Функциональная схема и принцип действия токовой направленной защиты

Направленная токовая защита (НТЗ) при КЗ должна реагировать на значение тока и направление мощности в поврежденных фазах защищаемой ЛЭП. Поведение РНМ определяется знаком мощности, подведенной к его зажимам:

(7.1)

где α – угол сдвига между напряжением и током в цепи напряжения реле (угол внутреннего сдвига); φ_р – угол сдвига между U_p и I_р.

При КЗ на защищаемой ЛЭП S_p положительно (+S_р), и РНМ разрешает НТЗ действовать на отключение.

П ри КЗ на защищаемой ЛЭП W1 (см. рис.7.1) или на следующем за ней участке W2 реле КА и KW, приходя в действие, подают сигналы на вход И (рис.7.2). На выходе элемента И появляется сигнал, который приводит в действие КТ (рис.7.2 и 7.4). Через заданное время на выходе КТ появляется сигнал, действующий на исполнительный элемент KL, подающий команду на отключение выключателя. При КЗ на других присоединениях данной подстанции (W2 на р ис.7.1) КА срабатывает, если I_к > I_с.з, но так как KW не работает, элемент И, а следовательно, и НТЗ в целом не действуют.

Рассматриваемая схема может быть реализована с помощью как контактных, так и бесконтактных реле.

Оперативная схема действия контактных (электромеханических) реле показана на рис.7.4.

В нормальном режиме, если мощность нагрузки направлена от шин в ЛЭП, РНМ может сработать. Для исключения при этом срабатывании НТЗ ее пусковой орган КА необходимо отстраивать от тока нагрузки (I_с.з > I_н max).

При качаниях в энергосистеме НТЗ может работать ложно, если ток качания окажется больше I_с.з, мощность S_p на зажимах KW будет направлена от шин в ЛЭП, а период качаний будет больше выдержки времени НТЗ. Для исключения действия НТЗ при качаниях ее время действия должно быть больше 1 с.

Анализируя действия НТЗ, установленных в кольцевой сети (см. рис.7.1, б), следует иметь в виду возможную каскадность ее действия, т.е. последовательное срабатывание РЗ и отключение выключателей, установленных по концам защищаемой ЛЭП. Так, например, при КЗ в точке К1 измерительные органы РЗ 6, установленной на ПС III, удаленной от источников питания, могут не подействовать в первый момент возникновения повреждения из-за недостаточной чувствительности. После же отключения поврежденной ЛЭП со стороны ПС I ток, протекающий от ПС III, увеличится и РЗ 6 подействует каскадно, ликвидируя КЗ в точке К1.

Схемы включения реле направления мощности

Требования к схемам. Реле направления мощности включаются, как правило, на фазный ток и междуфазное напряжение. Сочетание фаз тока и напряжения реле, называемое его схемой включения, должно быть таким, чтобы реле правильно определяло знак мощности КЗ при всех возможных случаях и видах повреждений, и чтобы к РНМ подводилась возможно большая мощность.

Мощность S_р, как это следует из (7.1), может иметь недостаточное для действия РНМ значение при КЗ, близких к месту установки реле, за счет снижения напряжения U_р или при неблагоприятном значении угла φ_р, при котором sin(α – φ_р) равен или близок к нулю. Отсюда следует, что, во-первых, РНМ должно включаться на такое напряжение, которое при близких КЗ не снижается до нуля, и, во-вторых, напряжение и ток, подводимые к реле, должны подбираться так, чтобы угол сдвига между ними φ_р в условиях КЗ не достигал значений, при которых мощность на зажимах реле приближается к нулю.

Следует отметить, что первое требование выполнимо только при двух- и однофазных КЗ, в случае же трехфазного КЗ все фазные и междуфазные напряжения могут снижаться до нуля.

В современных схемах НТЗ применяется включение РКМ по так называемой 90-градусной схеме сочетания токов и напряжений, приведенным ниже применительно к схеме включения РНМ, показанным на рис.7.4:

Реле…………………………………………..I………..II……….III

I_p.......................................................................I_A……….I_B……….I_C

U_p…………………………………………....U_BC……..U_CA……..U_AB

Н азвание схемы (90-градусная) носит условный характер. Схема именуется по углам φ_р между напряжением и током, подведенным к РНМ в симметричном трехфазном режиме при условии, что токи в фазах совпадают с одноименными фазными напряжениями (рис.7.5).

90-градусная схема включения РНМ. Ниже рассмотрена работа РНМ типа РБМ-171 с углом максимальной чувствительности φ_м.ч = – 30°, включенного по 90-градусной схеме. Угол внутреннего сдвига этого реле α = 90° + φ_м.ч = 90° – 30° = 60° (см. §2.12). Мощность на зажимах такого реле: S_p = k_pU_pI_p cos (φ_р + 30°); РНМ включено на ток I_р = I_А и напряжение U_p = U_BC.

На рис.7.6 изображена векторная диаграмма напряжений и тока I_А при трехфазном КЗ на ЛЭП. Ток I_А отстает от напряжения U_A на угол φ_к. Вектор I_А имеет два предельных положения: I'_А – при КЗ за чисто реактивным сопротивлением X, когда φ_к = 90°, I''_А – при КЗ через дугу в начале ЛЭП, когда φ_к ≈ 0°.

По найденным значениям φ_р определяются знак и значение мощности на входе РНМ. С этой целью строится диаграмма тока и напряжения на зажимах РНМ для рассмотренного случая КЗ (рис.7.6). На ней относительно U_p построена линия N₁N₂ изменения знака мощности S_p и линия M₁M₂ максимальной мощности S_p для данного типа РНМ. Проекция I_А на линию максимальной мощности, равная I_A = sin (α – φ_р), характеризует значение и знак мощности. При КЗ в зоне проекция I_A имеет положительный знак, а в случае КЗ вне зоны ("за спиной") – отрицательный. Значение мощности на реле достигает максимума S_p mах при φ_м.ч = φ_р = – 30° (чему соответствует φ_к = 60°). Из диаграммы и характеристики реле следует, что поведение РНМ при трехфазном КЗ в зоне и вне зоны будет правильным и значение S_p достаточным для действия РНМ,

Построив векторные диаграммы U_p и I_р для двух- и однофазных КЗ при возможных предельных значениях φ_к и φ_р, можно установить, что и при этих видах повреждения на зажимах РНМ обеспечивается достаточное значение S_p для его правильного действия.