Бурное развитие электрических сетей сегодня требует большого числа высокоэффективных защит воздушных линий (ВЛ), используемых для передачи электроэнергии.

К основным требованиям, которые предъявляются к подобным устройствам можно отнести следующие моменты:

Удобство в использовании;
- минимальная цена;
- компактность;
- универсальность;
- селективность.

Обладая такими свойствами, современные виды защит высоковольтных линий способны надёжно сохранять их от всех видов коротких замыканий.

Разновидности . Из наиболее распространённых типов можно выделить следующие:

Дистанционная защита (ДЗ) . В сетях, имеющих сложную конфигурацию, для защиты от коротких межфазных замыканий применятся ДЗ , которая выполняет измерение полного сопротивления ВЛ от измерительных трансформаторов напряжения на подстанциях до непосредственного места возникновения КЗ.

Так как данное сопротивление пропорционально дистанции (расстоянию) до мест короткого замыкания, то и защита получила название дистанционной.

Она сложнее обычных токовых и имеет следующие преимущества:

Зона её действия всегда остаётся постоянной вне зависимости от режима сети и величин токов КЗ;
- имеет направленность действия.

В целях обеспечения селективности действия дистанционной защиты на смежных ВЛ время их действия делают зависимым от расстояния до места возникновения короткого замыкания: дальше КЗ – больше время срабатывания.

Защита выполняется по ступенчатому принципу, когда каждая последующая ступень имеет большую выдержку отключения по времени.

Токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП) . При коротких замыканиях на землю применятся ТЗНП, которая использует факт появления в напряжениях и токах нулевой последовательности при таких КЗ в сетях, работающих в режиме глухозаземлённой нейтрали у трансформаторов.

Как известно, составляющие нулевой последовательности выделяются из фазных величин простой геометрической суммой векторов данных величин.

При этом, нулевой провод токовых цепей, которые собраны по схеме полной звезды – это не что иное, как фильтр токов нулевой последовательности. Поэтому ТЗНП выполняется на электромагнитных реле, включённых в нулевой провод.

Селективность на смежных ВЛ обеспечивается также как и у ДЗ, когда время действия защиты зависит от расстояния до места короткого замыкания, то есть, чем меньше ток срабатывания, тем дальше точка короткого, тем больше время срабатывания.

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

Воздушные и смешанные (кабельно-воздушные) линии оснащаются устройствами АПВ. В ряде случаев, если применяемый выключатель выполнен с пофазным управлением, применяется пофазное отключение и АПВ. Это позволяет отключить и включить поврежденную фазу без отключения нагрузки. Так как в таких сетях нейтраль питающего трансформатора заземлена, нагрузка практически не ощущает кратковременной работы в неполнофазном режиме.

На чисто кабельных линиях АПВ, как правило, не применяется.

Линии высокого напряжения работают с большими токами нагрузки, что требует применения защит со специальными характеристиками. На транзитных линиях, которые могут перегружаться, как правило, применяются дистанционные защиты, позволяющие эффективно отстроится от токов нагрузки. На тупиковых линиях во многих случаях можно обойтись токовыми защитами. Как правило, не допускается, чтобы защиты срабатывали при перегрузках. Защита от перегрузки, при необходимости, выполняется на специальных устройствах.

Согласно ПУЭ, устройства предотвращения перегрузки должны применяться в случаях, если допустимая для оборудования длительность протекания тока составляет менее 1020 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, как правило, имеют значительную длину, что усложняет поиск места повреждения. Поэтому, линии должны оснащаться устройствами, определяющими расстояние до места повреждения. Согласно директивным материалам СНГ, средствами ОМП должны оснащаться линии длиной 20 км и более.

Задержка в отключении короткого замыкания может привести к нарушению устойчивости параллельной работы электростанций, из-за длительной посадки напряжения может остановиться оборудование и нарушиться технологический процесс производства, могут произойти дополнительные повреждения линии, на которой возникло короткое замыкание. Поэтому, на таких линиях очень часто применяются защиты, которые отключают короткие замыкания в любой точке без выдержки времени. Это могут быть дифференциальные защиты, установленные по концам линии и связанные высокочастотным, проводниковым или оптическим каналом. Это могут быть обычные защиты, ускоряемые при получении разрешающего, или снятии блокирующего сигнала с противоположной стороны.

Токовые и дистанционные защиты, как правило, выполняются ступенчатыми. Количество ступеней не менее 3, в ряде случаев бывает необходимо 4, или даже 5 ступеней.

Во многих случаях, все требуемые защиты можно выполнить на базе одного устройства. Однако выход со строя этого одного устройства оставляет оборудование без защиты, что недопустимо. Поэтому защиты линий высокого напряжения целесообразно выполнять из 2 комплектов. Второй комплект является резервным и может быть упрощен по сравнению с основным: не иметь АПВ, ОМП, иметь меньшее количество ступеней и т.д. Второй комплект должен питаться от другого автомата оперативного тока и комплекта трансформаторов тока. По возможности, питаться от другой аккумуляторной батареи и трансформатора напряжения, действовать на отдельный соленоид отключения выключателя.

Устройства защиты высоковольтных линий должны учитывать возможность отказа выключателя и иметь УРОВ, либо встроенное в само устройство, либо организованное отдельно.

Для анализа аварии и работы релейной защиты и автоматики требуется регистрация как аналоговых величин, так и дискретных сигналов при аварийных событиях.

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

Защиту от междуфазных коротких замыканий и коротких замыканий на землю.

Пофазное или трехфазное АПВ.

Защиту от перегрузки.

УРОВ.

Определение места повреждения.

Осциллографирование токов и напряжений, а также регистрация дискретных сигналов защиты и автоматики.

Устройства защиты должны резервироваться или дублироваться.

Для линий, имеющих выключатели с пофазным управлением, необходимо иметь защиту от неполнофазного режима, действующую на отключение своего и смежных выключателей, так как длительный неполнофазный режим в сетях СНГ не допускается.

7.2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

Как указывалось в гл. 1, в сетях с заземленной нейтралью необходимо учитывать дополнительно два вида короткого замыкания: однофазного и двухфазного замыкания на землю.

Расчеты токов и напряжений при коротких замыканиях на землю ведутся методом симметричных составляющих см. гл. 1. Это важно, в том числе, и потому, что защиты используют симметричные составляющие, которые в симметричных режимах отсутствуют. Использование токов обратной и нулевой последовательности позволяет не отстраивать защиту от тока нагрузки, и иметь уставку по току меньшую тока нагрузки. Например, для защиты от замыканий на землю, главным образом используется токовая защита нулевой последовательности, включаемая в нулевой провод соединенных в звезду трех трансформаторов тока.

При использовании метода симметричных составляющих, схема замещения для каждой из них составляется отдельно, затем они соединяются вместе по месту КЗ. Например, составим схему замещения для схемы рис 7.1.

Т1 – 10000/110

UK = 10,5 Т2 – 16000/110 UK = 10,5

Рис. 7.1 Пример сети для составления схемы замещения в симметричных составляющих

При расчете параметров линии 110 кВ и выше для схемы замещения, обычно пренебрегают активным сопротивлением линии. Индуктивное сопротивление прямой последовательности (Х 1 ) линии по справочным данным равно: АС-95 – 0,429 Ом на км, АС-120 – 0,423 ом на км. Сопротивление нулевой последовательности для линии со стальными торсами тро-

сами равно 3 Х 1 т.е. соответственно 0,429 3 =1,287 и 0,423 3=1,269.

Определим параметры линии:

Определим параметры трансформатора:

Т1 10000кВА.

X 1 T 1 = 0, 105 1152 10 = 138 Ом;

X 1 T 2 = 0, 105 1152 16 = 86, 8 Ом; X 0 T 2 = 86, 8 Ом

Сопротивление обратной последовательности в схеме замещения равно сопротивлению прямой последовательности.

Сопротивление нулевой последовательности трансформаторов обычно принимается равным сопротивлению прямой последовательности. Х 1 Т = Х 0 Т . Трансформатор Т1 не входит в схему замещения нулевой последовательности, так как его нейтраль разземлена.

Расчет трехфазных и двухфазных КЗ производится обычным путем, см. таблицу 7.1. Таблица 7.1

Для расчета токов замыкания на землю необходимо использовать метод симметричных составляющих.Согласно этому методу, эквивалентные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности вычисляются относительно точки КЗ и включаются последовательно в схеме замещения для однофазных КЗ на землю рис.7.2, а и последовательно/параллельно для двухфазных на землю рис.7.2, б .

Рис. 7.2. Схема включения эквивалентных сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательности для расчета токов короткого замыкания на землю:

а) – однофазного; б) – двухфазного; в) – распределение токов нулевой последовательности между двумя точками заземления нейтрали.

Выполним расчет КЗ на землю см. таблицы 7.2, 7.3.

Схема прямой и обратной последовательности состоит из одной ветви: от источника питания до места короткого замыкания. В схеме нулевой последовательности 2 ветви от заземленных нейтралей, которые являются источниками тока КЗ и должны в схеме замещения соединяться параллельно. Сопротивление параллельно соединенных ветвей определяется по формуле:

* Примечание . Определяется сопротивление параллельно соединенных двух участков схемы нулевой последовательности по формуле 7.1.

** Примечание . Распределяется ток между двумя участками нулевой последовательности по формуле 7.2.

Таблица 7.3 Токи двухфазного КЗ на землю

*Примечание. Определяется сопротивление параллельно соединенных двух участков схемы нулевой последовательности по формуле 7.1, расчет выполнен в таблице 7.2.

**Примечание. Определяется сопротивление параллельно соединенных двух сопротивлений обратной и нулевой последовательности по формуле 7.1.

***Примечание. Распределяется ток между двумя сопротивлениями обратной и нулевой последовательности по формуле 7.2.

****Примечание. Распределяется ток между двумя участками нулевой последовательности по формуле 7.2.

*****Примечание. Ток двухфазного КЗ на землю указан по приближенной формуле, точное значение определяется геометрическим путем см. ниже.

Определение фазных токов после расчета симметричных составляющих

При однофазном КЗ весь ток КЗ протекает в поврежденной фазе, в остальных фазах ток не протекает. Токи всех последовательностей равны между собой.

Для соблюдения таких условий симметричные составляющие располагаются следующим образом (рис.7.3):

Рис.7.3. Векторные диаграммы для симметричных составляющих при однофазном КЗ

При однофазном КЗ токи I1 = I2 = I0 . В поврежденной фазе они равны по величине и совпадают по фазе. В неповрежденных фазах равные токи всех последовательностей образуют равносторонний треугольник и результирующая сумма всех токов равна 0.

При двухфазном коротком замыкании на землю ток в одной неповрежденной фазе равен нулю. Ток прямой последовательности равен сумме токов нулевой и обратной последовательности с обратным знаком. Исходя из таких положений, строим токи симметричных составляющих (рис. 7.4):

Рис. 7.4 Векторные диаграммы симметричных составляющих токов двухфазного КЗ на землю

Из построенной диаграммы видно, что фазные токи при замыканиях на землю построить довольно сложно, так как угол фазного тока отличается от угла симметричных составляющих. Его следует строить графически или использовать ортогональные проекции. Однако с достаточной для практики точностью величину тока можно определить по упрощенной формуле:

Токи в таблице 7.3 подсчитаны по этой формуле.

Если сравнить токи двухфазного КЗ на землю по таблице 7.3 с током двухфазного и трехфазного КЗ по таблице 7.1, можно сделать вывод, что токи двухфазного КЗ несколько ниже тока двухфазного КЗ на землю, поэтому чувствительность защиты следует определять по току двухфазного КЗ. Токи трехфазного КЗ соответственно выше тока двухфазного КЗ на

землю, поэтому определение максимального тока КЗ для отстройки защиты производится по трехфазному КЗ. Это значит, что для расчетов защиты не нужен ток двухфазного КЗ на землю, и его считать незачем. Ситуация несколько изменяется при расчете токов короткого замыкания на шинах мощных электростанций, где сопротивление обратной и нулевой последовательности меньше сопротивления прямой. Но к распредсетям это не имеет отношения, а для электростанций токи считаются на ЭВМ по специальной программе.

7.3 ПРИМЕРЫ ВЫБОРА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ТУПИКОВЫХ ВЛ 110-220 КВ

Схема 7.1. Тупиковая воздушная линия 110–220 кВ. Со стороны ПС1 и ПС2 питание отсутствует. Т1 ПС1 включен через отделитель и короткозамыкатель. Т1 ПС2 включен через выключатель. Нейтраль стороны ВН Т1 ПС2 заземлена, на ПС1 – изолирована. Минимальные требования к защите:

Вариант 1 . Должна быть применена трехступенчатая защита от междуфазных коротких замыканий (первая ступень, без выдержки времени, отстроена от КЗ на шинах ВН ПС2, вторая, с малой выдержкой времени, от КЗ на шинах НН ПС1 и ПС2, третья ступень – максимальная защита). Защиты от замыканий на землю – 2 ступени (первая ступень, без выдержки времени отстроена от тока, посылаемого на шины заземленным трансформатором ПС2, вторая ступень с выдержкой времени, обеспечивающей ее согласование с защитами внешней сети, но не отстроенная от тока КЗ, посылаемого трансформатором ПС2). Должно быть применено двух или однократное АПВ. Чувствительные ступени должны ускоряться при АПВ. Защиты пускают УРОВ питающей подстанции. К дополнительным требованиям можно отнести защиту от обрыва фаз, определение места повреждения на ВЛ, контроль ресурса выключателя.

Вариант 2 . В отличие от первого защита от замыканий на землю выполнена направленной, что позволяет не отстраивать ее от обратного тока КЗ и, таким образом, выполнить более чувствительную защиту без выдержки времени. Таким образом, удается защитить всю линию без выдержки времени.

Примечание . В этом и последующих примерах не даются точные рекомендации по выбору уставок защиты, упоминания о настройке защит используются для обоснования выбора типов защиты. В реальных условиях может быть применена другая настройка защит, что и требуется определить при конкретном проектировании. Защиты могут быть заменены устройствами защиты других типов, имеющих подходящие характеристики.

Набор защит, как уже было сказано, должен состоять из 2 комплектов. Защита может быть реализована на 2х устройствах выбранных из:

MiCOM Р121, Р122, Р123, P126, Р127 фирмы ALSTOM,

F 60, F650 фирмы GE

двух реле REF 543 фирмы АВВ – подбирается 2-е подходящие модификации,

7SJ 511, 512, 531, 551 SIEMENS– подбирается 2-е подходящие модификации,

двух реле SEL 551 фирмы SEL.

Схема 7.2. Разомкнутый транзит на подстанции 3.

Двухцепная воздушная линия заходит на подстанцию 2, секции которой работают параллельно. Предусматривается возможность переноса разреза на ПС2 в ремонтном режиме.

В этом случае включается секционный выключатель на ПС3. Транзит замыкается только на время переключения и, при выборе защит, его замыкание не учитывается. На 1 секции ПС3 включен трансформатор с заземленной нейтралью. Источника тока для однофазного КЗ на подстанциях 2 и 3 нет. Поэтому защита на стороне без питания работает только в «каскаде», после отключения линии со стороны питания. Несмотря на отсутствие питания с противоположной стороны защита должна быть выполнена направленной как при замыканиях на землю, так и при междуфазных коротких замыканиях. Это позволяет на приемной стороне правильно определить поврежденную линию.

В общем случае для того, чтобы обеспечить селективную защиту с небольшими выдержками времени, особенно на коротких линиях, необходимо применить четырехступенчатую защиту, уставки которой выбираются следующим образом: 1 ступень отстраивается от КЗ

в конце линии, 2 ступень согласовывается с первой ступенью параллельной линии в каскаде и первой ступенью смежной линии, 3 ступень согласовывается со вторыми ступенями этих ВЛ. При согласовании защит со смежной линией учитывается режим одна с двумя: на первом участке - 1 ВЛ, на втором участке – 2, что существенно загрубляет защиту. Эти три ступени защищают линию, а последняя, 4 ступень резервирует смежный участок. При согласовании защит по времени учитывается время действия УРОВ, что увеличивает выдержки времени согласуемых защит на время действия УРОВ. При выборе уставок защиты по току, они должны быть отстроены от суммарной нагрузки двух линий, так как одна из параллельных ВЛ может отключиться в любой момент, и вся нагрузка будет подключена к одной ВЛ.

В составе устройств защиты оба комплекта защит должны быть направленными. Можно применить следующие варианты защит:

MiCOM, Р127 и Р142 фирмы ALSTOM,

F60 и F650 фирмы GE,

два реле REF 543 фирмы АВВ – подбирается направленные модификации,

реле 7SJ512 и 7SJ 531 фирмы SIEMENS,

два реле SEL 351 фирмы SEL.

В ряде случаев, из соображений обеспечения чувствительности, отстройки от токов нагрузки или обеспечения селективной работы, может потребоваться применение дистанци-

Z = L Z

онной защиты. Для этой цели одна из защит заменяется на дистанционную. Может быть применена дистанционная защита:

MiCOM P433, Р439, P441 фирмы ALSTOM,

D30 фирмы GE,

REL 511 фирмы АВВ – подбирается направленные модификации,

реле 7SA 511 или 7SА 513 фирмы SIEMENS,

реле SEL 311 фирмы SEL.

7.4. ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ

Назначение и принцип действия

Дистанционные защиты - это сложные направленные или ненаправленные защиты с относительной селективностью, выполненные с использованием минимальных реле сопротивления, реагирующих на сопротивление линии до места КЗ, которое пропорционально расстоянию, т.е. дистанции. Отсюда и происходит название дистанционной защиты (ДЗ). Дистанционные защиты реагируют на междуфазные КЗ (кроме микропроцессорных ДЗ). Для правильной работы дистанционной защиты необходимо наличие цепей тока от ТТ присоединения и цепей напряжения от ТН. При отсутствии или неисправности цепей напряжения возможна излишняя работа ДЗ при КЗ на смежных участках.

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные МТЗ (НТЗ) не могут обеспечить селективного отключения КЗ. Так, например, при КЗ на W 2 (рис. 7.5) НТЗ 3 должна подействовать быстрее РЗ I, а при КЗ на W 1 , наоборот, НТЗ 1 должна подействовать быстрее РЗ 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены с помощью НТЗ. Кроме того, МТЗ и НТЗ часто не удовлетворяют требованиям быстродействия и чувствительности. Селективное отключение КЗ в сложных кольцевых сетях может быть обеспечено с помощью дистанционной РЗ (ДЗ).

Выдержка времени ДЗ t 3 зависит от расстояния (дистанции) t 3 = f (L PK ) (рис. 7.5) между

местом установки РЗ (точка Р) и точкой КЗ (К), т. е. L PK , и нарастает с увеличением это-

го расстояния. Ближайшая к месту повреждения ДЗ имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные ДЗ.

Например, при КЗ в точке К1 (рис. 7.6) Д32, расположенная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдержкой времени, чем более удаленная Д31. Если же КЗ возникает и в точке К2, то время действия Д32 увеличивается, и КЗ селективно отключается ближайшей к месту повреждения ДЗЗ.

Основным элементом ДЗ является дистанционный измерительный орган (ДО), определяющий удаленность КЗ от места установки РЗ. В качестве ДО используются реле сопротивления (PC), реагирующие на полное, реактивное или активное сопротивление поврежденного участка ЛЭП (Z , X , R ).

Сопротивление фазы ЛЭП от места установки реле Р до места КЗ (точки К) пропорционально длине этого участка, так как величина сопротивления до места КЗ равна длине

участка умноженному на удельное сопротивление линии: уд . .

Таким образом, поведение дистанционного органа, реагирующего на сопротивление линии, зависит от расстояния до места повреждения. В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует ДО (Z , X или R ), ДЗ подразделяются на РЗ полного, реактивного и активного сопротивлений. Реле сопротивления, применяемые в ДЗ для определения со-

противления Z PK до точки КЗ, контролируют напряжение и ток в месте установки ДЗ (рис. 7.7.).

∆ – дистанционная защита

К зажимам PC подводятся вторичные значения U P и I P от ТН и ТТ. Реле выполняется так, чтобы его поведение в общем случае зависело от отношения U P к I P . Это отношение является некоторым сопротивлением Z P . При КЗ Z P = Z PK , и при определенных значениях Z PK , PC срабатывает; оно реагирует на уменьшение Z P , поскольку при КЗ U P умень-

шается, а I P возрастает. Наибольшее значение, при котором PC срабатывает, называется сопротивлением срабатывания реле Z cp .

Для обеспечения селективности в сетях сложной конфигурации на ЛЭП с двухсторонним питанием ДЗ необходимо выполнять направленными, действующими при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. Направленность действия ДЗ обеспечивается при помощи дополнительных РНМ или применением направленных PC, способных реагировать и на направление мощности КЗ.

Зависимость времени действия ДЗ от расстояния или сопротивления до места КЗ t 3 = f (L PK ) или t 3 = f (Z PK ) называется характеристикой выдержки времени ДЗ. По ха-

рактеру этой зависимости ДЗ делятся на три группы: с нарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенчатыми и комбинированными характеристиками

(рис. 7.8). Ступенчатые ДЗ действуют быстрее, чем ДЗ с наклонной и комбинированной характеристиками и, как правило, получаются проще в конструктивном исполнении. ДЗ со ступенчатой характеристикой производства ЧЭАЗ выполнялись обычно с тремя ступенями времени, соответствующими трем зонам действия ДЗ (рис. 7.8, б ). Современные микропроцессорные защиты имеют 4, 5 или 6 ступеней защиты. Реле с наклонной характеристикой разрабатывались специально для распределительных сетей (например ДЗ-10).

Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью устройств дистанционной защиты

На ЛЭП с двухсторонним питанием ДЗ устанавливаются с обеих сторон каждой ЛЭП и должны действовать при направлении мощности от шин в ЛЭП. Дистанционные РЗ, действующие при одном направлении мощности, необходимо согласовать между собой по времени и по зоне действия так, чтобы обеспечивалось селективное отключение КЗ. В рассматриваемой схеме (рис. 7.9.) согласуются между собой Д31, ДЗЗ, Д35 и Д36, Д34, Д32.

С учетом того, что первые ступени ДЗ не имеют выдержки времени (t I = 0 ), по условию селективности они не должны действовать за пределами защищаемой ЛЭП. Исходя из этого протяженность первой ступени, не имеющей выдержки времени (t I = 0 ), берется меньше протяженности защищаемой ЛЭП и обычно составляет 0,8–0,9 длины ЛЭП. Остальная часть защищаемой ЛЭП и шины противоположной подстанции охватываются второй ступенью ДЗ этой ЛЭП. Протяженность и выдержка времени второй ступени согласуются (обычно) с протяженностью и выдержкой первой ступени ДЗ следующего участка. Например, у второй сту-

Рис.7.9 Согласование выдержек времени дистанционных РЗ со ступенчатой характеристикой:

∆ z – погрешность дистанционного реле; ∆ t – ступень селективности

Последняя третья ступень ДЗ является резервной, ее протяженность выбирается из условия охвата следующего участка, на случай отказа его РЗ или выключателя. Выдержка вре-

мени принимается на ∆ t больше времени действия второй или третьей зоны ДЗ следующего участка. При этом зона действия третьей ступени должна быть отстроена от конца второй или третьей зоны следующего участка.

Структура защиты линии с использованием дистанционной защиты

В отечественных энергосистемах ДЗ применяется для действия при междуфазных КЗ, а для действия при однофазных КЗ используется более простая ступенчатая МТЗ нулевой последовательности (НП). Большинство микропроцессорной аппаратуры имеет дистанционную защиту, действующую при всех видах повреждения, в том числе и при замыканиях на землю. Реле сопротивления (РС) включается через ТН и ТТ на первичные напряжения в

начале защищаемой ЛЭП. Вторичное напряжение на зажимах PC: U p = U pn K II , а вторичныйток: I p = I pn K I .

Сопротивление на входных зажимах реле определяется по выражению.

Для линий в сетях 110-500 кВ с эффективно заземленной нейтралью согласно ПУЭ должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных замыканий и от замыканий на землю и защита от неполнофазного режима.

Устройство дистанционной релейной защиты 7SA6 является универсальным устройством для защиты, управления и автоматизации на базе системы SIPROTEC 4. Оно достаточно универсально и может быть использовано для всех классов напряжений.

Особенности защиты:

Высокое быстродействие;

Возможность защищать очень короткие линии;

Автоматическое обнаружение качаний мощности с частотой до 7 Гц;

Детектор насыщения трансформатора тока, гарантирующий быстрое отключение и высокую точность дистанционных измерений;

Пофазная защита с ВЧ управлением;

Цифровые коммуникации между устройствами осуществляются через интегрированный последовательный интерфейс защиты;

Автоматическое повторное включение (АПВ).

Функции защиты.

6-ти контурная защита без переключения входных величин (21/21N);

Защита от замыканий на землю через большое переходное сопротивление, позволяющая производить как однофазные, так и трёхфазные отключения (50N, 51N, 67N);

Обнаружение коротких замыканий на землю в сетях с изолированной и с компенсированной нейтралью;

Дистанционная защита с ВЧ управлением (85);

Определение места повреждения (FL);

Обнаружение качаний мощности (68/68Т);

Токовая защита (50/51);

Защита от включения на повреждение (50HS).

7SA611 обеспечивает дистанционную защиту всей системы, объединяя все функции, которые обычно требуются для реализации защиты силовых линий. Реле предусматривает быстрое и селективное устранение повреждений в воздушных и кабельных лини как с емкостной компенсацией, так и без нее. Сеть может быть с глухо заземленной, заземленной, изолированной или компенсированной нейтралью. 7SA611 может быть использован для однофазного или трехфазного отключения в схемах с телезащитой и без нее.

Данное реле обладает рядом свойств, необходимых для реализации защиты линий электропередач:

Малое время срабатывания;

Подходит для кабельных и воздушных линий как с использованием, так и без использования последовательных конденсаторов;

Самонастройка для распознавания качания мощности с частотой, не более 7Гц;

Соединение «реле-реле», осуществленное с помощью цифровых выводов в случае использования двух и трех конечных станций;

Адаптивное автоматическое повторное включение (АПВ).

Расчет можно произвести в относительных или именованных единицах. Используем метод именованных единиц. Для этого, все элементы схемы должны быть приведены к одному базисному напряжению, за базисное напряжение принимаем U баз =115кВ.

Фазное напряжение систем:

Сопротивления систем:

(3.21)

(3.22)

Сопротивления линий:

(3.23)

Рассчитаем сопротивления линий по формуле и сведем их в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 – Сопротивления линий

Расчет уставок срабатывания дистанционной защиты отходящей линии 115 кВ.

Расчет уставок I ступени дистанционной защиты.

Сопротивление первой ступени выбирается из условия отстройки от 3хфазного КЗ на шинах противоположной подстанции, в данном случае ток КЗ не рассчитывается, а используется сопротивление линии Л3.

Требования к первой ступени: обеспечение надежности селективного отключения всех видов КЗ на линии без выдержки времени:

(3.25)

где β = 0.05 – коэффициент, который учитывает погрешность трансформаторов напряжения и реле сопротивления,

δ = 0.1 – коэффициент, учитывающий погрешность расчетов первичных электрических величин.

Первая ступень работает без выдержки времени.

Отстройка от КЗ на шинах подстанции в месте установки защиты не производится, т.к. все ступени защиты выполнены направленными.

Расчет уставок II ступени дистанционной защиты.

Уставка срабатывания II ступени выбирается по условию согласования с дистанционными защитами смежных линий:

(3.26)

где К з = 0.78 – коэффициент запаса по избирательности согласуемых защит линий;

К ток – коэффициент токораспределения, определяемый по трехфазному КЗ в конце зоны действия той защиты, с которой производится согласование;

. – ток, протекающий через трансформаторы тока той защиты, для которой выбирается уставка;

– ток, протекающий через трансформаторы тока смежной защиты, с которой производится согласование;

– уставка срабатывания первой (или второй) ступени защиты смежной линии.

Для расчета К ток смоделируем линию 115 кВ в программе Mulitisim (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Расчет коэффициента токораспределения

Вторая ступень защиты проходит по чувствительности.

Выдержка времени второй ступени принимается на ступень селективности (Δt =0.3 с ) больше выдержек времени второй ступени линии Л2:

.

Расчет уставок III ступени дистанционной защиты.

Уставка срабатывания третьей ступени защиты выбирается, как правило, по условиям отстройки от максимального тока нагрузки линии. Ток нагрузки принимается либо по длительному допустимому току нагрева провода, либо задается диспетчерской службой энергосистемы, в последнем случае указывается cosφ нагрузки:

, (3.26)

где – минимальное эксплуатационное напряжение, равное 0.9U ном ;

– коэффициент надежности;

– коэффициент возврата для реле сопротивления;

– угол максимальной чувствительности;

– угол сопротивления, обусловленного нагрузкой;

– максимальный ток нагрузки.

Выдержка времени третьей ступени защиты выбирается на ступень селективности больше выдержки времени вторых ступеней защит, аналогично выбору выдержки времени второй ступени.

Расчет во вторичных величинах:

(3.27)

Токовая отсечка линии W3.

Ток срабатывания зашиты рассчитывается:

где – ток кз в конце защищаемой линии W4.

Коэффициент чувствительности рассчитывается:

.

где – ток кз в начале защищаемой линии W3.

Токовая отсечка принята к установки.

Токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП) линии w4.

Расчет токов КЗ проведем с использованием программы АРМ СРЗА

Расчет первой ступени.

Ток срабатывания отсечки первой ступени выбирается по следующему условию: выполняется отстройка от максимального тока 3I 0 , протекающего через защиту при КЗ за выключателем смежного участка (на шинах приемной подстанции):

где К н = 1.3 – коэффициент надежности по избирательности, учитывающий погрешность реле, ошибки расчета, влияние апериодической составляющей и необходимый запас;

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

Бурное развитие электрических сетей сегодня требует большого числа высокоэффективных защит воздушных линий (ВЛ), используемых для передачи электроэнергии.

К основным требованиям, которые предъявляются к подобным устройствам можно отнести следующие моменты:

• удобство в использовании;
• минимальная цена;
• компактность;
• универсальность;
• селективность.

Обладая такими свойствами, современные виды защит высоковольтных линий способны надёжно сохранять их от всех видов коротких замыканий.

Разновидности.

Из наиболее распространённых типов можно выделить следующие:

Дистанционная защита (ДЗ). В сетях, имеющих сложную конфигурацию, для защиты от коротких межфазных замыканий применятся ДЗ , которая выполняет измерение полного сопротивления ВЛ от измерительных трансформаторов напряжения на подстанциях до непосредственного места возникновения КЗ.

Так как данное сопротивление пропорционально дистанции (расстоянию) до мест короткого замыкания, то и защита получила название дистанционной.

Она сложнее обычных токовых и имеет следующие преимущества:

Зона её действия всегда остаётся постоянной вне зависимости от режима сети и величин токов КЗ;
- имеет направленность действия.

В целях обеспечения селективности действия дистанционной защиты на смежных ВЛ время их действия делают зависимым от расстояния до места возникновения короткого замыкания: дальше КЗ – больше время срабатывания.

Защита выполняется по ступенчатому принципу, когда каждая последующая ступень имеет большую выдержку отключения по времени.

Токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП). При коротких замыканиях на землю применятся ТЗНП, которая использует факт появления в напряжениях и токах нулевой последовательности при таких КЗ в сетях, работающих в режиме глухозаземлённой нейтрали у трансформаторов.

Как известно, составляющие нулевой последовательности выделяются из фазных величин простой геометрической суммой векторов данных величин.

При этом, нулевой провод токовых цепей, которые собраны по схеме полной звезды – это не что иное, как фильтр токов нулевой последовательности. Поэтому ТЗНП выполняется на электромагнитных реле, включённых в нулевой провод.

Селективность на смежных ВЛ обеспечивается также как и у ДЗ, когда время действия защиты зависит от расстояния до места короткого замыкания, то есть, чем меньше ток срабатывания, тем дальше точка короткого, тем больше время срабатывания.

Как и ДЗ, ТНЗП выполняется ступенчатым, когда каждая последующая ступень имеет меньший ток и большее время срабатывания.

Токовая отсечка (ТО). Данная мера считается дополнением защит от коротких межфазных замыканий, которая за счёт своей простоты схемы способна обеспечить максимум надёжности.

Токовая отсечка особенно востребована при замыканиях в самом начале линий, когда направленные защиты менее надёжны. Так, например, если 1-ая ступень ДЗ выполнена с выдержкой времени, то отсечка в данном случае будет единственной быстродействующей мерой.

Правда, на ВЛ небольшой длины, когда 1-ая ступень ДЗ делается с выдержкой времени, правильно отстроить ТО от КЗ на шинах ПС с противоположной стороны с обеспечением нормальной чувствительности при замыканиях вначале линии не всегда возможно.

В таких случаях лучше применять, так называемую, неселективную токовую отсечку, которая автоматически вводится в действие при помощи контакта реле ускорения при включении линейного выключателя вручную или же от АПВ.

Современные подходы в разработке РЗА.

Сегодня в целях получения максимального эффекта при защите высоковольтных линий 110-220 кВ используются комплексы защит, которые представляют собой набор основных мер, позволяющих охватить всю длину ВЛ, сохранив при этом требуемую селективность.

Как правило, применяются следующие наборы защит:

• 1-ый комплекс:
• двухступенчатая ДЗ;
• одноступенчатая ТЗНП.
• 2-ой комплекс:
• токовая отсечка;
• одноступенчатая ДЗ;
• трёхступенчатая ТЗНП.

Такой подход позволяет получить полное резервирование оперативных цепей, когда при выходе одного комплекса в работу автоматически вступает второй.