Как устроена релейная защита линий электропередач. Как устроена релейная защита линий электропередач Пусковые органы ДЗ

В настоящее время разработаны и начинают активно использоваться устройства релейной защиты на микропроцессорной основе, что позволяет ещё больше увеличить быстродействие и надёжность защит, сократить затраты на их ремонт и обслуживание.

1.2.2 Параметры трансформатора сведены в таблицу 2.

ТАБЛИЦА 1.2

ВЫБОР ТИПОВ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Релейная защита воздушной линии 110 кВ.

С1: Х 1 =Х *с * = 1,3* = 9,55 Ом
X 2 =X уд. *l* =0,4*70* =28 Ом
X 3 = X уд. *l* =0,4*45* = 18 Ом
X 4 = X уд. *l* =0,4*30* = 12 Ом
X 5 = X уд. *l* =0,4*16* = 6,4 Ом
Т 6 = * = * =34,72 Ом
Т 7 = * = * =220,4 Ом
Х 3,4 =18+12=30 Ом

Х 1-4 =9,55+14,48=24,03 Ом

Х 1-5 =24,03+6,4=30,34

3.2Расчет однофазных токов короткого замыкания на землю в точке К-2.

С1: Х 1 =Х *с * = 1,6* = 11,76 Ом
X 2 =X уд. *l* =0,8*70* =56 Ом
X 3 = X уд. *l* =0,8*45* = 36 Ом
X 4 = X уд. *l* =0,8*30* = 24 Ом
X 5 = X уд. *l* =0,8*16* = 12,8 Ом

Х 3,4 =36+24= 60 Ом

Х 2,3,4 =(60*56)/(60+56)= 28,97 Ом

Х 1-4 =11,76+28,97 Ом

Х 1-6 =18,74+12,8=31,54 Ом

Х рез.0 (к2)=31,54 Ом
3I 0(к2) = = = 2,16 кА

3.6Расчет токов короткого замыкания в точке К-4 и К-5.

Тема 8. Защита линий напряжением 110-220 кВ

Лекция 12. Защита линий напряжением 110-220 кВ

Дистанционные защиты.

3. Назначение и принцип действияд истанционных защит.

Характеристики выдержки времени дистанционных защит.

5. Принципы выполнения селективной защиты линий с помощью Дз.Структура защиты линии с использованием дистанционной защиты.

6. Устройство блокировки при качаниях (УБК)

7. Схемы включения дистанционных органов на ток и напряжение. Требования к схемам включения

8. Технические характеристики цифровых защит

9. Ускорение дистанционных защит по ВЧ каналу.

Общие сведения о защите линий напряжением 110-220 кВ

Сети напряжением 110 – 220 кВ работают в режиме с эффективно или глухозаземленной нейтралью. Поэтому любое замыкание на землю в таких сетях является КЗ с током, иногда превышающим ток трехфазного КЗ. Такое КЗ подлежит отключению с минимально возможной выдержкой времени.

Линии высокого напряжения работают с большими токами нагрузки, что требует применения защит со специальными характеристиками. На транзитных линиях, которые могут перегружаться применяются дистанционные защиты, позволяющие эффективно отстроиться от токов нагрузки. На тупиковых линиях во многих случаях можно обойтись токовыми защитами. Токовые и дистанционные защиты выполняются ступенчатыми. Количество ступеней должно быть не менее 3, в ряде случаев бывает необходимо 4 - 5 ступеней.

Согласно ПУЭ, устройства предотвращения перегрузки должны применяться в случаях, если допустимая для оборудования длительность протекания тока перегрузки составляет более 10…20 мин. Защита от перегрузки должна действовать на разгрузку оборудования, разрыв транзита, отключение нагрузки и только в последнюю очередь на отключение перегрузившегося оборудования.

Линии высокого напряжения имеют значительную длину, что усложняет поиск места повреждения. Поэтому, линии должны оснащаться устройствами, определяющими расстояние до места повреждения (ОМП). Согласно директивным материалам СНГ, средствами ОМП должны оснащаться линии длиной 20 км и более. Защиты линий на цифровых реле позволяют одновременно выполнять функцию ОМП.

Задержка в отключении КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы электростанций. Вследствие длительной посадки напряжения может остановиться оборудование электростанций и нарушиться технологический процесс производства электроэнергии, могут произойти дополнительные повреждения линии, на которой возникло КЗ. Поэтому, на таких линиях применяются защиты, которые отключают КЗ в любой точке без выдержки времени. К таким защитам относятся дифференциальные защиты, установленные по концам линии и связанные высокочастотным, проводниковым или оптическим каналом связи или обычные защиты, ускоряемые при получении разрешающего или снятии блокирующего сигнала с противоположной стороны.

Все требуемые защиты выполняются на базе одного цифрового устройства. Однако, выход со строя этого одного устройства оставляет оборудование без защиты, что недопустимо. Поэтому защиты линий высокого напряжения целесообразно выполнять из двух комплектов: основного и резервного. Резервный комплект может быть упрощен по сравнению с основным: не иметь АПВ, ОМП, иметь меньшее количество ступеней и т.д. Резервный комплект должен питаться от другого автомата оперативного тока, других комплектов трансформаторов тока и трансформаторов напряжения и действовать на отдельный соленоид отключения выключателя.

Устройства защиты высоковольтных линий должны учитывать возможность отказа выключателя и поэтому должны иметь УРОВ.

Для анализа аварии и работы релейной защиты и автоматики требуется регистрация сигналов при аварийных событиях.

Таким образом, для высоковольтных линий комплекты защиты и автоматики должны выполнять следующие функции:

Защиту от междуфазных КЗ и коротких замыканий на землю.

Трехфазное или пофазное АПВ.

Защиту от перегрузки.

Определение места повреждения.

Осциллографирование токов и напряжений при возникновении КЗ, а также регистрацию дискретных сигналов защиты и автоматики.

Устройства защиты должны резервироваться или дублироваться.

Для линий, имеющих выключатели с пофазным управлением, необходимо иметь защиту от неполнофазного режима, так как длительный неполнофазный режим в сетях напряжением 110 – 220 кВ не допускается.

Дистанционные защиты (Дз)

Назначение и принцип действия. Дистанционные защиты - это сложные направленные или ненаправленные защиты с относительной селективностью, выполненные с использованием минимальных реле сопротивления.

Дз реагируют на величину сопротивления линии до места КЗ, которое пропорционально расстоянию, т.е. дистанции. Отсюда и происходит название дистанционной защиты. Для работы дистанционной защиты необходимо наличие цепей тока от ТТ присоединения и цепей напряжения от ТН.

Рис. 12.1. Кольцевая сеть с двумя источниками питания. О – максимальная токовая направленная защита; ∆ – дистанционная защита

Дистанционная защита (ДЗ) в электрических сетях класса напряжения 110 кВ выполняет функцию резервной защиты высоковольтных линий, она резервирует дифференциально-фазную защиту линии, которая применяется в качестве основной защиты в электрических сетях 110 кВ. ДЗ выполняет защиту ВЛ от междуфазных коротких замыканий. Рассмотрим принцип работы и устройства, которые осуществляют работу дистанционной защиты в электрических сетях 110 кВ.

Принцип работы дистанционной защиты основан на вычислении расстояния, дистанции до места повреждения. Для вычисления расстояния до места повреждения высоковольтной линии электропередач устройства, выполняющие функции дистанционной защиты, используют значения тока нагрузки и напряжения защищаемой линии. То есть для работы данной защиты используются цепи и 110 кВ.

Устройства дистанционной защиты подстраиваются под конкретную линию электропередач, участок энергосистемы таким образом, чтобы обеспечить их ступенчатую защиту.

Например, дистанционная защита одной из линий электропередач имеет три ступени защиты. Первая ступень охватывает практически всю линию, со стороны подстанции, на которой установлена защита, вторая ступень охватывает оставшийся участок линии до смежной подстанции и небольшой участок электрической сети, отходящий от смежной подстанции, третья ступень защищает более дальние участки. В данном случае вторая и третья ступени дистанционной защиты резервируют защиту, расположенную на смежной или более дальней подстанции. Для примера рассмотрим следующую ситуацию.

Воздушная линия 110 кВ соединяет две смежные подстанции А и Б, на обеих подстанциях установлены комплекты дистанционной защиты. При наличии повреждения в начале линии со стороны подстанции А, сработает комплект защиты, установленный на данной подстанции, при этом защита на подстанции Б будет резервировать защиту на подстанции А. В данной случае для защиты А повреждение будет находиться в пределах работы первой ступени, для защиты Б в пределах второй ступени.

Исходя из того, что что чем выше ступень, тем выше время срабатывания защиты, следует, что комплект А сработает быстрее, чем комплект защиты Б. При этом в случае отказа комплекта защиты А через время, заданное на срабатывание второй ступени защиты, сработает комплект Б.

В зависимости от протяженности линии и конфигурации участка энергосистемы для надежной защиты линии подбирается нужное количество ступеней и соответствующая им зона действия.

Как и упоминалось выше, на каждую из ступеней защиты устанавливается свое время срабатывания. В данном случае, чем дальше от подстанции будет повреждение, тем выше уставка времени срабатывания защиты. Таким образом, обеспечивается селективность работы защит на смежных подстанциях.

Существует такое понятие, как ускорение защиты. Если выключатель линии отключился действием дистанционной защиты, то, как правило, одна из ее ступеней ускоряется (сокращается время ее срабатывания) в случае ручного или автоматического повторного включения выключателя.

Дистанционная защита, по принципу работы, выполняет контроль значений сопротивления линии в реальном времени. То есть определение расстояния до места повреждения осуществляется косвенным способом – каждое значение сопротивления линии соответствует значению дистанции до места повреждения.

Таким образом, в случае возникновения междуфазного короткого замыкания на линии электропередач, ДЗ сравнивает значения сопротивления, которые фиксирует в данный момент времени измерительный орган защиты с заданными диапазонами сопротивлений (зонами действия) для каждой из ступеней.

Если по той или иной причине на устройства ДЗ не будет приходить напряжение с ТН-110 кВ, то при достижении определенного значения тока нагрузка защита сработает ложно, обесточив линию электропередач фактически при отсутствии каких-либо повреждений. Для предотвращения подобных ситуаций в устройствах ДЗ предусмотрена функция контроля наличия цепей напряжения, в случае отсутствия которых защита автоматически блокируется.

Также дистанционная защита блокируется в случае возникновения качаний в энергосистеме. Качания возникают при нарушении синхронной работы генератора на том или ином участке энергосистемы. Данное явление сопровождается увеличением тока и снижением напряжения в электрической сети. Для устройств релейной защиты, в том числе ДЗ, качания в энергосистеме воспринимаются как короткое замыкание. Данные явления различаются по скорости изменения электрических величин.

При коротком замыкании изменение тока и напряжения происходит мгновенно, а при возникновении качаний – с небольшой задержкой. На основании этой особенности дистанционная защита имеет функцию блокировки, которая осуществляет блокировку защиты в случае возникновения качаний в энергосистеме.

При возрастании тока и падения напряжения на защищаемой линии блокировка разрешает работу ДЗ на время, достаточное для срабатывания одной из ступеней защиты. Если электрические величины (ток линии, напряжение, сопротивление линии) в течение этого времени не достигли границ заданных уставок защиты, блокировочный орган блокирует защиту. То есть блокировка ДЗ дает сработать защите в случае возникновения реального повреждения, но блокирует защиту в случае возникновения качаний в энергосистеме.

Какие устройства выполняют функцию дистанционной защиты в электрических сетях

Примерно до начала 2000-х годов функцию всех устройств релейной защиты и автоматики, в том числе и функцию дистанционной защиты, выполняли устройства, построенные на реле электромеханического принципа действия.

Одним из наиболее распространенных блоков, построенных на электромеханических реле, является устройства дистанционной защиты ЭПЗ-1636, ЭШЗ 1636, ПЗ 4М/1 и др.

На смену вышеприведенным устройствам пришли , которые выполняют функцию нескольких защит линии 110 кВ, в том числе и дистанционную защиту линии.

Что касается конкретно дистанционной защиты, то использование микропроцессорных устройств для ее реализации значительно повышает точность ее работы. Также существенным преимуществом является наличие на микропроцессорных терминалах защит функции определения места повреждения (ОМП) – вывод на дисплей расстояния до места повреждения линии, которое фиксирует дистанционная защита. Расстояние указывается с точностью до десятых километра, что позволяет значительно упростить поиск повреждения на линии ремонтными бригадами.

В случае использования комплектов дистанционной защиты старого образца процесс поиска повреждения на линии значительно усложняется, так как на защитах электромеханического типа нет возможности фиксации точного расстояния до места повреждения.

В качестве альтернативы для возможности определения точного расстояния до места повреждения на подстанциях устанавливаются (ПАРМА, РЕКОН, Бреслер и др.), которые фиксируют события на каждом отдельном участке электрической сети.

Если возникнет повреждение на одной из линий электропередач, то регистратор аварийных процессов выдаст информацию о характере повреждения и удаленности его от подстанции с указанием точного расстояния.

Для линий напряжением 110 кВ и выше должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных замыканий и от замыканий на землю. Тип основной защиты линии определяют, исходя из требований сохранения устойчивости работы энергосистемы. Считается, что требования по устойчивой работе энергосистемы, как правило, удовлетворяются, если трехфазные КЗ на линиях, сопровождающиеся снижением напряжения на питающих шинах, ниже (0,6... ...0,7) Uном, отключаются без выдержки времени (при условии, что расчеты устойчивости не предъявляют других, более жестких требований). Кроме того, применение быстродействующей защиты может оказаться необходимым, когда повреждения, отключаемые с выдержкой времени, могут привести к нарушению работы ответственных потребителей или к недопустимому нагреву проводников, а также при необходимости осуществления быстродействующего АПВ.

На тупиковых линиях напряжением 110-220 кВ следует устанавливать ступенчатые токовые защиты или ступенчатые защиты тока и напряжения. Если такие защиты не удовлетворяют требованиям чувствительности или быстроты отключения повреждения, предусматривается ступенчатая дистанционная защита. В этом случае в качестве дополнительной защиты рекомендуется использовать мгновенную токовую отсечку.
Для защиты от замыканий на землю предусматривается ступенчатая токовая защита нулевой последовательности (направленная или ненаправленная).

Для защиты линий напряжением 110-220 кВ от КЗ на землю предусматриваются, как правило, ступенчатые токовые защиты нулевой последовательности. Реле тока всех ступеней защиты включаются на сумму трех фаз, что обеспечивает протекание по ним тока нулевой последовательности при однофазных КЗ на землю. Расчет ступенчатой токовой защиты нулевой последовательности сводится к определению тока срабатывания и выдержек времени отдельных ступеней защиты; необходимости использования в защите реле направления мощности; чувствительности защиты.

Рис. 1. Расчетные схемы для определения тока срабатывания защиты
нулевой последовательности тупиковой ВЛ 110-220 кВ по условиям 1 и 2: а - исходная; б - замещения - для определения эквивалентного сопротивления трансформаторов и линий при однофазном включении (одна из целей отключена); я1л1 -индуктивное сопротивление участка линии л1; хт1 и хт2 - индуктивные сопротивления трансформаторов тl и т2 при включении под напряжение одной фазы
На примере типичной для электроснабжения промышленных предприятий схемы (рис, 1, а) (тупиковая линия с односторонним питанием) рассмотрена методика выбора параметров срабатывания защиты линий, для которых длительный режим работы двумя фазами не предусматривается. Защита может быть выполнена одно- или двухступенчатой.

Учитывая наличие типовых панелей, на линиях, питающих подстанции с заземленной нейтралью, рекомендуется выполнение двухступенчатой защиты с направленной второй ступенью, что дает возможность повысить ее чувствительность и уменьшить время отключения КЗ. Ток срабатывания первой ступени защиты при выполнении ее без выдержки времени выбирают по следующим условиям.
1. Отстройка от броска тока намагничивания трансформаторов, имеющих глухозаземленные нейтрали и включаемых под напряжение при включении линии. Для выключателей с трехфазным приводом это условие при выборе параметров срабатывания защиты не учитывается. Нe учитывается оно также, если первая ступень защиты отстроена по времени от неодновременного включения фаз выключателя. При этом для выключателей с пофазными приводами время срабатывания первой ступени должно быть не менее 0,1-0,2 с (нижний предел - для воздушных выключателей, верхний - для масляных).
Подстанции промышленных предприятии выполняют, как правило, по упрощенным схемам с короткозамыкателями в цепи трансформаторов. При определении чувствительности защиты нулевой последовательности линий, к которой присоединены такие подстанции, следует учитывать уменьшение тока 3/0мин и мощности (3/03 £/„) мин из-за возможного одновременного трехфазного КЗ за трансформатором и однофазного КЗ на землю на высокой стороне трансформатора при включении короткозамыкателя.
Отношение токов нулевой последовательности в защите линии при замыкании на землю одной фазы на выводах высшего напряжения трансформатора с КЗ между тремя фазами на стороне низшего напряжения (режим 1,3) и при замыкании на землю одной фазы (режим 1) может быть определено по табл.

Токовая защита от междуфазных КЗ

Токовые ступенчатые защиты от междуфазных КЗ широко используют на тупиковых линиях 110-220 кВ. В качестве первой ступени, выполняемой, как правило, без выдержки времени, применяют токовую отсечку. Первичный ток срабатывания токовой отсечки, установленной на линии (рис., а) и выполняемой без выдержки времени, определяется следующими условиями:
Отстройка от тока, проходящего в месте установки защиты, при трехфазных КЗ за трансформаторами, питаемыми рассматриваемой линией. Отстройка по этому условию производится по выражению (11), где /£3)макс-наибольший ток в защите при трехфазном КЗ за трансформаторами в максимальном режиме системы и при минимальном сопротивлении трансформаторов с учетом РПН; kH~ 1,3...1,4. При наличии ответвительных подстанций с выключателями на стороне ВН токовая отсечка, защищающая линию, для обеспечения селективности должна быть отстроена от максимального тока КЗ на стороне ВН ближайшей подстанции с выключателями.
Отстройка от тока двигателей нагрузки при трехфазном КЗ на шинах подстанции, на которой установлена данная защита (точка К\ на рис. 37, а). Расчетным при этом является выражение (7.5), где /я,™ - максимальный ток, посылаемый двигателями нагрузки, питаемой от рассматриваемой линии, при трехфазном КЗ на шинах подстанций, к которым присоединена линия; kH - 1,3.,1,4,
Отстройка от тока самозапуска двигателей нагрузки, питаемой от рассматриваемой линии. Расчетным по этому условию является выражение (7.2).
Отстройка от бросков тока намагничивания трансформаторов, присоединенных к линии, при ее включении. Расчет производят для трех видов включения: одно- и двухфазного (одновременного включения двух фаз, затем с некоторым запаздыванием включения третьей фазы), а также трехфазного (одновременного включения всех трех фаз). Расчетное выражение имеет вид

где хг экв - эквивалентное сопротивление трансформаторов и линии до места установки защиты для расчетного вида включения. Определение лт экв выполняется аналогично выражению (15). При расчете по однофазному включению учитывают только трансформаторы с заземленной нейтралью, которые вводятся в схему замещения сопротивлениями ху, вычисляемыми по расчетным выражениям на с. 143. При расчете по двухфазному включению в схему замещения вводят сопротивлениями хф все трансформаторы, питаемые от рассматриваемой линии, независимо от режима заземления нейтрали. При расчете по трехфазному включению учитывают также все трансформаторы. При этом трансформаторы вводят в схему замещения сопротивлениями, значения которых равны 1,35* для трансформаторов и 1,3 для автотрансформаторов. Значение коэффициента Сб определяется по табл. 3.
3. Значение коэффициента Сб

Следует отметить, что при выборе тока срабатывания отсечки, защищающей линию, изображенную на рис., а, необходимо учитывать режим отключения одной из цепей и подключения всех трансформаторов к оставшейся в работе цепи.
Чувствительность токовой отсечки проверяют в минимальном режиме питающей системы при двухфазном КЗ на шинах подстанций, присоединенных к защищаемой линии. Минимальный коэффициент чувствительности токовой отсечки, когда она выполняет функции
основной защиты, должен быть порядка 1,5. Если токовая отсечка без выдержки времени выполняет функции дополнительной защиты линии, то коэффициент чувствительности должен быть около 1,2 при КЗ в месте установки защиты в наиболее благоприятном по условию чувствительности режиме. В тех случаях, когда простые токовые отсечки не удовлетворяют требованиям чувствительности, может оказаться целесообразным применение комбинированной отсечки по току и напряжению.
Ток срабатывания комбинированной отсечки выбирается из условия обеспечения достаточной чувствительности при двухфазном металлическом КЗ в конце защищаемой зоны в минимальном режиме питающей системы:

где k4 у-коэффициент чувствительности отсечки по току (k4 т = 1,5).
Кроме условия (7,17) /с 0 к должен удовлетворять условию надежной отстройки от токов самозапуска в режиме АПВ в случае неисправностей в цепях напряжения (расчетное выражение (2)). Первичное напряжение срабатывании реле напряжения выбирают по условию отстройки от КЗ на шинах низшего (среднего) напряжения той подстанции, у которой при повреждении за трансформатором, сопровождающимся током, равным /с 0 к, остаточное напряжение в месте установки защиты будет наименьшим:

где гл - сопротивление участка линии от шин питающей подстанции, на которой установлена рассматриваемая защита, до шин ВН подстанции, повреждение за трансформатором которой является расчетным; гт - наименьшее (с учетом РПН) сопротивление трансформатора, повреждение за которым является расчетным; kn- 1,2- коэффициент надежности.
Напряжение срабатывания комбинированной отсечки должно находиться в пределах (0,15...0,65) Uном, что определяется минимальной уставкой стандартных реле напряжения (нижний предел) и условием обеспечения отстройки от возможного снижения напряжения в сети (верхний предел).
Чувствительность комбинированной отсечки по напряжению проверяется по остаточному напряжению Uocr в месте установки защиты при междуфазных напряжениях в конце защищаемой линии в максимальном режиме работа системы:

Коэффициент чувствительности комбинированной отсечки по напряжению должен быть не менее 1,5.
Максимальная токовая защита с выдержкой времени используется, как правило, в качестве второй ступени защиты тупиковых линий напряжением 110-220 кВ. Расчетные выражения для расчета максимальной токовой защиты линий напряжением 6-10 кВ, справедливы и для линий напряжением 110-220 кВ.
Для повышения чувствительности защиту можно выполнить с пуском по напряжению.

Дистанционная защита

Расчет защиты сводится к определению сопротивлений срабатывания и выдержек времени отдельных ступеней, а также ее чувствительности. Для защиты тупиковых линий напряжением 110-220 кВ дистанционную защиту выполняют двухступенчатой при использовании панели ЭПЭ-1636 или одноступенчатой - при использовании панели упрощенных защит.
Сопротивление срабатывания первой ступени защиты выбирают по условию отстройки от КЗ за трансформаторами, которые питаются от рассматриваемой линии. Для защиты линии, изображенной на рис, а, расчетные выражения имеют вид

где гл1 и гл2 - сопротивления участков линии; гт1 и гт3 - минимальные значения сопротивлений трансформаторов Т1 и ТЗ с учетом РПН (если на подстанциях установлены разные трансформаторы, то в выражениях (18) и (19) учитываются трансформаторы, имеющие меньшие сопротивления); kT Tl, кгт3- коэффициенты токораспределения, равные отношениям тока в месте установки защиты и соответственно токов в трансформаторах Т1, ТЗ и на участке линии Л2 при КЗ за трансформаторами. Если на стороне ВН ответвительных подстанций имеются выключатели, то первая ступень защиты для обеспечения селективности отстраивается от сопротивления участка линии до ближайшей подстанции с выключателями.
Очевидно, что расчетными при определении г\ 3 следует принимать режимы, соответствующие максимальным значениям коэффициентов токораспределения. При отсутствии питания со стороны низшего (среднего) напряжения трансформаторов /гт т1 = kr r3 = = 1. В качестве сопротивления срабатывания первой ступени дистанционной защиты принимается меньшее из значений, полученных по формулам (18) и (19).
Выбранное сопротивление срабатывания проверяют по условию отстройки от броска тока намагничивания трансформаторов при включении линии под напряжение по выражению

(обозначения - см. выражение (14)). Значение коэффициента Сб принимается по работе и данным завода-изготовителя.
Первичное сопротивление срабатывания второй ступени защиты (пусковой орган) выбирают по условию отстройки от минимального сопротивления в условиях самозапуска электродвигателей нагрузки после отключения внешнего КЗ:

где UUKa сз - минимальное значение первичного напряжений в месте установки защиты в условиях самозапуска электродвигателей, определяемое расчетом (ориентировочно можно принять равным 80-90 % минимального рабочего напряжения сети); kB = 1,05 ... 1,1-коэффициент возврата реле; kH = 1,2 - коэффициент надежности; kC3 - коэффициент самозапуска двигателей в режиме после отключения внешнего КЗ, определяемый расчетом (ориентировочно kC3 = 1,5 . . . 2); /раб мжс - максимальное значение рабочего тока защищаемой линии; <рм_ ч - угол макси- мальвой чувствительности реле сопротивления", <рраб- угол полного сопротивления нагрузки в рассматриваемом режиме после отключения внешнего КЗ.
При выборе параметров срабатывания пусковых органов дистанционной защиты линий с ответвлениями, кроме того, следует учитывать также условие отстройки от режима самозапуска нагрузки подстанций, питающихся от рассматриваемой линии, при включении линии. Сопротивление срабатывания по указанному условию определяют по выражению 7.20, При этом коэффициент kB не учитывают, a kC3 и фраб определяют в режиме самозапуска заторможенной нагрузки при включении линии.

Сопротивления срабатывания реле первой и второй ступеней за- щиты определяют по выражениям
где пт и пк -коэффициенты трансформации соответственно трансформаторов тока и напряжения; £сх- коэффициент схемы включения реле.
По найденным значениям сопротивлений срабатывания выбирают каталожные уставки реле. Коэффициент чувствительности защиты определяют по выражению k4 = г® /2защ, где гзащ - максимальное значение сопротивления, подведенное к защите при КЗ в расчетной точке. Для проверки чувствительности защиты расчетной является точка, характеризующаяся наибольшим значением гзащ, для рассматриваемой на рис. 37, а линии - точка К2:

где kт2 - коэффициент токораспределения, соответствующий режиму, при котором он принимает минимальное значение. Для повышения коэффициента чувствительности защиты можно использовать эллиптическую характеристику пускового органа. Использование эллиптической характеристики реле пускового органа позволяет зачастую обеспечить надежное резервирование защит трансформаторов приемных подстанций. Наименьший допустимый коэффициент чувствительности защиты приблизительно равен 1,5.
Выбранные уставки реле должны быть проверены на чувствительность по току точной работы /тр (приводятся в каталожных данных защиты в зависимости от уставки реле защиты). Чувствительность реле по току точной работы оценивают коэффициентом чувствительности при КЗ в расчетной точке.

Бесперебойная и надежная транспортировка электроэнергии к потребителям - это одна из основных задач, постоянно решаемых энергетиками. Для ее обеспечения созданы электрические сети, состоящие из распределительных подстанций и соединяющих их линий электропередач. Для перемещения энергии на большие расстояния используются опоры, к которым подвешиваются соединительные провода. Они изолированы между собой и землей слоем окружающего воздуха. Такие линии по виду изоляции называют воздушными.

Если расстояние транспортной магистрали небольшое или в целях безопасности необходимо спрятать линию электропередач в земле, то используются кабели.

Воздушные и кабельные линии электропередач постоянно находятся под напряжением, величина которого определена структурой электрической сети.

Назначение релейной защиты ЛЭП

В случае повреждения изоляции любого места кабельной или протяженной воздушной ЛЭП приложенное к линии напряжение создает ток утечки или короткого замыкания через нарушенный участок.

Причинами нарушения изоляции могут стать различные факторы, которые способны самоустраниться или продолжать свое разрушительное воздействие. Например, пролетающий между проводами воздушной ЛЭП аист создал междуфазное замыкание своими крыльями и сгорел, упав рядом.

Или дерево, выросшее очень близко от опоры, во время бури порывом ветра повалено на провода и закоротило их.

В первом случае короткое замыкание возникло на короткий промежуток времени и исчезло, а во втором - нарушение изоляции носит длительный характер и требует устранения обслуживающим электротехническим персоналом.

Такие повреждения способны нанести большой ущерб энергетическим предприятиям. Токи возникающих коротких замыканий обладают огромной тепловой энергией, способной сжечь не только провода подводящих линий, но и разрушить силовое оборудование на питающих подстанциях.

По этим причинам все возникающие повреждения на ЛЭП необходимо мгновенно ликвидировать. Это достигается снятием напряжения с поврежденной линии на питающей стороне. Если же такая ЛЭП получает питание с обеих сторон, то они обе должны отключить напряжение.

Функции постоянного отслеживания электрических параметров состояния всех линий электропередач и снятия с них напряжения со всех сторон при возникновении любых аварийных ситуаций возложены на сложные технические системы, которые называют по сложившейся традиции релейными защитами.

Прилагательное «релейные» образовано от элементной базы на основе электромагнитных реле, конструкции которых возникли с появлением первых линий электропередач и совершенствуются до наших дней.

Широко внедряемые в практику энергетиков модульные защитные устройства не исключают пока полную замену релейных устройств и по сложившейся традиции тоже заносятся в устройства релейных защит.

Принципы построения релейных защит

Органы контроля состояния сети

Для отслеживания электрических параметров линий электропередач необходимо иметь органы их измерения, которые способны постоянно контролировать любые отклонения нормального режима в сети и, одновременно, отвечать условиям безопасной эксплуатации.

В линиях электропередач всех напряжений эта функция возложена на измерительные трансформаторы. Они подразделяются на трансформаторы:

тока (ТТ);

напряжения (ТН).

Поскольку качество работы защит имеет первостепенное значение для надежности всей электросистемы, то к измерительным ТТ и ТН предъявляются повышенные требования по точности работы, которые определяются их метрологическими характеристиками.

Классы точности измерительных трансформаторов для использования в устройствах РЗА (релейных защит и автоматики) нормированы величинами «0,5», «0,2» и «Р».

Измерительные трансформаторы напряжения

Общий вид установки трансформаторов напряжения на ВЛ-110 кВ показан на картинке ниже.

Здесь видно, что ТН устанавливаются не в любом месте протяженной линии, а на распределительном устройстве электрической подстанции. Каждый трансформатор подключается своими первичными выводами к соответствующему проводу ВЛ и контуру земли.

Преобразованное вторичными обмотками напряжение выводится через рубильники 1Р и 2Р по соответствующим жилам силового кабеля. Для использования в устройствах защит и измерений вторичные обмотки соединяются по схеме «звезда» и «треугольник», как показано на картинке для ТН-110 кВ.

Для снижения и точной работы релейной защиты используется специальный силовой кабель, а к его монтажу и эксплуатации предъявляются повышенные требования.

Измерительные ТН создаются под каждый вид напряжения линии электропередачи и могут включаться по разным схемам для выполнения определенных задач. Но все они работают по общему принципу - преобразование линейной величины напряжения ЛЭП во вторичное значение 100 вольт с точным копированием и выделением всех характеристик первичных гармоник в определенном масштабе.

Коэффициент трансформации ТН определяется соотношением линейных напряжений первичной и вторичной схемы. К примеру, для рассматриваемой ВЛ 110 кВ его записывают так: 110000/100.

Измерительные трансформаторы тока

Эти устройства тоже преобразовывают первичную нагрузку линии во вторичные значения с максимальным повторением всех изменений гармоник первичного тока.

В целях удобства эксплуатации и обслуживания электрооборудования их тоже монтируют на распределительных устройствах подстанции.

Включаются в схему ВЛ не так, как ТН: они своей первичной обмоткой, которая обычно представлена всего одним витком в виде прямого токовода, просто врезаются в каждый провод фазы линии. Это хорошо видно на приведенной выше фотографии.

Коэффициент трансформации ТТ определяется соотношением выбора номинальных величин на этапе конструирования ЛЭП. Например, если линия электропередач рассчитывается на транспортировку токов 600 ампер, а на вторичной стороне ТТ будет сниматься 5 А, то применяют обозначение 600/5.

В энергетике принято два стандарта значений вторичных токов, которые применяются:

5 А для всех ТТ до 110 кВ включительно;

1 А для линий 330 кВ и выше.

Вторичные обмотки ТТ соединяются для подключения к устройствам защит по разным схемам:

полной звезды;

неполной звезды;

треугольника.

Каждое соединение имеет свои специфические особенности и применяется для определенных видов защит различными способами. Пример соединения трансформаторов тока линии и обмоток токовых реле в схему полной звезды показан на картинке.

Этот наиболее простой и распространенный фильтр гармоник используется во многих схемах релейных защит. В нем токи от каждой фазы контролируются индивидуальным одноименным реле, а сумма всех векторов проходит через обмотку, включенную в общий нулевой провод.

Способ использования измерительных трансформаторов тока и напряжения позволяет в точном масштабе переносить первичные процессы, происходящие на силовом оборудовании во вторичную схему для использования их в аппаратной части релейных защит и создания алгоритмов работы логических устройств по ликвидации аварийных процессов на оборудовании.

Органы обработки полученной информации

В релейных защитах основным рабочим элементом является реле - электротехнический прибор, который выполняет две основные функции:

отслеживает качество контролируемого параметра, например, тока и в нормальном режиме стабильно поддерживает и не изменяет состояние своей контактной системы;

при достижении критического значения, называемого уставкой или порогом срабатывания, мгновенно переключает положение своих контактов и находится в этом состоянии до тех пор, пока контролируемая величина не вернется в область нормальных значений.

Принципы формирования схем включения реле тока и напряжения во вторичные цепи помогает понять представление синусоидальных гармоник векторными величинами с изображением их на комплексной плоскости.

Внизу картинки показана векторная диаграмма для типичного случая распределения синусоид по трем фазам А, В, С при рабочем режиме электроснабжения потребителей.

Контроль состояния цепей тока и напряжения

Частично принцип обработки вторичных сигналов показан на схеме включения ТТ и обмоток реле по схеме полной звезды и ТН на ОРУ-110. Этот метод позволяет собрать вектора способами, изображенными ниже.

Включение обмотки реле в любую из гармоник этих фаз позволяет полностью контролировать происходящие в ней процессы и отключать схему из работы при авариях. Для этого достаточно использовать соответствующие конструкции релейных устройств тока или напряжения.

Приведенные схемы являются частным случаем многообразного использования различных фильтров.

Способы контроля проходящей по линии мощности

Устройства РЗА контролируют величину мощности на основе показаний все тех же трансформаторов тока и напряжений. При этом используются известные формулы и соотношения полной, активной и реактивной мощностей между собой и выраженные их значения через вектора токов и напряжений.

Здесь учитывается, что вектор тока формируется приложенной ЭДС к сопротивлению линии и одинаково преодолевает его активные и реактивные части. Но при этом происходит падение напряжения на участках с составляющими Ua и Up по законам, описанным треугольником напряжений.

Мощность может передаваться из одного конца линии в другой и даже менять свое направление при транспортировке электроэнергии.

Изменения ее направления возникают в результате:

переключений нагрузок оперативным персоналом;

качаний электроэнергии в системе благодаря воздействию переходных процессов и иных факторов;

возникновения аварийных режимов.

Работающие в составе РЗА реле мощности (РМ) учитывают колебания ее направлений и настраиваются на срабатывание при достижении критической величины.

Способы контроля сопротивления линии

Устройства релейной защиты, оценивающие расстояние до места возникшего короткого замыкания на основе замера электрического сопротивления, называют дистанционными, или сокращенно ДЗ защитами. Они тоже в своей работе используют цепи трансформаторов тока и напряжения.

Для измерения сопротивления применяется , описываемое для участка рассматриваемой цепи.

При прохождении синусоидального тока через активные, емкостные и индуктивные сопротивления вектор падения напряжения на них отклоняется в разные стороны. Это учитывается поведением релейным защит.

По этому принципу в устройствах РЗА работают многочисленные виды реле сопротивлений (РС).

Способы контроля частоты на линии

Для поддержания стабильности периода колебаний гармоник тока, передаваемого по линии электропередач, используются реле контроля частоты. Они работают по принципу сравнения эталонной синусоиды, вырабатываемой встроенным генератором, с частотой, получаемой от измерительных трансформаторов линии.

После обработки этих двух сигналов реле частоты определяет качество контролируемой гармоники и при достижении значения уставки изменяет положение контактной системы.

Особенности контроля параметров линии цифровыми защитами

Приходящие на замену релейным технологиям микропроцессорные разработки тоже не могут работать без вторичных величин токов и напряжений, которые снимаются с измерительных трансформаторов ТТ и ТН.

Для работы цифровых защит информация о вторичной синусоиде обрабатывается методами дискретизации, которые заключаются в наложении на аналоговый сигнал высокой частоты и фиксации амплитуды контролируемого параметра в месте пересечения графиков.

За счет малого шага дискретизации, быстрых способов обработки и применения метода математической аппроксимации получается высокая точность измерения вторичных токов и напряжений.

Вычисленные таким способом цифровые величины используются в алгоритме работы микропроцессорных устройств.

Логическая часть релейных защит и автоматики

После того как первичные величины токов и напряжений передаваемой по ЛЭП электроэнергии смоделированы измерительными трансформаторами, выделены для обработки фильтрами и восприняты чувствительными органами релейных устройств тока, напряжения, мощности, сопротивления и частоты наступает очередь работы логических релейных схем.

В основу их конструкции положены реле, работающие от дополнительного источника постоянного, выпрямленного или переменного напряжения, которое еще называют оперативным, а питаемые им цепи - оперативными. В этот термин вложен технический смысл: очень быстро, без излишних задержек выполнять свои переключения.

От скорости работы логической схемы во многом зависит быстрота отключения аварийной ситуации, а, следовательно, степень ее разрушительных последствий.

По способу выполнения своих задач реле, работающие в оперативных цепях называют промежуточными: они получают сигнал от измерительного органа защиты и передают его коммутацией своих контактов исполнительным органам: выходным реле, соленоидам, электромагнитам отключений или включений силовых выключателей.

Промежуточные реле обычно имеют несколько пар контактов, которые работают на замыкание или размыкание цепи. Они используются для одновременного размножения команд между разными устройствами РЗА.

В алгоритм работы релейных защит довольно часто вводится задержка времени для обеспечения принципа селективности и формирования очередности определенного алгоритма. Она на период действия уставки блокирует работу защиты.

Этот ввод задержки создается с помощью специальных реле времени (РВ), обладающих часовым механизмом, влияющим на скорость срабатывания своих контактов.

Логическая часть релейных защит использует один из множества алгоритмов, созданных для разных случаев, которые могут возникнуть на линии электропередач конкретной конфигурации и напряжения.

В качестве примера можно привести всего лишь некоторые названия работы логики двух релейных защит, основанных на контроле тока ЛЭП:

токовая отсечка (обозначение быстродействия) без выдержки времени или с выдержкой (обеспечение избирательности РВ) с учетом направления мощности (за счет реле РМ) либо без него;

максимальная токовая защита , которая может быть наделена теми же контролями, что и отсечка в комплекте с проверкой минимального напряжения на линии или без нее.

В работу логики релейных защит часто вводятся элементы работы автоматики различных устройств, например:

однофазного или трехфазного повторного включения силового выключателя;

включения резервного питания;

ускорения;

частотной разгрузки.

Логическая часть защиты линии может быть выполнена в небольшом релейном отсеке прямо над силовым выключателем, что характерно для комплектных распределительных устройств наружной установки (КРУН) с напряжением до 10 кВ, или занимать несколько панелей 2х0,8 м в релейном зале.

Например, логика защит линии 330 кВ может размещаться на отдельных панелях защит:

резервных;

ДЗ - дистанционной;

ДФЗ - дифференциально фазной;

ВЧБ - высокочастотной блокировки;

ОАПВ;

ускорения.

Выходные цепи

Оконечным элементом релейной защиты линии служат выходные цепи. Их логика тоже строится на использовании промежуточных реле.

Выходные цепи формируют порядок работы выключателей линии и определяют взаимодействие с соседними присоединениями, устройствами (например, УРОВ - резервного отключения выключателя) и другими элементами РЗА.

У простых защит линии может быть всего одно выходной реле, срабатывание которого приводит к отключению выключателя. В сложных системах разветвленных защит создаются специальные логические цепи, работающие по определенному алгоритму.

Окончательное снятие напряжение с линии при возникновении аварийной ситуации осуществляется силовым выключателем, который приводится в действие усилием электромагнита отключения. Для его работы подводятся специальные цепи питания, способные выдерживать мощные нагруз ки.