Фазовые соотношения токов при повреждениях в защищаемой зоне

Исследуются фазовые сдвиги токов по концам поврежденной линии при различных полнофазных и неполнофазных режимах работы электропередачи. В приводимом ниже анализе сопротивления прямой и обратной последовательностей электропередачи приняты одинаковыми, положительные направления токов приняты от шин в сторону линии.

1. Симметричное короткое замыкание на ЛЭП с двусторонним питанием

При симметричном трехфазном коротком замыкании на защищаемой линии токи по концам линии сдвинуты по фазе на угол, близкий к фазовому сдвигу э. д. с. эквивалентных источников. Этот угол составляет ориентировочно 30-50°.

2. Несимметричное короткое замыкание на ЛЭП с односторонним питанием

При несимметричном коротком замыкании на линии, имеющей одностороннее питание, токи прямой последовательности сдвинуты на 180°; токи обратной последовательности, так же как и токи нулевой последовательности, совпадают по фазе.

3. Работа электропередачи с отключенной одной фазой

В соответствии с рисунком 27-3 токи одноименных последовательностей по концам линии электропередачи, работающей с одной отключенной фазой, сдвинуты по фазе на 180°.

Рисунок 27-3. Распределение напряжений, токов и мощностей при размыкании одной фазы. а) схема ЛЭП; б) комплексная схема замещения в) распределение напряжений; г) распределение токов; д) распределение мощностей.

4. Однофазное короткое замыкание с разрывом фазы

С точки зрения распределения токов и их фазовых соотношений случай разрыва фазы с односторонним замыканием на землю (рисунок 27-4, а) аналогичен случаю однофазного короткого замыкания при неполнофазном режиме, например в цикле ОАПВ при неодновременном включении фазы с двух концов ЛЭП.

При указанном виде повреждения в зависимости от параметров системы могут иметь место неблагоприятные с точки зрения чувствительности дифференциально-фазной высокочастотной защиты фазовые соотношения между токами одной и той же последовательности по обе стороны от места повреждения. При равенстве ЭДС эквивалентных источников фазовый сдвиг между одноименными симметричными составляющими тока всецело зависит от сопротивлений прямой (Z₁₁) и нулевой (Z₀₁) последовательностей участка электропередачи с той стороны, где заземлена фаза.

Рисунок 27-4. Однофазное КЗ с разрывом фазы А. а) расчетная схема; б) комплексная схема замещения.

Распределение токов в схеме (рисунок 27-4, б) не изменится, если промежуточные трансформаторы, через которые протекает ток I, заменить источниками тока I. При этом комплексная схема замещения для рассматриваемого случая, когда Е_I = Е_II , примет вид, изображенный на рисунке 27-4, а. Пользуясь методом наложения, можно найти распределение токов в этой схеме, поочередно включая источник тока I в схему прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Полагая Z_1I = Z_2I, Z_1II = Z_2II и обозначая Z₁ = Z_1I + Z_1II и Z₀ = Z_0I + Z_0II, находим на основании рисунка 27-5:

Формулы 7-1 и 7-2 наглядно показывают следующее:

а) при Z_1I > Z_0I токи прямой (и обратной) последовательности по концам поврежденного участка совпадают по фазе, а токи нулевой последовательности сдвинуты на 180°.

б) при Z_1I < Z_0I токи нулевой последовательности совпадают по фазе, а токи прямой (и обратной) последовательности сдвинуты на 180°.

Рисунок 27-5. Комплексные схемы замещения с источниками тока при однофазных коротких замыканиях с разрывом фазы А. а) замыкание на землю фазы А; б) то же, фазы В; в) то же, фазы С.

Для определения угла сдвига между токами по концам линии удобно пользоваться отношением комплексных токов, так как при делении их друг на друга фазы токов вычитаются и, следовательно, аргумент (угол) комплексной дроби получается равным углу сдвига между токами.

В табл. 7-1 приведены соотношения между одноименными симметричными составляющими токов по концам линии в случае. однофазных коротких замыканий фаз А, В и С, при условии, что фаза А разомкнута. Поскольку Е_I принято равным Е_II, то ток I, входящий в выражения симметричных составляющих при делении, исключается. Выражения для случаев замыканий фазы В или С получены на основе комплексных схем замещения (рисунок 27-5, б и в).

Из табл. 7-1 видно, что в случае замыкания на землю фазы В или С условия для работы дифференциально-фазной высокочастотной защиты получаются более благоприятными, чем в случае замыкания фазы А (когда угол может достигать 180°).

Для сравнения фаз токов, получаемых на выходных зажимах комбинированных фильтров тока, можно аналогичным образом воспользоваться соотношениями комплексных величин, определяемых типом фильтра.

5. Двухфазное короткое замыкание в цикле ОАПВ

При работе линии электропередачи с отключенной фазой А возможны двухфазные короткие замыкания фаз АВ, ВС или СА. На рисунке 27-6,б изображена комплексная схема замещения для расчетного случая двухфазного короткого замыкания (ВС), представленного на рисунке 27-6,а.

Рисунок 27-6. Двухфазное короткое замыкание с разрывом фазы А. а) расчетная схема; б) комплексная схема замещения.

Распределение токов в схеме (рисунок 27-6, б) не изменится, если промежуточные трансформаторы, через которые протекает ток I, заменить источниками тока I. При этом схема замещения в случае Е_I = Е_II примет вид, изображенный на рисунке 27-7, б.

Рисунок 27-7. Комплексные схемы замещения с источниками тока при двухфазных коротких замыканиях с разрывом фазы А. а) замыкание фаз А,В; б) то же, фазы В,С; в) то же, фазы С,А.

На рисунке 27-7,а и в показаны схемы замещения для случаев замыканий фаз АВ и СА.

Пользуясь методом наложения, находим симметричные составляющие токов по концам линии электропередачи. Затем, деля друг на друга одноименные составляющие токов, получаем комплексные выражения, приведенные в табл. 7-2, аргументы которых и определяют величину сдвига фаз токов по концам линии.

Из табл. 7-2 видно, что дифференциально-фазная защита, основанная на сравнении фаз токов нулевой последовательности, в рассматриваемом случае отказывает в действии (токи сдвинуты на 180).

Выражения для , приведенные в таблице 7-2, позволяют исследовать фазовые соотношения в случае защиты, сравнивающей фазу токов обратное последовательности.

Если Z_1II мало по сравнению с Z₁ и им можно пренебречь, то при замыкании фаз АВ

Следует заметить, что углы сдвига фаз токов прямой последовательности при замыканиях фаз АВ и СА соответственно равны углам сдвига токов обратной последовательности при замыканиях фаз СА и АВ. При расхождении ЭДС Е_I и Е_II по фазе абсолютная величина угла между токами I_I и I_II может быть больше или меньше 90°.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Защита, сравнивающая фазу токов прямой последовательности при двусторонней работе приемо-передатчиков, нечувствительна к несимметричным коротким замыканиям на линии, питающей нагрузку, при отсутствии источников энергии на приемном конце (такой режим работы линии электропередачи возможен в условиях эксплуатации как временный).

Во избежание отказа защиты в действии передатчик на приемном конце линии не должен быть в данном случае запущен.

2. Защита, сравнивающая фазу токов прямой, обратной или нулевой последовательности, может быть нечувствительна к однофазным коротким замыканиям с обрывом фазы. Это приводит к отказу защиты в действии при обрыве провода с односторонним замыканием на землю или к задержке действия защиты при однофазном коротком замыкании в цикле ОАПВ при неодновременном включении фазы с двух концов линии.

Во избежание отказа защиты в действии передатчик, установленный с той стороны линии, где фаза разомкнута, не должен быть запущен.

З. Чувствительность защиты, сравнивающей фазу токов прямой или обратной последовательности, может быть сильно понижена при двухфазных коротких замыканиях с односторонним обрывом фазы.

Защита, сравнивающая фазу токов нулевой последовательности, в этом случае отказывает в действии. Во избежание отказа защиты передатчик, установленный с той стороны линии, где фаза разомкнута, не должен быть запущен.

4. Защита, основанная на сравнении фаз полных токов, не имеет недостатков, перечисленных выше. Однако чувствительность такой защиты понижается при расхождении по фазе ЭДС концов электропередачи, а также при двухфазном коротком замыкании на линии, имеющей одностороннее питание.