Пусковые органы дистанционных защит

Функции пусковых органов, виды и требования к ним.В §11.3 отмечалось, что пусковые органы (ПО) применяются в односистемных ДЗ, выполняемых с переключениями в цепях тока и напряжения, а также в трехсистемных, если они имеют один комплект ДО на две ступени ДЗ или если их ДО не отстроены от максимальной нагрузки. Пусковые органы в этих ДЗ выполняют следующие функции:

1) в односистемных схемах подводят при КЗ к ДО токи и напряжения поврежденных фаз для правильного определения положения места повреждения;

2) в схемах с одним комплектом ДО для I и II ступеней производят переключения, необходимые для изменения уставки срабатывания при КЗ за пределами I зоны;

3) не позволяют ДЗ действовать на отключение в нормальном режиме, если для повышения чувствительности к КЗ ее ДО недостаточно отстроены от нагрузки;

4) при необходимости осуществляют пуск элементов времени II и III ступеней;

5) выполняют роль ДО резервной (обычно III) ступени ДЗ.

Все ПО должны удовлетворять трем основным требованиям: обладать достаточной чувствительностью в пределах заданной зоны действия, иметь надежную отстройку от I_{н mах}и, по возможности, не действовать при качаниях. В односистемных ДЗ ПО должны четко определять, на каких фазах возникло КЗ, и в зависимости от этого подводить к ДО напряжение и ток, обеспечивающие его правильное действие.

В качестве ПО применяются токовые реле, реагирующие на фазные токи. Необходимость отстройки ПО от нагрузки ограничивает чувствительность ДЗ при КЗ, особенно на длинных и сильно загруженных ЛЭП. В связи с этим наибольшее применение находят PC с характеристиками, позволяющими надежно отстроить ПО от нагрузки и обеспечить в то же время наибольшую зону действия при КЗ. На протяженных ЛЭП следует использовать PC с эллиптическими и сложными характеристиками. Для обеспечения надежного пуска ДЗ при КЗ через переходное сопротивление R_п характеристика срабатывания PC, изображенная в осях R, jX,должна охватывать заштрихованную площадь ОКК'К", показанную на рис.11.13, д, в которой располагаются векторы Z_p при КЗ через R_п.С учетом изложенного наиболее рациональной характеристикой ПО является четырехугольник. Лучшими качествами с точки зрения отстройки от нагрузки и качаний обладает токовое реле ОП. Оно не реагирует на симметричные режимы и, следовательно, не может сработать при симметричной нагрузке и качаниях.

Токовые пусковые органы, реагирующие на фазные токи, выполняются с помощью максимальных реле тока. При большой кратности тока эти ПО обладают четкой избирательностью поврежденных фаз. Токовые ПО должны устанавливаться на каждой фазе защищаемой ЛЭП. В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью токовые ПО можно устанавливать на двух фазах. Ток срабатывания ПО отстраивается от I_{ра6 mах}так же, как I_с.з МТЗ (см. гл. 4). Наибольшее применение токовый пуск находит в ДЗ сетей 35 кВ. При наличии токовых ПО отпадает необходимость применения блокировки при неисправностях в цепях напряжения.

Токовые реле обратной последовательности. Двухфазные КЗ сопровождаются появлением тока ОП, и реле надежно действует. При трехфазных КЗ I₂= 0. Чтобы обеспечить пуск ДЗ от реле ОП при трехфазных КЗ, предусматривается особая схема, фиксирующая кратковременное появление I₂в первый момент возникновения повреждения. Эта схема рассмотрена в § 12.4 (см. рис.12.4 и 12.5). Очевидно, что ПО, реагирующий на ток I₂, не может действовать избирательно, определяя поврежденную фазу, и по этой причине не может применяться в односистемных ДЗ. Преимуществом пуска от тока I₂является недействие его при симметричных перегрузках и качаниях, а также высокая чувствительность при КЗ, поскольку I_с.p ОП отстраивается только от I _нб фильтра, имеющего небольшое значение.

Пусковые реле сопротивления. Схемы включения. Пусковые PC ненаправленные и направленные, с круговыми и эллиптическими характеристиками включаются на междуфазные напряжения и разность одноименных фаз токов согласно табл.11.1. Схема табл. 11.1 обеспечивает стабильность зоны действия при всех видах КЗ, что очень важно, когда пусковые реле выполняют функции ДО III зоны ДЗ. Однако эта схема не обеспечивает избирательности поврежденных фаз. При двухфазных КЗ все три реле питаются током КЗ и имеют пониженное напряжение, поэтому при близких КЗ они могут сработать все одновременно, что не позволяет выявлять поврежденные фазы по действию пусковых реле.

Ненаправленные реле сопротивления. Для исключения действия пускового реле в нормальном режиме и при нагрузках его сопротивление срабатывания Z"_c.p выбирается меньше минимального значения сопротивления Z_{раб min}, возникающего на зажимах реле в рабочем режиме (рис.11.35), т.е.:

(11.27)

где U_{раб min} — минимальное рабочее напряжение; I_{раб mах} — наибольший ток нагрузки.

Чем больше нагрузка, тем меньше чувствительность пускового реле при КЗ. Поэтому на длинных ЛЭП с большими нагрузками PC с круговой характеристикой вначале координат оказывается недостаточно чувствительным при КЗ. Ненаправленные PC применяются в качестве ПО в сетях 35 кВ и на недлинных и малозагруженных ЛЭП 110кВ. По сравнению с токовыми пусковыми реле ненаправленные PC отличаются большей чувствительностью к КЗ.

Пусковые направленные реле сопротивления с круговой характеристикой. Характеристика 2 направленного реле (рис.11.35) значительно лучше удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ПО, чем ненаправленное PC с характеристикой 1.

Недостатком направленного реле является мертвая зона по напряжению, так как реле не работает при U_р = 0 или значениях, близких к нему. Этот недостаток при двухфазных КЗ устраняется применением подпитки реле напряжением третьей фазы. Для устранения мертвой зоны при трехфазных КЗ устанавливается токовая отсечка или производится смещение характеристики реле в сторону III квадранта. Последнее допустимо, поскольку III ступень ДЗ работает с выдержкой времени.

Направленные PC с круговой характеристикой получили широкое применение в качестве ПО в сетях 110-500 кВ. Их применение особенно целесообразно на длинных, сильно загруженных ЛЭП.

Пусковые направленные реле с эллиптической (или овальной) характеристикой. На рис.11.36 приведены для сравнения характеристики двух направленных PC. Обе характеристики имеют одинаковую зону действия (отрезок АВ) при КЗ с углом φ_р = φ_м.ч = φ_л. Но при φ_р ≠ φ_м.ч реле с эллиптической характеристикой имеют меньшую зону действия, чем PC с круговой характеристикой, поэтому они лучше отстраиваются от нагрузки и качаний. Реле с эллиптической характеристикой допускают значительно меньшее переходное сопротивление R_п в месте КЗ. Это является недостатком, который нужно учитывать при выборе уставки по малой оси эллипса. Реле имеет мертвую зону при двух- и трехфазных КЗ, которая устраняется так же, как у направленного PC с круговой характеристикой.

Реле сопротивления с блокировкой от фазоограничителя, ограничивающего действие ДЗ при перегрузке. Улучшение характеристики ПО можно получить, применив комбинированный пуск, состоящий из направленного PC и блокирующего PC смешанного типа (рис.11.37, а). Характеристика 2 смешанного типа выражается уравнением Z_c.p = k/соs(φ_р – δ) и представляет собой прямую линию, проходящую под углом 90° – δ к оси R.Величина k является проекцией векторов Z_c.p на перпендикуляр AM и имеет постоянное значение. Зона действия реле заштрихована. Сочетанием направленного PC и блокирующего реле 2, отсекающего правую часть характеристики, можно достигнуть дальнейшего улучшения характеристики пускового устройства. В качестве блокирующего реле можно использовать РHМ с углами внутреннего сдвига 60 и 30°.

Пусковое реле с характеристикой в виде четырехугольника. Характеристика PC показана на рис.11.37, б. Площадь четырехугольника ABCD должна быть минимальной, но обеспечивающей работу реле в пределах выбранной зоны действия. Исходя из этого характеристика реле должна удовлетворять следующим условиям: для обеспечения направленности действия точка А характеристики должна совпадать с началом координат — точкой 0; прямая ВС должна проходить через точку L, соответствующую концу расчетной зоны действия реле (рис.11.37, в); прямая AL представляет собой характеристику сопротивления защищаемой зоны и образует с осью R угол φ_л, равный углу полного сопротивления линии Z_л.Точка С выбирается из условия действия реле при КЗ в конце защищаемой зоны при наличии переходного сопротивления R_п в месте повреждения. Как указывалось:

(11.28)

С учетом угла α сдвига фаз между векторами I_к = I_N + I_М и I_N (рис.11.37, г) прямая ВС должна проходить относительно оси R под углом α₁ = α + α_зап, где α_зап — угол запаса, учитывающий угловую погрешность измерительных трансформаторов и погрешность в срабатывании реле. Сторона CD должна быть смещена относительно отрезка AL на величину ΔZ, характеризующую дополнительное сопротивление, обусловленное электрической дугой R_д.При приближении места КЗ к точке А ток I_квозрастает, в результате R_ди ΔZ уменьшаются. С учетом этого угол β₁ принимается меньшим угла защищаемой линии φ_л. Сторона AD должна равняться значению ΔZ', которое определяется сопротивлением электрической дуги при КЗ в начале ЛЭП (точка А),и иметь угол α₂ = α + α_зап. Сторона АВ располагается под углом β₂ > φ_л с таким расчетом, чтобы реле надежно действовало при металлических КЗ на защищаемом участке ЛЭП (прямая AL) с учетом погрешности измерительных трансформаторов и реле. Полученная характеристика реле ABCD обеспечивает необходимую чувствительность при КЗ и имеет наилучшую отстройку от нагрузки и качаний по сравнению с другими характеристиками, обладающими равной чувствительностью при металлических КЗ. Для устранения мертвой зоны и улучшения резервирования при КЗ на длинных электропередачах можно применять смещение характеристики относительно начала координат.

11.13. ПОГРЕШНОСТЬ СРАБАТЫВАНИЯ PC, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ТОКОМ I_р

Реле сопротивления, выполняющие функции ДО, определяют зону действия ступеней ДЗ. Для обеспечения стабильности этих зон к PC предъявляются требования точности работы. В идеальном PC Z_c.p = (U_p/I_р)_с.р должно равняться заданной уставке независимо от абсолютных значений U_p и I_р. Однако в действительности, вследствие ограниченной чувствительности реагирующего органа и других элементов схемы, Z_c.p у всех видов PC зависит не только от уставки Z_y, но и от абсолютных значений тока I_p. Под его влиянием Z_c.p отклоняется от Z_y в сторону уменьшения. Возникает нежелательная погрешность ΔZ в срабатывании реле, приводящая к сокращению его зоны действия. Рассмотрим характер зависимости Z_c.p = f(I_p)на примере реле с круговой характеристикой, построенного на сравнении абсолютных значений двух напряжений рабочего K_II_p и тормозного K_UU_r(см. гл.11). С учетом порога чувствительности РО, характеризуемого напряжением U_п.ч, PC приходит в действие при рабочем напряжении |K_II_p| = |K_UU_p| + U_п.ч.Разделив это значение на K_UI_pполучим

(11.29)

Наличие второго слагаемого в правой части (11.29), зависящей от тока I_р, создает погрешность в работе PC

(11.30)

Из (11.29) и (11.30) следует, что основной причиной зависимости Z_c.p от I_р, вызывающей погрешность в действии статических реле, является наличие порога чувствительности у РО, для преодоления которого на вход РО необходимо подать рабочее напряжение U_раб > U_п.ч. В электромеханических PC Z_c.p также зависит от тока I_р из-за ограниченной чувствительности реле, обусловленной противодействием пружины и трением подвижной системы реле. Второй причиной, порождающей зависимость от тока, является нелинейность элементов схемы реле (полупроводниковых приборов, промежуточных трансформаторов и преобразователей и др.). Типичная характеристика Z_c.p = f(I_p), построенная на основе (11.30) Z_c.p = Z_y, изображается на рис.11.38 прямой 1. Действительная характеристика представлена кривой 2. При Z_c.p = 0, имеющем место, когда U_p, = 0, PC срабатывает только при I_р = I_с.р. При этом тормозное напряжение K_U/U_p отсутствует и согласно (11.30) I_р образует рабочее напряжение K_II_р = K_II_{c.p min}, необходимое для преодоления U_п.чРО.

При малых токах I_р, соизмеримых с I_{c.p min}, погрешность в срабатывании реле особенно велика, Z_c.р оказывается намного меньше Z_y, что приводит к резкому уменьшению зоны действия реле. По мере увеличения I_р значение погрешности ΔZ_I уменьшается и, начиная с некоторой точки (рис.11.38), становится настолько малым, что им можно пренебречь, считая, что Z_c.p = Z_y. При больших значениях I_р возможно насыщение магнитопроводов промежуточных трансформаторов и нелинейности выпрямителей, что снова вызовет увеличение ΔZ_I и уменьшение Z_c.p.

Зависимость Z_c.p = f(I_p), приведенная на рис.11.38, характерна и для других видов PC, поскольку все они имеют конечную чувствительность, определяемую значением U_п.ч.Кривая 2 на рис.11.38 показывает, что каждое PC может работать с достаточной точностью только в определенном диапазоне токов I_р,особенно в начальной части кривой — в области малых токов. Принято, что для дистанционных органов погрешность ΔZ_I не должна превышать 10% Z_y.

Из этого условия по кривой Z_c.p = f(I_p), полученной опытным или расчетным путем, для каждого типа реле определяются токи точной работы: I'_точ.р в области малых тонов и I''_точ.р в области больших токов, при которых погрешность ΔZ_I равна 10%, а сопротивление срабатывания Z_c.р = 0,9Z_y.

В современных конструкциях ток точной работы в начальной части характеристики . I'_точ.р ≈ 1 ÷ 7 А. При выборе уставок PC необходимо проверять, что при повреждении в конце зоны действия токи КЗ I_{к min} ≥ I'_точ.р, а I_{к mах}≤ I''_точ.р. Если эти условия не будут выполняться, то погрешность реле превзойдет 10% и соответственно сократится зона действия PC.

Для уменьшения зависимости работы PC от тока I_р и снижения погрешности ΔZ_I необходимо, как это следует из (11.30), повышать чувствительность реагирующего органа реле (уменьшая этим U_п.ч), увеличивать в возможных пределах коэффициент К_Uпри напряжении U_p,принимать меры к уменьшению нелинейности элементов схемы.