Схемы максимальных направленных защит

Для обеспечения селективности действия максимальных токовых защит в кольцевых сетях с односторонним и радиальных сетях с двухсторон- ним питанием пусковой орган защиты выполняется в виде двух реле - реле тока и реле направления мощности, контакты которых соединены последовательно. Реле направления мощности (в дальнейшем будем на- зывать реле мощности) замыкает свой контакт при положительном на- правлении тока. Условились за положительное направление тока счи- тать направление тока от шин в линию. Принцип работы токовой на- правленной защиты рассмотрим на примере однолинейной схемы (Рис.49).

Рис.49 Схема максимальной токовой направленной защиты

При возникновении короткого замыкания на линии,

т.К1, срабатывают

токовое реле

К А1

и реле мощности

KW1 , и защита запускается. При

коротком замыкании вне линии,

т.К 2 , ток направлен из линии к ши-

нам, реле мощности не работает и блокирует действие защиты.

Введение задержки на срабатывание обеспечивает выполнение требова- ния селективности.

Варианты выполнения реле мощности Индукционное реле мощности (Рис.50). Конструктивно индукционное реле мощности представляет собой четырехполюсную магнитную сис-

тему 1 с расположенными на сердечнике двумя обмотками: токовой 2 и

напряженческой 3.

Рис. 50 Индукционное реле мощности Рис. 51Векторная диаграмма

реле

Между полюсами электромагнита помещен внутренний стальной сер- дечник и подвижный алюминиевый ротор 6 с закрепленным на нем кон- тактом 4. При протекании тока по обмоткам создаются магнитные пото-

ки ФI и ФU .За счет взаимодействия этих потоков с индуктированными

в цилиндре токами создается вращающий момент:

M вр = k ФIФU siny ,

где ФI

ФU

- поток, создаваемый токовой обмоткой;

- поток, создаваемый обмоткой напряжения;

y - угол между потоками

Если в выражении для вращающего момента заменить потоки пропор-

циональными величинами - током в реле I р и напряжением U р , а угол

y , равным ему углом y

будет иметь вид:

= 900- (j р + a ) ,

то выражение для момента

M вр = k1ФIФU sin (9 00 - (f P + a )) = k1ФIФU cos(f P + a ).

Угол, при котором вращающий момент максимален, называется углом максимальной чувствительности. Угол , определяющий сдвиг вектора тока в обмотке напряжения относительно приложенного напряжения, называется углом внутреннего сдвига реле. В зависимости от значения угла внутреннего сдвига характеристика реле меняет свое положение в плоскости координат. При реле называют реле реактивной мощности или синусным; при - реле активной мощности или косинусным. При промежуточных значениях угла реле реагирует на обе составляющие мощности и называется реле смешанного типа. Эти реле имеют наи- большее распространение в схемах релейной защиты. Угол внутреннего сдвига можно менять, включая в цепь обмотки напряжения реле актив- ное или емкостное сопротивление.

Рассмотренное реле позволяет определить направление мощности ко- роткого замыкания. Изменение знака момента происходит при измене- нии направления тока в первичной цепи. Так, при коротком замыкании

в точке

К1 (Рис.48) момент положителен, а при коротком замыкании в

точке К 2

- отрицателен. В схемах релейной защиты используется спо-

собность реле определять направление тока, поэтому такие реле назы- вают реле направления мощности.

Полупроводниковые реле мощности Наличие ряда недостатков индук- ционных реле, таких, как трудность отстройки от "самохода", вибрация контактной системы, низкая механическая устойчивость, поставили во- прос о необходимости их замены на полупроводниковые реле. В на- стоящее время промышленностью выпускаются различные виды полу- проводниковых реле мощности. Одна из возможных реализаций реле на микроэлектронной основе представлена на Рис.52.

Реле состоит из входных преобразователей тока 1 и напряжения 2; двух фильтров низких частот 3 и 4; усилителей-ограничителей 5, 6; детектора знака активной мощности 7, выполненного на основе интегратора и пе- ремножителя; порогового элемента 8, выполненного на компараторе; ис- полнительного блока 9.

Рис.52 Принципиальная схема полупроводникового реле направления мощности

Информация о токе и напряжении контролируемого объекта через входные преобразователи подается на фильтры низких частот. При по- мощи фильтров низких частот и усилителей-ограничителей формиру- ются требуемые амплитудно-частотные характеристики каналов тока и напряжения. Сигналы, поступающие на входы детектора знака активной мощности, преобразуются при помощи перемножителя и интегратора в сигнал, пропорциональный активной мощности.

В общем случае, при возникновении повреждения на напряженческий вход реле поступает сигнал, который описывается выражением

U (t) = U 0 + U1msin(wt +y 1) + U 2msin(2wt +y 2 ) + . . . + U nmsin(nwt +y n ) ,

где U 0

U1m

- постоянная составляющая;

- амплитуда основной гармоники;

U 2m,..., +U nm

- амплитуды высших гармоник;

y 1,.. . ,y 1n - начальные фазы соответствующих гармоник.

Сигнал, поступающий на токовый вход, можно записать в следующем виде:

I (t) = I 0 + I1m sin(wt +y 1 - j1) + . . . + I nm sin(nwt +y n - j n ) ,

где

j1,...,j n

- углы сдвига между соответствующими гармониками

тока и напряжения.

Средняя мощность в цепи защищаемого объекта

T

ò

P = 1 U (t)I (t)dt =

T

T

= 1 U + U

sin(wt +y

) + . . . + U

sin(nwt +y ) ´

= T ò[

0 1m

1 nm n ]

´[I 0 + I1m sin(wt +y 1 - j1) + . . . + I nm sin(nwt +y n - j n )]dt.

После перемножения многочленов интеграл можно представить в виде суммы следующих интегралов:

1. T ò

U 0I 0dt =U 0I 0.

2. Интегралов, содержащих произведение синусоид одинаковой часто-

ты:

T

1 U I sin(kwt +y )sin(kwt +y - j )dt = U I cosj .

T ò km km k k k km km k

3. Интегралов, содержащих произведение синусоид различной частоты:

T

1 U I sin(kwt +y )sin(lwt +y - j )dt = 0 .

T ò km lm k l l

4.Интегралов вида

T

1 U I sin(kwt +y

- j )dt = 0 .

T ò 0

km k k

и

T

1 I U

sin(kwt +y

)dt = 0 .

T ò0

km k

В итоге

P = U 0I 0 + U1I1 cosj1 + U 2I 2 cosj 2 + . . . + U nI n cosj n.

Сигнал после перемножителя и интегратора пропорционален активной мощности и в зависимости от направления тока имеет положительный или отрицательный знак.

Полупроводниковые реле мощности, по сравнению с индукционными, обладают меньшей потребляемой мощностью, более чувствительны и точны, требуют меньших эксплуатационных затрат.

Расчет параметров

Расчет параметров заключается в выборе тока срабатывания, выдержки времени и оценке чувствительности.

Выбор тока срабатывания. Ток срабатывания токовых направленных защит выбирается так же, как для обычных максимальных токовых за- щит по условиям отстройки от максимальных нагрузочных режимов. При этом отстройка производится от токов, направленных от шин в ли- нию.

Выбор выдержек времени. Выбор выдержек времени производится по встречно-ступенчатому принципу, применение которого показано на Рис.53.

Рис.53 Выбор выдержек времени токовых направленных защит

Стрелками на рисунке показано направление тока, при котором сраба-

тывают пусковые органы защит. При коротком замыкании в точке K1

сработают пусковые органы защит 1, 3, 5, 6. Наиболее удаленной защи- той от источника питания в этом режиме является защита 5, поэтому принимается t5 = 0 .

Для других защит

t3 = t5 + D t;

t3 = t7 + D t

- из двух значений выбирается большее;

t1 = t3+ D t;

t1 = t8+ D t

- из двух значений выбирается большее.

При коротком замыкании в точке K 2

сработают пусковые органы за-

щит 1, 2, 4, 6. Наиболее удаленной защитой от источника питания в этом режиме является защита 2, поэтому принимается t 2 = 0 .

Для других защит

t 4 = t2+ D t;

t4 = t8 + D t

из двух значений выбирается большеe;

t6 = t4 + D t; t6 = t7 + D t - из двух значений выбирается большее.

Оценка чувствительности. Чувствительность токовых пусковых ор- ганов максимальной токовой направленной защиты оценивается по току двухфазного короткого замыкания в конце защищаемой линии и в конце резервируемых участков.

При оценке поведения защиты следует учесть возможность возникнове- ния двух режимов - режима каскадного действия и отказа защиты из-за наличия "мертвой зоны " по напряжению.

При коротком замыкании вблизи источника в кольцевой сети с одно- сторонним питанием (Рис.54) ток короткого замыкания, проходящий через защиту, установленную на противоположных шинах, может ока- заться недостаточным для ее срабатывания. В этом случае, независимо от соотношения выдержек времени, первым сработает комплект, уста- новленный вблизи источника. После отключения линии защитой 6 ток в месте установки защиты 5 увеличивается и становится достаточным для ее срабатывания. Такое действие защиты называется каскадным. Уча- сток линии, в пределах которого защита работает каскадно, называется зоной каскадного действия защиты.

Рис.54 Схема кольцевой сети

При трехфазном коротком замыкании вблизи места установки защиты напряжение, подводимое к реле направления мощности, может оказать- ся недостаточным для срабатывания реле, и защита отказывает. Участок линии, в пределах которого при трехфазных коротких замыканиях за- щита не работает, называется мертвой зоной.

3.5.3.Схемы максимальных направленных защит

Схемы максимальных направленных защит выполняются в различных вариантах, отличающихся друг от друга в основном схемой включения органа направления мощности. Под схемой включения реле направле- ния мощности понимается сочетание фаз токов и напряжений, подво- димых к реле. Схемы включения должны обеспечивать правильное оп- ределение направления мощности в условиях короткого замыкания. Наибольшее распространение получили две схемы: 30 –градусная и 90 - градусная (Рис.55). Сочетания токов и напряжений для этих схем при- ведены в Табл.3.

Рис.55 Схема максимальной токовой направленной защиты с реле мощности, включенными по 90-градусной схеме:

а) схема цепей переменного тока; б) схема цепей переменного напряжения; в) схема цепей постоянного тока

Таблица 3

30-градусная схема	90-градусная схема
Фазы тока	Фазы напряжения	Фазы тока	Фазы напряжения
IA IB IC	UAC UBA UCB	IA IB IC	UBC UCA UAB

На Рис.56 представлен алгоритм работы максимальных токовых на- правленных защит.

Рис.56 Алгоритм работы максимальных токовых направленных защит

Условие срабатывания рассматриваемой защиты

T = ((K A1 ANDKW1) OR(KA2 ANDKW2 ) OR(KA3 ANDKW3)) ANDD T1 = 1

В Ы В О Д Ы

1. Применение органа направления мощности позволяет обеспечить селективность токовых защит в кольцевых сетях с одним источником питания и в радиальных сетях с двухсторонним питанием.

2. Защита отличается простотой и надежностью.

3. К недостаткам защиты относятся:

- малое быстродействие;

- недостаточная чувствительность в нагруженных и протяженных линиях электропередач;

- наличие мертвой зоны по напряжению, что может привести к отказу при трехфазных коротких замыканиях вблизи места установки защиты

3.6. Дистанционная защита

Принцип действия