Защита шин электростанций и подстанций - Чувствительность, быстродействие и угол блокировки ДФЗШ

5.2. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ, БЫСТРОДЕЙСТВИЕ И УГОЛ БЛОКИРОВКИ ДФЗШ
Принцип действия ДФЗШ реализуется непрерывным сравнением направлений (фаз) токов во всех присоединениях защищаемой системы шин. С этой целью из полуволн токов (или их производных) на определенном уровне iy формируются прямоугольные сигналы. Если сдвиги по фазе не превышают заданного значения, то защита действует на отключение. Таким образом, для анализа ДФЗШ требуется знать следующие параметры:
уровень формирования iy;
угол блокировки защиты.
Углом блокировки называется разность между 180° и таким значением угла сдвига по фазе между двумя подведенными к защите синусоидальными токами, при котором происходит отказ в срабатывании.

Значение  определяется:

1. углами расхождения векторов ЭДС генераторов в момент возникновения КЗ;
2. углами сопротивления линий;
3. погрешностями ТТ, которые зависят от насыщения стали магнитопровода; особенно велики погрешности в переходных режимах КЗ;
4. токами нагрузки при несимметричных КЗ на шинах.

Учет указанных факторов при КЗ в зоне и вне зоны действия позволяет получить значения для всех разновидностей ДФЗШ.
Угол расхождения векторов ЭДС определяется условиями статической устойчивости и по некоторым данным в пределе может достигать 120°. Последнее имеет место при транзите мощности через шины электростанции из системы С1 в систему С2 (рис. 5.5).

Сдвиги по фазе между ЭДС систем и генераторов электростанции составляют ±60°, т. е. когда части системы находятся на пределе устойчивости.
Углы сопротивления φ1 и φ2 присоединений систем могут отличаться на некоторую величину Δφс=|φ1— φ2|≈ 30:45° [24].
Погрешности ТТ по-разному влияют на работу отдельных видов ДФЗШ. Для защит, реагирующих на первые гармоники подводимых токов, необходимо определять угловые погрешности ТТ по первой гармонике. Для многих ДФЗШ, использующих полупроводниковые элементы и ПТТ, необходимо рассчитывать погрешности по переходу вторичного тока ТТ через нулевое значение  или через заданный уровень δу. Дифференциально-фазные защиты шин, использующие полупроводниковые элементы и промежуточные трансформаторы, чувствительны к форме кривых производной вторичных токов ТТ.  По этим причинам в дальнейшем выражения для углов блокировки выводятся для каждой разновидности ДФЗШ в отдельности.
На работу ДФЗШ, как и на другие защиты шин, оказывают влияние токи нагрузки при несимметричных КЗ в зоне действия. В начальный период КЗ имеет место подпитка места КЗ электродвигателями нагрузки, что способствует правильной работе защиты. По мере окончания переходного электромагнитного процесса подпитка сменяется потреблением тока из сети. При этом возрастают сдвиги по фазе между токами КЗ и токами нагрузки, что следует учитывать при расчетах уставок защит. В § 3.3 рассмотрены фазовые соотношения между токами КЗ и нагрузки при ее практически индуктивном характере, что имеет место при асинхронной двигательной нагрузке. Из этого анализа следует, что в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов замыкания на землю сдвиг по фазе между токами КЗ и нагрузки не превышает 90°. Поэтому дифференциальнофазный принцип не имеет ограничений по условию блокировки токами нагрузки при осуществлении защиты шин напряжением 6—35 кВ. Сдвиг по фазе тока нагрузки относительно тока КЗ δн=90° следует вводить в расчетные формулы для угла блокировки, если защита работает с существенным замедлением (отстраивается от переходных процессов по времени) или при АПВ шин с не отключенными тупиковыми присоединениями. В сетях напряжением 110 кВ и выше, где имеют место КЗ, связанные с землей, при двухфазных КЗ на землю в зоне действия защиты шин после затухания токов подпитки и скольжении двигателей s>sкp ток нагрузки может быть сдвинут по фазе относительно тока КЗ на угол, превышающий 90°, т. е. он будет оказывать блокирующее действие на защиту. Указанный ток в соответствии с (3.15) равен:

Если же ДФЗШ срабатывает на первых периодах переходного процесса, при подпитке двигателями точки КЗ, то учитывать токи Iн в расчетах угла блокировки не следует.
В отдельных случаях нагрузка имеет не только активно-индуктивный характер, но и активный (например, электрические печи) и емкостный (холостые ВЛ, батареи статических конденсаторов и др.). На рис. 5.6 представлены векторные диаграммы для токов КЗ и активной, индуктивной и емкостной нагрузок соответственно. Из указанных диаграмм видно, что только при емкостном характере нагрузки в случае однофазного КЗ при

сдвиг по фазе между током КЗIA и током нагрузки IA,н составляет 180°, т.е. возможно блокирование защиты.


В остальных случаях сдвиги по фазе между токами КЗ и токами нагрузки хотя бы в одной из поврежденных фаз не достигают 180°.
Следует заметить, что взаимные сдвиги по фазе между токами индуктивной и емкостной нагрузок не зависят от вида КЗ и составляют 180°, что видно из векторных диаграмм, приведенных на рис. 5.6. 


Поэтому при одновременном наличии индуктивных и емкостных нагрузок необходимо отстраиваться от них по уровню формирования. Если это допустимо по условиям чувствительности и селективности ДФЗШ, то фазный принцип в данных условиях применим.
Таким образом, из анализа токов нагрузки вытекает, что:
а)      если защита работает без замедления, то расчетный сдвиг по фазе между токами КЗ и нагрузки следует принимать равным примерно 60°;
б)      расчетное значение сдвига по фазе между токами двухфазного КЗ и нагрузки равно 90°, если защита работает с замедлением;
в)      отстройку от токов нагрузки при двухфазном КЗ на землю (двигательная нагрузка) и однофазного КЗ (емкостная нагрузка) при АПВ шин или работе защиты с замедлением следует осуществлять выбором уровня формирования.

Уровень формирования в общем -случае определяется двумя условиями:
отстройкой от токов нагрузки при отдельных видах КЗ;
отстройкой от погрешностей ТТ, в особенности в переходных режимах.
По первому условию в основном следует производить выбор iy, если возможен режим КЗ на шинах, при котором защита отключает только питающие присоединения, а тупиковые линии не отключаются. Тогда при неуспешном АПВ шин на ток КЗ накладывается ток нагрузки. Уровень формирования при этом составляет:
(5.1)
где Iп—пусковой ток наиболее нагруженного тупикового присоединения.
В свою очередь, Iп=rn,тIном, где rп,т=2,5:3— ориентировочное значение кратности пускового тока; I0,н— ток нулевой последовательности тупикового присоединения. Если I0,н>Iп/3, то активно-индуктивная нагрузка не оказывает блокирующего действия.
В случае наличия емкостной нагрузки уровень формирования выбирается по условию
(5.2)
Еслито блокирование защиты указанными токами отсутствует.
Учет влияния погрешностей ТТ на выбор уровня формирования для каждой разновидности ДФЗШ производится по-разному и излагается ниже, совместно с выбором угла блокировки.

Для ДФЗШ, использующих в качестве формирователей трансреакторы или другие дифференцирующие элементы, существенное значение имеют погрешности δу,и по переходу через уровень формирования кривой производной тока при насыщении ТТ относительно той же кривой при ненасыщенном ТТ. На рис. 5.8, а, б представлены идеализированные кривые токов и напряжений в рассматриваемой ДФЗШ, построенные при следующих допущениях и условиях: ЭДС источников не имеют взаимного сдвига по фазе; нагрузка на ТТ имеет активный характер; потребление в нагрузке трансреакторов отсутствует; в первичном токе содержится максимальная апериодическая составляющая.
Случай а соответствует низкой чувствительности РСФ, а случай б — высокой чувствительности РСФ.
Анализ выражения  показывает, что повышение чувствительности ДФЗШ является положительным мероприятием по уменьшению влияния погрешностей ТТ и рекомендуется, если нет необходимости отстраиваться от токов нагрузки при несимметричных КЗ в зоне. Если при КЗ в зоне отсутствует блокирующее действие токов нагрузки в первые периоды КЗ, то угол блокировки можно принять примерно равным 60—90°, а уровень формирования принять близким к нулю. Если же уровень формирования превышает значение 1,5Iном,ТТ, что определяется токами нагрузки, то обеспечить высокое быстродействие и селективность защиты, использующей сравнение по фазе производных вторичных токов ТТ, не удается и требуются специальные мероприятия по улучшению работы защиты.

Дифференциально-фазная защита шин обычно снабжается пусковыми органами ПО, основное назначение которых заключается в отстройке от ложного срабатывания при обрывах вторичных цепей в нормальных режимах. 
Кроме того, ПО должны предотвращать ложное срабатывание защиты при удаленных внешних КЗ и относительно невысокой чувствительности РСФ. Так, например, при удаленном внешнем КЗ формирователи сигналов Ф1 — Ф4  (см. рис. 5.1) могут не запуститься. Сигнал на выходе формирователи Ф5 поврежденного присоединения будет восприниматься РСФ как повреждение в зоне действия при одностороннем питании и РСФ сработает. Однако при этом ток небаланса невелик и при правильном выборе Iс, по ложное срабатывание защиты исключается. Таким образом, необходимо иметь
(5.9)
где kотс — коэффициент отстройки; ερ — полная погрешность ТТ, по которому проходит Iк,р; Iк,р— ток внешнего КЗ, при котором формирователи генерирующих присоединений (один или несколько) обеспечивают блокирование защиты.
Учитывая значение угла блокировки можно установить, что для несрабатывания РСФ необходимо обеспечить для формирователей генерирующих присоединений
(5.10)
где а=Iу/Iном — относительный уровень формирования; п—число генерирующих присоединений в РУ (например, число генераторов, подключенных к генераторному РУ, или число питающих присоединений на подстанции) ; кн — коэффициент надежности.
Значение а целесообразно принять равным 0,5, чтобы ширина бестоковой паузы в совокупности выходных сигналов формирователей генерирующих присоединений в угловой мере не превышала 60°.
Объединяя (5.9) и (5.10), получаем:
(5.11)

выходе которого включен токовый дифференциальный орган ДО на полупроводниках.
Вторичные обмотки трансформаторов ТР1, ТР2,..., ТРп через диоды Д1, Д2, ..., Дп включены между собой параллельно и образуют фазный контур II. На выходе этого контура включен фазный орган ФО. Следует отметить, что в рассматриваемой защите органы ДО и ФО являются органически связанными частями фазочувствительной схемы и разделяются здесь для наглядности.
Работа и возможности дифференциальной токовой части защиты шин принципиально ничем не отличаются,  имеем:
(5.12)
Например, при n=12 и Iу=0,5Iном ток срабатывания Ic,ПО составляет 1,2Iном, что обычно приемлемо по условиям чувствительности и отстройки от обрыва вторичных цепей.