1 Дистанционные защиты

Для защиты линий электропередач в сетях с двухсторонним питанием ранее рассмотренные максимальные и направленные защиты не обеспечивают необходимой селективности или быстродействия: у токовых защит выдержка времени растет по мере приближения к источнику, ит.д.

Для обеспечения селективности и чувствительности в сетях с любой конфигурацией используются дистанционные защиты.

Выдержка времени у дистанционных защит зависит от расстояния (дистанции) между местом установки защиты и местом возникновения короткого замыкания. Время срабатывания защиты увеличивается по мере удаления точки к.з. от места установки защиты, т.е. чем ближе к.з. к источнику, тем быстрее защита отключит его.

Основным элементом защиты является дистанционный орган (измерительный орган), который определяет расстояние (дистанцию) до места аварии. В качестве дистанционного органа используется реле сопротивления.

Сопротивление линии определяется как произведение удельного сопротивления линии на длину линии.

(1)

где l – длина линии, км

Х_уд. – удельное индуктивное сопротивление линии, Ом

R_уд. – удельное активное сопротивление линии, Ом

Z_уд. – удельное полное сопротивление линии, Ом

В связи с этим бывают защиты активного, реактивного и полного сопротивления. Обычно используется защиты полного сопротивления.

Реле сопротивления имеют разные характеристики (рисунок 1). Реле срабатывает при уменьшении сопротивления линии при к.з. и попадания его в зону срабатывания реле (заштрихованная область). Направленность реле сопротивления, т.е. дистанционной защиты обеспечивается смещением характеристики в первый квадрант, что соответствует направлению мощности к.з. от шин в линию. Характеристика обычно имеет овальную или многоугольную характеристику. Это обеспечивает надежную работу при к.з. и не срабатывание при максимальных рабочих токах. При таком режиме нагрузка имеет активно-индуктивный характер, с преобладанием активной части сопротивления (R>X, так как Rнагр.>Rлин.), а при к.з. нагрузка закорачивается и индуктивное сопротивление становится больше активного (R<X, так как Rнагр=0) (рисунок 2). Реле сопротивления характеризуется углом максимальной чувствительности φ_мч, который обычно составляет 60-80⁰ – примерный угол при к.з.. Современная полупроводниковая и микропроцессорная техника обеспечили создание реле защит с различными многоугольными характеристиками, обеспечивающие наилучшую отстройку от рабочих режимов и более высокую чувствительность дистанционных защит.

Рисунок 1 – Характеристики срабатывания зон защиты

Рисунок 2 – Зона срабатывания защиты

Дистанционная защита состоит из следующих основных органов:

- пускового органа, запускающего защиту при возникновении короткого замыкания. В качестве пускового органа может использоваться реле полного сопротивления или токовое реле;

- дистанционного органа, которое измеряет сопротивление на зажимах защиты и определяет расстояние до места к.з. В качестве дистанционного (измерительного) органа служит реле минимального сопротивления. К реле сопротивления подводятся токи и напряжения. По ним защита рассчитывает сопротивление от места установки защиты в направлении «от шин в линию» и если это значение меньше уставки (т.е. входит в характеристику) защита срабатывает.

(2)

- органа выдержки времени, который создает выдержку времени в соответствии с необходимой для селективной работы защиты. Для этого применяют обычные реле времени;

- органа направления мощности, для работы защиты при направлении мощности к.з. от шин в линию при отсутствии направленных реле сопротивлений. Для этого используют реле направления мощности;

- органа блокировки, для исключения ложной работы защиты при неисправностях в цепях трансформатора напряжения, а также при качаниях мощности в энергосистеме.

Причины, искажающие работу дистанционных защит.

1. Влияние переходного сопротивления. Переходное сопротивление в месте к.з. обусловлено главным образом появлением электрической дуги, имеющей активный характер сопротивления. Это добавочное сопротивление дуги дистанционная защита воспринимает как удаление места короткого замыкания, т.е. искажается работа защиты.

2. Влияние токов подпитки от промежуточных подстанций. При коротком замыкании на линии W2 (рисунок 3) ток протекает от источника «А» и «В».

Рисунок 3 – Схема энергосистемы

Ток от источника «В» подпитывает точку к.з. и протекая по линии W2 изменяет падение напряжения на ней. Поэтому в защите установленной на линии W1 сопротивление уже не равно Uр/Iр и оказывается больше реального сопротивления до места к.з. и защита может не сработать если сопротивление в реле будет больше уставки соответствующей ступени защиты. Это надо учитывать при расчете уставок защиты.

3. Качания в энергосистеме.

Рисунок 4 – Эпюры напряжений при качаниях в энергосистеме

При коротких замыканиях в линиях, в которых протекала большая мощность или включении и отключении мощной нагрузки в энергосистеме может возникнуть явление качания. Например, при коротком замыкании была отключена линия W2 (рисунок 4), по которой протекала огромная мощность из системы «А» в систему «В». Вследствие этого нарушился баланс мощности в энергосистеме – в системе «В» недостаток мощности, а в системе «А» избыток ее. Поэтому генераторы системы «А» начинают разгонятся, а генераторы системы «В» тормозится. Это приводит к увеличению частоты вращения э.д.с. генераторов системы «А» и уменьшению его в системе «В». Вектора Е_А и Е_В начинают вращаться с разными частотами. Вектор Е_А постоянно опережает вектор Е_В. Мы можем видеть, что напряжение в какой-то точке линии станет равным нулю при определенном расположении друг от друга векторов э.д.с. двух систем. Это точка называется электрическим центром качания. Дистанционная защита это падение напряжения до нуля может понять как короткое замыкание в линии и может отключить его. Для исключения ложного срабатывания дистанционной защиты при качаниях применяется схемы блокирования дистанционной защиты.

4. Также на работу дистанционной защиты влияют погрешности измерительных трансформаторов тока и трансформаторов напряжения. Влияние погрешности измерительных трансформаторов тока и напряжения учитывается в сторону уменьшения зоны защиты.

Выбор уставок дистанционной защиты.

Обычно дистанционная защита выполняется трехступенчатой и более.

Рисунок 5 – Карта селективности защиты

Зона срабатывания первой ступени (1) защиты «А» выбирается так, чтобы она не выходила за пределы защищаемой линии (рисунок 5) – 85% длины линии. Вторая зона (2) выбирается так, чтобы она не выходила за пределы первой зоны защиты «В» и «С». Первая ступень защит «В», «С» также выбирается как 85% линии W2, и трансформатора Т. Выдержка времени первой ступени равно нулю, если дистанционная защита является основной, если является резервной, то больше времени срабатывания основной защиты. Для второй ступени больше времени первой ступени защит «В» и «С». Третья ступень обычно отстраивается минимального сопротивления при рабочем режиме энергосистемы и используется для дальнего резервирования защиты.

Достоинства дистанционной защиты:

1. Селективность в сетях любой конфигурацией, с любым количеством источников. Т.е. защита реагирует на изменение параметров сети (сопротивления), а не режима (ток и напряжение), как у других защит.

2. Малые выдержки времени по мере приближения к источнику.

3. Значительно большая чувствительность при к.з. по сравнению с токовыми защитами.

Недостатки:

1. Сложность схемы защиты.

2. Не отключает короткое замыкание мгновенно по всей длине линии, а только 85%.

3. Реагирует на токи качания в энергосистеме.

4. Может ложно сработать при неисправностях в цепях напряжений.

Дистанционная защита используется как основная защита на линиях средней и большой длины напряжением 110 и 220кВ.