Кроме рассмотренных в § 5.3—5.4 ДФЗШ, в СССР и за рубежом используются другие устройства, основанные на дифференциально-фазном принципе. Среди них наибольшего внимания заслуживают защиты шин, разработанные фирмой Brown — Boveri и в Новосибирском электротехническом институте (НЭТИ).
Защита шин фирмы Brown — Boveri на полупроводниковых элементах типа INX2 была разработана в 60-х годах. К настоящему времени в энергосистемах различных стран внедрено более 300 комплектов этой защиты. Принципиальная схема защиты приведена на рис. 5.21.
Защита действует на отключение при выполнении двух условий:
ток в дифференциальной цепи должен превышать ток срабатывания дифференциального токового реле В;
направление токов во всех присоединениях и в дифференциальной цепи должны совпадать.
Во вторичных цепях основных ТТ (А1) установлены ТТП (А2), осуществляющие выравнивание токов в схеме защиты. Промежуточные ТТ включены по дифференциальной схеме на циркуляцию токов, причем на их суммарный ток включено реле В, представляющее собой электронное реле максимального тока. Реле В, срабатывая, подает сигнал на управляющий электрод тиристора, который, открываясь, подает оперативное напряжение на выходные цепи защиты. Информация о направлениях токов в присоединениях поступает от активных шунтов С, включенных во вторичные цепи ТТП.
Рис. 5.21. Структурная схема защиты шин ΙΝΧ2 (Brown—Boveri):
Q — отключающее реле защиты присоединения; р — усилитель; q — сигнализация; Fp, Fn— совокупности сигналов положительной и отрицательной полярностей; И —логическая схема И; Н — инвертор; НЕ — логическая схема ИЛИ-НЕ
С выходов шунтов напряжение подается на формирователи импульсов (усилители-ограничители) положительной Dp и отрицательной Dn полярностей, которые преобразуют синусоидальные напряжения в положительные и отрицательные импульсы.
Такие же формирователи включены в дифференциальной цепи.
На входе каждого формирователя включен интегратор, который удерживает возбужденный формирователь в активном состоянии при исчезновении входного сигнала в течение последующих 3 мс (54°). Благодаря этому задний фронт импульса при насыщенных ТТ растягивается на 3 мс. Для исключения растяжения импульса при ненасыщенных ТТ в схему формирователя введена дополнительная цепочка запрета, прекращающая импульс при изменении полярности тока на входе формирователя.
Если вторичные токи ТТ синусоидальны, то длительность импульсов формирователей близка к 10 мс (рис. 5.22, а) и растяжение импульсов отсутствует. Однако при больших кратностях токов КЗ продолжительность импульсов вторичного тока ТТП существенно сокращается вследствие насыщения ТТ.
Рис. 5.22. Работа формирователей защиты:
а — при синусоидальном вторичном токе ΤΤ; б — при насыщенных ΤΤ; ί1, ί2 — первичный и вторичный токи плеча защиты; uф+, uф —напряжения формирователей сигналов положительной и отрицательной полярностей
В этих условиях (рис. 5.22,б) проявляется действие интеграторов. Продолжительность выходного сигнала с формирователя с интегратором на 3 мс больше продолжительности сигнала такого формирователя, но без интегратора.
В состав органа сравнения фаз входят:
логические схемы ИЛИ — НЕ для сигналов положительной и отрицательной полярностей формирователей;
элемент ИЛИ, ко входам которого подключены выходы элементов ИЛИ — НЕ;
интегратор 7, реле напряжения К и расширитель импульсов L (элемент временной памяти), преобразующий выходные импульсы реле К в постоянное напряжение.
Орган сравнения фаз реализует логическую формулу способа сравнения по фазе, представленной в п. 6а (см. рис. 5.3), который, как и способ по п. 4а, обеспечивает высокое быстродействие. Продолжительность импульса на выходе элемента ИЛИ определяется длительностью бестоковой паузы в совокупностях сигналов положительной или отрицательной полярностей. Интегратор J преобразует продолжительность импульса в линейно возрастающее напряжение, на которое реагирует реле К.
Напряжение срабатывания реле К соответствует продолжительности импульса на входе интегратора J, равной 5 мс, что соответствует углу блокировки защиты φбл=90°.
Величина φбл совместно с продолжительностью растяжения импульсов формирования на 3 мс определяет предельно допустимые искажения формы вторичного тока ТТ.
Команда на отключение, сформированная органом сравнения фаз, подается на входы логических схем И, имеющихся на каждом присоединении. Ко второму входу каждой из схем И подключены выходы формирователей присоединения. Благодаря этому защита шин отключает только те присоединения, по которым при КЗ проходит ток. Срабатывание защиты сигнализируется лампами q. Время срабатывания защиты составляет 8— 13 мс, т. е. находится в пределах полупериода частоты 50 Гц.
Существенными достоинствами защиты являются: селективная работа при повышенных погрешностях ТТ;
высокое быстродействие;
автоматическое изменение схемы внутренних соединений защиты при оперативных переключениях в РУ;
наличие установки для автоматических испытаний, управляемой электронными часами или вручную; для проведения полной программы испытаний установки c тройной системой шин с 20 присоединениями требуется примерно 1 с.
Изменение схемы внутренних соединений производится при помощи вспомогательных контактов разъединителей. Автоматические испытания проводятся по установленной программе, при этом защита отделяется от выключателей. Проверяются все элементы защиты, а также отключающие контакторы. Для каждой секции и системы шин имитируется КЗ на шинах и внешнее КЗ отдельно для положительного и отрицательного полупериодов.
Областью применения защиты являются электроустановки до 33 кВ с двойной системой шин или РУ с секционированными (число секций 3 и более) шинами. Кроме того, эта защита применяется в электроустановках со сложными системами шин напряжением выше 50 кВ, на мощных электростанциях.
Защиты шин, разработанные в Новосибирском электротехническом институте, основаны на использовании сочетания дифференциального токового, дифференциального токового с торможением и дифференциально-фазного принципов [25, 27]. Известно, что при относительно небольших токах КЗ наибольшей чувствительностью обладает дифференциальная токовая защита, а при значительных токах, сопровождающихся повышенными погрешностями ТТ, наибольшую устойчивость функционирования имеет дифференциально-фазная защита. Защиты с торможением без принятия дополнительных мер по стабилизации в условиях насыщения ТТ занимают промежуточное положение. Это положение принято в качестве основы для разработки указанных защит, имеющих два варианта исполнения:
дифференциальная токово-фазная защита (ДФТЗ); дифференциальная токово-фазная защита с фазной блокировкой.
Основным элементом обоих вариантов защиты является фазный орган (ФО), принципиальная схема которого приведена на рис. 5.23. В состав ФО входят:
многофазные диодные полумосты Д8 — Д19, осуществляющие выпрямление токов датчиков тока ТТП1 — ТТП3 присоединений;
схема сравнения на резисторах R1 и R2, зашунтированных стабилитронами Д1 и Д2;
выпрямительный мост Д3 — Д6, выпрямляющий напряжение на выходе схемы сравнения;
разделительный диод Д7; сглаживающий конденсатор С1; реагирующий орган РО.
Рис. 5.23. Принципиальная схема фазного органа ФО защиты шин НЭТИ (1-й вариант)
Работу ФО целесообразно рассматривать в трех характерных режимах;
а) напряжения на резисторах R1 и R2 не достигают уровня стабилизации Uст;
б) на одном из резисторов схемы сравнения напряжение достигает уровня стабилизации Uст, а на другом не достигает значения Uст;
Угол блокировки защиты принят примерно равным 85—90°, время срабатывания защиты не превышает 20 мс.
Ток срабатывания ФО составляет (0,5-0,6) IНОМ. По данным авторов разработки, указанная защита успешно выдержала производственные испытания опытами КЗ на шинах 500 кВ в переходных и установившихся режимах, сопровождавшихся насыщением ТТ. Так же селективно действовали в этих условиях (но с несколько большими временами срабатывания при КЗ в зоне) защиты ДЗШТ и ДФЗ Института автоматики (г. Киев).
Уровень срабатывания РО определяется погрешностями ТТ при их глубоком насыщении и токами нагрузки при несимметричных КЗ в зоне действия защиты. В дифференциально-фазном режиме на работу защиты оказывают влияние погрешности по переходу через заданный уровень δу, которые, как показано в гл. 2, могут составлять 200° и более. Если ТТ имеют прямоугольную характеристику намагничивания, то при активном характере нагрузки на ТТ продолжительность импульса на входе РО ωt в режиме внешнего КЗ составляет в угловой мере δtи——δу.
Таким образом, в рассматриваемом режиме защита по селективности оказывается эквивалентной ДФЗ, осуществляющей сравнение по фазе полуволн токов присоединений. Указанное обстоятельство объясняет необходимость установки различных дополнительных блоков (фазных блокировок и др.).