Дистанционные защиты

Для защиты линий электропередач в сетях с двухсторонним питанием ранее рассмотренные максимальные и направленные защиты не обеспечивают необходимой селективности или быстродействия: у токовых защит выдержка времени растет по мере приближения к источнику, ит.д.

Для обеспечения селективности и чувствительности в сетях с любой конфигурацией используются дистанционные защиты.

Выдержка времени у дистанционных защит зависит от расстояния (дистанции) между местом установки защиты и местом возникновения короткого замыкания. Время срабатывания защиты увеличивается по мере удаления точки к.з. от места установки защиты, т.е. чем ближе к.з. к источнику, тем быстрее защита отключит его.

Основным элементом защиты является дистанционный орган (измерительный орган), который определяет расстояние (дистанцию) до места аварии. В качестве дистанционного органа используется реле сопротивления.

Сопротивление линии определяется как произведение удельного сопротивления линии на длину линии.

(1)

где l – длина линии, км

Х_уд. – удельное индуктивное сопротивление линии, Ом

R_уд. – удельное активное сопротивление линии, Ом

Z_уд. – удельное полное сопротивление линии, Ом

В связи с этим бывают защиты активного, реактивного и полного сопротивления. Обычно используется защиты полного сопротивления.

Реле сопротивления имеют разные характеристики (рисунок 1). Реле срабатывает при уменьшении сопротивления линии при к.з. и попадания его в зону срабатывания реле (заштрихованная область). Направленность реле сопротивления, т.е. дистанционной защиты обеспечивается смещением характеристики в первый квадрант, что соответствует направлению мощности к.з. от шин в линию. Характеристика обычно имеет овальную или многоугольную характеристику. Это обеспечивает надежную работу при к.з. и не срабатывание при максимальных рабочих токах. При таком режиме нагрузка имеет активно-индуктивный характер, с преобладанием активной части сопротивления (R>X, так как Rнагр.>Rлин.), а при к.з. нагрузка закорачивается и индуктивное сопротивление становится больше активного (R<X, так как Rнагр=0) (рисунок 2). Реле сопротивления характеризуется углом максимальной чувствительности φ_мч, который обычно составляет 60-80⁰ – примерный угол при к.з.. Современная полупроводниковая и микропроцессорная техника обеспечили создание реле защит с различными многоугольными характеристиками, обеспечивающие наилучшую отстройку от рабочих режимов и более высокую чувствительность дистанционных защит.

Рисунок 1 – Характеристики срабатывания зон защиты

Рисунок 2 – Зона срабатывания защиты

Дистанционная защита состоит из следующих основных органов:

- пускового органа, запускающего защиту при возникновении короткого замыкания. В качестве пускового органа может использоваться реле полного сопротивления или токовое реле;

- дистанционного органа, которое измеряет сопротивление на зажимах защиты и определяет расстояние до места к.з. В качестве дистанционного (измерительного) органа служит реле минимального сопротивления. К реле сопротивления подводятся токи и напряжения. По ним защита рассчитывает сопротивление от места установки защиты в направлении «от шин в линию» и если это значение меньше уставки (т.е. входит в характеристику) защита срабатывает.

(2)

- органа выдержки времени, который создает выдержку времени в соответствии с необходимой для селективной работы защиты. Для этого применяют обычные реле времени;

- органа направления мощности, для работы защиты при направлении мощности к.з. от шин в линию при отсутствии направленных реле сопротивлений. Для этого используют реле направления мощности;

- органа блокировки, для исключения ложной работы защиты при неисправностях в цепях трансформатора напряжения, а также при качаниях мощности в энергосистеме.

Причины, искажающие работу дистанционных защит.

1. Влияние переходного сопротивления. Переходное сопротивление в месте к.з. обусловлено главным образом появлением электрической дуги, имеющей активный характер сопротивления. Это добавочное сопротивление дуги дистанционная защита воспринимает как удаление места короткого замыкания, т.е. искажается работа защиты.

2. Влияние токов подпитки от промежуточных подстанций. При коротком замыкании на линии W2 (рисунок 3) ток протекает от источника «А» и «В».

Рисунок 3 – Схема энергосистемы

Ток от источника «В» подпитывает точку к.з. и протекая по линии W2 изменяет падение напряжения на ней. Поэтому в защите установленной на линии W1 сопротивление уже не равно Uр/Iр и оказывается больше реального сопротивления до места к.з. и защита может не сработать если сопротивление в реле будет больше уставки соответствующей ступени защиты. Это надо учитывать при расчете уставок защиты.

3. Качания в энергосистеме.

Рисунок 4 – Эпюры напряжений при качаниях в энергосистеме

При коротких замыканиях в линиях, в которых протекала большая мощность или включении и отключении мощной нагрузки в энергосистеме может возникнуть явление качания. Например, при коротком замыкании была отключена линия W2 (рисунок 4), по которой протекала огромная мощность из системы «А» в систему «В». Вследствие этого нарушился баланс мощности в энергосистеме – в системе «В» недостаток мощности, а в системе «А» избыток ее. Поэтому генераторы системы «А» начинают разгонятся, а генераторы системы «В» тормозится. Это приводит к увеличению частоты вращения э.д.с. генераторов системы «А» и уменьшению его в системе «В». Вектора Е_А и Е_В начинают вращаться с разными частотами. Вектор Е_А постоянно опережает вектор Е_В. Мы можем видеть, что напряжение в какой-то точке линии станет равным нулю при определенном расположении друг от друга векторов э.д.с. двух систем. Это точка называется электрическим центром качания. Дистанционная защита это падение напряжения до нуля может понять как короткое замыкание в линии и может отключить его. Для исключения ложного срабатывания дистанционной защиты при качаниях применяется схемы блокирования дистанционной защиты.

4. Также на работу дистанционной защиты влияют погрешности измерительных трансформаторов тока и трансформаторов напряжения. Влияние погрешности измерительных трансформаторов тока и напряжения учитывается в сторону уменьшения зоны защиты.

Выбор уставок дистанционной защиты.

Обычно дистанционная защита выполняется трехступенчатой и более.

Рисунок 5 – Карта селективности защиты

Зона срабатывания первой ступени (1) защиты «А» выбирается так, чтобы она не выходила за пределы защищаемой линии (рисунок 5) – 85% длины линии. Вторая зона (2) выбирается так, чтобы она не выходила за пределы первой зоны защиты «В» и «С». Первая ступень защит «В», «С» также выбирается как 85% линии W2, и трансформатора Т. Выдержка времени первой ступени равно нулю, если дистанционная защита является основной, если является резервной, то больше времени срабатывания основной защиты. Для второй ступени больше времени первой ступени защит «В» и «С». Третья ступень обычно отстраивается минимального сопротивления при рабочем режиме энергосистемы и используется для дальнего резервирования защиты.

Достоинства дистанционной защиты:

1. Селективность в сетях любой конфигурацией, с любым количеством источников. Т.е. защита реагирует на изменение параметров сети (сопротивления), а не режима (ток и напряжение), как у других защит.

2. Малые выдержки времени по мере приближения к источнику.

3. Значительно большая чувствительность при к.з. по сравнению с токовыми защитами.

Недостатки:

1. Сложность схемы защиты.

2. Не отключает короткое замыкание мгновенно по всей длине линии, а только 85%.

3. Реагирует на токи качания в энергосистеме.

4. Может ложно сработать при неисправностях в цепях напряжений.

Дистанционная защита используется как основная защита на линиях средней и большой длины напряжением 110 и 220кВ.

2 Защиты трансформаторов

Основными видами повреждения в трансформаторах являются:

1. короткие замыкания внутри корпуса и снаружи трансформатора;

2. замыкания между витками в обмотках трансформатора;

3. замыкания обмоток на землю;

4. перегрузки, и сверхтоки, при протекании токов внешних к.з. по обмоткам трансформаторов и т.д.

Существуют многообмоточные трансформаторы, автотрансформаторы. В обычном трансформаторе связь между обмотками магнитная, т.е. связь через магнитопровод (рисунок 6.а), а в автотрансформаторе в качестве вторичной обмотки используется часть обмотки первичной стороны (рисунок 6.б). Это вызывает свои особенности в выполнении защит.

Рисунок 6 – Схема сравнения трехобмоточного трансформатора и автотрансформатора

По технике безопасности нейтрали автотрансформаторов глухозаземляются из-за опасного для оборудования и человека повышения напряжения в обмотках среднего напряжения (СН) при замыкании на землю обмоток высшего напряжения (ВН) на величину фазного напряжения ВН автотрансформатора с изолированной нейтралью.

Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях.

Эта защита должна отключить трансформатор при возникновении к.з. в не зоны действия защит трансформатора и отказе защит следующих участков, которые должны были отключить к.з., так как по трансформатору будет протекать большой ток, и может повредить если не отключить его (рисунок 7). В качестве защиты от сверхтоков используется максимальная токовая защита или максимальная токовая защита с пуском по напряжению или защита обратной последовательности если обычная МТЗ не чувствительна к сверхтокам.

Рисунок 7 - МТЗ трансформатора от сверхтоков при внешних к.з.

Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях выполняется по схеме полной звезды для сетей с глухозаземленной нейтралью, и по схеме неполной звезды для сетей с изолированной нейтралью, так как схема неполной звезды реагирует не на все однофазные короткие замыкания, а в сетях с изолированной нейтралью отсутствуют однофазные к.з. (рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема МТЗ трансформатора от сверхтоков при внешних коротких замыканиях

Ток срабатывания также как у и обычного МТЗ выбирается больше максимального рабочего тока. Выдержка времени выбирается больше времени срабатывания защит присоединений за трансформатором, т.е. она ждет определенное время, достаточное для срабатывания защит поврежденных элементов и если эти защиты не отключат за это время поврежденный участок, то данная защита отключает трансформатор для предотвращения его повреждения. Для защиты от сверхтоков трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов применяется направленная МТЗ.

Мы знаем, что МТЗ с пуском по напряжению имеет более высокую чувствительность по отношению к МТЗ без него, так как защита контролирует еще и напряжение, которое снижается только при коротких замыканиях. Токовая защита обратной последовательности (ТЗОП) имеет еще более высокую чувствительность по сравнению с МТЗ с пуском по напряжению. ТЗОП реагирует на токи обратной последовательности, которые появляются при коротких замыканиях, а в нормальном режиме они незначительны (10÷20% от рабочего тока). Поэтому ток срабатывания ТЗОП значительно меньше чем у МТЗ с пуском по напряжению (50÷60% от номинального тока трансформатора). В качестве измерительного органа ТЗОП применяют различные варианты схем фильтра токов обратной последовательности (ФТОП). Для защиты от сверхтоков трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов применяется направленная защита обратной последовательности (добавляется орган направления мощности, т.е. –реле мощности).

Также применяется защита нулевой последовательности, реагирующей на появление тока нулевой последовательности при внешних к.з. на землю. Устанавливается со стороны обмотки соединенной в звезду (высокая и средняя сторона трансформатора и автотрансформатора). Применяется схема соединения токовых цепей в трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности (ФТНП) или подключается к трансформатору тока устанавливаемому в нейтрали трансформатора – только для трехобмоточного трансформатора (рисунок 9), для автотрансформаторов защита выполненная на контроле токов нейтрали имеет низкую чувствительность по сравнению с защитой с контролем тока на выводах ВН и СН и поэтому не применяется. Также эта защита может быть направленной для защиты трехобмоточного трансформатора или автотрансформатора для обеспечения селективности.

Рисунок 9 – Схема ТЗНП трансформатора от сверхтоков при внешних коротких замыканиях

Если нейтраль трансформатора изолирована, то применяется защита от сверхтоков в виде защиты, реагирующей на появление напряжения нулевой последовательности; защиты, реагирующей на появление токов обратной последовательности.

Защита от перегрузки.

Перегрузка трансформатора может также повредить его. Так как перегрузка происходит симметрично по всем фазам одновременно, то достаточно установки одного токового реле в одной фазе. То срабатывания выбирается больше рабочего тока трансформатора.

(3)

где k_н - коэффициент надежности, k_н = 1,05

Чтобы избежать излишних сигналов при к.з. и кратковременных перегрузках, предусматривается реле времени, т.е. защита срабатывает при длительных перегрузках и ее время срабатывания должно быть больше времени срабатывания МТЗ трансформатора. В автотрансформаторах, в отличие от обычных трансформаторов, перегрузка может возникнуть в общей для высокой и низкой стороны обмотке при отсутствии перегрузки на выводах автотрансформатора. Поэтому в общей обмотке также устанавливается защита от перегрузки.

Токовая отсечка.

Токовая отсечка является самой простой и быстродействующей защитой от повреждений в трансформаторе и устанавливается со стороны источника питания. Но ее принцип работы не позволяет защитить весь трансформатор целиком, поэтому она является неполноценной. Ее применяют чтобы защитить трансформатор, так как токи к.з. на выводах трансформаторов со стороны источника питания значительно больше тока к.з. за трансформатором. Ток срабатывания выбирается больше максимального тока короткого замыкания за трансформатором. Кроме того, она должна быть отстроена от броска тока намагничивания при включении трансформатора в сеть с одной стороны, величина которого достигает 5-7 кратностей от номинального тока.

Газовая защита трансформатора.

Используется для защиты от витковых замыканий внутри кожуха трансформатора. Токи при витковом замыкании малы и другие изученные защиты не смогут среагировать на это повреждение. Если не отключить это замыкание трансформатор может выйти из строя, повредится магнитопровод, и т.д. В качестве газовой защиты используется газовое реле. При витковом замыкании внутри трансформатора трансформаторное масло, необходимое для охлаждения трансформатора, начинает разлагаться на газы. Эти газы под давлением выходит наружу в расширительный бак через соединяющую их трубу. В разрезе этой трубы установлено газовое реле. При выходе газа в расширитель газы проходя по трубе и реле давят на клапан и замыкают контакты отправляя команду на отключение трансформатора или сигнализирует дежурному о витковом замыкании в трансформаторе.

Дифференциальные защиты трансформаторов.

Принцип построения продольной дифференциальной защиты трансформатора идентичен дифференциальной защите линий. Но есть свои особенности:

- в отличие от защиты линии токи в плечах защиты не равны, так как происходит трансформация тока через трансформатор (на высокой стороне ВН ток меньше чем на низкой НН). Поэтому необходимо устанавливать трансформаторы тока с разными коэффициентами трансформации чтобы выравнить вторичные токи в реле.

- при включении ненагруженного трансформатора в сеть возникают броски тока намагничивания, величина которого в 5÷7 раз превышает номинальный ток (рисунок 10).

Рисунок 10 – Кривая тока при включения ненагруженного трансформатора в сеть

- силовые трансформаторы имеют определенную группу соединения обмоток. Обычно это 11-я группа соединения трансформаторов «Звезда-треугольник». Поэтому вторичные токи в реле не совпадают по фазе (рисунок 11).

Рисунок 11 – Векторные диаграммы трансформатора

Рассмотрим способы устранения всех этих недостатков в реле дифференциальной защиты.

Компенсация неравенства первичных токов (I_вн и I_нн) силовых трансформаторов и автотрансформаторов достигается подбором коэффициентов трансформации трансформаторов тока. Они подбираются таким образом, чтобы вторичные токи были равны. Их соотношение должно быть таким:

(4)

Рисунок 12 – Схема защиты

При соединении обмоток трансформаторов тока по схеме «Звезда-треугольник (Y/Δ)» ток в линейном проводе у схемы «треугольник» отличается от тока проходящем по трансформатору тока на величину √3. С учетом этого условия получаем формулу:

(5)

Таким образом, задаемся одним из коэффициентов трансформации и по формуле находим значение второго коэффициента.

Но точно подобрать коэффициенты трансформации трансформаторов тока невозможно, так как они выпускаются на определенные значения по стандарту. Поэтому более точно настроить можно включением добавочного автотрансформатора (рисунок 12).

Также можно более точно выронить токи во вторичных цепям с помощью уравнительных обмоток специальных реле выпускаемых для дифференциальной защиты. Таких как реле серии РНТ, ДЗТ. Основным отличием таких реле является применение быстронасыщающихся трансформаторов (БНТ). На сердечник намотано несколько витков обмотки, закороченной накоротко, которая при появлении апериодической составляющей насыщает сердечник и ухудшает трансформацию тока. При включении трансформатора в сеть появляются броски тока намагничивания. Значительную часть этих токов составляют апериодически затухающие токи. Поэтому БНТ не пропускает апериодическую составляющую тока намагничивания, а вследствие насыщения трансформатора и ее периодическую часть. Также на сердечник реле намотаны обмотки: уравнительные, дифференциальная и рабочая, подключенная к токовому реле типа РТ-40.

Сдвиг по фазе из-за существования группы соединения силового трансформатора компенсируется встречным включением трансформаторов тока. Т.е. на стороне ВН со схемой соединения обмоток силового трансформатора «звезда» трансформаторы тока включаем по схеме «треугольник», а на низкой стороне, где схема соединения обмоток «треугольник» соединяем в «звезду» (рисунок 13).

Рисунок 13 – Схема защиты

На практике, производится расчет уставок дифференциальной защиты трансформатора. По ПУЭ чувствительность защиты должна быть не менее 2. если это условие не выполняется, то применяются дифференциальная защита с торможением. Ток срабатывания у реле с торможение составляет примерно 30÷40% номинального тока, что значительно меньше тока срабатывания реле без торможения (3÷4I_ном). Реле с торможением более сложнее, габаритнее и дороже реле без торможения. Поэтому, ее следует применять тогда, когда чувствительность обычного реле не достаточна.

На рисунке 14 представлена схема подключения дифференциального реле с торможением. Обмотка торможения включена последовательно с трансформаторами тока, дифференциальная обмотка на разность токов трансформаторов тока. При нагрузке и внешнем коротком замыкании токи в дифференциальной обмотке направлены встречно и сумма их дает нуль. Но в тормозных обмотках протекают токи с трансформаторов тока. При к.з. в зоне защиты направление тока с трансформатора тока одной стороны меняет направление и в дифференциальной обмотке токи уже суммируются и их сумма в два раза превышает токи в тормозных обмотках. Т.е. силы притяжения контактов на замыкание оказываются в два раза больше сил отталкивания контактов реле и реле срабатывает.

Рисунок 14 – Схема защиты

Дифференциальная токовая защита трансформатора обеспечивает быстрое и селективное отключение повреждения в трансформаторе – является защитой с абсолютной селективностью.

3 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ Защиты

Высокочастотные защиты являются быстродействующими, обеспечивающими быстрое и селективное отключение линии с двух сторон, которое необходимо для сохранения устойчивости энергосистемы. Ранее рассмотренные продольные дифференциальные защиты не могут применятся на линиях средней и большой длины в отличии от высокочастотных защит из-за недопустимого увеличения нагрузки на трансформаторы тока.

Высокочастотные защиты состоят из двух комплектов, которые устанавливаются с обоих концов линии. Связь комплектов между собой осуществляется токами высокой частоты, которые передаются по защищаемой линии.

Существуют несколько видов высокочастотных защит:

1. направленные защиты с высокочастотной блокировкой, основанная на сравнении направлении мощности к.з. по концам защищаемой линии;

2. дифференциально-фазные высокочастотные защиты, основанные на сравнении фаз токов по концам линии.

Направленные защиты с высокочастотной блокировкой.

Рисунок 15 – Направление мощности в защищаемой линии при к.з.

Защита реагирует на направление мощности к.з. по концам защищаемой линии. При внешнем к.з. в точке К1 (рисунок 15.а) мощность к.з. S_а от подстанции А направлена положительно, т.е. от шин в линию, а для подстанции В она отрицательна, т.е. от линии в шины. При к.з. в зоне защиты (в линии) (рисунок 15.б) направление мощностей к.з. одинаковы и положительны, т.е. направлены от шин в линию. Таким образом защита определяет где произошло короткое замыкание на линии или это внешнее к.з.

Рисунок 16 – Направленная защита с в.ч. блокировкой

При к.з. вне защищаемой линии в одном из комплектов защит реле мощности М определяет, что мощность к.з. направлена от шин в линию и разрешает отключить выключатель своего конца линии. Но с реле мощности последовательно включено реле Б блокирующее защиту при приеме блокирующего высокочастотного сигнала от второго комплекта защит на втором конце линии. При приеме сигнала с противоположного конца линии на высокочастотный приемник ПВЧ реле Б размыкает свои контакты, запрещая отключению выключателя. При неправильном направлении мощности к.з. (от линии в шины) высокочастотный сигнал посылается с генератора высокой частоты ГВЧ.

При к.з. в защищаемой зоне в обоих комплектах защит мощность направлена от шин в линию, генератор высокочастотный не посылает блокирующий сигнал в линию и поэтому оба комплекта защит срабатывают на отключение линии.

Таким образом, блокирующий высокочастотный сигнал появляется только при внешнем коротком замыкании. Защита реагирует на к.з. в зоне между двумя трансформаторами тока, т.е. защищает всю линию. Защита также как и продольная дифференциальная защита является защитой с абсолютной селективностью и работает без выдержки времени.

Сравниваемыми величинами могут служить мощности в фазах или мощности обратной или нулевой последовательности в зависимости от применяемого фильтра токов в измерительных органах защиты.

Из рисунка 16 мы видим, что защита состоит из двух частей: релейная часть, которая определяет наличие короткого замыкания и высокочастотная часть, посылающая и принимающая высокочастотные сигналы в линию и управляемая релейной частью.

Высокочастотная часть защиты.

Высокочастотный канал организовывается следующим образом:

На каждом конце линии устанавливаются приемопередатчики защит (рисунок 17). Высокочастотный сигнал передается по фазным проводам защищаемой линии. Для передачи сигнала по высоковольтной линии используется делитель напряжения образованный конденсатором связи и фильтром присоединения, настроенными на пропускание только сигналов защит.

Рисунок 17 – Организация высокочастотного канала

Этот фильтр имеет малое сопротивление токам высокой частоты приемопередатчика и большое сопротивление для токов промышленной частоты (полосовой фильтр), поэтому в приемопередатчик попадает только сигналы приемопередатчика второго комплекта защиты и не пропускаются рабочие токи линии. Далее для избежание распространения сигнала за пределы защищаемой линии применяется высокочастотный заградительный фильтр, который пропускает рабочие токи линии и препятствует прохождению высокочастотного сигнала защиты в сторону шин подстанции (заградительный фильтр). В реальности часть энергии высокочастотного сигнала защиты теряется: при прохождении сигнала через линию происходит затухание сигнала, поэтому мощность сигнала должна быть достаточна для уверенного приема приемником второго конца линии (должна иметь запас мощности по перекрываемому затуханию).

При нарушении высокочастотного канала защиты или при неисправностях в высокочастотных приемопередатчиках (ВЧ постах) защиты защита может не заблокироваться при внешних коротких замыканиях и ложно отключить линию. Поэтому необходимо осуществлять постоянный автоматический контроль исправности канала связи и устройств ВЧ поста. На сегодняшний день в качестве ВЧ постов применяют полупроводниковые АВЗК-80, ПВЗ, ПВЗ-90, микропроцессорные ПВЗУЕ, а в качестве аппаратуры контроля исправности ВЧ канала применяют полупроводниковое устройство АК-80 для АВЗК-80. Для ПВЗ, ПВЗ-90, ПВЗУЕ аппаратура контроля канала встроены в приемопередатчики.

Фильтровая направленная защита с высокочастотной блокировкой.

В данной защите в качестве измерительного органа применяется фильтр токов и напряжения обратной последовательности

Рисунок 18 – Фильтровая направленная высокочастотная защита

Фильтровая защита является односистемной, т.е. устанавливается один измерительный орган тока и напряжения для всех трех фаз, что значительно упрощает защиту, а значит повышает надежность защиты. По принципу действия она не реагирует на нагрузку и качания, так как при этих режимах отсутствуют токи и напряжения обратной последовательности, т.е. обладает высокой чувствительностью.

Недостаток данной защиты - это невозможность защиты от трехфазных коротких замыканий, при которых отсутствуют токи и напряжения обратной последовательности. Для исключения этого недостатка применяют схемы с запоминанием кратковременной начальной несиметрии, возникающей при трехфазных коротких замыканиях. При трехфазных коротких замыканиях всегда кратковременно появляется токи и напряжения обратной последовательности. Идеального трехфазного к.з. не существует, всегда сначала замыкаются две фазы, а затем третья, т.е. короткое замыкание возникает как двухфазное и далее превращается в трехфазное. Элемент памяти защиты запоминает, что была кратковременная несиметрия и значит это не качания энергосистемы, где нет первоначальной несиметрии, а трехфазное к.з. и разрешает защите отключить линию.

В настоящее время существует полупроводниковая направленная фильтровая защита типа ПДЭ-2802, которая применяется в сетях 110-220 кВ в качестве основной селективной защитой со временем срабатывания 30-40 мсек.

Дифференциально-фазная высокочастотная защита.

Дифференциально-фазная высокочастотная защита (ДФЗ) основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой линии.

Принимаем за положительные токи направленные от шин в линии. Тогда при внешнем к.з. в комплекте защит А ток имеет положительную полярность, т.е. направлен от шин в линии (рисунок 19). А в комплекте В направлен от линии в шины, т.е. имеет отрицательную полярность.

Рисунок 19 – Диаграмма токов в ДФЗ при внешнем к.з.

Защита устроена так, что генератор управляется (манипулируется) токами промышленной частоты. Генератор включен так, что при положительной полуволне кривой тока он посылает высокочастотный сигнал в линию, а при отрицательной прекращает посылку сигнала в линию. При внешнем к.з. сигналы посылаемые генераторами двух концов линии образуют непрерывный ВЧ сигнал протекающий по защищаемой линии. Приемник выполнен таким образом, что он разрешает работать выходному промежуточному реле (отключение выключателя) только при отсутствии на его входе (в линии) ВЧ сигнала. Т.е. при внешнем к.з. сигнал присутствует в линии постоянно и приемники обоих концов линии блокируют защиту от отключения линии. При к.з. в зоне защиты (рисунок 20) полярность одного из комплектов защит меняет полярность тока. При складывании сигналов от двух комплектов защит получаем прерывистый ВЧ сигнал в канале. Тогда на выходах приемников защит появляются разрешения в периоды отсутствия ВЧ сигнала в линии. Далее этот прерывистый сигнал сглаживается до постоянного тока фильтрами и подается на обмотку выходного промежуточного реле, т.е. разрешает отключить линию выключателями и короткое замыкание отключается селективно.

Рисунок 20 – Диаграмма токов в ДФЗ при внутреннем к.з.

В настоящее время на производстве применяются защиты типа ДФЗ-201 для сетей 110-220 кВ и ДФЗ-503 для сетей 500 кВ.

Оценка дифференциально-фазных высокочастотных защит.

Принцип действия ВЧ защит прост и надежен. В настоящее время эти защиты являются единственными защитами, отключающими без выдержки времени и селективно короткие замыкания по всей длине линии 110-500 кВ любой протяженности, чего не обеспечивают продольные дифференциальные защиты. Себестоимость таких защит выше себестоимости других видов защит. Поэтому они применяются только при недостаточном быстродействии других видов защит на ответственных линиях. Направленные фильтровые защиты с ВЧ блокировкой более надежны по сравнению с дифференциально-фазными, так как у них блокирующий сигнал посылается в линию только при внешнем коротком замыкании, когда линия не повреждена и сигнал надежно доходит до второго комплекта защиты, а в ДФЗ ВЧ сигнал посылается в канал при коротком замыкании в линии, поэтому из-за повреждения линии сигналы посылаемые генераторами ДФЗ искажаются, что необходимо учитывать при проектировании и расчете защиты.

4 Защиты ГЕНЕРАТОРОВ

Повреждения и ненормальные режимы работы генераторов.

В процессе эксплуатации генераторов возможны ненормальные режимы работы:

- сверхтоки, обусловленные увеличением токов статора или ротора генератора из-за перегрузки или внешнего короткого замыкания;

- несимметричная загрузка фаз, которая вызывает появление токов обратной последовательности, которые вызывают нагревание ротора и пульсирующий механический момент, т.е. вибрацию;

- опасное повышение напряжения на статоре генератора при внезапном сбросе нагрузки генератора.

В процессе эксплуатации генераторов возможны также и повреждения:

- междуфазные короткие замыкания в обмотках статора (нейтрали обмоток статора генераторов не заземляются);

- замыкание обмотки статора на корпус;

- замыкание витков одной фазы статора;

- двойное замыкание на корпус обмотки ротора.

Защита от междуфазных коротких замыканий в обмотке статора.

В качестве быстродействующей защиты от междуфазных коротких замыканий в статоре генератора применяют продольную дифференциальную токовую защиту (рисунок 21).

Рисунок 21 – Схема и принцип действия дифференциальной защиты генератора

Принцип действия основан на сравнении величин и фаз токов в начале и конце обмотки фаз статора генератора и аналогичен схеме продольной дифференциальной токовой защите линии. При коротком замыкании в обмотке статора генератора и на ее выводах в зоне защиты (зона между трансформаторами тока) происходит мгновенное отключение выключателя генератора. Нейтрали трансформаторов тока заземляются только с одной стороны, так как оба соединены электрически. При заземлении каждого трансформатора тока отдельно образуется цепь, по которой могут проходить токи, которые появляются в контуре заземления подстанции и дифференциальная защита может ложно сработать.

Номинальное напряжения генераторов в СНГ 6, 10 кВ - это сети с изолированной нейтралью, поэтому нейтрали обмоток фаз статора не заземляются. Поэтому защиту можно выполнить в двухфазном исполнении.

Рисунок 22 – Работа дифференциальной защиты при двойном замыкании на землю

Недостаток этой схемы – это неспособность защиты работать при двойном замыкании на землю фаз (рисунок 22). Из рисунка мы видим, что при двойном замыкании разных фаз в одном реле вторичные токи вообще не протекают, а другом сумма токов от двух трансформаторов тока взаимно уничтожаются. Поэтому для защиты от двойных замыканий устанавливают дополнительно токовую защиту. На генераторах мощностью более 100 МВА по соображениям надежности устанавливают дифференциальную защиту только в трехфазном исполнении.

Защита от замыканий между витками одной фазы.

На мощных генераторах, у которых обмотки фаз расщеплены на два и более параллельных ветвей применяется простая и надежная защита от витковых замыканий – поперечная токовая дифференциальная защита генератора (рисунок 23).

В нормальных режимах и внешних коротких замыканиях в параллельных ветвях фазы 1 и 2 (рисунок 24.а) наводятся одинаковые по величине и по фазе э.д.с. Е₁ и Е₂. Сопротивления параллельных ветвей равны, и поэтому токи в ветвях I₁ и I₂ также равны. При замыкании нескольких витков одной фазы (рисунок 24.б) под действием э.д.с. Е_к закороченных фаз в короткозамкнутых витках протекают большие токи короткого замыкания I_к. Э.д.с. Е₂ уменьшается и поэтому нарушается баланс токов I₁ и I₂. Разница э.д.с. ΔЕ=Е₁-Е₂ вызывает протекание по параллельным ветвям фазы уравнительного тока I_у. Этот уравнительный ток протекает через нулевой провод соединяющий две нейтрали фаз статора генератора, а также через трансформатор тока Т_о (рисунок 23). С трансформатора тока Т_о ток попадает в фильтр Ф, пропускающий токи прямой последов