Дистанционные защиты, принцип действия

Дистанционные защиты (ДЗ) получили свое название за способность определять расстояние (дистанцию), от места установки защит до места повреждения, и в зависимости от расстояния отключать поврежденный участок с заданной выдержкой времени.

В общем виде характеристика срабатывания ДЗ может быть представлена выражением t=f(lp.k), время срабатывания плавно нарастает с увеличением расстояния до места КЗ lp.k.

Органом определяющим расстояние до места КЗ (дистанционным органом) служит реле сопротивления, непосредственно или косвенно реагирующее на сопротивление (активное, реактивное, полное) участка линии до точки КЗ. Сопротивление участка пропорционально длине линии:

   zpk=zуд*l.

Наиболее часто применяют реле полного сопротивления. В схеме ДЗ также участвует орган направления мощности, за положительное направление тока КЗ принято направление от шин в линию.

Выдержка времени выбирается так, чтобы защиты, работающие в одном направлении, имели время срабатывания на Δt больше защит предыдущего участка.

На рисунке 1 представлена ступенчатая характеристика зависимости времени срабатывания ДЗ от расстояния lpk. Существуют также ДЗ с плавно нарастающими и комбинированными характеристиками, однако, в виду сложности они применяются крайне редко.

Как правило, ДЗ выполняются с тремя зонами действия (рис. 1). Первая зона охватывает 75–85% длины линии, время срабатывания этой зоны минимально и находится в пределах 0,02–0,15 сек.

Для сравнения красной штрих-пунктирной линией обозначена уставка по времени срабатывания максимальной токовой защиты. Из графика можно сделать вывод, что ДЗ более быстрая защита при повреждениях на Л-1.

Вторая зона ДЗ охватывает оставшийся участок линии Л-1 и шины питаемой подстанции. Вторая зона имеет выдержку времени на ступень больше, защит установленных на шинах второй ПС.

Третья зона является резервной для защит Л-2. Время срабатывания отстраивается от защит Л-2. Зона определяется расчетным путем для каждого случая индивидуально.

Описание схемы ДЗ. 

ДЗ относятся к сложным (многорелейным) защитам. На рисунке 2 представлена простейшая схема для одной фазы.

Пусковой орган ПО реагирует на возмущения в сети. Выполняется в виде токовых реле или реле сопротивления. К зажимам ПО подведено рабочее напряжение и рабочий ток защищаемой линии.

Дистанционный орган ДО определяет расстояние до места повреждения. Представляет собой реле минимального сопротивления. Срабатывание происходит при условии:

   Zp=Up/Ip

где Zp – отношение рабочего напряжения к току защищаемой линии.
Zcp – зона срабатывания защиты.

Иногда Zp называют фиктивным сопротивлением, так как при нагрузках и качаниях отношение Up/Ip характеризует режим работы сети, а не физическое сопротивление линии.

Орган направления мощности ОМ позволяет защите работать при направлении тока КЗ от шин в линию. Применяется в тех случаях, когда дистанционный и пусковой орган не обладают направленностью.

Орган выдержки времени В обеспечивает задержку времени срабатывания ДЗ. Выполняется на обычных реле времени.

Органы блокировки БН и БК предотвращают работу ДЗ при ситуациях, когда защита может сработать излишне.

Случай первый: обрыв во вторичных цепях напряжения. При этом Zp=0. В этом случае ДЗ может ложно посчитать, что наступил режим КЗ, когда напряжение на поврежденной фазе стремится к нулю. Блокировка по потере цепей напряжения БН, предотвращает подачу импульса в схему защиты.

Случай второй: качания в сети сопровождаются волнообразным изменением параметров. Напряжение снижается, а ток увеличивается. При этом сопротивление линии попадает в зону срабатывания защиты: Zр

Работа схемы. 

При КЗ в сети срабатывают пусковой орган ПО и орган направления мощности ОМ. Если направление тока КЗ положительно, ПО и ОМ замыкают свои контакты подают плюс на дистанционные органы ДО1 и ДО2, а также на реле времени 3 зоны.

Если КЗ произошло в 1 зоне, ДО1 замыкает свой контакт, подает импульс на отключение без выдержки времени. Если КЗ произошло во второй зоне, ДО1 не работает, так как сопротивление Zр больше сопротивления уставки реле. В этом случае ДО2 замыкает свой контакт и подает импульс на реле времени 2 зоны.

Если же КЗ произошло за пределами 1 и 2 зоны, органы ДО1 и ДО2 не работают, а срабатывает ранее запущенное реле времени третьей зоны.

Характеристика срабатывания реле сопротивления. 

Современные ДЗ выполняются на реле и на базе МПУ реагирующих не только на значение абсолютного сопротивления zk, но и на угол φр=arctg (x/r).

Это сделано, для того, чтобы отличать режимы КЗ от режимов больших нагрузок, когда Zр приближается к значению Zср. При токах КЗ φр≈80º, а при токах нагрузки φр≈15º-30º.

Для удобства вектор сопротивления линии строят в комплексной плоскости. 1,2 и 4 квадранты характеризуют различное соотношение активных и реактивных сопротивлений защищаемого участка линии.

В 3 квадранте характеристики питающей линии, то есть расположенной «за спиной» защиты. Синяя заштрихованная комплексная область показывает зону срабатывания реле сопротивления.

На рис. 3 показана характеристика направленного реле сопротивления. Об этом можно судить по тому, что характеристика не пересекает третьего квадранта, в противном случае это была бы ненаправленная защита.

Угол φм.ч. характеризует угол максимально чувствительности реле, при котором Zс.р.=Zс.р. макс. В нормальном режиме работы сети, вектор полного сопротивления линии, выходит далеко за пределы зоны срабатывания защиты.

При КЗ напряжение на поврежденной фазе снижается, ток увеличивается. Полное сопротивление участка ВЛ также уменьшается и попадает в зону срабатывания реле.

Выбор уставок ДЗ.

Первая зона:

- Время срабатывания 1 зоны ДЗ не регулируется и определяется собственным временем срабатывания реле. Находится в пределах 0,02–0,15 секунд. Сопротивление срабатывания первой зоны Z1A выбирается по условию:

   Z1A=k1*ZЛ1;

где ZЛ1 – полное сопротивление линии Л1 (рис. 1);
k1 – коэффициент учитывающий погрешности настройки реле и расчетов защит, для реле типа КРС составляет 0,85. Таким образом, первая зона охватывает 85% длины линии.

Вторая зона:

- Время срабатывания 2 зоны защиты А отстраивается от быстродействующих защит В:

   t2A=t1B+Δt;

где t2A – время срабатывания 2 зоны защиты А;
t1B – время срабатывания быстродействующих защит участка В равно 0,1 сек;
Δt – ступень селективности, 0,3–0,5 сек.

Сопротивление срабатывания 2 зоны отстраивается по двум условиям:

1) от самой короткой 1 зоны следующего участка:

   Z2A=k2(ZЛ1+k1*ZЛ2);

где k2 – коэффициент, учитывающий погрешности реле 2 зоны, 0,85;

2) отстройка от КЗ за трансформатором:

   Z2A=k2(ZЛ1+kт*Zт);

За окончательную уставку 2 зоны принимается меньшее из двух значений. Кроме того, выбранная уставка проверяется по чувствительности:

   kч=Z2A/ZЛ1≥1,25;

Для линий с сопротивлением 5-20 Ом, kч должен быть 1,5-2, так как на линиях с малым сопротивлением, при КЗ через дугу, ДЗ может отказать.

Третья зона:

- Уставка срабатывания отстраивается от токов нагрузки, а время срабатывания выбирается по условию селективности.