Примеры кольцевых сетей, в которых можно обеспечить селективность (практика 4-го курса рз)

Рисунок 11.7 – Пример с практики РЗ, где селективность ОБЕСПЕЧИТЬ МОЖНО (речь именно про использование направленных МТЗ) [Как видно, схема перерисовуется в более удобном виде, т.е. кольцевая сеть «разрезается» по источнику. Далее определяются времена срабатывания для каждой защиты с учётом соблюдения селективности ( с).]

Рисунок 11.8 – Пример с практики РЗ, где селективность ОБЕСПЕЧИТЬ МОЖНО (речь именно про использование направленных МТЗ) [Принцип такой же, как и в случае с рисунком 11.7.]

Очевидно, в этих, рассмотренных на практиках, случаях прослеживается закономерность: данные кольцевые сети имеют один источник питания и диагональные линии, ПРОХОДЯЩИЕ через источник питания. В таких сетях, с помощью направленных МТЗ, возможно обеспечить селективность.

Пример кольцевой сети, в которой нельзя обеспечить селективность (практика 4-го курса рз)

Рисунок 11.9 – Пример с практики РЗ, где селективность ОБЕСПЕЧИТЬ НЕЛЬЗЯ (речь именно про использование направленных МТЗ) [Принцип такой же, как и в случае с рисунком 11.7.]

В данном случае кольцевая сеть имеет один источник питания, но диагональная линия, НЕ ПРОХОДИТ через источник питания. В таких сетях, с помощью направленных МТЗ, невозможно обеспечить селективность.

Доказывается это следующим образом: при КЗ на участке 9-10 пустятся защиты 9, 10, 1, 8, защита 4 (либо 3, в зависимости направления протекания токов КЗ через линию 3-4) и 6 (либо 5). При этом, защита 9 должна сработать быстрее защиты 4. При КЗ на участке 3-4 пустятся защиты 3, 4, 1, 8, 6 (либо 5), 9 (либо 10). При этом, защита 4 должна сработать быстрее защиты 9. Взаимоисключающие утверждения! При данном выборе выдержек времени, при КЗ в К1 сработают защиты 9 и 10 и либо 4, либо 5, что является неселективной работой. При КЗ в К2 сработают защиты 3,4 и либо 9, либо 10, что является неселективной работой.

Чувствительность защит для линий с двусторонним питанием при учёте возможных аварийных перегрузок (например, при отключении генерирующей мощности в одной из систем, связанных защищаемыми линиями) может быть совершенно недостаточной. Приходится также иметь в виду возможность излишних срабатываний при качаниях.

Лучше дело обстоит в сетях с одним источником питания, в которых непредусмотренные аварийные перегрузки могут и не появляться. В них также не возникает вопроса отстройки от качаний.

Значительно лучшие показатели имеют токовые направленные защиты нулевой последовательности. Данные же защиты находят применение преимущественно в кольцевых сетях с одной точкой питания и напряжением до 35 кВ (в случае, если их выдержки времени оказываются допустимыми).

12. Направленная максимальная токовая защита. Встречно-ступенчатый принцип выбора уставок. Кольцевая сеть с одним источником питания (Выбор уставок защит, определение зоны каскадного действия).

(см. доп. материал в билете 8)

Токовыми направленными называются защиты с относительной селективностью, реагирующие на ток и направление (знак) мощности КЗ в месте их включения. Таким образом, направленная защита отличается от ненаправленной наличием дополнительного ИО, называемого органом направления мощности (ОНМ). Токовые направленные защиты могут использоваться на линиях, трансформаторах и в других случаях.

Защиты могут срабатывать при превышении током в месте их включения заранее установленного значения (максимальные защиты). В общем случае они выполняются со ступенчатыми, плавными (зависимыми) или комбинированными характеристиками выдержки времени , где l – расстояние от места включения защиты до точки возникновения КЗ. В сетях с кВ защиты преимущественно предназначаются для ликвидации только КЗ на землю ( ) и выполняются как защиты нулевой последовательности; для них требуются ТА в трех фазах, которые включаются так, чтобы иметь ток в ИО . Используются иногда схемы с включением ИО на другие симметричные составляющие, а также с дополнительными ИО напряжения.

Типичными являются защиты со ступенчатыми характеристиками . Током срабатывания защиты или её отдельных ступеней I_с.з обычно называется минимальный ток в фазах линии, при котором защита (её ступень) может срабатывать. Логическое уравнение, характеризующее работу трёхступенчатых токовых направленных защит, имеет вид

,

Где – орган направления мощности (принимает 1, когда направление мощности в сети равно заданному).

Действие токовой защиты рассматривается в первую очередь на примере её применения для радиальной сети с односторонним питанием (рис. 12.1, а). Устройства защиты включаются только со стороны питания всех элементов и могут действовать на отключение своих выключателей. Примерные характеристики выдержек времени защит 1', 2' и 3' даны на рис. 12.1, б.

Действие токовой направленной защиты в первую очередь рассматривается на примере ее применения для цепочки одиночных линий с двусторонним питанием (рис. 12.1.2). Защиты 1-6, как и выключатели, должны включаться с обеих сторон участков, связывающих подстанции А и Г, имеющие источники питания. Первые две ступени необходимы для защиты всей длины участка, третья - для резервирования отключения КЗ на смежных участках и в зонах действия первых двух ступеней. Действие II и III ступеней защиты как резервных для своего участка отмечено на рис. 12.1, б пунктиром. Органы направления мощности могут требоваться, как будет рассмотрено ниже, только у части ступеней. Основными параметрами защит, требующими определения, являются токи срабатывания I_с.з и выдержки времени отдельных ступеней.

Рис. 12.1. Размещение токовых защит со ступенчатыми выдержками времени

в радиальной сети с односторонним питанием (а) и примерный

выбор их характеристик выдержек времени (б)

Рис. 12.1.2. Цепочка линий с двусторонним питанием

Рассмотрение оказывается целесообразным начинать с последних (третьих) ступеней, в частности потому, что они часто используются отдельно - в качестве самостоятельных защит. При включении на полные токи фаз они называются максимальными токовыми защитами, а при дополнении их органами направления мощности - максимальными токовыми направленными защитами.

МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ

Логическое уравнение, характеризующее работу защиты, .

Выдержки времени защит. Они выбираются согласно встречно-ступенчатому принципу, по которому все защиты цепочки линий (рис. 12.2, а) разделяются по направленности действия на две группы (защиты 2, 4, 6 и 5, 3, 1), в каждой из которых выдержки времени устанавливаются уже, как у ненаправленных защит, по ступенчатому принципу по выражениям:

На рис. 12.2, б приведены выдержки времени, выбранные по рассматриваемому принципу. Как видно, КЗ в любом месте правильно ликвидируется защитами двух сторон только повреждённого участка; так, например, при КЗ на участке БВ срабатывают только защиты 3 и 4.

Рис. 12.2. Защищаемая сеть (а) и характеристики выдержек времени токовых направленных защит (б)

Необходимость в органах направления мощности. При выбранных указанным способом выдержках времени не все защиты сети должны иметь ОНМ. Рассмотрение показывает, что для приведенного на рис. 12.2 конкретного случая защита 6 может не иметь ОНМ, так как ее t₆ больше времён срабатывания других защит присоединений подстанции Г. По той же причине могут не иметь ОНМ защита 1 ( ), а также защиты 3 и 4 (t₃ = t₄). Таким образом, на каждом участке сети обязательно должна иметь ОНМ только одна защита - с меньшей выдержкой времени. При одинаковых временах обе МТЗ (III ступень) могут быть ненаправленными. Для 1 и 2 ступеней токовых защит такая возможность рассматривается отдельно и определяется по кривым спадания токов КЗ. Это положение формулируется и так: ОНМ может не иметь n-я защита подстанции с t_n > t всех других защит подстанции. С учётом этого иногда используется возможность за счёт повышения t_n иметь большее число защит ненаправленными. Логическое уравнение, характеризующее их работу, . Следует, однако, отметить, что часто в таких защитах предусматривается ОНМ, с тем чтобы при изменении уставок защит иметь возможность сделать их в случае необходимости направленными.

Ток срабатывания. Ток срабатывания I_с.з выбирается вне зависимости от направления прохождения через неё (от шин или к шинам) мощности нагрузки S_н. Последняя, как и мощность КЗ, обычно имеет активно-индуктивный характер. Поэтому принципиально можно было бы иногда не учитывать токи I_раб, определяемые S_н, направленной к шинам. Принимается, однако, во внимание возможность нарушений цепей напряжения от TV, например перегорание части предохранителей в них, когда ОНМ может неправильно сработать при направлении S_н к шинам. Когда это условие является расчётным, для повышения чувствительности защиты иногда допускается учитывать не I_{раб mах}, а I_{раб норм}, принимая во внимание малую вероятность нарушения цепей напряжения при наличии I_{раб mах}. Более тяжелыми обычно являются условия, подобные рассмотренным выше для ненаправленных защит:

1) отстройка от переходных токов после отключения внешних КЗ по:

где I_{раб mах} - максимальный рабочий ток в защите определяемый при наличии ОНМ мощностью S_{н mах}, которая может быть направлена от шин. В отличие от рассмотренного выше при этом не учитывается, как мало вероятное событие, наложение на рассматриваемый режим нарушения цепей напряжения ОНМ;

2) отстройка от переходных токов после успешного АПВ повредившейся линии по:

С учётом соображении, приведённых для предыдущего случая;

3) согласование I_с.з смежных участков. Оно должно проводиться для защит, имеющих возможность срабатывать при одинаковом направлении S_к.

Дополнительным условием является отстройка от токов неповреждённых фаз. При некоторых видах КЗ например K⁽¹⁾, K^(1,1), токи неповреждённых фаз, складывающиеся из I_раб и токов повреждения (токов, индуцированных повреждённой фазой) в этих фазах, бывают большими. Органы направления мощности, включенные на эти токи, могут неправильно фиксировать знак мощности КЗ, поэтому было бы необходимо иметь I_с.з >I_{неповр mах}, это может сильно загрублять защиту. В связи с изложенным в сетях с глухозаземлёнными нейтралями такая защита часто автоматически при появлении составляющих I_нп в токах фаз выводится из работы. Защита от K⁽¹⁾ и К^(1,1) осуществляются тогда специальной токовой направленной защитой нулевой последовательности.

Ток I_с.з выбирается по тому из условий, перечисленных выше, которое определяет большее его значение.

Чувствительность. Чувствительность последних ступеней защит определяется их ИО - тока и направления мощности. Чувствительность по току вычисляется, как и для ненаправленных защит. Необходимость проверки чувствительности по ОНМ возникает при близких металлических K^(З), когда в пределе оказываются равными нулю. В этих условиях ОНМ могут отказывать в срабатывании обусловливая и отказ защиты.

Нечувствительность, обусловленную ОНМ, характеризуют мёртвой зоной - долей длины защищаемого участка, в пределах которой при металлическом K⁽³⁾ происходит отказ защиты из-за недостаточного остаточного напряжения, подводимого к ОНМ. Мёртвые зоны в воздушных сетях маловероятны; более вероятны они в кабельных сетях при значительных выдержках времени срабатывания защиты вследствие возможного перехода К⁽²⁾ и K^(1,1) в K⁽³⁾. Устранение мёртвых зон возможно применением ненаправленных токовых отсечек. Более сложные решения вопроса, используемые в дистанционных защитах, для рассматриваемых защит обычно не применяются.

Пример применения максимальных токовых направленных защит в сочетании с ненаправленными для кольцевой сети с односторонним питанием (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Защита кольцевой сети с односторонним питанием

Выдержки времени выбираются обычным образом. Отличие имеется только для защит 2 и 5 приёмных сторон головных участков АБ и АВ. При КЗ вне кольца, например в точке К₁ радиальной линии, отходящей от шин А с источником питания, ток повреждения (если пренебречь бросками токов, определяемых электродвигателями нагрузок подстанций Б и В) по кольцу не проходит и защиты 2 и 5 на рассматриваемые КЗ не реагируют. При внешних КЗ в пределах кольца (например, на шинах Б и В), как и в рабочих режимах, мощность КЗ направлена к шинам Б и В и ОНМ защит 2 и 5 не срабатывают. Таким образом, рассматриваемые защиты при всех внешних КЗ не работают и в связи с этим всегда выполняются без выдержки времени и не дополняются I и II ступенями. В данной сети очень чётко проявляется необходимость согласования защит по чувствительности (током срабатывания) при каскадном, их действии. Под каскадным понимается срабатывание защит двух сторон участка, когда одна из них начинает работать только после отключения другой защитой своего выключателя. При повреждении, например, в начале участка АБ у шин А (точка К₂) практически весь ток КЗ направляется к точке К₂ через защиту 1. В результате защита 2 в начальный период КЗ в действие не приходит. Первой сработает защита 1, хотя она и имеет одну из наибольших в сети выдержек времени. Защита 2 сработает каскадно только после отключения выключателя 1. При КЗ в зоне его каскадного отключения может излишне сработать защита 4, если её . Поэтому согласование сводится к выбору по условию , где учитывает в первую очередь влияние тока нагрузки промежуточной подстанции Б на токи в фазах, особенно при несимметричных КЗ (например, K⁽²⁾).

I. ЗОНА КАСКАДНОГО ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТ

Под зоной каскадного действия понимается участок линии вблизи шин приемной подстанции, при повреждении на котором защита со стороны питающей подстанции придет в действие только после того, как поврежденная линия будет отключена от шин приемкой подстанции. Зона каскадного действия имеет место при всех видах к.з. вследствие того, что разность токов питающего конца, проходящих по обмотке реле тока или мощности, мала ( меньше тока срабатывания токового пускового органа) и недостаточна для обеспечения работы органа направления мощности.

При этом зона каскадного действия защиты, как правило, определяется чувствительностью токовых реле.

На границе зоны каскадного действия ток в реле равен его току срабатывания.

Для определения зон каскадного действия необходимо знать ток при замыкании между двумя фазами в минимальном режиме в точках, расположенных на границе зон каскадного действия.

Она обычно меньше зоны каскадного действия пускового органа и поэтому на работу защиты влияния не оказывает.

При коротком замыкании в зоне каскадного действия на линии / на конце, удаленном от места короткого замыкания, пусковые органы защиты в действие не приходят, так как разность токов линий недостаточна для их срабатывания.

Чувствительность защит для линий с двусторонним питанием при учёте возможных аварийных перегрузок (например, при отключении генерирующей мощности в одной из систем, связанных защищаемыми линиями) может быть совершенно недостаточной. Приходится также иметь в виду возможность излишних срабатываний при качаниях. Лучше дело обстоит в сетях с одним источником питания, в которых непредусмотренные аварийные перегрузки могут и не появляться; в них также не возникает вопроса отстройки от качаний.

Значительно лучшие показатели имеют токовые направленные защиты нулевой последовательности, рассматриваемые ниже. Данные же защиты находят применение преимущественно в кольцевых сетях с одной точкой питания напряжением до 35 кВ в случае, если их выдержки времени оказываются допустимыми.

Защиты, обладающие одинаковыми выдержками времени, можно сделать ненаправленными даже в схеме с 2 источниками питания, если их удастся отстроить от срабатывания от тока к шинам при КЗ за пределами защищаемого объекта с помощью изменения уставки.

Например, в схеме ниже защиты 5 и 6 обладают одинаковыми выдержками времени (по 1,5 с), поэтому соседние защиты обладают меньшими выдержками времени (защита 4 нижестоящая по отношению к 6 – уставка времени ниже на ступень (0,5 с), защита 7 нижестоящая по отношению к 5, уставка времени ниже на ступень). Значит, можно сделать их ненаправленными при условии, что от срабатывания за пределами зоны действия они отстроены. На графике под схемой защиту 6 можно сделать ненаправленной, а защиту 5 – нельзя, так как при КЗ за пределами линии она будет срабатывать одновременно с защитой 6 (так как выдержки времени у них одинаковые, неизвестно, какая из них сработает первой – так быть не должно, должна срабатывать защита 6). Значит, на защиту 5 необходимо устанавливать ОНМ.

Пример выбора уставок направленных МТЗ из учебника.

13. Токовая защита нулевой последовательности. Основные положения реализации. Преимущества и недостатки. Влияние режима заземления нейтрали в сети . Способ контроля тока нулевой последовательности. Методические и инструментальные погрешности контроля тока нулевой последовательности.

Токовая защита нулевой последовательности представляет собой систему, предназначенную для мониторинга и обеспечения защиты электрических сетей от увеличения тока нулевой последовательности, который может возникать в результате различных неисправностей или коротких замыканий. Реализация такой защиты: цепи тока органов включаются на составляющие нулевой последовательности I₀ (обычно 3I₀), а цепи напряжения (для ОНМ) – на составляющие U₀ (3U₀) соответственно фазных токов и напряжений.

Преимущества:

- Независимость работы от рабочих токов, в которых составляющие I₀ отсутствуют, что дает возможность выполнять последние ступени защит весьма чувствительными;

- Более резкий спад токов I₀ вдоль защищаемой линии при K^(l) И К^(1,1), так как удельные Z_0л больше Z_1л, что улучшает защитоспособность I и II ступеней защит;

- Уменьшение уровня выдержек времени последних ступеней защит, особенно при разделении сетей смежных напряжений в системе (например, 110 и 35 кВ) трансформаторами;

- Отсутствие мертвых зон у ОНМ, поскольку при близких КЗ, когда полные напряжения могут быть малыми, U₀ имеют наибольшие значения.

Недостатки:

- Пригодность для действия только при K^(l) И К^(1,1);

- Малая приспособленность для случая работы линий в длительных неполнофазных режимах, характерных наличием составляющих I₀ и U₀;

- Возможность сильного влияния на них взаимоиндукции, в особенности между параллельными, близко расположенными цепями линий, ухудшающей параметры защит и усложняющей их выбор,

- Необходимость учитывать все заземленные нейтрали автотрансформаторов (трансформаторов) как источники составляющих нулевых последовательностей (в большей мере, чем для защит, использующих полные токи и напряжения фаз).

При замыканиях на землю появление токов нулевой последовательности возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземленными нейтралями.

На рисунке 8-2 показаны некоторые характерные случаи распределения токов нулевой последовательности в схемах сети. Направление токов, проходящих к месту КЗ, принято за положительное.

Если заземлена нулевая точка трансформатора только с одной стороны ЛЭП (рис.8-2, а), то при замыкании на землю на этой линии токи нулевой последовательности проходят только на участке между местом повреждения и заземленной нулевой точкой.

Если же заземлены нулевые точки трансформаторов с двух сторон рассматриваемого участка (рис.8-2, б), то токи нулевой последовательности проходят по нему с обеих сторон от места КЗ.

Если же сети различных напряжений связаны трансформатором с соединением звезда-звезда, с заземленными нулевыми точками обеих обмоток (рис.8-2, в), то замыкание на землю в сети одной звезды вызывает появление токов нулевой последовательности в сети второй звезды. Для устранения этой связи необходимо разземлить нейтраль одной из обмоток трансформатора T_В.

При наличии АТ, связывающего сети двух напряжений (рис.8-2, г), то замыкание на землю в сети одного напряжения вызывает появление токов нулевой последовательности в сети другого напряжения, так же как и в схеме на рис. 8-2, в.

Для контроля тока нулевой последовательности можно использовать различные методы: измерение тока с помощью специализированных приборов, использование специализированных датчиков или реле, а также применение алгоритмов и систем автоматизации контроля.

Методические погрешности контроля тока нулевой последовательности могут возникнуть из-за неправильной настройки оборудования или ошибок в методах измерения. Например, неправильная калибровка измерительных устройств, использование неподходящих методов измерения или недостаточное обучение операторов по правильной эксплуатации оборудования - все это может привести к необходимости перепроверять и корректировать результаты измерений.

Инструментальные погрешности могут возникать из-за ограниченной точности измерительных устройств или датчиков, а также из-за воздействия внешних факторов. Например, электромагнитные помехи, изменения в окружающей среде (температура, влажность и т. д.) или физические повреждения оборудования могут вызвать искажения в результатах измерений тока нулевой последовательности.

Для минимизации методических и инструментальных погрешностей контроля тока нулевой последовательности необходимо правильно калибровать и обслуживать измерительное оборудование, обучать персонал правильным методам эксплуатации и регулярно проводить проверки и техническое обслуживание для поддержания точности и надежности измерений.