Использование дифференциально-фазной защиты

Схема дифференциально-фазной вч-защиты.

Основные органы дифференциально-фазной защиты и особенности их выполнения. Дифференциально - фазная защита состоит из следующих основных органов: пусковых органов тока П01 (1.KAZ1) и П02 (1.KAZ2), пускающих передатчик и разрешающих РЗ действовать при КЗ; органа манипуляции, управляющего (с помощью 2-ТМ) ВЧ-передатчиком в зависимости от знака сравниваемых токов, и органа сравнения фаз токов, действующего на отключение при совпадении фаз токов, проходящих по концам ЛЭП. ДФЗ не реагирует на нагрузку, поэтому ПО в схемах этой защиты не является обязательным. Однако при его отсутствии любое нарушение непрерывной циркуляции токов ВЧ будет приводить к срабатыванию РО и ложному отключению ЛЭП. Поэтому во всех схемах ДФЗ применяются ПО, отстроенные от токов нагрузки.

К особенностям выполнения ДФЗ относится одновременный пуск передатчиков на обоих концах защищаемой ЛЭП при внешних КЗ. При удаленных внешних КЗ, когда пусковые реле, пускающие ВЧ-передатчик, работают на пределе своей чувствительности, возможна работа ПО только с одной стороны ЛЭП. Тогда ток ВЧ будет прерывистым, и ДФЗ подействует ложно. Для исключения этого ПО ДФЗ выполнен из двух комплектов: одного чувствительного, пускающего ВЧ-передатчик, и второго - более грубого (в 1, 5-2 раза), управляющего цепью отключения.

Рисунок 4.1 – Схема цепей переменного тока дифференциально-фазной ВЧЗ

Непрерывность ВЧ-сигнала при внешних КЗ и качаниях может быть нарушена вследствие неодновременного действия реле, пускающих передатчики, установленные на противоположных концах ЛЭП. Поэтому пуск ВЧ-передатчиков при внешних КЗ должен осуществляться несколько раньше, чем срабатывает реле РО, замыкающее цепь отключения РЗ, а останов их должен происходить несколько позже возврата пусковых реле, управляющих цепью отключения. Выполнение ДФЗ, сравнивающих токи в каждой фазе, сложно и дорого.

При КЗ в зоне передатчик на отключившемся конце ЛЭП должен немедленно останавливаться для предупреждения блокировки ДФЗ противоположной стороны.

Защита значительно упрощается и становится более надежной, если вместо токов фаз сравнивать их симметричные составляющие, получаемые от фильтров, преобразующих трехфазную систему токов в однофазную. В качестве фильтра в ДФЗ этого типа используются комбинированные фильтры, на выходе которых получается ток I_ф, пропорциональный I₁ + k I₂ или I₁ + k I₀.

Подобные фильтры обеспечивают действие ДФЗ при всех видах КЗ. В случае симметричных КЗ ток фильтра обусловливается составляющей I₁ а при несимметричных КЗ - составляющими I₁ и I₂ или I₁ и I₀.

Дифференциально-фазная высокочастотная защита типа ДФЗ-201.

Защита типа ДФЗ-201 выполняется на электромеханических реле, является усовершенствованной модификацией РЗ ДФЗ-2 и предназначена для ЛЭП 110 и 220 кВ в качестве основной быстродействующей защиты от всех видов КЗ. Принцип действия ДФЗ основан на сравнении фаз токов I₁ + k I₂ по концам защищаемой ЛЭП. Схема ДФЗ построена аналогично принципиальной схеме, имеет три органа: пусковой, манипуляции и сравнения фаз.

Пусковой орган состоит из двух комплектов - один, более чувствительный, пускает ВЧ-пост, а второй управляет цепью отключения и реле сравнения РО. Оба комплекта приходят в действие только при появлении токов ОП и НП, благодаря этому они не реагируют на нагрузку и обладают высокой чувствительностью.

Для обеспечения их действия при трехфазных КЗ ПО выполнен по схеме, позволяющей фиксировать кратковременную несимметрию, возникающую в первый момент трехфазного КЗ. Фиксация осуществляется по схеме, аналогичной применяемой в фильтровой ВЧЗ.

В схеме ДФЗ предусмотрены дополнительные пусковые реле, обеспечивающие правильное действие защиты при трехфазных КЗ. Эти реле реагируют на ток фазы и сопротивление Z. Орган манипуляции подключается на токи ЛЭП через комбинированный фильтр, на выходе которого появляется напряжение U_m = k" (I₁ + k I₂), управляющее работой генератора ВЧ.

Релейная часть может работать совместно с ВЧ-постом типа УПЗ-70 или ПВЗК на электронных лампах и на полупроводниковых элементах. Ниже более подробно рассматриваются устройство отдельных элементов ДФЗ и ее схема.

На этих рисунках принято двойное обозначение элементов и контактов ДФЗ: вне скобок указаны обозначения, соответствующие ГОСТ и принятые в Других главах книги; в скобках — по заводским чертежам.

Пусковой орган защиты. Комплект, пускающий ВЧ-пост, состоит из двух реле I.KAZ1 и 1.КА1 и промежуточных реле 1.KL1 и 1.KL2, осуществляющих фиксацию появления I₂ и I₀. Комплект, управляющий релейной частью ДФЗ, выполняется с помощью трех реле 1.KAZ2, 1.КА2, 1.KZ и промежуточных реле 2.KL3 и 2.KL4, служащих для осуществления схемы фиксации. Реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2 являются основными пусковыми реле, действующими при всех видах КЗ. Они питаются выпрямленным током от фильтров токов ОП и НП.

Реле 1.КА1, 1.КА2 и 1.KZ являются дополнительными и предназначены для действия при трехфазных КЗ. На длинных ЛЭП в качестве 1.KZ применяется направленное реле сопротивления типа КРС-2. На средних и коротких ЛЭП допустимо реле минимального напряжения, если оно обес- необходимую чувствительность. Реле 1.КА1 и 1.КА2 токовыми реле типа РТ- 40, включенными на ток одноименной фазы. Пуск ВЧ-генератора производится от реле I KL1, которое приводится в действие пусковыми реле 1.KAZ1 или 1.КА1.

Рисунок 4.3 – Схема цепей постоянного тока дифференциально-фазной ВЧЗ ДФЗ-201

Обмотка 1. KL1 в нормальных условиях обтекается током, а контакты в цепи пуска генератора разомкнуты. При появлении несимметрии (т. е. токов I₂ и I₀) реле 1.KAZI размыкает цепь обмотки 1.KLI, которое, возвращаясь, пускает ВЧ-генератор, подавая на него " плюс" контактами 1.KL1.2 и 1.KL1.3. Одновременно вторым контактом реле 1.KL1.1 размыкает цепь своей обмотки, исключая этим возможность возврата реле при исчезновении кратковременной несимметрии и фиксируя, таким образом, ее появление. Возврат реле 1.KL1 и прекращение работы ВЧ-генератора происходит при помощи реле 1.KL2. Это реле срабатывает через 0, 5-0, 6 с после разрыва тока, нормально проходящего по его обмотке через контакт 1.KL1.1, а при КЗ - через контакты 1.KAZ1.1 и 1.КА1.1. При срабатывании реле 1.KL2 замыкает контактом 1.KL2.1 цепь обмотки реле 1.KL1, которое возвращается, прекращая пуск генератора ВЧ. Таким образом, пуск ВЧ-генератора осуществляется мгновенно, при срабатывании 1.KL1, а прекращение его действия - с замедлением 0, 5-0, 6 с после возврата 1.KL2 и 1.KL1. При повреждении в зоне действия ДФЗ прекращение работы ВЧ-передатчика производится одновременно с подачей импульса на отключение выключателя от реле 2.KL6, которое исключает задержку отключения поврежденной ЛЭП при каскадном действии ДФЗ. При отсутствии реле 2.KL6 передатчик на конце ЛЭП, отключившемся быстрее, продолжал бы работать, посылая из-за прекращения манипуляции сплошной ВЧ-сигнал, в результате чего ДФЗ на противоположном (еще не отключившемся) конце ДФЗ была бы заблокирована до тех пор, пока не возвратилось реле 1.KL.1. Пусковое реле 1.КА1 предназначено для исключения одностороннего пуска ВЧ-постов при трехфазных КЗ вне зоны ДФЗ, возможного под влиянием токов небаланса в фильтре, питающем 1.KAZ1 и 1.KAZ2.

Пуск цепи отключения ДФЗ при несимметричных КЗ производится реле 1.KAZ2. Оно срабатывает при появлении несимметрии и своим замыкающим контактом пускает реле 2.KL5, а размыкающим - приводит в действие 2.KL4, которое подводит контактом 2.KL4.3 " плюс" к контактам 2.KS4.1 реле 2.KS4 При симметричных КЗ пуск ДФЗ осуществляется совместным действием реле 1.KAZ2 и 1.KZ. В этом случае реле 1.KAZ2 срaбатывает кратковременно и разрывает контактом 1.KAZ2.1 цепь обмотки реле 2.KL4, приводя его в действие. Одновременно срабатывает вспомогательное пусковое реле 1.KZ, действующее в течение всего времени, пока длится трехфазное КЗ Цепь пуска ДФЗ образуется через соединенные последовательно контакты реле 1.KZ2 и 2.KL8.1. Реле 2.KL8 срабатывает после размыкания контакта 2.KL4.4.

Такая схема исключает пуск ДФЗ при симметричных перегрузках, так как в этом случае не действуют реле 1.KAZ2 и 1.KZ и кратковременных несимметриях, не сопровождающихся КЗ, поскольку при этом не работает реле 1.KZ. Возврат реле 2.KL4, срабатывающего при действии 1.KAZ2, осуществляется при помощи реле 2.KL3, которое замыкает контакт через 0, 25 с после срабатывания реле 2.KL4, разрывающего контактом 2.KL4.1 ток в его обмотках.

Таким образом, цепь отключений при трехфазных КЗ замыкается только на 0, 25 с, этого замедления достаточно для действия ДФЗ при повреждении ЛЭП. При несимметричных КЗ цепь обмотки 2.KL5 остается замкнутой контактами 1.KAZ2.1, пока продолжается КЗ.

Кроме реле 2.KL4, цепью пуска реле 2.KL3 управляют реле 1.KZ и 2.KL5. Контакты реле 2.KL5 введены в эту цепь для устранения пульсации реле 2.KL3 и 2.KL4 в случае несимметричного КЗ, продолжительность которого превышает время действия реле 2.KL3, а контакт реле 1.KZ.1 служит для блокировки ДФЗ при нарушении цепи напряжения.

При обрыве цепи напряжения пусковое реле 1.KZ срабатывает, в результате чего пуск ДФЗ становится возможным не только при КЗ, но и при кратковременной несимметрии без КЗ, что может вызвать неправильное Действие защиты в случае неисправности ВЧ-канала.

Предусмотренная в схеме блокировка устраняет эту опасность. Срабатывая, реле I.KZ пускает реле 2.KL3, которое с выдержкой времени шунтирует контакты пускового реле 1.KAZ2.1, не позволяя сработать реле 2.KL4, а следовательно, и ДФЗ при появлении несимметрии. Однако в результате такой блокировки ДФЗ не сможет действовать при трехфазных КЗ в зоне в случае повреждения ее цепей напряжения.

Этот недостаток частично устраняется при помощи реле 1 КА2 включенного, так же как и реле 1.КА1, на ток фазы, реле 1.КА2 приходит в действие при трехфазных КЗ, осуществляя пуск ДОЗ помимо контактов 1.KZ2 и 2.KL4.3. Для отстройки от нагрузки уставка реле 1.КА2 берется грубой, поэтому 1 КА2 работает только при КЗ с большим током.

Цепи переменного тока. Пусковые токовые реле 1.KAZ1 и I.KAZ2 выполняются при помощи поляризованных реле, питаемых токами I₂ и I₀ через выпрямители. Реле такой конструкции не имеют вибрации контактов и обладают незначительным потреблением. Последнее облегчает выполнение фильтра, от которого питаются реле.

В целях повышения чувствительности пускового органа при однофазных КЗ реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2 могут питаться кроме тока I₂ током I₀. Pеле I.KAZ2 имеет две обмотки. Рабочая обмотка 1.KAZ2 действует на замыкание контактов, а тормозная обмотка I.KAZ2t служит для улучшения возврата реле.

Пусковой орган, выполненный по рассмотренной схеме, имеет следующие особенности:

а) при несимметричных КЗ ДФЗ пускается на все время, пока длится КЗ, а при симметричных вводится только на время, достаточное для ее действия. При кратковременных несим- метриях, не сопровождающихся КЗ, передатчики пускаются на 0, 6 с, цепь же отключения остается разомкнутой контактами реле 1.KZ.2, чем исключается неправильное действие ДФЗ;

б) пуск передатчика всегда продолжается дольше, чем время включения реле 2.KS4. Благодаря этому при внешних КЗ цепь отключения ДФЗ размыкается до прекращения блокирующего сигнала ВЧ, что повышает надежность ДФЗ при внешних КЗ.

в) ДФЗ готова к повторному действию при несимметричных КЗ в любой момент, а при трехфазных - через 0, 2 с после прекращения первого КЗ;

г) во время неполнофазного режима пусковые органы ДФЗ могут прийти в действие, если токи I₂ и I₀ превысят уставку Реле 1.KAZ1 и LKAZ2. Однако ДФЗ блокируется, как при внешнем КЗ.

В случае возникновения в этом режиме КЗ на защищаемой ЛЭП реле 2.KS4 сработает, и ДФЗ подействует на отключение.

Рисунок 4.3 – а) принципиальная схема, б) диаграмма работы

Орган сравнения фаз. Как указывалось, реле 2.KS4 питается анодным током приемника и реагирует на разность фаз токов по концам ЛЭП в зависимости от характера ВЧ-сигнала. В РЗ ДФЗ-201 в качестве реле 2.KS4 применено поляризованное реле, включаемое по схеме.

Анодный ток приемника I_а при КЗ в зоне имеет прерывистый характер. Если бы реле 2.KS4 питалось непосредственно анодным током, то его контакты замыкались бы ненадежно. Поэтому питание реле 2.KS4 осуществляется по особой схеме, преобразующей прерывистый анодный ток приемника в постоянный. Схема состоит из трансформатора 2.TL, выпрямителя 2.VS8 и конденсатора 2. С12. Для уяснения процесса преобразования представим, что кривая анодного тока разложена на гармоники с частотами, кратными 50 Гц. Токи высших гармоник (f > 50 Гц) замыкаются главным образом через конденсатор 2.С12, а токи основной частоты (f = 50 Гц) - через индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора 2.TL, имеющей для токов основной гармоники меньшее сопротивление, чем конденсатор 2.С12. Вторичный ток трансформатора 2.TL выпрямляется выпрямителем 2.VS8, сглаживается конденсатором 2.С12 и питает обмотку реле 2.KS4. В том случае, если контакты промежуточного реле 2.KL5.2 замкнуты, последнее срабатывает только при действии пусковых релe ДФЗ при КЗ.

Значение тока в реле зависит от продолжительности сигналов ВЧ. С уменьшением интервалов между импульсами тока ВЧ уменьшается ток I_2.KS4 поступающий в реле 2.KS4. При I_2.KS4 > I_c.р реле 2.KS4 приходит в действие. Так как продолжительность перерыва между ВЧ-импульсами зависит от сдвига фаз ф между токами I_m и I_n по концам ЛЭП, то значение тока зависит от угла ф. Зависимость I_2.KS4 = f (ф) называемая фазной характеристикой, изображена на рис. 3.19. Угол блокировки ДФЗ B регулируется в пределах плюс-минус (45 - 60)°.

Действие ДФЗ при различных режимах.

При внешнем несимметричном КЗ на обоих концах ЛЭП срабатывают пусковые реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2, приводящие в действие ВЧ-посты и разрешающие работать реле 2.KS4. Приемники принимают непрерывный сигнал ВЧ. Поэтому в реле 2.KS4 отсутствует ток, и его контакты в цепи отключения остаются разомкнутыми [56].

Риунок 4.4 – Фазная характеристика дифференциально-фазной ВЧЗ

Заштрихована зона блокировки.

Внешнее симметричное КЗ. На обоих концах ЛЭП срабатывают пусковые реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2. Через контакты 2.KL4, 1.КА2 и 1.KAZ2 подготавливается цепь отключения, но ДФЗ не действует, так как токи высокой частоты генерируются непрерывно и в реле 2.KS4 отсутствует ток. Пепь отключения разрывается контактом реле 2.KL4.3 через 0, 2 с, после чего ДФЗ готова к повторному действию. Пуск ВЧ-постов продолжается на 0, 5-0, 6 с больше времени отключения внешнего КЗ.

Короткое замыкание в зоне защиты. При двустороннем питании токи КЗ проходят к месту повреждения с обоих кон. цов ЛЭП. Под влиянием этих токов срабатывают ПО, которые подготавливают цепь отключения и пускают генераторы ВЧ. Токи I₁ + k I₂ на выходе фильтров манипуляции совпадают по фазе. В ЛЭП возникает прерывистый сигнал ВЧ, обусловливающий появление тока в реле 2.KS4 после замыкания цепи его обмотки контактами реле 2.KL5.2. Реле 2.KS4 срабатывают на обоих концах ЛЭП, и ДФЗ дает команды на отключение выключателей.

При одностороннем питании ток повреждения проходит только с одного конца ЛЭП. Под воздействием этого тока ДФЗ на питающем конце пускается при всех КЗ, но поведение защиты будет зависеть от приемного конца, где проходит только ток нагрузки. В случае несимметричного КЗ под влиянием напряжения ОП, возникающего в месте КЗ, по обоим концам ЛЭП будет проходить ток I₂ замыкающийся на приемном конце через нагрузку. Под воздействием этих токов в ЛЭП появится прерывистый сигнал ВЧ, и ДФЗ сработает на отключение.

В случае симметричного трехфазного КЗ ток несимметрии появится только в первый момент. Пусковые реле 1.KAZ1 сработают кратковременно и пустят передатчики на обоих концах ЛЭП на время, определяемое замедлением реле 2.KL2 и 2.KL3. Передатчик на питающем конце, управляемый током КЗ, будет посылать прерывистый сигнал ВЧ. Передатчик же на приемном конце будет работать непрерывно, посылая сплошной сигнал, так как напряжение у потребителя при металлическом К⁽³⁾ будет равно нулю, вследствие чего ток и манипуляция отсутствуют. В результате этого ДФЗ откажет в действии, поэтому КЗ должно отключаться резервной РЗ.

Опыт эксплуатации показал, что дифференциально-фазные ВЧ-защиты быстро и надежно ликвидируют КЗ на линиях. Для дальнейшего совершенствования этих защит необходимо улучшить отстройку от помех ВЧ-аппаратов, которые в настоящее время часто под действием помех автоматически выводят защиту из действия. Для исключения влияния электромагнитных помех рассматривается возможность использования в качестве ВЧ-канала оптоволоконного кабеля. Выбор уставок ДФЗ приведен в [10].

Анодный ток приемника I_а при КЗ в зоне имеет прерывистый характер. Если бы реле 2.KS4 питалось непосредственно анодным током, то его контакты замыкались бы ненадежно. Поэтому питание реле 2.KS4 осуществляется по особой схеме, преобразующей прерывистый анодный ток приемника в постоянный. Схема состоит из трансформатора 2.TL, выпрямителя 2.VS8 и конденсатора 2. С12. Для уяснения процесса преобразования представим, что кривая анодного тока разложена на гармоники с частотами, кратными 50 Гц. Токи высших гармоник (f > 50 Гц) замыкаются главным образом через конденсатор 2.С12, а токи основной частоты (f = 50 Гц) - через индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора 2.TL, имеющей для токов основной гармоники меньшее сопротивление, чем конденсатор 2.С12. Вторичный ток трансформатора 2.TL выпрямляется выпрямителем 2.VS8, сглаживается конденсатором 2.С12 и питает обмотку реле 2.KS4. В том случае, если контакты промежуточного реле 2.KL5.2 замкнуты, последнее срабатывает только при действии пусковых релe ДФЗ при КЗ.