Схемы включения реле направления мощности.

Реле направления мощности, в частности индукционные, должны включаться таким образом, чтобы сочетание токов и напряжений, подводимых к реле, обеспечивало положительный и достаточный для срабатывания вращающий момент при различных видах коротких замыканий на защищаемом элементе. В схемах токовых направленных защит реле направления мощности включается на полные токи и напряжения фаз, а в схемах токовых направленных защит нулевой последовательности — на составляющие нулевой последовательности U₀ и I₀. Используются также схемы с включением реле на составляющие обратной последовательности U₂ и I₂.

Рис. 12.1. Векторные диаграммы напряжений и токов при 90-градусной схеме включения реле направления мощности.

Схема включения реле на полные токи и напряжения фаз. В настоящее время является типовой так называемая 90-градусная схема. Название схемы носит условный характер и определяется углом φ_р между напряжением U_p и опережающим его током I_р, подведенными к одному и тому же реле в симметричном трехфазном режиме; при этом предполагается, что ток в фазе совпадает с одноименным фазным напряжением (рис. 22.1, а). Сочетания токов и напряжений при 90-градусной схеме включения реле приведены ниже:

Реле………………………………………KW1 KW2 KW3

Ток I_р……………………………..……….……I_a I_b I_c

Напряжение U_p………… .…………………U_bc U_ca U_аb

В 90-градусной схеме включения обычно применяют реле смешанного типа с углом α=π/4. Анализ поведения реле направления мощности при различных видах повреждения можно проводить как аналитическим, так и графическим методами.

В качестве примера целесообразно рассмотреть поведение индукционного реле при трехфазном коротком замыкании, используя графический метод. Согласно 90-градусной схеме включения, к реле, например KW1, подводятся ток I_р=I_а⁽³⁾ и напряжение U_р=U_bc⁽³⁾ (рис. 22.1, б). Положение вектора тока I_р на векторной диаграмме определяется соотношением активного и реактивного сопротивлении линии от места включения реле до точки к. з. и активным переходным сопротивлением электрической дуги в месте повреждения. Эти соотношения могут изменяться. При этом вектор тока поворачивается на тот или иной угол, не выходя за пределы зоны, обозначенной на векторной диаграмме (рис. 22.1,6) цифрой 1. Граница этой зоны определяется, с одной стороны, положением вектора тока I_р=I_а⁽³⁾ при чисто активном, а с другой стороны, при чисто индуктивном сопротивлениях. Зона работы реле определяется положением линии нулевой чувствительности, которая (см. 13.2) проводится под углом (π/2—α) к вектору напряжения U_p (отсчитываемому по часовой стрелке). При этом, как следует из векторной диаграммы, реле всегда имеет положительный вращающим момент, так как вектор тока I_a⁽³⁾ и вектор напряжения U_bc⁽³⁾ располагаются в зоне срабатывания реле при всех возможных соотношениях активного и индуктивного сопротивлений участка линии от места включения реле до точки к.з. Оно может отказать (не сработать) только при коротких замыканиях в мертвой зоне. Два других реле направления мощности KW2 и KW3, включенные по 90-градусной схеме, находятся в аналогичных условиях.

Анализ поведения реле при различных видах повреждения показывает, что при 90-градусной схеме оно обладает следующими свойствами: четко срабатывает при всех видах коротких замыканий при включении на ток поврежденной фазы; может иметь мертвую зону только при трехфазных коротких замыканиях; может срабатывать неправильно при двухфазных и однофазных коротких замыканиях на землю (реле, включенное на ток неповрежденной фазы). Поэтому для исключения неправильного действия всей защиты применяется пофазный пуск, а токи срабатывания ее третьей ступени выбираются с учетом отстройки от токов в неповрежденных фазах. Это приводит к уменьшению чувствительности защиты, так как в сетях с глухозаземленными нейтралями токи в неповрежденных фазах при коротких замыканиях на землю, складываясь из тока нагрузки и тока повреждения, оказываются значительными. Если требуется повысить чувствительность защиты, то ее схему выполняют так, что при коротком замыкании на землю защита автоматически выводится из действия, а повреждение отключается специальной защитой. Следует отметить, что реле может сработать неправильно при коротких замыканиях за трансформатором с соединением обмоток звезда—треугольник. Однако опыт эксплуатации показывает, что такие неправильные действия защиты маловероятны. Поэтому никаких мероприятий, предотвращающих эти действия, не предусматривается.

Включение реле на составляющие нулевой последовательности. При коротком замыкании на землю в полных напряжениях и токах фаз появляются составляющие нулевой последовательности U₀ и I₀, связанные между собой соотношением

U₀=Е₀-I₀Z₀=-I₀Z₀ (12.1)

поскольку ЭДС нулевой последовательности генератора Е₀=0.

В (12.1) Z₀—результирующее сопротивление нулевой последовательности, принимаемое обычно равным индуктивному сопротивлению Z₀=jX₀, Ом.

Рис. 12.2. Включение реле направления мощности на ток

и напряжение нулевой последовательности

В соответствии с (12.1) на рис. 12.2, а показано распределение напряжения U₀ между точкой повреждения К⁽¹⁾ и генерирующим источником при однофазном коротком замыкании (ток I₀ имеет положительное направление). Напряжение U_0р в месте включения реле можно определить как падение напряжения в сопротивлении нулевой последовательности Z_от трансформатора:U_0p=-I₀Z_0т.

Обмотки реле направления мощности KWZ₀ подключаются к фильтру напряжения и фильтру тока нулевой последовательности. Поэтому U_p=3U_0p и I_р =3I₀.

Рис. 12.3. Включение реле направления мощности на ток и напряжение нулевой последовательности

При Z_0т=jX_0т напряжение U_p отстает по фазе от тока I_р на угол π/2 (рис. 22.3, в), который определяется только сопротивлением X_0т и не зависит от переходного сопротивления в точке повреждения. Исходя из векторной диаграммы желательно использовать реле направления мощности с углом α=π/2. При этом вращающий момент

М_вр=kU_рI_рcos(φ_0р+π/2)=-kU_рI_psinφ_0р.

С учетом активного сопротивления линии угол φ_0р увеличивается до φ_0р≈2π/3. Поэтому в общем случае необходимо иметь реле с углом α=π/2+β₀ и вращающим моментом

М_вр=-kU_рI_рsin(φ_0p+β₀),

где β₀≈π/6.

Достоинство рассматриваемой схемы включения реле направления мощности состоит в ее простоте и возможности осуществлять защиту без мертвой зоны. Реле срабатывает только при коротких замыканиях на землю, однако из-за погрешностей фильтров в нормальном режиме, и особенно при многофазных коротких замыканиях, на зажимах реле мощности появляются ток и напряжение небаланса и оно может сработать при любом направлении мощности к.з. Этот недостаток схемы устраняется отстройкой измерительного органа тока от токов небаланса.

Включение реле на составляющие обратной последовательности. Составляющие обратной последовательности в полных напряжениях и токах фаз содержатся при всех несимметричных коротких замыканиях. Они появляются также в первый момент после возникновения трехфазного короткого замыкания. В связи с этим реле напряжения мощности, включенное на составляющие обратной последовательности, кратковременно может действовать и при трехфазном коротком замыкании. Соотношение между током I₂ и напряжением U₂ обратной последовательности аналогично соотношению (12.1) между составляющими нулевой последовательности:

U₂=-I₂Z₂, (12.2)

где Z₂—результирующее сопротивление обратной последовательности, принимаемое обычно равным индуктивному сопротивлению:

Z₂=jX₂, Ом.

Поэтому все изложенное о распределении U₀ и построения векторной диаграммы напряжения U₀ и тока I₀ справедливо для напряжения U₂ и тока I₂.

В связи с указанным реле направления мощности, включаемое на напряжение U₂ и ток I₂, целесообразно было бы выбрать с характеристикой, близкой характеристике реле, включаемого на составляющие нулевой последовательности, с вращающим моментом

М_вр=-kU_рI_рsin(φ_2p+β₂).

Однако в отличие от первичных фильтров напряжения и тока нулевой последовательности вторичные фильтры напряжения и тока обратной последовательности в зависимости от характеристик и способов включения обусловливают различные фазные соотношения между напряжением U_2р и током I_2р. Поэтому в рассматриваемой схеме применяются смешанные реле с различными значениями угла α. Достоинством схемы является простота ее выполнения, принципиальная возможность четко срабатывать при любых коротких замыканиях, в том числе и при повреждении за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ. Это объясняется тем, что фазные соотношения между U₂ и I₂ не изменяются при переходе через трансформатор с любой схемой соединения его обмоток.

Схема не реагирует на токи симметричной нагрузки. Однако в связи с погрешностью фильтров реле может сработать при нормальной работе в любом направлении мощности. Неправильное действие защиты в этом случае исключается отстройкой тока срабатывания измерительного органа от тока небаланса на выходе фильтра обратной последовательности.