Цыгулев Н. И., канд. техн. наук ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск
В отечественной и зарубежной литературе по релейной защите (РЗ) отсутствует аналитический анализ известных типов построения РЗ электроэнергетических объектов, который позволил бы обосновать возможности их применения и теоретически получить значения коэффициентов, в частности, коэффициентов чувствительности, используемых при расчете параметров срабатывания защит. В данной работе делается первая попытка проведения такого анализа. Подход автора к решению этой проблемы иллюстрируется на примере анализа построения защит линий с односторонним питанием. Это сужает возможности распространения полученных результатов на защиты других электроэнергетических объектов, но позволяет получить простые аналитические выражения, характеризующие работу защит, и может послужить первым этапом решения указанной проблемы.
Участок радиальной сети с односторонним питанием
Для общности анализа в работе не рассматриваются конкретные способы построения систем РЗ и устройства их реализации.
Для упрощения анализа в работе принят ряд допущений: входные сигналы приняты синусоидальными, т.е. рассматриваются только принужденные составляющие токов короткого замыкания и напряжений; измерительные трансформаторы тока и напряжения приняты идеальными, т.е. работают без погрешности; не учитывается время срабатывания систем РЗ.
Сравнение различных типов защит может быть представлено на основе анализа областей пространств параметров срабатывания и областей пространств параметров режимов при внутренних и внешних повреждениях, а также в анормальных режимах. При этом, если области пространств параметров срабатывания пересекаются с областями пространств параметров при внешних повреждениях или анормальных режимах, происходит неселективное срабатывание РЗ. Пространства параметров срабатывания токовых защит являются одномерными, а токовых направленных защит, токовых защит с блокировкой по напряжению и дистанционных защит - двухмерными. Анализ защит проведен для линии с односторонним питанием, показанной на рисунке. Для рассматриваемого случая токовые направленные защиты преимуществ перед токовыми защитами не имеют, поэтому в дальнейшем не анализируются.
Токовые защиты. Для этой схемы две ступени токовой отсечки обеспечивают защиту всей линии и частично трансформатора, поэтому она рассматривается в качестве основной защиты.
Ток срабатывания отсечки выбирается по известной формуле из [1]
(1)
где котс = 1,1 ^ 1,3 - коэффициент отстройки, зависящий от типа используемого реле тока; /к2.макс - максимальное значение трехфазного тока короткого замыкания (КЗ) в точке К2, а коэффициент чувствительности - по формуле
(2)
где /к1.мин - минимальное значение трехфазного тока КЗ в точке К1. В соответствии с требованиями ПУЭ коэффициент чувствительности должен быть кч > 1,5.
Подставляя выражение (1) в (2) и раскрывая выражения для вычисления токов /к2.макс и /к1.мин, после несложных преобразований получим соотношение
где zс.миН, 2с.макс - минимальное и максимальное значения сопротивления системы; zn - сопротивление линии; zтр.мин - минимальное значение сопротивления трансформатора из [2]
(где Д U*РПн - половина полного суммарного диапазона регулирования напряжения на стороне высокого напряжения трансформатора; 5,тр ном - номинальная мощность трансформатора), которое и определяет границу применения токовой защиты. Токовая защита может быть рекомендована к установке, если выполняется неравенство
(3)
С другой стороны, выражение (3) позволяет теоретически обоснованно определить величину кч токовых защит для различных соотношений сопротивлений, трансформатора, линии и системы в максимальном и минимальном режимах.
В частном случае, при большой мощности системы, когда можно пренебречь ее сопротивлением в максимальном и минимальном режимах, неравенство (3) упрощается и принимает вид
Для повышения чувствительности токовой защиты ее часто дополняют блокировкой по напряжению. Применение комбинированной защиты по току и напряжению позволяет произвести отстройку от повреждения за трансформатором по напряжению [3]. Ток срабатывания такой защиты выбирается из условия обеспечения достаточной чувствительности при двухфазном металлическом КЗ в конце защищаемой зоны при максимальном сопротивлении системы
(4)
где кчт = 1,5 - коэффициент чувствительности комбинированной защиты по току.
Выбранный с помощью выражения (4) ток /со должен обеспечивать надежную отстройку от токов самозапуска в режиме АПВ при неисправности в цепях напряжения, т.е. [3]
где ксзп - коэффициент самозапуска; /раб.макс - максимальный рабочий ток, равный номинальному току трансформатора /раб.макс = /гр.ном.
Подставляя выражение (4) в (5) и раскрывая выражения для /к1.мин и /раб.макс, после несложных преобразований получим первое неравенство, определяющее возможность использования комбинированной токовой защиты
(6)
Для системы бесконечной мощности выражение (6) упрощается и принимает вид
Таким образом, в комбинированной защите при реальных значениях коэффициентов котс, ксзп требования к тому, чтобы сопротивление трансформатора превышало сопротивление линии, оказываются менее жесткими и во многом зависят от величины ксзп, т.е. от процентного содержания двигательной нагрузки подстанции.
Второе условие целесообразности использования комбинированной защиты получим с помощью выражения для выбора напряжения срабатывания защиты [3]
(7)
где кн = 1,1 ^ 1,2 - коэффициент надежности.
Чувствительность защиты по напряжению проверяется при КЗ в конце защищаемой линии. Остаточное напряжение в месте установки защиты должно быть не менее чем в 1,5 раза ниже, т.е. из [4]
(8)
где кчн = 1,5 - коэффициент чувствительности по напряжению; = 1,71/к1.макс2л.
Подставив выражение (7) и (8), запишем второе условие
(9)
Таким образом, если условия (6) и (9) одновременно выполняются, то рекомендуется использовать комбинированную защиту (отсечку) по току и напряжению, являющуюся достаточно простой и обеспечивающую быстродействующую селективную защиту линии и частично трансформатора. Если же одно из условий не выполняется, то рекомендуется использовать более сложную дистанционную защиту, параметры срабатывания которой не зависят от режимов работы системы и ее параметров.
Выражение (9) может быть также использовано для нахождения коэффициента чувствительности по напряжению в зависимости от соотношения сопротивлений, входящих в защищаемый участок элементов.
Дистанционные защиты. Далее анализируется дистанционная защита с круговой характеристикой.
По условию отстройки от КЗ за трансформатором первичное сопротивление срабатывания второй ступени дистанционной защиты выбирается с помощью выражения [5]
(10)
Так как рассматривается только одна линия, то не требуется согласования ее с защитами других линий.
Коэффициент чувствительности защиты при металлическом замыкании в конце защищаемого участка линии определяется по формуле
(11)
Подставляя выражение (10) в (11), получим соотношение, при котором рекомендуется использовать дистанционную защиту
(12)
Если условие (12) не выполняется, то следует применить более сложные защиты.
Список литературы
- Федосеев А. М.Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1984.
- Гельфанд Я. С. Релейная защита распределительных сетей. М.: Энергия, 1975.
- Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. Л.: Энергоатомиздат, 1985.
- Правила устройства электроустановок. Раздел III. Защита и автоматика / Под ред. Королева С. Г. М.: Энергоиздат, 1981.
- Руководящие указания по релейной защите. Дистанционная защита линии 35 - 330 кВ. М.: Энергия, 1966, вып.7.