Направленная токовая защита.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 14Следующая ⇒

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.

Кольцевые сети

В кольцевых сетях с одним источником питания выдержка времени максимальных токовых направленных защит также выбирается по встречно-ступенчатому принципу. Однако, защиты А2 и А5 установленные на приемных сторонах участков АБ и АВ можно выполнить действующими без выдержки времени.

Рис.1

Защиты А2 и А5 могут быть выполнены без выдержки времени, то для обеспечения селективности они должны быть снабжены органами направления мощности. При нормальной работе, а так же при внешних KЗ на участках кольца и других присоединениях подстанции Б и В мощность у места установки зашит A2 и А5 всегда направлена от линий к шинам, поэтому их органы направления мощности препятствуют срабатыванию. Защиты так же не срабатывают при повреждениях вне кольца на других присоединениях подстанции А, т. к. ток повреждения при этом по кольцу не проходит.

Только при КЗ на защищаемых линиях АБ и АВ органы направления мощности зашит А2 и А5 срабатывают и защиты могут действовать на отключение. Это дает возможность выполнить их действующими без выдержки времени и принципиально отказаться от измерительных органов тока. При коротком замыкании на головном участке АБ вблизи шин подстанции А (точка К) ток КЗ в точку повреждения, в основном, приходит через защиту А1 (ток I'к ). Только небольшая доля тока КЗ, равная I" к, замыкается по кольцу.

Рис.2.

При приближении точки повреждения К к шинам А ток I" к уменьшается и при некотором расстоянии между точкой К и подстанцией А становится меньше тока, необходимого для срабатывания защиты А2. Защита А2 срабатывает только после отключения защитой А1 своего выключателя, когда весь ток повреждения проходит по кольцу. Таким образом, при возникновении КЗ в пределах некоторой зоны защита А2 будет действовать только после срабатывания защиты А1 независимо от соотношения их выдержки времени. Такое поочередное действие защит называется каскадным, а указанная зона - зоной каскадного действия.

Увеличение чувствительности защиты сокращает зону ее каскадного действия. При каскадном действии защит время отключения поврежденного участка увеличивается. Кроме того, может происходить неправильная работа защит А4 и А6, если их токи срабатывания окажутся меньше I" к. Поэтому желательно сокращение зоны каскадного действия.

Ток срабатывания максимальной токовой направленной защиты, как и обычной МТЗ, должен удовлетворять условию

Iс.з. > (Кзап х Ксзп/Кв ) х Iраб.макс.

Однако, в отличии от ненаправленной МТЗ, при определении максимального рабочего тока Iраб.макс. можно учитывать только максимальный режим, соответствующий направлению мощности от шин в линию. При этом может оказаться, что в режиме передачи мощности к шинам измерительный орган тока срабатывает, однако защита в целом не подействует из-за органа направления мощности.

Чувствительность токового органа направленной МТЗ тем выше, чем выше коэффициент его возврата. Кроме того, для срабатывания органа направления мощности необходимо, чтобы подводимое к нему напряжение было не меньше чем Uc.p.min. При близких металлических трехфазных КЗ подводимое напряжение может оказаться меньше указанного и защита работать не будет. Участок линии, КЗ на котором приводит к отказу работы органа направления мощности, называется мертвой зоной защиты. Для уменьшения мертвой зоны необходимо снижать напряжение срабатывания органа направления мощности.

Каскадное действие направленных защит связано с недостаточной чувствительностью (завышенным током срабатывания) токового органа.

Токовые направленные зашиты, как и ненаправленные, выполняются обычно с несколькими ступенями. В качестве резервных (третьих) ступеней направленных защит применяются рассмотренные ранее максимальные направленные токовые защиты. Первые и вторые ступени представляют собой токовые отсечки без выдержки и с выдержкой времени дополненные органом направления мощности.

Селективность токовых отсечек обеспечивается выбором тока срабатывания.

Рис.3.

Если бы обе отсечки были ненаправленными, то они имели бы одинаковые значения токов срабатывания Iс.з., определяемые отстройкой от наибольшего из двух значений токов внешних КЗ:

Iк, вн.макс., А1 и

Iк, вн.макс., А2.

B результате отсечки со стороны А защищала бы длину Lотс.A1 линии, а отсечка со стороны Б почти не имела бы защищаемой зоны Lотс.А2, поскольку ее ток срабатывания в рассматриваемом случае превышает реально возможные значения тока КЗ, протекающего через место установки защиты А2.

При КЗ в точке К1 срабатывает отсечка А1, а при КЗ в точке К2 ни одна из отсечек работать не будет.

Рис.4.

В рассматриваемом случае Iк, вн.мах, А1 > 1к, вн, мах, А2, поэтому выполнение отсечки А2 направленной позволяет, при выборе ее тока срабатывания Iс.з, А2 отстраивать ее только от Iк, вн, мах, А2. Видно, что при этом зона защиты существенно расширяется. Выполнение направленной отсечки А1 нецелесообразно, поскольку ее ток срабатывания от этого не изменяется (отстройка по прежнему будет производится от Iк, вн, мах, Al). Кроме того, отсечку целесообразно иметь ненаправленной, поскольку она не имеет мертвой зоны.

Ток срабатывания отсечки с выдержкой времени отстраивается от тока срабатывания отсечки без выдержки времени предыдущей линии. Выдержка времени отсечек позволяет существенно повысить их чувствительность. Направленные отсечки, так же как и направленные МТЗ, разбираются органами направления мощности на две группы. Согласование защит производится только внутри каждой группы.

Рис.5.

Расчет ступеней защит A1 и A3 производят независимо от защит А2 и А4 (и наоборот), при этом расчет защит в группе полностью совпадает с расчетом обычных ступенчатых токовых зашит.

Рис.6.

В приведенной сети с двумя источниками питания встречно-ступенчатый принцип не обеспечивает селективного действия зашиты. Это трудно осуществить и в кольцевой сети с одним источником питания, если имеются диагональные связи, не проходящие через шины источника питания (штриховая линия на рисунке).

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.

ПриКЗ 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.

Из двух этих условий выбирается наименьшее.

Если имеется выключатель на стороне высшего напряжения ответвления, то дистанционные органы первых ступеней защит А1 и А2 не должны срабатывать при КЗ в месте подключения отпайки. Например, для защиты Al

Z¹с.з. < 0, 85 * Zoтп.

Сопротивление срабатывания вторых ступеней защит определяется из условия их несрабатывания при КЗ в конце первой зоны защиты смежной линии, а так же при повреждениях за трансформаторами. Например, для защиты А1

Z²с.з. Ј 0, 85 х (Zл +Zс.з.п.);

Z²с.з. Ј 0, 85 х (Zл+Zт),

где Zс.з.п. - сопротивление срабатывания первой ступени защиты A3 предыдущей (смежной) линии, zт -сопротивление трансформатора приемной подстанции Т.

Рис.5.

Зоны действия вторых ступеней защит, как правило, охватывает всю защищаемую и часть смежной линии. Таким образом, вторая ступень дистанционной защиты линии выполняет функции основной защиты при КЗ в конце линии и на шинах противоположной подстанции. Чувствительность защиты считается приемлемой, если Zс.з. > l, 25Zл. При КЗ в зоне первой ступени предыдущего участка вторая ступень выполняет функции резервной защиты. Выдержка времени второй ступени отстраивается от времени срабатывания первой ступени защиты предыдущего участка сети

Т²с.з.А1= T¹с.з.А3+D Т.

Большее сопротивление срабатывания соответствует большей длине зоны защиты, а следовательно, и большей чувствительности. В случае наличия дополнительных источников подпитки места КЗ, например генераторов (или синхронных двигателей), на подстанции Б (см.рисунок) при определении Z с.з.А1 необходимо учитывать неравенство токов в месте КЗ при КЗ на линии (Iк.з.) и в месте установки защиты А1 (Iк1).

Подпитка точки КЗ учитывается дополнительным условием

Z с.з.А1 < 0, 85 (Zл + Кзап. Х Кт х Z c.з.A3),

где Кт=I к.з/Iк1 -коэффициент токораспределения, Кзап - коэффициент запаса (меньше единицы)

Рис.6.

Увеличение сопротивления срабатывания второй ступени дистанционной защиты за счет дополнительного источника подпитки приводит к увеличению чувствительности второй ступени защиты. Сопротивление срабатывания третьей ступени защиты выбирают меньшим минимально возможных сопротивлений на зажима реле сопротивления при нагрузках в нормальном pежим работы сети.

Для зашиты с ненаправленными реле сопротивления

Z³ с. з.< Zраб.мин = Upaб.мин / Iраб.mах,

где Iраб.mах -максимальный рабочий ток;

Uраб.мин - минимально возможное напряжение при максимальном рабочем токе.

Время срабатывания защиты выбирается по ступенчатому принципу, аналогично токовым защитам.

Третья ступень дистанционной защиты предназначена для дальнего резервирования защит предыдущего участка.

Карта селективности для трехступенчатых дистанционных защит радиальной сети с двухсторонним питанием приведена на рисунке

Рис.7.

Дифференциальная защита.

Как было рассмотрено ранее, дистанционные защиты не позволяют осуществить защиту без выдержки времени всей линии. Кроме того невозможно получить приемлемые характеристики защиты по быстродействию и чувствительности линий, когда Z 0, а также сборных шин. Для устранения указанных недостатков используется продольная дифференциальная защита. Защита основана на сравнении токов в начале и в конце защищаемого элемента. С обеих сторон защищаемой линии устанавливаются трансформаторы тока (ТТ) с одинаковыми коэффициентами трансформации Кт. Вторичные обмотки ТТ соединяются между собой соединительными проводами в дифференциальную схему.

Отсюда следует, что поскольку дифференциальная защита не реагирует на КЗ на другом оборудовании, она не требует выдержки времени, т.е. является селективной по принципу действия.

Такие защиты называются защитами с абсолютной селективностью, в отличии от защит с относительной селективностью (рассмотрены ранее), где для обеспечения селективности вводится выдержка времени.

Ip=I12-I22

По данному выражению определяется ток в реле при внешнем КЗ, при внутреннем КЗ направление тока I21 поменяется на противоположное, следовательно, поменяется на противоположное направление и I22. B результате ток в реле равен сумме внутренних токов ТТ.

При КЗ в зоне защиты через реле будет протекать ток равный сумме вторичных токов ТТ и защита будет работать.

При внешних КЗ в реле КА проходит некоторый ток, называемый током небаланса. Он равен разности токов намагничивания ТТ, установленных по концам защищаемой линии

Iр=Iнб=I12-I22=I2нам-I1нам.

Ток небаланса тем больше, чем больше первичный ток КЗ, нагрузка ТТ и апериодическая составляющая тока КЗ.

Для предотвращения неправильной работы дифференциальной защиты ее ток срабатывания следует выбирать с учетом тока небаланса.

Iс.з. = Кзап. х I нб.мах

Чувствительность защиты определяется

Кч = Iк.з.min / Iс.з.

где Iк.з.min – минимальный ток КЗ в зоне действия защиты.

Считается необходимым иметь Кч ³ 2

Защита генераторов.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒