ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЛЭП
Лекция 13
ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЛЭП
На элементах системы электроснабжения (генераторах, трансфор маторах, линиях электропередачи и электродвигателях) нашли применение токовые, токовые направленные, дистанционные, дифференциальные защиты, а также максимальные и минимальные защиты напряжения, воздействующими величинами которых могут быть полные фазные токи и напряжения или их симметричные составляющие. На элементах также имеются устройства автоматики, которые тесно связаны с релейной защитой. Они дополняют друг друга, взаимно влияют на выбор параметров, имеют об щие цепи. Это особенно характерно для релейной защиты и уст ройств АПВ и АВР.
Особенности защит и автоматики целесообразно начинать рассматривать при менительно к линиям электропередачи, т.к. на этом элементе в зависимости от схемы электроснабжения, режима ней трали и номинального напряжения могут быть использованы любые виды защит и устройств ав томатики (УАПВ, УАВР, УАЧР). Это позволяет наиболее широко описать принципы функционирования устройств релейной защиты и автоматики, методы выбора их параметров, а также выявить основ ные требования, предъявляемые к этим устройствам.
ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ
Общие сведения. В общем случае токовые за щиты имеют три ступени, обладают относительной селективностью и могут осуществлять ближнее и дальнее резервирование. Первую ступень защиты называют токовой отсечкой без выдерж ки времени, она является быстродействующей и имеет только измерительный орган. Вторая (токовая отсечка с выдержкой времени) и третья (максимальная токо вая защита) ступени содержат два органа: измерительный и выдержки време ни. Вторая ступень может выполняться только с независимой от тока выдержкой вре мени, а третья как с независимой, так и с зависимой. В качестве примера рассмотрим однофазную принципиальную совме щенную схему аппаратной максимальной токовой защиты на оперативном постоянном токе, приведенную на рис.1.
Рис.1. Схема максимальной токовой защиты на постоянном оперативном токе
В измерительную часть схемы входят трансформатор тока TA и реле тока KA. Реле тока KA реагирует на повреждения, нарушения нормального режима работы и вводят в действие орган выдержки времени, если он имеется. Они могут включаться как на полные фазные токи, так и на их симмет ричные составляющие. В ряде случаев для повышения чувствительности защиты ино гда используют комбинированный измерительный орган, в котором на ряду с реле тока имеется реле напряжения KV. Наряду с этим в одном реле тока могут быть объединены оба органа за щиты.
В логическую часть схемы входят реле времени KT, промежуточное реле KL и указательное реле KH. Реле времени КТ создает определенную выдержку времени. Промежуточное реле KL облегчает работу контактов основных органов защиты и, вводя некоторое замед ление, предотвращает действие токовой отсечки без выдержки времени при работе трубчатых разрядников. Указательное реле KH позволяет кон тролировать срабатывание защиты, т.е. подает сигнал при срабатывании. Защита действует на электромагнит отключения YАТ привода выключателя Q. Коммутационной способности контакта реле КL недоста точно для размыкания цепи электромагнита отключения YAT, поэтому цепь последовательно с KL включают вспомогательный контакт выключателя Q, способный коммутировать ток электромагнита отключения.
Первая ступень токовой защиты от междуфазных коротких замыканий – токовая отсечка без выдержки времени. Токовая отсечкой без выдержки времени обладает абсолютной селективностью. Это достигается тем, что ток её срабатывания принимается большим максимального тока внешнего короткого замыкания, проходящего через защиту при повреждении вне защищаемого элемента. Действие защиты при коротком замыкании на защищаемом участке обеспечивается за счет того, что ток КЗ в сети, а следовательно, и в защите увеличивается по мере приближения места короткого замыка ния к источнику питания (см. рис.1). При этом кривые изменения тока КЗ имеют различную крутизну в зависимости от ре жима работы системы и вида КЗ (кривые 1 и 2 на рис.1.а, для максимального и минимального режимов соответст венно).
Рис. 1. Выбор тока срабатывания и определение длины защищаемой зоны токовой отсечки без выдержки времени:
а) неполная защиты всей длины участка радиальной линии;
б) полная защиты всей длины участка радиальной линии
Выбор тока срабатывания токовой отсечки радиальной линии. Рассмотрим схему, представленную на рис.1.а. При включении реле на полные фазные токи расчетным при выборе тока срабатывания защиты А1 обычно является трехфазное ко роткое замыкание у шин подстанции Б в точке K в максимальном режи ме. При этом ток срабатывания защиты равен
(1)
Ток срабатывания реле определяется по формуле
(2)
где коэффициент отстройки, учитывающий влияние апериодической составляющей тока КЗ; коэффициент схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле при трехфазном КЗ; начальное (t=0) действующее значение периодической составляющей трехфазного тока внешнего короткого замыкания; коэффициент трансформации трансформатора тока.
В данной формуле не учитывается коэффициент возврата , т.к. защита срабатывает без выдержки времени. Ток срабатывания защиты не зависит от режима работы и места повреждения. Отсечка сработает, когда ток, проходящий по за щищаемой линии АБ больше или равен току срабатыва ния защиты, т. е. . Это условие выполняется при коротком замы кании в пределах участка в максимальном режиме или участка в ми нимальном режиме защищаемой линии. Участки и являются зонами, защищаемыми от сечкой. Они определяются точками пересечения кривых изменения то ка КЗ 1 и 2 с прямой 3, изображающей ток . В рассмотренном случае отсечка защищает не всю линию, а только некоторую ее часть. Защищаемая зона тем больше, чем меньше ток срабатывания и чем больше крутизна кривой изменения тока КЗ, кото рая определяется режимом работы и видом короткого замыкания. В зависимости от режима работы и вида короткого замыкания за щищаемая зона отсечки изменяется, что является её недостатком. Чувствительность защиты зависит от длины защищаемой зоны и коэффициента чувствительности . При КЗ у места установки защиты в минимальном режиме . Если отсечка выполняет функции дополнительной защиты, то ее должен быть около 1,2.
Длину защищаемых зон можно определить по аналитическим вы ражениям:
при трехфазном КЗ (3)
при двухфазном КЗ (4)
где сопротивление прямой последовательности системы; погонное сопротивление прямой последовательности защищаемой ли нии. Выражение получено с учетом того, что сопротивления прямой и обратной последовательности приняты одинаковыми. Для увеличения защищаемой зоны и повышения чувствительности защиты коэффициент отстройки выбирается возможно меньшим.
В некоторых ча стных случаях, например, на радиальных линиях, питающих один трансформатор (рис.1.б), с помощью токовой отсечки можно выполнить защиту всей линии, если допустить ее срабатывание при повреждении в трансформаторе, что в данном случае это является целесообразным. Ток срабатывания защиты выбирается по максимальному току короткого замыкания за трансформатором в К2 , а коэффициент чув ствительности проверяется по току при повреждении в точке К1 в минимальном режиме работы системы электроснабжения. При этом ко эффициент чувствительности должен быть .
Условие, при котором выполняется это соотношение можно вывести следующим образом. Представим токи КЗ и ток срабатывания отсечки как
(5)
(6)
С учетом этого
(7)
где сопротивление системы в максимальном и минималь ном режимах; сопротивление линии; минимальное сопро тивление трансформатора.
Из этого выражения при и можно найти соотно шение между и , при котором отсечка, отстроенная от тока ,. защищает всю линию
(8)
Если линия подключена к шинам системы бесконечной мощности (), допустимая длина линии будет максимальной, ее сопротивление
Выбор тока срабатывания токовой отсечки магистральной линии. В магистральной линии (рис.2), обеспечи вающей питание нескольких трансформаторов, токовую отсечку следует отстроить не только от тока при КЗ в точке , но и от наибольшего тока, проходящего через защиту при трех фазных КЗ на шинах низшего напряжения трансформаторов T1, T2, T3 в точках .
Рис.2. Защита магистральной линии с односторонним питанием
токовой отсечки без выдержки времени
В выражение (2) вместо вво дится этот максимальный ток, а потом из этих двух полученных значений тока сра батывания выбирается наибольшее. Затем необходимо прове ряется надежность отстройки токовой отсечки от бросков тока намагни чивания всех трансформаторов, подключенных к защищаемой линии. В случае наличия трансформаторов на смежной линии БВ или подключен ных к шинам подстанции Б не обходимо также учесть их броски токов намагничивания. Суммарный бросок тока намагничивания равен
(9)
где для токовой отсечки с реле РТ-80, РТМ, для токо вой отсечки с реле РТ-40. В том случае, когда больше принятого тока срабатывания отсечки , то следует принять
Выбор тока срабатывания токовой отсечки с учетом обеспечения устой чивой работы синхронных электродвигателей. При наличии в системе элек троснабжения синхронных электродвигателей появляются дополнитель ные требования к устройствам релейной защиты системы электроснабже ния. Все короткие замыкания в СЭС, сопровождающиеся опасными для устойчивости синхронных электродви гателей понижениями напряжения, должны отключаться быстродейст вующими защитами.
Рис.3. К выбору тока срабатывания токовой отсечки линии Л3 с учетом устойчивой работы синхронных электродвигателей:
а) схема системы электроснабжения;
б) схема замещения для линии Л3;
в) схема замещения
Для радиальной линии ЛЗ схемы электроснабжения, представленной на рис. 3.а, такой защитой обычно яв ляется токовая отсечка без выдержки времени. При этом ток срабатывания отсечки (реле) выбирается по выраже нию (2). Особенностью рассматриваемой СЭС является наличие синхронных двигателей. Поэтому при выборе тока срабатывания отсечки следует учитывать возможность асинхронного режима синхрон ных электродвигателей М1, М2 в случае КЗ на линии Л3. Ток срабатывания отсечки необходимо выбрать так, чтобы она отключала линию, если остаточное напряжение на шинах подстанции В снижается до опасного значения для устойчивости работы электродвигателей . Расчетным током является ток трехфазного короткого замыкания на линии в мини мальном режиме работы СЭС.
По мере приближения точки КЗ к шинам оста точное напряжение снижается, что отражено на рис.3.б. При повреждении в точке оно достигает значения . В связи с этим все КЗ между шинами под станции В и точкой должны отключаться токовой отсечкой, т.е. . С учетом схемы замещения, изображенной на рис.3.в, можно записать выражение для тока трехфазного КЗ в точке
(10)
Для предотвращения асин хронного режима синхронного электродвигателя при КЗ на линии ЛЗ ток срабатывания ее токовой отсечки должен удовлетворять условию
(11)
где , а напряжение для приближенных расчетов можно принять равным .
Однако ток может оказаться меньше тока, полученного по выражению (2) и токовая отсечка станет неселективной, т.е. будет отключать ли нию ЛЗ и при внешних КЗ, например в точках К2, К3, К4. Для устранения неселективного действия токовой отсечки на линии ЛЗ не обходимо установить устройство АПВ. Действие АПВ будет успеш ным, если внешние КЗ будут отключаться быстродействующими защитами поврежденных элементов (трансформаторов T2, ТЗ и линии Л4) несколько раньше или по крайней мере одновременно с действи ем неселективной отсечки линии ЛЗ. При этом неселективная отсечка линии ЛЗ не долж на срабатывать при КЗ за трансформаторами T2 и ТЗ, а также при повторном включении линии, когда по ней проходит ток, обусловлен ный бросками тока намагничивания всех трансформаторов, получающих питание от этой линии, т.е. Т2 и ТЗ.
Рекомендуется выполнять неселективную отсечку с помощью реле РТ-40, а для создания некоторого замедления использовать выход ное промежуточное реле. Использование реле РТМ нежелательно из-за его быстродействия.
Выбор тока срабатывания токовой отсечки линии с двусторонним пи танием. Токовые отсечки находят применение на линиях с двусторонним питанием. В качестве примера рассмотрим схему, изображенную на рис.4.а. Токовые отсечки А1 и А2 устанавливаются с обеих сторон защищае мой линии. На рис.4.б представлены кривые 1 и 2, характеризующие изменение максимальных токов соответственно от источ ников А и Б при перемещении короткого замыкания вдоль защищаемой линии. Токи срабатывания отсечек выбирается так, чтобы они не действовали при внешних коротких замыканиях в точках КА и КБ защиты.
При повреждении в точке КБ по защищаемой линии и через места установки защит от источника А проходит максимальный ток . При повреждении в точке КА по защи щаемой линии и через места установки защит от источника Б проходит максимальный ток .
Рис.4. Выбор тока срабатывания токовой отсечки на линии с двусторонним питанием:
а) линия с двусторонним питанием;
б) изменение максимальных токов от подстанций А и Б при перемещении точки КЗ;
в) схема замещения линии с двусторонним питанием
В обоих случаях защиты А1, А2 обеих сторон линии не должны срабатывать, что можно представить в виде условий
(12)
(13)
Из двух значений выбирается больший ток срабатывания, что является первым условием. В данном случае это ток , поэтому первое условие тока срабатывания имеет вид
(14)
На практике возможны случаи качаний генераторов источника А относительно генераторов источника Б и выхода их из синхронизма. В результате этого по линии АБ могут проходить большие уравнительные токи , при которых отсечки не должны действовать. Поэтому второе условие выбора тока срабатывания от сечек на линиях с двусторонним питанием
(15)
Определяющим из двух описанных является то условие, которое дает большее значение тока срабатывания. Перейдем к рассмотрению схемы замещения, представленной на рис.4.в. Максимальный уравнительный ток возникает, когда векторы экви валентных ЭДС ЕА и ЕБ соответственно источников А и Б смещены на угол (1800). При равенстве уравнительный ток можно опреде лить по выражению
(16)
Защищаемые зоны отсечек и определяются абсциссами точек пересечения кривых 1 и 2 с прямой 3, соответствующей току срабатыва ния отсечек. В рассматриваемом случае защищаемые зоны перекрывают одна другую (см. рис.4.б). При этом и повреждения в сред ней части линии на длине отключаются отсечками с двух сторон. При коротких замыканиях на линии вне этой зоны срабатывает только отсечка А1 или только отсечка А2. С противоположной стороны линия отключается другой защитой.
В некоторых случаях при наличии дополнительной линии связи ме жду источниками А и Б отключение защищаемой линии только отсеч кой А1 или А2 может привести к увеличению тока, проходящего по ли нии. При этом отсечка может отключить линию с другой стороны. Та кое поочередное действие защит называется каскадным.
Вторая ступень токовой защиты от междуфазных коротких замыканий токовая отсечка с выдержкой времени. Токовой отсечки без выдержки времени защищает только часть линии, что является её главным недостатком. Участок в конце линии за пределами зоны остается незащищенным (см. рис.4). На рис.5 представлена схема сети с двумя последовательно соединенными участками АБ и БВ, для защиты которых установлены токовые отсечки без выдержки време ни и с токами срабатывания и , выбранные в соот ветствии с формулой (2). Длины зон, защищаемых отсечками, обозначены как . Участки и в конце ли ний за пределами зон остаются незащищенными. Это вызывает необходимость иметь вторую ступень токовой защиты, которая вме сте с первой ступенью должна обеспечить защиту всей линии и шины приемной подстанции.
Выбор параметров второй ступени рассмотрим на примере защиты участка линии АВ. Вторая ступень является относительно селективной, поэтому в ее действие необходимо ввести выдержку времени. Чтобы исключить излишние срабатывания защиты при коротких замыканиях в зоне токовой отсечки линии БВ выдержку времени следует выбрать больше чем время срабатывания этой отсечки на некоторое время , называемое ступенью селективности. Таким образом, должно выполняться условие .
Рис.5. Защищаемые зоны и время действия токовой защиты
со ступенчатой характеристикой выдержки времени
Ступень селективности учитывает время отключения выключателя Q2, погрешности во время действия защиты и за щиты , а также некоторое время запаса . С учетом этого ступень селективности можно описать формулой
(17)
При проведении расчетов принимают , поэтому выдержка времени второй ступени , как правило, не превышает 0,5 с. Для обеспечения селективности действия при повреждении за пре делами зоны (участок ) отсечки линии необходимо, чтобы ток срабатывания второй ступени был больше максимального тока КЗ, протекающего по линии АБ в случае повреждения в конце защищаемой зоны отсечки линии БВ. Как следует из рис. 5 этот ток равен току сра батывания токовой отсечки линии БВ. В связи с этим обеспечения селективности можно добиться при выполнении равенства
(18)
где .
При таком выборе тока срабатывания и выдержки времени в зону действия второй ступени защиты линии АБ входит участок и шины приемной подстанции, а также она обеспечивает дальнее резервирование в случае отказа отсечки при коротких замыканиях на линии БВ вблизи шин подстанции Б, ближнее резервирование в слу чае отказа первой ступени защиты линии АБ.
В некоторых случаях, когда выдержка време ни второй ступени оказывается приемлемой, первая ступень может отсутствовать. В общем случае от шин подстанции Б отходят несколько линий и к шинам могут быть подключены понижающие трансформаторы. Поэтому вторая ступень защиты на подстанции А должна быть отстроена по времени от отсечек всех отходящих линий и от быстродействующих защит трансформаторов, а ее ток срабатывания должен быть выбран по наибольшему из токов КЗ, проходящих по линии при повреждении в конце защищаемых зон отсечек отходящих линий и при коротком замыкании на шинах низшего напряжения трансформаторов. Чувствительность второй ступени проверяется по ми нимальному току повреждения при металлическом КЗ в конце защи щаемой линии, а коэффициент чувствительности должен быть . Токовая отсечка с выдержкой времени при соответствую щем выборе ее параметров сохраняет селективность и на линиях с дву сторонним питанием.
ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЛЭП