7. Направленные защиты. Схемы включения реле направления мощности. Направленная мтз лэп с 2 -ним питанием. То сетей с 2-ним питанием. Условия выбора уставок.

Токовыми направленными защитами называются защиты с относительной селективностью, реагирующие на ток и направление (знак) мощности КЗ в месте их включения. От обычной токовой защиты направленная отличается наличием дополнительного ИО - органа направления мощности (ОНМ). Необходимость в применении направленных РЗ возникает в сетях с двухсторонним питанием и в кольцевых сетях с одним источником питания. Применение простых токовых защит в этом случае не может обеспечить правильной работы устройств РЗА, так как токи КЗ могут иметь различное направление относительно шин подстанций. При двухстороннем питании места КЗ для ликвидации повреждения РЗ должна устанавливаться с обеих сторон защищаемой ЛЭП.

Рисунок 1

В электрических сетях с двухсторонним питанием и в кольцевых сетях обычные токовые защиты не могут действовать селективно. Например, в электрической сети с двумя источниками питания (рис. 1), где выключатели и защиты установлены с обеих сторон каждой линии, при повреждении в точке К1 должны выполняться следующие условия выбора выдержек времени срабатывания МТЗ:

При КЗ в точке K2:

При КЗ в точке K3:

Эти требования противоречивы и не могут быть выполнены в одной системе защит.

Для обеспечения селективного действия токовых защит в этих условиях необходимо использовать дополнительный признак, характеризующий расположение места повреждения относительно защит. В качестве этого признака можно использовать направление мощности в месте установки защиты.

Для того чтобы обеспечить селективное действие МТЗ, нужно разрешить действовать только тем защитам, направление мощности короткого замыкания в месте установки которых – от шин к линии. Тогда выполнять согласование по времени срабатывания необходимо только для тех защит, действие которых разрешено (рис. 2).

Рисунок 2

С учетом этого при коротком замыкании в точке К1:

в точке K2:

в точке K3:

Как видно на рис. 2, в новых условиях требования к соотношению выдержек времени срабатывания отдельных защит не противоречат друг другу. Следовательно, система защиты реализуема.

Схемы направленных защит

Рисунок 7

В отечественных энергосистемах в направленных токовых защитах принято использовать 90-градусную схему включения реле направления мощности смешанного типа. При этом в токовую катушку первого реле подается через ТТ ток фазы А, а к его потенциальной катушке подводится через ТН линейное напряжение ВС (рис. 7, а). Угол между этими векторами составляет 90º. Отсюда и произошло название схемы включения реле. Такое сочетание сигналов, подводимых к реле, улучшает работоспособность реле при близких коротких замыканиях.

Для трехфазного исполнения защиты , , , , , , где – векторы токов в токовых катушках первого, второго и третьего реле направления мощности; – векторы напряжений, подведенных к потенциальным катушкам первого, второго и третьего реле направления мощности; – векторы вторичных линейных напряжений.

Векторная диаграмма реле направления мощности соответствует 90 градусной схеме включения реле с углом внутреннего сдвига α, равном 45° ( , равном - 45°, где – угол максимальной чувствительности реле – угол между током и напряжением на реле, при котором момент максимален, подробнее – см. Елфимов «Реле направления мощности») (рис. 7, б) в симметричном режиме контролируемого объекта. Вектор тока отстает от вектора напряжения при КЗ на контролируемом объекте (например, линии) на угол определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивление контролируемой линии (см. рис. 7 а). Вектор имеет два предельных положения. Одно – при КЗ за чисто индуктивным сопротивлением ( , равном 90^о). Другое – при КЗ за чисто активным сопротивлением ( , равном 0^о, например, при КЗ вблизи места установки реле). Это означает, что угол между векторами тока и напряжения , подведенными к реле, равен – ( ) и может изменяться в симметричном режиме от 0 до 90^о (вектор тока опережает вектор напряжения).

Как видно на рис. 7, б, вращающий момент реле при трёхфазных КЗ в зоне действия защиты положителен и близок к максимальному; следовательно, реле надёжно срабатывает. При трёхфазных КЗ вне зоны вращающий момент изменяет своё направление на противоположное значение и реле столь же надежно не срабатывает.

Н апряжения и токи, подводимые к реле при 90^о и 30^о схемах включения. Недостатком 30^о схемы является возможность отказа в действии реле при двухфазных КЗ из-за недостаточной величины напряжения. Ввиду этого для двухфазных защит 30-градусная схема не применяется.

Схема 3U0+3I0

Выбор параметров срабатывания направленных токовых защит

Максимальная направленная защита должна реагировать на величину тока и направление мощности КЗ. Она представляет собой МТЗ, дополненную реле направления мощности. Схема защиты (рисунок 8) состоит из трех основных элементов (органов защиты): два пусковых реле тока KA, которые срабатывают при появлении тока КЗ и выдают сигнал, разрешающий РЗ действовать; два реле направления мощности KW, которые срабатывают при направлении мощности от шин в линию и подают сигнал, разрешающий РЗ действовать. Если же мощность направлена к шинам, то реле KW выдают сигнал, блокирующий действие РЗ.

Рисунок 8

Направленные МТЗ необходимо отстраивать от максимальных рабочих токов с учетом самозапуска электродвигателей в послеаварийных режимах после отключения смежного присоединения, т.е. так же, как и обычные ненаправленные МТЗ:

В случае, если мощность на нагрузку в нормальном режиме (и в неповреждённых фазах при КЗ) идёт от шин в линию, а случилось КЗ с направлением мощности от линии к шинам (ОНМ заблокировал защиту), в неповреждённых фазах могут возникнуть наведённые токи (по закону ЭМ индукции), направленные от шин в линию. Суммарный ток в фазе (сумма нагрузочного и наведённого) может превысить уставку МТЗ и вызвать ложное срабатывание защиты. Поэтому в сетях с глухозаземленной нейтралью направленные МТЗ должны быть также отстроены от токов, возникающих в неповрежденных фазах при однофазных и двухфазных коротких замыканиях на землю (если не используется блокировка действия от защит, действующих при замыканиях на землю).

Формула для отстройки направленных МТЗ:

где – коэффициент запаса (1,15…1,3); – максимальное значение тока в неповрежденной фазе; , – доля тока КЗ в неповрежденной фазе – максимальное значение тока при однофазном или двухфазном КЗ на землю.

Большее из значений, полученных по первому и второму условиям, принимается за расчетное. Ещё одной мерой, призванной исключить неправильное действие реле направления мощности неповреждённых фаз, является использование особых схем защит (с т.н. пофазным пуском), которые подают сигнал на отключение объекта только тогда, когда срабатывают токовое реле и включенное на ток той же фазы реле направления мощности (рис. 9). Дополнительные смежные защиты, действующие в одном направлении, должны быть согласованы по чувствительности. Токи срабатывания защит должны нарастать при их обходе против направления действия с приращением не менее 10%. Иначе при токах КЗ, близких по значению к токам срабатывания защит, некоторые из них могут подействовать неселективно.

Следует отметить, что защиты необходимо отстраивать от максимальных токов в местах их установок независимо от направления действия защиты и направления передачи мощности для исключения ложного срабатывания при повреждениях цепей напряжения защиты. Если при этом чувствительность защиты недостаточна, то допускается использовать в качестве расчетного ток, соответствующий передаче мощности в направлении действия защиты. Выдержки времени срабатывания выбираются по условию обеспечения селективности. Согласуются защиты, действующие в одном направлении. Время срабатывания защит должно нарастать ступенчато с приращением ∆t при обходе их против направления действия (см. рис. 2).

Рисунок 9

Перед уставками по времени описание работы схемы на рис. 9: здесь трансформаторы тока соединены в неполную звезду (описание для данного типа соединения есть в вопросе по ТТ), к ним подключены токовые реле КА1 и КА2 и реле направления мощности КW1 и КW2. Реле направления мощности также подключены к трансформаторам напряжения. При КЗ на реле тока и реле направления мощности подается питание, и они замыкают свои контакты (РНМ замыкает контакты при направлении мощности от шин в линию) и подается питание на реле времени КТ1. КТ1 замыкает свои контакты с выдержкой времени, после чего подается питание на указательное и промежуточное реле (КН и КL1 соответственно). Контакты промежуточного реле замыкаются и подается питание на электромагнит отключения выключателя, выключатель отключается, блок-контакты выключателя размыкаются, разрывая цепь ЭМ отключения.

Здесь и – время срабатывания защит, установленных на присоединениях Н1 и Н4 соответственно.

Рисунок 10

Участок контролируемой электрической сети вблизи места установки защиты, в пределах которого реле направления мощности при КЗ может не сработать из-за недостаточной мощности на его зажимах ( )), принято называть мертвой зоной (м. з.).

Границу этой зоны можно определить, опираясь на следующие рассуждения. Пусть напряжение срабатывания реле при КЗ на границе мертвой зоны:

Здесь – значение тока в токовой катушке реле при повреждении в начале контролируемого объекта (в месте установки защиты); – угол между векторами тока и напряжения, подведенными к реле; – ток КЗ в т. N (см. рис. 10); – коэффициент трансформации трансформатора тока.

При 90-градусной схеме включения реле . Угол между векторами тока и напряжения в первичной цепи определяется соотношением удельных реактивного и активного сопротивлений контролируемого объекта:

Первичное фазное напряжение срабатывания реле при КЗ, при котором выполняется условие работы защиты :

где – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Сопротивление мертвой зоны (сопротивление в точке М, при котором начинает выполняться условие срабатывания реле :

Здесь – значение первичного тока в месте установки защиты при трехфазном КЗ в начале контролируемого объекта (в месте установки защиты (точка N)).

Тогда протяженность мертвой зоны (m):

где – удельное полное сопротивление контролируемого объекта.

Токовые направленные отсечки основаны на том же принципе, что и токовые ненаправленные отсечки. Реле направления мощности в схеме отсечки не позволяет ей действовать при мощности КЗ, направленной к шинам. Следовательно, отстройка тока срабатывания направленной отсечки ведется только от токов КЗ, направленных от шин подстанции. В этом заключается принципиальное отличие направленной отсечки от ненаправленной. Направленная отсечка применяется в сети с двусторонним питанием, когда токовая отсечка оказывается слишком грубой из-за необходимости отстройки ее от тока КЗ, притекающего с противоположного конца защищаемой линии к шинам подстанции, где установлена отсечка. В этом случае ток срабатывания у направленной отсечки меньше, чем у ненаправленной; поэтому зона действия у первой отсечки значительно больше, чем у второй. Вследствие наличия мертвой зоны у реле мощности направленная отсечка должна применяться только в тех случаях, когда простая отсечка не удовлетворяет условию чувствительности. Схема мгновенной направленной отсечки отличается от схемы направленных токовых защит только отсутствием реле времени. Направленные отсечки выполняются мгновенными и с выдержкой времени. Выбор тока срабатывания производится, как и у простой токовой отсечки с тем отличием, что направленную отсечку не требуется отстраивать от КЗ за шинами данной подстанции, так как в этом случае мощность направлена к шинам и отсечка блокируется реле мощности. Направленные отсечки реагируют на токи качаний. Поэтому их следует отстраивать от токов при качаниях или снабжать блокировкой от качаний. В ряде случаев оказывается возможным применять трехступенчатые направленные защиты, состоящие из мгновенной отсечки, отсечки с выдержкой времени и чувствительной токовой защиты.