последовательности. Она отличается от рассмотренной ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности (см. 11.1) наличием органа направления мощности, который включается на составляющие нулевой последовательности U₀ и I₀. Параметры защиты выбирают так же, как параметры ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности. Наличие органа направления мощности позволяет учитывать только режимы, при которых направление мощности соответствует к.з. в защищаемых зонах (см. 11.1). Защита не имеет мертвой зоны.

12 лекция: Схемы включения реле направления мощности. Схемы и общая оценка токовых направленных защит и токовых направленных защит нулевой последовательности.