Лекция 10. Токовые направленные защиты

Принцип действия токовой направленной защиты. Для селективного действия в сетях с двусторонним питанием токовая защита дополняется измерительным органом направления мощности КW. 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 КW 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 в зависимости от направления мощности при коротких замыканиях. Селективное действие защиты обеспечивается соответствующим включением органа направления мощности и выбором выдержки времени. Размещение защит A1 —А4 показано на рисунке 10.1, а. Из рассмотрения векторных диаграмм напряжения и тока (рисунок 10.1,б,в) следует, что фаза тока в месте включения защит А2 и АЗ относительно напряжения U_Б на шинах подстанции Б при перемещении повреждения из точки К1 в точку К2 дискретно изменяется на угол . При построении векторных диаграмм за положительное направление мгновеннного значения тока принято направление от шин в сторону линии (рисунок 10.1,а).

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 АЗ— при повреждении в точке К2. Из этого следует, что реле направления мощности при подведении к нему напряжения U_P=U_Б тока I_Р=I^/_к (рисунок 10.1,б) и I_Р=I^//_к (рисунок 10.1,в) должно срабатывать при угле φ_р между U_Р 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.

Рисунок 10.1 - Размещение защит в сети и векторные диаграммы

Первая ступень защиты. У токовой направленной защиты первая ступень может быть ненаправленной, оставаясь обычной токовой отсечкой без выдержки времени. Некоторые особенности имеет токовая направленная защита на линиях постоянного тока электрифицированного транспорта. Для выполнения токовой направленной защиты применяют быстродействующие поляризованные автоматические выключатели, например типа АБ 2/3, полное время отключения которых не превышает 0,08 с. Пост секционирования (ПС) располагают примерно в середине линии (рисунок 10.2).

Рисунок 10.2 - Тяговая сеть постоянного тока

Для автоматических выключателей SF1-SF4 при выборе тока срабатывания должно выполняться условие:

Ток I_{раб mах} определяется ориентировочно по вероятному числу поездов в пределах защищаемой линии, один из которых находится в режиме трогания. Минимальный ток повреждения I_k min—ток в месте установки автоматического выключателя при к.з. опреде-ляется в расчетной точке. Для автоматических выключателей SF1 и SF4 расчетной точкой является точка К2, для выключателя SF 2—точка К1, а для SFЗ—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 (рисунок 10.3) должна быть отстроена по времени от первых ступеней защит А2 всех отходящих от шин про­тивоположной подстанции линий и от быстродействующих защит A3 трансформаторов, подключенных к этим шинам, а ее ток сра­батывания должен быть выбран по наибольшему из токов к. з. I_к⁽³⁾, 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).

Рисунок 10.3 - Учет коэффициентов токораспре-деления при выборе тока срабатывания

Выдержка времени обычно не превышает 0,5 с, а при выборе тока срабатывания приходится учитывать так назы­ваемые токи «подпитки». Из рассмотрения рисунка 10.3 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:

Третья ступень защиты - максимальная токовая направленная защита. Выбор параметров защиты рассмотрим на примере сети, показанной на рисунке 10.4.

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 А5, A3, A1. В пределах каждой группы выдержки времени выбираются, как у максималь­ной токовой защиты, по ступенчатому принципу.

Рисунок 10.4 - Встречно-ступенчатый принцип выбора вы­держки времени максимальной токовой направ-лен­ной защиты

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 рисунке 10.4 построены характеристики максимальных токовых направ­ленных защит с независимой выдержкой времени. Принято считать, что выдержки времени максимальных токовых направленных защит выбираются по встречно-ступенчатому принципу.

В кольцевых сетях с одним источником питания (рисунок 10.5, а) выдержки времени максимальных токовых направленных 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.

Рисунок 10.5 - Размещение и особенности работы максимальной токовой направленной защиты в кольцевых сетях

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.

На рисунке 10.5,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

(10.1)

Однако в отличие от максимальной токовой защиты при опреде­лении максимального рабочего тока I_{paб 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 (рисунок 10.5,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, 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_С.З111 должен быть больше рабочего тока при нормальной работе вне зависимости от направления мощности:

(10.2)

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. Поэтому при выборе тока срабатывания защиты кроме двух условий (10.1,10.2) должно выполняться третье, по которому I¹¹¹с.з должен быть больше макси­мального тока неповрежденных фаз:

(10.3)

Это условие 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 (рисунок 10.5,а), причем защита, имею­щая меньшую выдержку времени, должна иметь и меньший ток срабатывания, т. е.. I'"сз2< I'"_сз4 < I'"_сз6. В общем случае в пре­делах каждой группы защит должно выполняться условие

(10.4)

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

Литература1осн[201-231], 2 осн[78-103]. Контрольные вопросы: 1. Принцип действия токовой направленной защиты. 2. Принцип выполнения токовой направленной защиты. 3. Объясните работу всех ступеней токовой направленной защиты.