Релейная защита

Рис. 11.17. Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления в комплекте типа ДЗ-2:  
а - упрощенная схема сравнения; б — схема PC; в — векторная диаграмма трансреактора; г - характеристика реле

Для сглаживания  пульсации U_вых устанавливается частотный фильтр-пробка L₁C₄ (рис.11.17, б), который не пропускает в ЕА переменную составляющую 100 Гц. В результате этого на вход ЕА поступает U_вых схемы сравнения, равное разности постоянных составляющих выпрямленных напряжений |U₁| и |U₂|, иначе говоря, разности их средних значений за период переменной составляющей (100Гц). Реле (НИ) срабатывает при |U₁| > |U₂|. Начало действия реле характеризуется равенством |U₁| = |U₂|, или

|K_II_p| = |K_UU_p - K_II_p|  (11.16)

Это условие действия реле на грани его срабатывания можно  выразить через Z_c.p. Разделим для этого обе части равенства (11.16) на К_U и I_р, учтя, что Z_p = U_p/I_p, удовлетворяющее условию (11.16), является Z_c.p:

|K_I/K_U| = |(U_p/I_p) - (K_I/K_U)|

После преобразования получим

Z_c.p = 2(K_I/K_U) = 2R (11.16a)

Уравнение (11.16 а) является характеристикой срабатывания направленного PC, имеющего форму окружности, проходящей через начало координат (см. рис.11.14, б). Радиус этой окружности R равен |К_I/K_U|; вектор К_I/K_U определяет положение центра окружности относительно начала координат на комплексной плоскости R, jX с заданной уставкой Z_y.

Сопротивление срабатывания Z_c.p направленного PC непостоянно, изменяется с изменением φ_р (угла сопротивления Z_p), что видно из рис.11.17, г. При φ_р = φ_м.ч сопротивление Z_c.p имеет максимальное значение Z_c.p mах = Z'_p = 2(K_I/K_U). Угол вектора Z_c.p mах равен углу вектора К_I, это означает, что φ_м.ч = 90° – δ и определяется параметрами X и R трансреактора TV1 (рис.11.17, а).

При всех других значениях  φ_р ≠ φ_м.ч, Z_c.p = Z_c.p mах cos(φ_м.ч - φ_р) = 2(K_I/K_U)cos(φ_м.ч - φ_р)

Рис. 11.18. Обеспечение надежного действия реле сопротивления при КЗ в начале защищаемой зоны:  
а — схема защищаемого участка сети; б — характеристика реле; в — схема трансреактора, обеспечивающего действие реле по памяти; г — векторная диаграмма напряжений и тока в контуре памяти; д — затухание тока в контуре памяти

Уставка срабатывания Z_y направленного PC задается модулем Z_c.p mах = 2|K_I/K_U|. B конструкции реле предусматривается регулирование уставки Z_y изменением значений К_U и модуля |К_I|. Это осуществляется изменением коэффициента трансформации TV1 (изменением числа вторичных витков) и числа витков первичной обмотки TAV1.

Угол вектора Z_cp max = Z_y, т.е. (φ_м.ч изменяется подключением сопротивлений R9-R12: включение R9 и R11 соответствует φ_м.ч = 65°, а R10 и R12 — φ_м.ч = 80°. Регулирование должно производиться как в рабочем, так и в тормозном контуре схемы одинаково для обеспечения равенства . Соответствующие переключения при этом выполняются и в цепи первичной обмотки TV1 изменением числа ее витков.

Мертвая зона и  зона нечеткого действия реле. При  КЗ в непосредственной близости от места установки ДЗ (рис.11.18, а) направленное PC может отказать в работе при  КЗ в точке К1 или сработать  неселективно при КЗ в точке К2. Причиной неправильной работы является нарушение условия действия PC, определяемого  выражением (11.16 а), вызванное снижением  до нуля напряжения U_p (при близких КЗ), а также неточным равенством коэффициентов  преобразования тока I_р трансреактора TAV1 (см. рис.11.17, а). В результате характеристика реле может сместиться в I или III квадрант, что приведет соответственно к отказу или неселективному действию реле при КЗ в зоне смещения характеристики (точки К1 и К2 на рис.11.18, а).

Для устранения мертвой  зоны и зоны нечеткой работы реле в  рабочий и тормозной контуры  реле вводятся дополнительно по значению одинаковые ЭДС "памяти" E_п, создаваемые трансреактором TAV2.

С учетом этого  условие срабатывания реле (11.16) примет вид

|Е_п + K_II_p| >  |K_UU_p - K_II_p + Е_п| (11.17)

а при близких  КЗ, когда U_р = 0, условие (11.17) превращается в следующее:

|Е_п + K_II_p| > |Е_п - K_II_p| (11.17а)

При этом условии PC работает, как РНМ с поляризующим напряжением Е_п (вместо U_р = 0), с характеристикой срабатывания, приведенной на рис.11.18,6. Чтобы сохранить круговую характеристику при всех КЗ, при которых U_р > 0 с добавлением дополнительной ЭДС Е_п по (11.17), последняя должна совпадать по фазе с U_p и иметь возможно меньшее значение — не превышать 2-3% нормального уровня U_р и оставаться неизменным при К⁽²⁾ между фазами, напряжение которых U_р, подводится к данному PC. Для выполнения этих условий на вход TAV2 (рис.11.17, а) подается напряжение фазы, не подводимой к TV1. Например, если U_p = U_AB, то U_п = U_Co. Поскольку напряжение U_C сдвинуто относительно междуфазного напряжения повредившихся фаз (U_AB) (рис.11.18, г), чтобы обеспечить совпадение по фазе вторичной ЭДС Е_п с U_р, в цепь первичной обмотки TAV2 введен конденсатор С6, емкостное сопротивление которого в сочетании с индуктивностью первичной обмотки трансреактора образует резонансный контур, настроенный в резонанс при f = 50 Гц. При такой схеме ток в первичной обмотке I_П совпадает по фазе с напряжением U_п = U_Co, подведенным к TAV2, а вторичная ЭДС Е_п отстает на 90° от вызвавшего ее тока I_п и совпадает по фазе с U_р = U_AB.

При трехфазных КЗ, когда все напряжения снижаются  до нуля, ЭДС Е_п поддерживается некоторое время за счет разряда конденсатора С. При этом ЭДС памяти создает быстро затухающий ток I_С в обоих контурах (рис.11.18, д), обеспечивая работу PC при исчезновении напряжения.

По рассмотренной  схеме (рис.11.17, а) ЧЭАЗ выпускает PC, используемые в качестве ДО I и II ступеней в РЗ типа ЭПЗ-1636. Третья ступень в комплекте  этой защиты осуществляется с помощью PC типа КРС-1, схема которого приведена  на рис.11.19, а.

Условие срабатывания реле КРС-1:

|K_UU_p - K_II_p| < |K_II_p|

Для устранения мертвой  зоны и четкой работы при малых  значениях U_p (при близких КЗ) характеристика срабатывания реле — окружность смещена в III квадрант на 6-12% Z_c.p (в тормозной контур реле вводится резистор R14). Конструкции обоих PC подробно рассмотрены в [30]. Выполнение заданной уставки Z_c.p осуществляется изменением числа витков первичных обмоток ТAV1 и числа витков вторичной обмотки TV1 (рис.11.19, б). В качестве НИ, реагирующего на знак тока в реле сопротивления ДЗ-2 и КРС-1, первоначально использовалось магнитоэлектрическое реле. Однако вследствие несовершенства его конструкции завод заменил его на НИ на полупроводниковых реле с ОУ (см. рис. 11.20).

Рис. 11.19. Принципиальная схема PC в комплекте типа КРС-1: а — упрощенная схема сравнения; 6 - схема PC; в - характеристика срабатывания направленного PC

Направленное PC с эллиптической характеристикой срабатывания. С помощью PC III ступени РЗ типа ЭП1636 (рис.11.19, б) может быть реализована круговая и эллиптическая характеристика (см. рис.11.14, г), обеспечивающая лучшую отстройку ДО от токов нагрузки. Для получения эллиптической характеристики срабатывания PC используется дополнительная цепочка, состоящая из диода VD8 и активных сопротивлений R25-R27 (рис.11.19, б). Эта цепочка шунтирует РО, срезая положительные полуволны переменной составляющей разности мгновенных значений U₁ и U₂, благодаря чему и обеспечивается эллиптическая характеристика срабатывания реле, показанная на рис.11.14, г и 11.19, в.

Как видно из диаграммы, построенной на рис.11.19, в, точки С  и 0 характеристики PC получаются, когда  векторы U₁ и U₂ либо совпадают по фазе, либо сдвинуты на угол 180°. В обоих случаях переменные составляющие на выходах VS1 и VS2 совпадают по фазе и, следовательно, их разность, прикладываемая к сглаживающему фильтру и НИ, близка к нулю. Когда вектор U₂ сдвинут относительно вектора U₁ на 90° (точки E и D на рис.11.19, в), соответственно сдвинуты и мгновенные значения напряжений на выходах диодных мостов VS1 и VS2. Переменная составляющая разности мгновенных значений этих напряжений, приложенная к сглаживающему фильтру и НИ, получается в этом случае максимальной. Шунтирование переменной составляющей через цепочку VD8-R25-R27 равносильно уменьшению тока в НИ, действующего в сторону срабатывания. В результате рабочее напряжение U₁ уравновешивается меньшим значением U₂ и характеристика срабатывания PC сжимается (точки D и E смещаются в положения D' и E') (рис.11.19, в). Промежуточным значениям углов между U₁ и U₂ соответствуют точки характеристики, располагающиеся на эллипсе с осями ОС и D'E' (рис.11.19, в). Регулировка эллипсности осуществляется с помощью сопротивлений R25-R27. Для уменьшения вибрации НИ при работе PC с эллиптической характеристикой параллельно НИ подключен конденсатор С5.

Рис. 11.20. Схема нуль-индикатора на операционных усилителях

Реле сопротивления с характеристиками в виде окружности, смещенной относительно начала координат. Еcли принять в (11.15), определяющем характер связи U₁ и U₂ с U_р и I_p, , то характеристика PC будет изображаться окружностью, смещенной относительно начала координат при  в сторону III квадранта, а при  — в сторону I квадранта. Если же принять = 0, получим , a  — характеристика в виде окружности с центром в начале координат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Дифференциальная защита шин.

Дифференциальная защита шин используется в распределительных устройствах  напряжением 110 кВ и выше в качестве основной быстродействующей защиты при всех видах повреждений. В  распределительных устройствах  более низкого напряжения используются логическая защита шин и дуговая защита шин.

Принцип действия дифференциальной защиты шин основан на сравнении направления  и величины тока присоединений, подключенных к системе шин. В отличие от дифференциальных защит, рассмотренных  на странице Принцип действия и область применения дифференциальной защиты, количество питающих элементов и, соответственно, токовых входов практически не ограничено.

Дополнительно ДЗШ выполняет следующие  функции:

-                   контроль исправности токовых цепей и автоматический вывод ДЗШ при появлении небаланса в этих цепях;

-                   оперативный контроль небаланса токовых цепей;

-                   пуск УРОВ при работе ДЗШ и отключение присоединений соответствующей системы шин по команде УРОВ;

-                   запрет АПВ при работе УРОВ, при неуспешном АПВ шин и при неполном отключении системы шин при работе ДЗШ;

-                   удержание команды отключения до отключения самого медленнодействующего выключателя.

ДЗШ может использоваться при схемах распредустройств с двумя системами  шин, с двумя секциями шин, с одной  несекционированной системой шин. Рассмотрим на примере РУ с двумя системами  шин

Для защиты шин с такой схемой соединения чаще всего используется дифференциальная защита с фиксированным  распределением присоединений.

Защита при нормальной первичной  схеме подстанции (в работе обе  системы шин, шиносоединительный выключатель  включен) определяет и отключает  без выдержки времени только поврежденную систему шин с сохранением  в работе неповрежденной системы  шин.

При выводе из работы одной системы  шин с переводом всех присоединений  на остающуюся систему, при выводе в  ремонт ШСВ или при нарушении  нормальной фиксации присоединений  защита включается по расфиксированной схеме.

Вторичные цепи трансформаторов тока всех присоединений подключаются в  схему ДЗШ, как правило, через  индивидуальные испытательные блоки.

Реагирующими органами ДЗШ с  фиксированным распределением присоединений  являются:

-                     пусковые органы (ПО);

-                     избирательные органы 1 СШ (ИО1);

-                     избирательные органы 2 СШ (ИО2);

-                     чувствительный орган (ЧО);

-                     орган контроля напряжения на шинах (КНШ)

Упрощенная  схема защиты приведена на следующих  рисунках:

Схема токовых цепей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема оперативных цепей. 
Защита, выполненная по этой схеме, при нормальной первичной схеме подстанции (в работе обе системы шин, шиносоединительный выключатель включен) определяет и отключает без выдержки времени только поврежденную систему шин с сохранением в работе неповрежденной системы шин.

Для обеспечения  правильной работы ДЗШ устанавливается  фиксированное распределение (фиксация) присоединений по системам шин подстанции.

При выводе из работы одной системы шин с переводом  всех присоединений на остающуюся систему, при выводе в ремонт ШСВ или  при нарушении нормальной фиксации присоединений защита включается по расфиксированной схеме включением рубильника Р.

В качестве пусковых и избирательных органов используются, как правило, группы из трех дифференциальных реле, каждое из которых включено в  свою фазу токовых цепей. В оперативных  цепях контакты реле трех фаз включаются параллельно и рассматриваются  как единое целое.

Дифференциальные  реле избирательных органов 1 СШ включены на сумму токов трансформаторов  тока присоединений 1 СШ и ШСВ, а дифференциальные реле избирательных органов 2 СШ включены на сумму токов трансформаторов  тока присоединений 2 СШ и ШСВ. Избирательные  органы обеспечивают выбор поврежденной секции шин, т.к. обтекаются током только при КЗ на собственной системе  шин. При КЗ на другой системе шин  или при внешнем КЗ ток в  избирательных органах отсутствует.

Дифференциальные  реле пусковых органов ДЗШ включены на сумму токов избирательных  органов 1 и 2 системы шин и обтекаются током при КЗ как на 1 СШ, так  и на 2 СШ. При внешних КЗ ток  в пусковых органах ДЗШ отсутствует. Пусковые органы обеспечивают предотвращение неправильной работы ДЗШ от внешних  КЗ при нарушении фиксации присоединений  по системам шин (расфиксированная схема).