Структурная схема РЗ, подключение РЗ к защищаемому объекту

Любое устройство релейной защиты содержит, как правило, три составные части: измерительную, логическую и исполнительную (рис. 13.1). В состав измерительной части может входить один или несколько пусковых органов. Назначением измерительной части защиты является сравнение текущих значений параметров режима защищаемого объекта с заданными значениями, при которых защита должна срабатывать, т.е. с уставкой.

В зависимости от вида РЗ такими параметрами могут быть ток, напряжение, направление мощности, отношение напряжения к току, т.е. сопротивление, и др. Если защита должна срабатывать при значениях параметра режима бóльших уставки, она называется максимальной, а если при значениях параметра меньших уставки — минимальной.

При КЗ на защищаемом объекте ток увеличивается, напряжение снижается, изменяется фазовый сдвиг между током и напряжением, нарушается симметрия токов и напряжений, а при КЗ на землю сумма напряжений и сумма токов трех фаз оказывается не равной нулю. Эту информацию измерительная часть защиты получает от измерительных преобразователей (трансформатора тока ТА и трансформатора напряжения TV), изолирующих устройство релейной защиты от высокого напряжения на защищаемом объекте. Измерительная часть защиты обрабатывает входную информацию. В том случае, когда контролируемые параметры выходят за установленные пределы, пусковые органы измерительной части защиты выдают сигналы в логическую часть, реализующую логику действия защиты. В зависимости от вида релейной защиты она должна при срабатывании одного или при одновременном срабатывании нескольких пусковых органов измерительной части выдавать сигнал на отключение защищаемого объекта от энергосистемы без выдержки или с выдержкой времени. Сигнал на отключение объекта от энергосистемы поступает в исполнительную часть защиты, формирующую управляющее воздействие на выключатель (или выключатели) Q, отключающий поврежденный объект от источников питания.

Помимо отключения объекта от источников питания при возникновении на нем КЗ на релейную защиту возлагаются также функции защиты объекта от ненормальных режимов работы, чаще всего от его перегрузки током внешнего короткого замыкания и от недопустимой перегрузки рабочим током. Практически на всех объектах энергосистемы (генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи, сборных шинах и др.) устанавливаются, как правило, не одно, а несколько устройств релейной защиты, обеспечивающих защиту объекта от междуфазных коротких замыканий, от коротких замыканий на землю, а также от ненормальных режимов работы.

Измерительные преобразователи (трансформаторы тока и трансформаторы напряжения), от которых устройство релейной защиты получает информацию о параметрах режима защищаемого объекта, должны иметь погрешность преобразования значений тока и напряжения защищаемого объекта в их вторичные значения, поступающие в измерительную часть защиты, не превышающую в условиях срабатывания защиты 10 %.

Логическая и исполнительная части релейной защиты требуют для своего функционирования специальный источник питания — источник оперативного тока. Измерительная часть защиты, если она выполнена на интегральных микросхемах или с использованием микропроцессоров, также требует питания от источника оперативного тока. К источникам оперативного тока предъявляются в основном три требования: автономность, т.е. независимость от режима работы защищаемого объекта; надежность, т.е. безотказность в работе; мощность достаточная как для питания устройства релейной защиты, так и для отключения выключателя (или выключателей) защищаемого объекта.

В распределительных электрических сетях и системах электроснабжения, имеющих, как правило, значительное число электрических подстанций без постоянного обслуживающего персонала, в качестве источников оперативного тока используются трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, трансформаторы собственных нужд и предварительно заряженные конденсаторные батареи. На электрических станциях и крупных подстанциях источниками оперативного тока являются аккумуляторные батареи, работающие в режиме постоянного подзаряда.

Токовые защиты

Максимальная токовая защита отличает режим короткого замыкания от рабочего режима по значению тока, проходящего в защищаемом объекте, а селективность защиты обеспечивается выбором времени ее срабатывания. Максимальная токовая защита получила широкое распространение в радиальных электрических сетях с односторонним питанием напряжением ≤ 110 кВ (рис. 13.2).

Трансформаторы тока, к которым подключены токовые измерительные органы защиты, установлены в начале защищаемой линии, т.е. вблизи шин питающей подстанции. При коротком замыкании в точке К ток короткого замыкания проходит по линиям АБ, БВ и ВГ, что приводит к срабатыванию токовых измерительных органов защит. Для обеспечения отключения только поврежденной линии последовательно расположенным защитам придается время срабатывания защиты, возрастающее по мере приближения к источнику питания, т.е.

(13.1)

Таким образом, при КЗ в точке К (рис. 13.2) сработает РЗ линии ВГ и отключит выключатель Q3.

Ток срабатывания защиты выбирается по условию возврата защиты в исходное состояние после отключения внешнего КЗ:

(13.2)

где k_отс — коэффициент отстройки, больший 1 и учитывающий погрешности трансформаторов тока и аппаратуры защиты; k_з — коэффициент самозапуска электрических двигателей потребителей, получающих питание по защищаемой линии, больший 1 и учитывающий возрастание тока в линии при самозапуске этих двигателей после ликвидации режима КЗ; k_в — коэффициент возврата, равный отношению тока возврата измерительного органа защиты в исходное состояние к току срабатывания этого органа (k_в = 0,75—0,95); I_{раб max} — максимальное значение тока в защищаемой линии в рабочем режиме работы.

Если защищаемая линия оборудована устройством автоматического повторного включения (АПВ), ток срабатывания защиты необходимо выбрать также по условию ее несрабатывания после успешного АПВ

(13.3)

где, как правило, k'_з > k_з, так как перерыв питания электродвигателей в этом случае больше, что приводит к увеличению тока их самозапуска.

В качестве уставки защиты по току срабатывания принимается большее из двух полученных значений I_с.з.

Время срабатывания защит смежных участков сети отличается на ступень селективности Δt (0,3—1 с), учитывающую с некоторым запасом время отключения выключателя, а также погрешность во времени срабатывания и инерционность этих защит, т.е. t_c.з3 = t_c.з4 + Δt; t_c.з2 = t_c.з3 + Δt; t_с.з1 = t_с.з2 + Δt.

Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувствительности

(13.4)

где I_р.к — минимальное значение тока в реле измерительного органа защиты при КЗ, а

(13.5)

где K_I — коэффициент трансформации трансформаторов тока защиты, а k_сх — коэффициент, учитывающий схему подключения реле тока защиты ко вторичным обмоткам трансформаторов тока.

Коэффициент чувствительности определяется при КЗ в конце защищаемой линии, а также при КЗ в конце смежной линии и за трансформатором приемной подстанции, так как на максимальную токовую защиту обычно возлагаются функции резервной защиты при отказе защиты или выключателя смежного элемента сети. Считается, что защита обладает достаточной чувствительностью, если в первом случае k_ч ≥ 2, а во втором k_ч ≥ 1,2.

Максимальная токовая защита, как правило, имеет хорошую чувствительность. Ее недостатком является относительно большое время срабатывания.

Токовая отсечка, как и максимальная токовая защита, реагирует на увеличение тока в защищаемом объекте. Однако селективность токовой отсечки обеспечивается не выбором времени срабатывания защиты, а выбором тока срабатывания. Ток срабатывания токовой отсечки отстраивается от максимального значения тока внешнего короткого замыкания. На рис. 13.3 изображена зависимость тока короткого замыкания I_к от удаленности точки короткого замыкания К1 от шин питающей энергосистемы А.

Токи срабатывания токовых отсечек линий АБ и БВ отстраиваются от токов короткого замыкания на шинах приемных подстанций

(13.6)

где I_К2, I_К3 — ток при КЗ соответственно в точках К2 и КЗ; k_отс — коэффициент отстройки, больший 1; , — ток срабатывания токовой отсечки соответственно линий АБ и БВ.

Ясно, что при таком токе срабатывания токовая отсечка нечувствительна к внешним коротким замыканиям, а следовательно, время ее срабатывания может быть равным нулю (рис. 13.3)

(13.7)

Чувствительность токовой отсечки оценивается длиной защищаемого участка линии , при коротком замыкании, на котором I_к > , т.е. токовая отсечка защищает не всю длину линии.

Таким образом, достоинства и недостатки токовой отсечки и максимальной токовой защиты противоположны. Токовая отсечка не имеет выдержки времени, но не чувствительна к коротким замыканиям в конце линии, а максимальная токовая защита обладает хорошей чувствительностью, но имеет значительное время срабатывания. Поэтому их целесообразно использовать совместно.

Токовая ступенчатая защита. В качестве первой ступени защиты используется токовая отсечка без выдержки времени. В качестве второй ступени устанавливается токовая отсечка с выдержкой времени, назначением которой является быстрое отключение линии при возникновении КЗ вне зоны действия первой ступени. Ток и время срабатывания второй ступени защиты отстраиваются от тока и времени срабатывания первой ступени защиты смежной линии ( рис. 13.3):

(13.8)

Вторая ступень защиты считается чувствительной, если при коротком замыкании в конце линии ее коэффициент чувствительности ≥ 1,2.

В качестве третьей ступени используется максимальная токовая защита, назначением которой является резервирование первых ступеней своей защиты, а также отказов защит и выключателей смежных участков сети.

Токовая защита нулевой последовательности. Как показывает статистика, большинство коротких замыканий (до 70—80 %) являются короткими замыканиями на землю. В сети с заземленной нейтралью ток короткого замыкания проходит по контуру фаза — земля, а следовательно, сумма токов трех фаз не равна нулю, а равна утроенному значению симметричной составляющей тока нулевой последовательности

(13.9)

Поскольку в рабочем режиме сумма токов трех фаз равна нулю, токовую защиту, реагирующую на ток нулевой последовательности, не следует отстраивать от тока рабочего режима, что делает такую защиту гораздо более чувствительной по сравнению с максимальной токовой защитой. Ток срабатывания токовой защиты нулевой последовательности отстраивается от тока небаланса, обусловленного погрешностями трансформаторов тока защиты, который тем больше, чем больше ток в первичных обмотках этих трансформаторов тока. Ток срабатывания токовой защиты нулевой последовательности линии электропередачи отстраивается от тока небаланса при КЗ за трансформатором приемной подстанции, что позволяет не отстраивать эту защиту по времени срабатывания от времени срабатывания защит потребителей электроэнергии и делает ее более быстродействующей по сравнению с максимальной токовой защитой.

Обычно реализуется ступенчатая токовая защита нулевой последовательности, в которой в качестве первых ступеней используются токовые отсечки нулевой последовательности без выдержки и с выдержкой времени.

Замыкание одной фазы на землю в сети с изолированной нейтралью вызывает прохождение через место замыкания относительно небольшого тока, обусловленного емкостью электрической сети на землю, и в большинстве случаев не требует немедленного отключения. Ток срабатывания токовой защиты в сети с изолированной нейтралью отстраивается от емкостного тока защищаемого объекта, защита действует, как правило, не на отключение защищаемого объекта, а на сигнал.

Токовая направленная защита. В радиальной сети с несколькими источниками питания, как и в кольцевой сети с одним источником питания, максимальная токовая защита не может быть использована, так как обеспечить селективность этой защиты путем выбора времени срабатывания оказывается невозможным. При коротком замыкании на линии БВ (точка К1 на рис. 13.4) время срабатывания защиты 2 должно быть больше времени срабатывания защиты 3, а при коротком замыкании на линии АБ (точка К2) для селективного отключения поврежденного объекта защита 2 должна срабатывать раньше защиты 3. Максимальная токовая защита в такой сети может быть селективной только при наличии, кроме измерительного органа тока, органа направления мощности, который разрешает защите срабатывать только при направлении мощности короткого замыкания от шин в линию (см. стрелки на рис. 13.4).

Наличие органа направления мощности подразделяет защиты сети на две группы — нечетную (1, 3, 5) и четную ( 2, 4, 6). Селективность защиты будет обеспечена, если

(13.10)

Ток срабатывания токовой направленной защиты определяется, как и ток срабатывания максимальной токовой защиты, в соответствии с выражениями (13.2) и (13.3). Однако под I_{раб max} понимается максимальный ток в рабочем режиме работы сети, проходящий в направлении действия защиты.

Поскольку из-за повреждений во вторичных цепях трансформатора напряжения орган направления мощности может сработать ложно, во избежание ложного срабатывания защиты ток срабатывания отстраивается также от тока в рабочем режиме сети, проходящего в направлении, противоположном направлению действия защиты:

(13.11)

В качестве тока срабатывания защиты принимается большее из трех полученных значений, после чего необходимо убедиться, что

(13.12)

При несоблюдении условия (13.12) защита может сработать неселективно.

Время срабатывания защиты принимается большим времени срабатывания защит смежных элементов сети в направлении действия защиты, т.е.

Основным недостатком защиты является наличие «мертвой зоны», т.е. участка защищаемой линии, при КЗ на котором защита отказывает в действии из-за малого значения напряжения, подаваемого на вход органа направления мощности. Однако при включении реле по 90-градусной схеме, предусматривающей подачу на реле тока фазы и разности напряжений двух других фаз (например, I_р = I_А, U_р = U_B - U_C), «мертвая зона» имеет место только при металлическом трехфазном КЗ.

Токовые направленные защиты, как и ненаправленные токовые защиты, стараются выполнять трехступенчатыми. Причем в качестве первой ступени защиты лучше использовать ненаправленную токовую отсечку, если ее зона действия перекрывает «мертвую зону» направленной защиты.

Дистанционная защита

Основным недостатком токовых защит является зависимость зоны их действия от тока короткого замыкания, что не позволяет в ряде случаев иметь достаточную чувствительность токовой защиты, особенно быстродействующих ее ступеней. Кроме того, в сложнозамкнутых сетях (например, в кольцевой сети с двумя источниками питания) селективность токовых защит не может быть обеспечена.

Дистанционная защита реагирует на отношение подведенных к измерительному органу защиты напряжения и тока, т.е. на сопротивление. Режим короткого замыкания отличается от нормального режима работы сети пониженным значением напряжения и повышенным значением тока. Следовательно, сопротивление на входе измерительного органа защиты при коротком замыкании меньше, чем в нормальном режиме. Это обстоятельство и используется для выявления КЗ.

Таким образом, дистанционная защита представляет собой защиту минимального сопротивления. Если на вход измерительного органа минимального сопротивления подается разность напряжений замкнувшихся фаз и разность токов этих фаз, то сопротивление на входе измерительного органа оказывается равным сопротивлению линии от места установки защиты (начало линии) до места короткого замыкания

(13.13)

где Z_уд — удельное сопротивление линии; l_к — расстояние до места короткого замыкания.

Так как Z_уд — величина постоянная, защита реагирует на расстояние до места короткого замыкания, что и обусловило ее название.

Сопротивление на входе измерительного органа защиты представляет собой комплексную величину. Сопротивление на входе защиты (например, защиты 3 на рис. 13.4) в комплексной плоскости при коротком замыкании в точке К1 есть вектор БК1 (рис. 13.5), сопротивление линии БВ и суммарное сопротивление линий БВ и ВГ — векторы БВ и БГ, а сопротивление до точки К2 и линии АБ — векторы БК2 и БА.

Угол наклона φ_л этих векторов сопротивления определяется активным и реактивным сопротивлением защищаемых линий.

Сопротивление на входе защиты в рабочем режиме работы электрической сети отображается вектором сопротивления нагрузки, получающей питание по защищаемой линии (Z_нагр на рис. 13.5). Этот вектор отличается от вектора сопротивления короткого замыкания не только по величине, но и по фазе, так как коэффициент мощности нагрузки cosφ_нагр = 0,8—0,95.

С целью повышения чувствительности защиты, т.е. наилучшей отстройки защиты как от внешних коротких замыканий, так и от режима нагрузки, используются реле минимального сопротивления с различными характеристиками срабатывания (рис. 13.6).

Характеристики на рис. 13,6, а и б имеют соответственно ненаправленное и направленное реле полного сопротивления. Угол максимальной чувствительности у направленного реле, соответствующий максимальному значению сопротивления срабатывания реле Z_{с.р max}, равняется φ_л.

Характеристика на рис. 13.6, в позволяет обеспечить чувствительность защиты при коротком замыкании через переходное сопротивление, а характеристика на рис. 13.6, г — оптимальным образом отстроить защиту от сопротивления нагрузки.

Дистанционная защита выполняется, как правило, трехступенчатой. Первая ступень не имеет выдержки времени (рис. 13.7), а сопротивление срабатывания принимается несколько меньшим сопротивления защищаемой линии. Например, для защиты 1 линии АБ = k_отс Z_AБ.

Коэффициент отстройки k_отс = 0,8—0,9 учитывает погрешности трансформаторов тока и напряжения, к которым подключено реле сопротивления, и погрешность самого реле сопротивления. Аналогично определяются сопротивления срабатывания первых ступеней всех защит.

Сопротивления срабатывания вторых ступеней защит отстраиваются от суммарного сопротивления защищаемой линии и сопротивления срабатывания первой ступени защиты смежной линии, а также от короткого замыкания за трансформатором приемной подстанции, например:

(13.14)

где k_т = I_к/I_к1 — коэффициент токораспределения, равный отношению суммарного тока короткого замыкания за трансформатором приемной подстанции к току в защищаемой линии, проходящему в направлении действия защиты.

Время срабатывания второй ступени защиты принимается на ступень селективности больше времени срабатывания первой ступени защиты смежной линии, т.е. ( рис. 13.7).

Назначением третьей ступени защиты является резервирование отказов защит и выключателей смежных элементов электрической сети. Сопротивление срабатывания третьей ступени определяется по условию обеспечения чувствительности при КЗ в конце смежной линии и за трансформатором приемной подстанции, а также по условию возврата защиты в исходное состояние после отключения внешнего короткого замыкания, например:

(13.15)

где k_ч ≥ 1,2 — коэффициент чувствительности; ≈ 1,1—1,15 — коэффициент возврата, равный отношению сопротивления возврата к сопротивлению срабатывания реле сопротивления; k_отс = 1,1—1,2 — коэффициент отстройки.

При этом по первому условию вектор сопротивления имеет угол φ_л, а по второму условию φ_нагр (см. рис. 13.5).

Время срабатывания третьей ступени защиты отстраивается от времени срабатывания третьей ступени защиты смежной линии (см. рис. 13.7).

Дистанционная защита может сработать ложно при качаниях в энергосистеме, а также при неисправностях в цепях трансформатора напряжения, приводящих к снижению напряжения на входе измерительного органа защиты. Поэтому в комплект дистанционной защиты обычно входит устройство блокировки защиты при качаниях и неисправностях в цепях напряжения.

Дистанционная защита по сравнению с токовыми защитами обладает большей чувствительностью, имеет стабильную зону действия, однако она значительно более дорогая и технически сложная.