Глава третья
КОНТРОЛЬ ИСПРАВНОСТИ ЛИНИИ СВЯЗИ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ДВУХКОНЦЕВОЙ ЛИНИИ
Работа защиты при повреждениях ЛС и требования к параметрам устройства контроля
Недостатком всех ПДТЗ является возможность неправильного срабатывания при повреждении ЛС, так как при этом нарушается нормальный обмен информацией между комплектами, установленными на концах защищаемой линии. Наиболее частыми причинами повреждений являются: снижение уровня изоляции вследствие старения, неправильной эксплуатации и др.; механическая вибрация места установки защиты и, как следствие, нарушение цепей в местах разъемных соединений (винтовых, штепсельных и т. д.); ошибки обслуживающего персонала при контрольных испытаниях; случайные механические повреждения при земляных работах.
Повреждения ЛС являются случайными событиями. Кроме очевидных повреждений, таких, как однократный обрыв и замыкание, на практике имеют место многократные (перемежающиеся) повреждения типа обрыв—восстановление — обрыв и т. д. Причиной таких повреждений обычно является многократная потеря контакта в местах электрических соединений из-за механической вибрации мест установки защиты. Частота вибрации определяется механическими характеристиками конструкций панелей, стоек, шкафов и т. д. и обычно находится в пределах: 0≤f≤25 Гц.
Рис. 3.1. Функциональная схема УК:
ПЭ— пороговый элемент;D↑ — элемент задержки; И—логический элемент совпадения
Предотвращение неправильного срабатывания защиты при повреждении ЛС осуществляется с помощью устройств активного контроля (УК), которые блокируют защиту в этих режимах [7] или переводят ее на работу по упрощенному алгоритму [33], например в режим максимальной токовой защиты. В отдельных случаях используется пассивный контроль ЛС с действием только на сигнал совместно с пусковыми органами: токовыми, напряжения, а также реагирующими на несимметричный режим работы линии [20]. Однако такой вид контроля может быть использован только в тех случаях, когда не предъявляется высоких требований к чувствительности и быстродействию, что в настоящее время, как правило, является неприемлемым. Поэтому в дальнейшем рассматриваются лишь защиты, снабженные УК активного действия.
В большинстве случаев активный контроль осуществляется непрерывным измерением величины постоянного тока в ЛС с помощью реле. Цепи переменного и постоянного тока разделяются с помощью частотных фильтров, включающих в себя, как правило, разделительный конденсатор Ср. Алгоритм работы УК в этом случае описывается булевой функцией вида (рис 3.1)
где Ya — сигнал на отключение выключателя линии; f1 (х, t) — булева функция от значения сигнала ПДЗ, принимающая значение 1 при КЗ в зоне защиты и при повреждении ЛС; f2 (x, t) —булева функция от значения сигнала в линии связи, принимающая значение 0 при ее повреждениях, приводящих к ложной работе защиты; D↑ — оператор задержки появления сигнала защиты на время t, достаточное для действия УК.
Впервые данный способ выполнения УК был предложен И. А. Кравцовым в 1935 г. и использован в отечественной защите типа РДЛ. На основе его в дальнейшем были разработаны многочисленные варианты УК: в Мосэнерго» Днепрэнерго, НПИ, РПН и др. Этот способ построения УК используется и за рубежом [34]. Подробный анализ таких схем УК выполнен в [28]. На основе этого анализа был сделан вывод о том, что наиболее совершенным УК является устройство типа УК-1, примененное в ПДЗ типа ДЗЛ-2 [7]. Поэтому в дальнейшем рассмотрение особенностей работы ПДЗ при наличии УК выполняется для устройства типа УК-1. Сравнительная оценка преимуществ и недостатков новых схем УК производится также путем сопоставления их с возможностями устройства типа УК-1.
В процессе разработки защиты типа ДЗЛ-2 было обнаружено, что параметры УК-1 существенным образом влияют на характеристики ПДТЗ, что в первую очередь определяется прохождением постоянного тока контроля по вторичным обмоткам изолирующих трансформаторов. При повреждении ЛС происходит изменение тока контроля, что приводит к появлению в первичной обмотке изолирующего трансформатора броска тока. Этот ток, попадая в рабочую обмотку дифференциального реле, может вызвать ложное срабатывание защиты. О продолжительности импульсов тока, поступающих на выходное промежуточное реле защиты типа ДЗЛ-2, можно судить по кривым» представленным на рис. 3.2,а и б. Как видно из кривых, более опасным является второй случай (рис. 3.2,б), где tи достигает 35 мс.
Простейшие способы предотвращения неправильной работы защиты при неисправностях ЛС, заключающиеся в загрублении защиты по току срабатывания и увеличения времени ее срабатывания, нежелательны, так как ПДТЗ, является основной защитой линии и должна обладать высокой чувствительностью и быстродействием. Следует искать другие пути, ведущие к уменьшению интенсивности и длительности переходных процессов и к увеличению быстродействия устройства контроля.
Для обоснования выбора параметров защиты и УК и выявления расчетных режимов в [35] проведен анализ работы ПДТЗ типа ДЗЛ-2 при повреждениях ЛС. Ввиду многообразия видов повреждения ЛС, а также учитывая случайный характер начальных условий переходных процессов, исследование влияния УК на характеристики защиты выполнено с помощью математического моделирования на цифровой ЭВМ. Моделируемая схема защиты ДЗЛ-2 представлена на рис. 3.3. Комплект защиты на противоположном по отношению к месту установки источника питания УК конце линии введен в схему эквивалентным активным сопротивлением Rэк, что, как показали эксперименты, не искажает картины переходных процессов.
Рис. 3.2. Длительность импульса тока, поступающего на выходное реле защиты ДЗЛ-2 при обрыве (а) и восстановлении проводов после их замыкания (б):
Iнагр — ток нагрузки защищаемой линии
При расчете, кроме того, сделаны следующие допущения: не учитывались потоки рассеяния и активные сопротивления обмоток изолирующих трансформаторов TAL, предполагалось, что диоды имеют идеальные характеристики. Использована Т-образная схема замещения. Все численные значения параметров защиты типа ДЗЛ-2 определялись экспериментально. Решение системы уравнений выполнено методом Рунге-Кутта 4-го порядка с видоизменениями Мерсона. Расчетным путем определялось время tпр, в течение которого суммарная МДС превышает МДС срабатывания дифференциального реле:
где Fp и Fт — МДС рабочей и тормозной обмоток KAW.
В результате выполненных исследований установлено:
- Наиболее опасными случаями однократного повреждения ЛС, при которых вероятность неправильной работы защиты типа ДЗЛ-2 максимальна, являются:
В обоих случаях расчетным местом неисправности является повреждение вблизи конца ЛС, где установлен источник питания УК.
Рис. 3.4. Зависимость t(Ср) при восстановлении исправности проводов ЛС после их замыкания при Iк0 = 5,5 мА
внезапное восстановление ЛС после замыкания проводов при максимальной длине (l=20 км), максимальном токе контроля и минимальном токе нагрузки;
обрыв проводов ЛС при максимальном токе нагрузки в защищаемой линии и максимальном токе контроля.
Рис. 3.3. Упрощенная принципиальная схема защиты типа ДЗЛ-2 с устройством контроля
Однако более сложным и опасным видом повреждения ЛС является перемежающийся обрыв. В этом случае необходимо ВЫПОЛНИТЬ условия: tвКА<tсКА; tсКА≥tвКАW; где tcKAW, tcKA, tвKAW, tвKA — соответственно времена срабатывания и возврата реле контроля ЛС КА и KAW. Надежная работа защиты обеспечивается при tвKAW мс, т. е. при высоком быстродействии УК.
- Время tи существенно зависит от емкости конденсатора Ср (рис. 3.4) и мало зависит от параметров других элементов схемы. При Ср≤
мкФ ложная работа защиты типа ДЗЛ-2 практически исключается. - Ток контроля оказывает заметное влияние на работу защиты (рис. 3.5). Снижение тока контроля до Iк ≤4 мА исключает ложную работу защиты. Проведенный расчет позволил построить зависимость Ср(IК) при условии tcKAW = 0 (рис. 3.6).
Рис. 3.5. Зависимость Iи0(Cp) при восстановлении исправности проводов ЛС после их замыкания при Сp=10 мкФ
Рис. 3.6. Зависимость Iк0(Сp) при восстановлении исправности проводов ЛС после их замыкания
Таким образом, наиболее простым способом устранения влияния УК на работу защиты является либо уменьшение величины Ср, либо тока Iк. Однако, как показали результаты моделирования и экспериментов, эти возможности в защите типа ДЗЛ-2 не могут быть реализованы из-за увеличения переменной составляющей в токе контроля и возможности в связи с этим отказа защиты при КЗ в зоне.
Отметим, что уменьшение доли переменного тока в цепи реле контроля возможно за счет увеличения добротности частотного фильтра, если использовать, например, LC- фильтр вместо Ср. Этот способ нашел применение в УК, описание которого дано в [12]. Однако применение LC-фильтров в еще большей степени усложняет характер переходных процессов. Поэтому единственной возможностью разрешения проблемы является повышение быстродействия реле контроля, однако при традиционном выполнении УК эта задача является практически неразрешимой и, следовательно, необходим переход на другие принципы выполнения УК. Уместно отметить, что в современных условиях УК необходимо наделять свойствами диагностирования.