9. Дистанционный принцип. Дистанционные защиты. 3-х ступенчатая дистанционная защита. Условия выбора уставок.

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные МТЗ (максимальные токовые защиты) и НТЗ (направленные токовые защиты) не могут обеспечить селективного отключения КЗ.

Дистанционными называются защиты с относительной селективностью, выполняемые с использованием измерительных органов сопротивления — органов, характеристической величиной для которых по ГОСТ является заданная функция выраженных в комплексной форме отношений входных напряжений к входным токам. Это отношение для удобства анализа и расчетов защиты еще в 20-е годы было принято называть сопротивлением на зажимах защиты. Необходимо отметить, что приведенное может приниматься только с некоторыми оговорками. Указанное отношение для многих органов сопротивления при неучёте поперечной проводимости линий и металлических КЗ (R_П = 0) пропорционально расстоянию от места включения защиты до места повреждения - дистанции, что и определило название защиты.

Характеристические величины органов сопротивления при возникновении повреждения снижаются. С учетом этого, как правило, используются минимальные органы, работающие без выдержки времени. Последние, при необходимости, создаются отдельными органами выдержки времени, определяющими ступенчатую характеристику . Обычно она имеет три ступени (рис. 6. 1).

Логическое уравнение, характеризующее работу защиты при принятых условиях если принять ИО сопротивления направленными, имеет вид:

где максимальное значение сопротивления , при которых защита еще срабатывает.

D_t — операторы задержки по времени ступеней защит (индексы I, II, III сверху указывают номер ступени, а индексы 1, 2, 3 снизу – соответствующие им параметры срабатывания).

Для органа сопротивления, как и для органа тока, существуют понятия о – минимальном , при котором он возвращается в исходное состояние, о и (поскольку органы включаются через ТА и TV) и о коэффициенте возврата . Связь между первичными Z_З и вторичными Z_Р часто определяется соотношением Z_Р = (К_Iном / К_Uном) Z_З. Коэффициент возврата k_В = Z_В.Р / Z_С.Р = Z_В.З /Z_С.З>>1, поскольку орган минимальный. В целях упрощения записей в дальнейшем принимается К_Iном / К_Uном = 1, т. е. Z_Р = Z_З.

Практически работа дистанционных защит при КЗ определяется не только расстоянием l до места повреждения, но и рядом других искажающих факторов – переходными сопротивлениями R_П, наличием между местами их включения и КЗ источников питания и нагрузок, сдвигами по фазе между ЭДС источников питания, неоптимальным сочетанием воздействующих величин органов сопротивления и т. д.

Работа защит рассматривается на примере их применения в сети с двусторонним питанием (рис. 6.2, а). Характеристики выдержек времени защит даны на рис. 6.2, б. Защиты 1–6 включаются с обеих сторон каждого участка и являются направленными. При КЗ, например, в точке, расположенной посредине линии БВ, с минимальным временем t^I (рис. 6.2, б) сработают защиты 3 и 4 повреждённой линии как ближайшие к месту КЗ (расстояние l₃ и l₄). Защиты 1 и 6 также действуют; однако, являясь более удалёнными от места КЗ (l₁ > l₃ и l₆ > l₄), они могут срабатывать только как резервные с выдержками времени t^III в случае, если участок БВ не отключится собственными защитами. Несрабатывание защит 2 и 5, находящихся от места КЗ на тех же расстояниях l₃ и l₄, что и защиты 3 и 4, обеспечивается направленностью действия, дающей защитам возможность срабатывать только при направлении мощности КЗ от шин в сторону защищаемого участка. Направленность действия может не потребоваться только в некоторых частных случаях, например, для защит участков с односторонним питанием.

При расположении точки КЗ К не в середине участка БВ, а близко к одной из его сторон, например В, защита 3 будет работать уже с выдержкой времени t^II. При этом поведение других защит останется прежним. В случае КЗ на шинах, например подстанции B, оно должно ликвидироваться срабатывающими с t^II защитами 3 и 6 (защиты 4 и 5 не срабатывают, так как через них мощность КЗ направлена к шинам).

Существенными преимуществами дистанционных защит, по сравнению с токовыми направленными защитами, при внешнем сходстве их характеристик t = f (l) являются значительно более чётко фиксированная длина первой защищаемой зоны, составляющей при R_П = 0 l^I 0,85 0,9 длины участка, более совершенный охват второй зоной l^II конца участка и шин противоположной подстанции (больший k_ч^II), большая чувствительность III ступени с соответствующей ей l^III (если токовые направленные защиты включены на полные токи и напряжения фаз, а не на составляющие нулевой последовательности для действия при К⁽¹⁾).

Выбор параметров защиты

Применительно к трёхступенчатым дистанционным защитам выбору подлежат времена t^I , t^II, t^III и сопротивления Z_С,_З^I , Z_С,_З^II и Z_С,_З^III. Времена устанавливаются полностью так же, как для токовых направленных защит: у первой ступени – t^I (без выдержки времени), у второй – t^II, для вторых ступеней всех защит они одинаковы и часто равны ~ 0,5 с (отстраиваются от 1 ступени нижестоящей защиты), у третьей ступени – t^III, они выбираются по встречно ступенчатому принципу [в соответствии с которым в группе защит каждого направления выдержки времени выбираются независимо по ступенчатому принципу начиная с защиты, наиболее удалённой от источника питания, обуславливающего прохождение тока заданного направления]. Выбор Z_С,_З имеет некоторые особенности, рассматриваемые ниже на примере защиты 1 сети на рис. 6.2, в, предназначенной для действия при многофазных КЗ, с включением ИО (измерительных органов) сопротивления на междуфазные напряжения и разности фазных токов.

Выбор Z_С,_З^I. Рабочие режимы даже с минимальным рабочим сопротивлением Z_РАБmin = U_РАБmin / I_РАБmin и режимы самозапуска расчетными не являются (слишком мало сопротивление срабатывания); некоторые исполнения защит на них вообще не реагируют. Для предотвращения ложного срабатывания при качаниях применяются специальные устройства (см. ниже). Поэтому первичное сопротивление срабатывания Z_С,_З^I определяется, исходя только из условия отстройки от КЗ в начале предыдущих элементов (линий, трансформаторов подстанции Б – точки К₁ и К₂) по выражению

где l_Л – длина защищаемого участка (например, АБ); z₁ – его удельное сопротивление прямой последовательности; k_ОТС^I < 1 (орган минимальный).

Обычно принимают k_ОТС^I 0,85 0,9. Первые ступени защит в рассматриваемой сети должны быть обязательно направленными для предотвращения неправильного срабатывания, например защиты 1 при КЗ в системе А (Рисунок 1.1). Возможные мёртвые зоны часто исключаются вспомогательными токовыми отсечками или специальными мероприятиями.

Выбор Z_С,_З^II. Сопротивление Z_С,_З^II от Z_РАБmin и самозапусков обычно отстроено. Оно определяется по тем же условиям, что и I_C,_З^II токовых направленных защит: отстройка от начала второй зоны (конца первой) предыдущей дистанционной защиты 3, отстройка от КЗ за трансформаторами подстанции в конце линии (точке К₃), при которых трансформаторы могут отключаться с t > t^II. При расчетах обычно пренебрегают разницей углов сопротивлений смежных элементов. Тогда с учётом коэффициента распределения токов k_ТОК по первому и второму условиям получаются неравенства.

При наличии III ступени, резервирующей действие II, считается возможным иметь k_Ч^II 1,25. Направленность действия II ступеней прежде всего определяется условиями повышения их чувствительности. Для исключения мёртвых зон характеристику Z_С.Р^II = f ( ) выбирают так, чтобы она заходила в зоны действия защит последующих элементов.

Выбор Z_С.З^III. Сопротивления Z_С.З^III в отличие от Z_С,_З^I и Z_С,_З^II обычно выбираются по условию отстройки от минимального рабочего сопротивления Z_РАБmin: Z_С.З.^III_РАСЧ < Z_РАБmin при . Однако более тяжелым является условие возврата органа в исходное состояние после отключения внешнего КЗ (рис. 6.3). По этому условию необходимо иметь сопротивление возврата или , где , а учитывает пониженное переходное по сравнению за счет самозапуска двигателей потребителей, обусловливающего повышение тока в защищаемой линии и понижение напряжения. Сопротивление выражается через . Учитывая эти соотношения, получаем

Конец вектора Z_С,_З, _РАСЧ (при угле ) определяет на комплексной плоскости Z расчетную точку характеристики срабатывания III ступени Z_С,_З^III = f ( ). Эта характеристика должна обеспечивать необходимую чувствительность защиты (k_Ч 1,5 при металлическом КЗ в конце защищаемого участка). При КЗ в конце смежных элементов, когда защита может работать как резервная (дальнее резервирование), считается желательным иметь k_Ч 1,25.

Для обеспечения этих, в общем случае весьма тяжелых, требований для III ступеней часто используются органы с характеристиками срабатывания Z_С,_З^III = f ( ), имеющпми в плоскости Z вид, отличный от принимаемых для I и II ступеней, – например в виде треугольника.