Элементы и упрощённая схема дистанционной защиты

Дистанционная защита относится к числу сложных защит. Все разновидности этой защиты состоят из нескольких общих элементов (органов защиты), выполняющих определенные однотипные функции.

Взаимную связь между органами дистанционной защиты, их назначение и выполняемые ими функции можно пояснить упрощенной схемой защиты со ступенчатой характеристикой, показанной для одной фазы на рис. 11-5.

Защита состоит - из следующих органов:

1) Пускового органа, пускающего защиту при возникновении КЗ. Обычно пусковой орган выполняется при помощи реле полного сопротивления или токовых реле. На рис. 11-5 в качестве пускового органа 1 показано реле сопротивления, питаемое током I_Р и напряжением U_Р сети;

2) Дистанционного органа (2), определяющего удаленность места КЗ. В ступенчатых защитах — выполняется с помощью реле минимального сопротивления. К реле подводятся ток и напряжение защищаемой линии, где z_С.Р — наибольшее сопротивление, при котором реле начинает действовать, т. е. сопротивление срабатывания реле. Сопротивление z_Р иногда называется фиктивным, так как в некоторых режимах (например, при нагрузке и качаниях) z_Р характеризует режим работы сети, а не является сопротивлением линии. В этих случаях оно представляет собой отношение U_Р/I_Р, обладающее размерностью сопротивления, но не имеющее физического значения;

3) Органа выдержки времени (3), создающего выдержку времени, с которой, в зависимости от поведения дистанционного органа, действует защита; выполняется в виде реле времени обычной конструкции;

4) Органа направления мощности (4), не позволяющего работать защите при направлении мощности КЗ к шинам подстанции. Выполняется при помощи реле направления мощности и предусматривается только в тех случаях, когда пусковые и дистанционные органы не обладают направленностью;

5) Блокировки, которая автоматически выводит защиту из действия в тех режимах, когда защита может сработать неправильно при отсутствии повреждения. Обычно применяются две блокировки:

а) блокировка (5) от исчезновения напряжения U_Р при неисправностях в цепях напряжения, питающих защиту. При U_Р = 0, как следует из (11-1), z_Р = 0, в этих условиях пусковые реле (если они реагируют на z) и дистанционные органы защиты приходят в действие, что может привести к неправильной работе защиты; блокировка 5 приходит в действие при неисправностях в цепях напряжения, снимает оперативный ток с защиты, не позволяя ей действовать на отключение;

б) блокировка (6) от неправильного действия защиты при качаниях в системе. В этом режиме напряжение U_Р снижается, а ток I_Р возрастает, при этом согласно (11-1) z_Р уменьшается, в результате чего пусковые и дистанционные органы защиты могут сработать и вызвать неправильное действие защиты; при возникновении качаний блокировка 6 приходит в действие и выводит защиту из работы, размыкая ее цепь отключения.

Работа схемы

При КЗ на линии работают пусковое реле ПО и реле мощности ОМ. Через их контакты подается плюс постоянного тока к контактам дистанционных органов и на катушку реле времени третьей зоны. Если КЗ возникло в пределах первой зоны, то дистанционный орган первой зоны (ДО_I) замыкает контакты, образуя цепь на отключение линии. Если КЗ произошло во второй зоне, ДО_I не работает, так как сопротивление на его зажимах больше уставки сопротивления срабатывания первой зоны (z_Р > z₁). В этом случае приходит в действие дистанционный орган второй зоны (ДО_II). Он замыкает контакты и пускает реле времени (В_II). По истечении времени t_II, В_II замыкает контакт и посылает импульс на отключение.

При КЗ за пределами второй зоны дистанционные органы ДО_I и ДО_II не работают, так как сопротивления на их зажимах превышают уставки сопротивления срабатывания. Защита не может действовать со временем первой и второй зон. Реле времени В_III, запущенное пусковым реле, срабатывает, когда истечет его выдержка времени t_III, и посылает импульс на отключение выключателя. Специальных измерительных органов третьей зоны для упрощения защиты обычно не ставят.

Принципы выполнения статических РС. Все разновидности РС основаны на сравнении абсолютных значений или фаз двух или нескольких электрических величин. Эти величины представляют собой синусоидальные напряжения

Каждое из них является линейной функцией напряжения U_Р, и тока I_Р, измеряемых в месте установки РЗ. Сравниваемые напряжения образуются из U_Р и I_Р по выражениям:

Коэффициенты К_U1 – К_Un (11.14) являются постоянными величинами. Их значения определяют форму и уставки характеристики срабатывания. Коэффициенты К_I1 – К_In представляют собой комплексы, имеющие размерность сопротивлений, а К_U1 – К_Un – действительные числа.

Реле сопротивления с характеристиками срабатывания в виде окружности, эллипса (овала) и прямой линии выполняются по принципу сравнения двух напряжений U₁ и U₂ по (11.14). Для получения реле с характеристикой в форме треугольника или четырехугольника производится сравнение трёх или четырёх напряжений U₁, U₂, U₃, U₄.

Напряжение U₁ – U_n целесообразно выразить через сопротивления Z_P, поскольку поведение РС зависит от их значений. Для этого следует преобразовать правую часть уравнений (11.14), вынеся за скобки I_P и коэффициент К_U при U_P, тогда с учётом того, что U_P = I_PZ_P, получим:

Здесь принято, что

Сопротивления Z₁ и Z_n являются постоянными комплексными величинами, определяющими форму характеристики и уставки срабатывания реле.

Реле сопротивления на полупроводниковых элементах выполняются на сравнении абсолютных значений и на сравнении фаз. Последние более быстродействующие (они могут срабатывать в течение полупериода промышленной частоты, т. е. с t 0,01 с) и проще в исполнении. Поэтому РС, построенные на сравнении фаз, находят все более широкое применение.

Общая структурная схема дистанционного органа. Реле сопротивления, выполняющие функции ДО, построенные на сравнении фаз или абсолютных значений электрических величин, выполненные на полупроводниках в виде дискретных элементов или ИМС (интегральных микросхем), имеют одинаковую структурную схему (рис. 11.15). Рассматривается общий случай сравнения n напряжений U₁ – U_n, образованных по (11.14). Реле состоит из четырех частей: 1 – преобразователей напряжения П_U (ПТН) и тока П_I (ПТТ или ПТР); 2 – устройств формирования сравниваемых напряжений УФ; 3 – устройства УС, осуществляющего сравнение электрических величин по абсолютному значению или по фазе; 4 – реагирующего и исполнительного органа РО.

Напряжение U_P и ток I_P от измерительных ТТ и ТН подводятся к П_U и П_I, которые преобразуют исходные величины U_P и I_P в пропорциональные им напряжения:

Э ти напряжения по (11.14а) подаются к формирователям УФ. Каждый формирователь представляет собой сумматор, преобразующий входные напряжения в сравниваемые величины по (11.14) и осуществляющий их суммирование. Например, в сумматоре n образуется два напряжения K_UnU_P и K_InI_P, они суммируются, и на выходе УФ появляется напряжение

Аналогично образуются напряжения на выходе остальных сумматоров. В зависимости от принципа работы РС в состав устройства формирования могут входить выпрямители синусоидальных величин, получаемых от преобразователей U_P и I_P, и частотные фильтры, подавляющие токи высших гармоник. Напряжения U₁ – U_n с выхода УФ поступают на вход схемы сравнения УС. Здесь производится их сравнение по модулю или по фазе в соответствии с заданным условием (алгоритмом) срабатывания РС. В результате на выходе УС появляется напряжение U_ВЫХ, значение или знак которого зависит от соотношения абсолютных значений или от фаз сравниваемых величин. Выходной сигнал поступает на РО. При определенных значениях амплитуд или фаз сравниваемых напряжений, соответствующих повреждению в зоне действия РС, на выходе РО появляется сигнал о срабатывании реле в виде U_ВЫХ > U_С.Р.