Направленная токовая защита

Необходимость применения направленных токовых защит возникает в сетях с двухсторонним питанием линий. Применение простых токовых защит в этом случае не может обеспечить правильной работы устройств РЗА, так как токи КЗ (короткого замыкания) могут иметь различное направление относительно шин подстанций.

Обратимся к рисунку: при повреждении в точке К1 ток КЗ будет протекать с шин ПС/2 и ПС/3 в точку замыкания.

При этом, защиты 4 и 5 должны своевременно отключить Л-2. Однако на шинах этих же подстанций расположены защиты 3 и 6, которые не должны действовать, так как это приведет к излишнему отключению Л1 и Л3.

Избирательную работу защит в этом случае обеспечивает орган направления мощности, который сравнивает фазу напряжения и тока КЗ Направление тока от шин в линию считается условно положительным, в этом случае реле мощности разрешает отключать контролируемый участок.

Направление из линии в шины считается условно отрицательным, происходит пуск защит, но команда не реализуется, поскольку реле мощности не работает на отключение.

Так как направленная защита должна реагировать не только на величину, но и на направление тока КЗ, применяют реле мощности включаемое по приведенной ниже схеме.

Токовое реле Т (типа РТ) реагирует на возрастание тока в сети. Реле мощности М является органом контролирующим направление мощности при КЗ в сети. Момент срабатывания реле мощности напрямую зависит от мощности Sp, подведенной к зажимам реле:

Sp=UpIpsin(α–φp); (1)

где Up – вторичный сигнал ТН, пропорциональный величине первичного напряжения сети в момент КЗ. Отражает не только величину, но и фазу напряжения;
Ip – вторичный сигнал ТТ, пропорционален току и фазе тока КЗ.
α - угол внутреннего сдвига реле. Зависит от схемы подключения реле на фазные токи и напряжения контролируемой сети;
φp – сдвиг фаз между током и напряжением на зажимах реле.

При коротком замыкании на защищаемой линии токовое реле и реле направления мощности замыкают свои контакты, подают сигнал на реле времени. Через заданную выдержку времени, если контакты Т или М не вернулись в исходное состояние, защита подает импульс на катушку отключения выключателя.

При КЗ в точке К1 реле мощности направленной защиты 3 (см. рис.) не замкнет свои контакты, и защита не отработает.

В нормальном режиме работы сети, когда мощность течет от шин в линию, реле мощности может замыкать свои контакты. В этом случае не работает токовое реле, ток срабатывания которого отстраивается от максимальных рабочих токов.

Если по условиям селективности не удается отстроиться от рабочих токов, в схему включается реле минимального напряжения.

Из выражения (1) следует, что срабатывание реле мощности напрямую зависит от напряжения в момент КЗ Up и сдвига фаз (α–φp). При КЗ вблизи шин падение напряжения может быть таким, что величины Up не хватит для срабатывания реле.

Поэтому, при проектировании направленных защит определяют схему подключения реле мощности, при которой напряжение и разность фаз были бы максимальными для любого вида повреждения.

Наиболее распространенной является “90-градусная” схема включения. При такой схеме на каждый элемент реле мощности подаются следующие сочетания токов и напряжений: 1э–Ia и Ubc, 2э–Ib и Uca, 3э–Ic и Uab.

На рисунке приведена векторная диаграмма токов и напряжений на зажимах реле, и линии моментов, реле направления мощности для Ia+Ubc:

Мвр=kUpIp*sin(α–φp).

Вектор тока Ia может совпадать с вектором напряжения Ubc при чисто реактивном сопротивлении линии, тогда ток принимает значение I’a (см. рис).

При чисто активном сопротивлении линии вектор тока Ia отстает от вектора напряжения на 90° (на рис. I’’a). Угол сдвига между Ubc и Ia равен φр=–(90-φк)°, а его предельные значения колеблются в зависимости от φк от 0° до 90°.

Прямая N1N2 - это линия изменения знака момента реле, а М1М2 линия максимального момента реле. Изменение величины φр в пределах от 0 до 90 ведет к срабатыванию реле, так как момент находится в области положительных значений (синее поле).

При отклонении φр за пределы 0 и 90, момент меняет свое значение на отрицательное и срабатывания не происходит.

Выбор уставок направленной защиты аналогичен выбору уставок для МТЗ и ТО. Таким образом, первое условие – это величина тока срабатывания Iсз должна быть отстроена от токов самозапуска двигателей в первый момент после отключения поврежденного участка:

Iсз>(kзkнIн.макс)/kвоз;

Расчет коэффициентов и допущения в данном выражении полностью совпадают с расчетом Iсз для максимальных токовых защит.

Второе условие – это расчет токов в неповрежденных фазах при замыкании на землю. Дело в том, что токовые защиты не должны действовать при однофазных замыканиях на землю, для этого предусмотрены специальные защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности.

При повреждении одной фазы в симметричной трехфазной сети, токи в неповрежденных фазах возрастают на некоторое расчетное значение. Это обусловлено тем, что ток замыкания на землю, притекает к нейтрали питающего трансформатора по земле, распределяется по трем фазам и возвращается к месту КЗ.

Иначе говоря, появляются токи подпитывающие место КЗ. В неповрежденных фазах ток нагрузки также увеличивается на расчетный коэффициент k, зависящий от места повреждения и количества заземленных нейтралей.

Таким образом, второе условие выглядит так:

Icз=kн*Iнф;

где kн – коэффициент надежности 1,15–1,3;
Iнф – ток в неповрежденной фазе. Расчетное значение.

В итоге, Icз принимается равным, большему из двух полученных значений.

Для обеспечения селективности, защит действующих в одном направлении, токи срабатывания должны нарастать при обходе защит против их направленности.

Время их срабатывания в разветвленных сетях выбирается по ступенчатому принципу для устройств, работающих в одном направлении, как показано на рисунке.

К основным недостаткам данных защит можно отнести:

1. Большие выдержки времени вблизи источников питания;
2. Сложность согласования защиты в сетях с большими нагрузками и небольшими по кратности токами КЗ;
3. Наличие мертвой зоны при трехфазных замыканиях;
4. Необходимость постоянного контроля цепей напряжения питающих реле мощности.

В основном, направленные защиты применяются в качестве основной в сетях до 35 кВ. В сетях 110–220 кВ применяется в качестве резервной, иногда в сочетании с токовой отсечкой применяется как основная защита.