Релейная защита и автоматика

U_с.з = U_{раб.мин} /К_н К_в

где К_н –принимается равным 1.1.

Коэффициенты чувствительности определяются в тех же режимах, что и для  токовых реле, по формуле

Кч = Uс.з / Uк.мах

где Uк.мах – максимальное значение остаточного напряжения в месте установки защиты при к.з. в конце защищаемого или резервируемого участка.

Ступенчатая токовая защита.

При совместном использовании максимальной токовой защиты и токовой отсечки  обеспечивается надежная защита линии  на всем ее протяжении. Сочетание токовой  отсечки и максимальной токовой  защиты носит название токовой защиты ступенчатой характеристикой выдержки времени. Такая защита может быть двухступенчатой или трехступенчатой. В двухступенчатой защите в качестве первой ступени используется отсечка; второй ступенью является максимальная токовая защита. В трехступенчатой  защите вторая ступень представляет собой отсечку с выдержкой  времени; максимальная токовая защита образует третью ступень. Назначением  второй ступени защиты является отключение поврежденной линии при возникновении  к.з. вне зоны действия первой ступени, т.е. в конце линии, а третья ступень резервирует действие защит смежного участка сети.

Токи срабатывания первых ступеней защит выбираются как токи срабатывания отсечек

Iс.з.=Кзап Ч Iк.з.макс.

Время срабатывания первых ступеней определяется временем действия исполнительного  органа защиты – промежуточного реле.

Токи и времена срабатывания вторых ступеней защит отстраиваются  от токов и времени срабатывания первых ступеней предыдущих защит:

I²c.з.₂=КотсЧ IЃ с.з.₁

I²c.з.₃=КотсЧ IЃ с.з.₂

Т²c.з.₂=ТЃ c.з.₁ +D Т

Т²c.з.₃= ТЃ c.з.₂ +D Т

Чувствительность вторых ступеней защит определяется минимальным  током к.з. в конце защищаемой линии и считается приемлемой при Кч=1.3ё 1.5

Параметры срабатывания третьей ступени  выбираются как параметры срабатывания максимальной токовой защиты.

На рисунке изображена радиальная сеть с односторонним питанием, участки  которой (АБ, БВ) защищены трехступенчатыми токовыми защитами. Из рисунка ясно, что при к.з. на линии действует или первая ступень (к.з. в начале линии), или вторая ступень (к.з. в конце линии). Третья ступень выполняет функцию резервной защиты при повреждениях на соседних участках. Таким образом, токовая защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени является селективной и относительно быстродействующей защитой. Однако не любая радиальная линия с односторонним питанием может быть оборудована такой защитой, так как чувствительность токовых отсечек часто оказывается недостаточной.

Рис.1

Ранее была приведена карта селективности  для защит с независимыми характеристиками времени. Однако часто вторые ступени  двухступенчатых защит выполняются  в виде МТЗ с зависимой от величины тока характеристикой выдержек времени.

Рис.2

Токовая защита в целом обеспечивает селективность несрабатывания при  внешних к.з. только в сетях радиальной конфигурации с односторонним питанием. Это определяется ее последней ступенью – максимальной токовой защитой. Первые и вторые ступени принципиально могут быть выполнены селективными в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания. Существенные недостатки защиты – недостаточная в ряде случаев защитоспособность 1 и 2 ступеней (являющихся основными), зависимость длин защищаемых зон от режима работы питающей системы и вида к.з., а также иногда недостаточная чувствительность последней резервной ступени. Защита, несмотря на отмеченные недостатки, широко используется в распределительных сетях Uном< 35кВ радиальной конфигурации с односторонним питанием для действия при всех многофазных к.з.

Направленная токовая  защита.

В распределительных сетях с  двусторонним питанием, а также в  смежных сетях с одним и  несколькими источниками питания  селективность действия МТЗ не обеспечивается. При коротком замыкании в любой  точке сети (см.рисунок), в том числе и в точке К1, в общем случае приходят в действие все защиты. При этом для селективного отключения поврежденного участка АБ, необходимо чтобы выдержка времени защиты A3 и защиты А4, т.е. Т2< Т3 и Т2<Т4. Наряду с этим для селективного действия зашиты при КЗ в точке К2 должно выполнятся условие Т3<Т2 и Т3<Т1. Из этого следует, что к защитам А2 и А3 предъявляются противоречивые требования, поэтому в таких сетях МТЗ не может быть селективной и применение ее невозможно.

Рис.1

Селективное отключение повреждения  в рассматриваемых сетях обеспечивается токовой направленной защитой, обладающей достаточной чувствительностью  и быстродействием. В отличие  от токовой защиты она 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 напряжения мощности при коротких замыканиях. Селективность действия защит А2 и А3 обеспечивается контролем направления мощности КЗ. Защита приходит в действие при соблюдении двух условий: ток превышает заданное значение (ток срабатывания); знак мощности КЗ соответствует КЗ в защищаемом направлении.

Кроме измерительного органа тока и  органа направления мощности защита, как правило, имеет орган выдержки времени. Выдержка времени вводится для обеспечения селективности зашиты. Наличие органа направления мощности в схемах защит А2 и А3 дает возможность не согласовывать между собой их выдержки времени. Для этого орган направления мощности разрешает действие зашиты при направлении мощности короткого замыкания от шин в линию. При коротком замыкании в точке К1 направления мощности тока КЗ от шин в линию будет для защит А2 и А4, в связи с чем приходят в действие только эти защиты.

Рис.2.

Поэтому для селективного отключения поврежденного участка необходимо Т2<Т4. При коротком замыкании в точке К2 распределение токов будет следующее

Рис.3.

и для селективной работы защит  необходимо согласовать между собой  выдержки времени защит А1 и А3, а именно Т1 > Т3.

Благодаря органам направления  мощности все защиты разбиваются  на две группы, не связанные между  собой выдержками времени. В пределах каждой группы выдержки времени выбираются, как у максимальной токовой защиты, по ступенчатому принципу: Тn = Тn-1+ dТ . В соответствии с этим на рисунке построены характеристики выдержки времени максимальных токовых направленных защит с независимой выдержкой времени в радиальной сети с двухсторонним питанием. Стрелками указано направление мощности, при котором органы направления разрешают эащитам срабатывать. С учетом этого защиты разбиты на две группы: А2, А4, А6 и А5, А3, А1.

Рис.4.

Максимальную выдержку времени  имеют защиты А2 и А5. Они отстраиваются по времени от защит других присоединений подстанций А и Г. В каждой группе защит время срабатывания увеличивается по мере приближения к источникам питания. Принято считать, что выдержки времени максимальных токовых направленных защит определяются по встречно-ступенчатому принципу. Селективность действия направленных МТЗ обеспечивается органами направления мощности и органами выдержки времени. Селективность не нарушается, если некоторые защиты выполнить без органа направления мощности. Действительно, нет необходимости снабжать органом направления мощности защиту A3, т.к. в рассматриваемом случае она отстроена от защиты А2 по времени. По той же причине без органа направления мощности можно выполнить защиты А4, А1 и А6 (Т4>Т5; Т1>Та ; Т6 > Тг ).

В общем случае при наличии на подстанции нескольких присоединений  защита, имеющая наибольшую выдержку времени, может не иметь органа направления  мощности, т.к. селективность ее действия при КЗ на других присоединениях обеспечивается выдержкой времени. При повреждении в точке К и отказе защиты А4 защита А6 должна почувствовать это повреждение и отключить линию в качестве резервной.

Дистанционная защита.

B схемах электроснабжения, в зависимости от режима работы и вида короткого замыкания, изменяются токи повреждения. Поэтому чувствительность токовых и токовых направленных защит, зоны действия отсечек не остаются постоянными. В минимальном режиме работы системы электроснабжения они могут оказаться недостаточными. В зависимости от режима работы сети (минимальный или максимальный) изменяется ток короткого замыкания (меньше или больше), а следовательно и чувствительность защиты.

В сложных сетях МТЗ не всегда удовлетворяет требованиям селективности  и быстродействия.

Рис.1.

Так в сети, показанной на рисунке, при КЗ в точке К1 приходят в действие направленные защиты А1 и А2 поврежденной линии W1 и защита АЗ неповрежденной линии W2. Защита А4 в действие не приходит, т.к. ток КЗ, проходящий по линии W2 направлен к шинам подстанции Б. В рассматриваемом случае для селективного отключения только поврежденной линии W1 необходимо, чтобы защита А2 имела выдержку времени меньше, чем защита A3, т.е.  Т2 < ТЗ.

 

При КЗ в точке К2 линии W2

Рис.2.

приходят в действие защиты A3 и  А4 поврежденной линии W2. Возникает противоположное требование, чтобы защита A3 имела выдержку времени меньше, чем защита А2,т.е.  ТЗ < Т2.

Рис.3.

Селективность действия между защитами А1 и АЗ (А2 и А4) удается достигнуть применением органов направления мощности. Для защит же А2 и A3 (А1и А4) выполнить, приведенные в рубрике 4, несовместимые требования с помощью максимальной направленной защиты не представляется возможным. Для защиты сетей со сложной схемой и несколькими источниками питания используются: более сложная дистанционная защита не имеющая указанных недостатков. Дистанционной называется защита, выдержка времени которой автоматически изменяется в зависимости от удаленности места КЗ, от места установки защиты. Определение удаления до места КЗ производится дистанционной защитой путем измерения сопротивления, которое определяется сравнением значения остаточного напряжения на шинах, где установлена защита, и значения тока КЗ, проходящего по защищаемой линии.

C увеличением расстояния до  места КЗ выдержка времени дистанционных защит увеличивается. При КЗ в некоторой точке по защищаемой линии проходит к месту КЗ ток Iк., напряжение на шинах будет равно падению напряжения в сопротивлении участка линии zк от шин до точки K3: Uш =Iк x zк.

Отношение вторичного напряжения на шинах к току, проходящему по защищаемой линии, равно сопротивлению участка  линии до места КЗ:

Uш/Iк = (Iк x zk)/Iк = Zк

Сопротивление линии или ее участка  можно выразить через удельное сопротивление  на 1км Zуд. И расстояние до места КЗ zk == Zуд.* lk, следовательно, отношение остаточного напряжения на шинах к току КЗ, проходящему по защищаемой линии

Uш/Iк = Zуд. * lk

пропорционально расстоянию (дистанции) lk от места установки защиты до места КЗ.

Выдержка времени дистанционной  защиты не зависит от режима работы сети, а определяется только удельным сопротивлением линии и расстоянием  от точки КЗ до места установки защиты.

В состав дистанционных защит входит пусковой орган, представляющий собой  реле сопротивления, орган направления  мощности и орган выдержки времени.

Как и у токовых защит, характеристики дистанционных защит формируются  по ступенчатому принципу. Срабатывание пускового органа дистанционной  защиты определяется отношением

Uш/Iк Ј Zc.з.

где Zc.з. - сопротивление срабатывания защиты.

Сопротивление срабатывания и зону действия первых ступеней защит обычно выбирают равными

z¹с.з. = 0,85 х Zл; L¹ = 0,85 х Lл,

где Zл -сопротивление фазы защищаемой линии; Lл- длина защищаемой линии.

Время действия первых ступеней защит  выбирается минимально возможным,

т.е. отстраивается только от времени  действия разрядников, установленных  на линии,

Т¹с.з. = 0,08 -0,1 с.

Охват первой ступенью защиты всей линии  невозможен из-за неточности задания  сопротивлений линий, неточности работы измерительных органов и других погрешностей.

Выбор сопротивления срабатывания позволяет не согласовывать по времени  первые ступени защиты линий и  принимать минимальные времена  срабатывания. Однако это возможно благодаря тому, что обеспечена селективность  действия защит указанным выбором  сопротивления срабатывания.

Выбором сопротивления срабатывания первой ступени дистанционной защиты таким образом, что она защищает 85% длинны линии, мы обеспечиваем селективную ее работу при любых выдержках времени.

Если на линии имеется ответвление  для питания трансформатора без  выключателя на стороне высшего  напряжения,

Рис.4.

то, например, для защиты Аl к условию

z¹ с.з. < 0,85 * Zл

добавится еще одно условие 

Z с.з. < 0,85 *(Zотп.+ zt ),

где Zотп.- сопротивление участка линии от места установки защиты до точки отпайки, ZT-сопротивление трансформатора.