Токовые направленные защиты нулевой последовательности

В сетях с заземленными нейтралями, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка, селективное действие МТЗ НП можно обеспечить только при наличии органа направления мощности. Направленные МТЗ НП (НТЗ НП) действуют при КЗ на защищаемой ЛЭП и не работают при повреждениях на всех остальных присоединениях, отходящих от данной подстанции. Такое поведение НТЗ НП обеспечивается с помощью РНМ КWO, реагирующего на знак (направление) мощности НП при КЗ. Выдержки времени на защитах НТЗ НП, действующих при одном направлении мощности, должны выбираться по ступенчатому принципу. Структурная схема направленной защиты НП приведена на рис. 8.5, а. По этой схеме выполняются защиты как на электромеханических, так и на полупроводниковых реле. Схема состоит из пускового реле КАО, реагирующего на появление КЗ на землю, реле направления мощности КWO, определяющего направление мощности при КЗ, и реле времени КТ. Пусковое реле и цепь тока РНМ включаются на 3 I₀ в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды, а на входные зажимы цепи напряжения РКМ подводится напряжение 3 U₀ от разомкнутого треугольника ТН. При таком включении реле КWO реагирует на мощность НП S₀ = U₀ I₀. С учетом угла сдвига между векторами U₀ I₀ 90º и равенств U_P = 3 U₀, I_P = 3 I₀ используются реле НП, реагирующие на мощность:

S_P = U_P I_P = 9 U₀ I₀ , (8.6)

где – угол сдвига фаз между U_P и I_P или U₀и I₀.

Условия работы РНМ НП можно понять из рассмотрения векторных диаграмм напряжения и тока, питающих реле (U ₀ и I₀) при одно- и двухфазных КЗ на землю (рис. 8.6 и 8.7). Для упрощения принято, что поврежденная ЛЭП разомкнута. За исходные при построении всех диаграмм взяты векторы ЭДС эквивалентного генератора энергосистемы E _A, E _B, E _C, которые можно считать неизменяющимися при КЗ.

Однофазное КЗ, например, на фазе А характеризуется следующими условиями, вытекающими на рис. 8.6, а: I _A = I _K, I _A отстает от E _A на 90º; U _AK = 0; U _B = E_B; U _С = E_С. Векторы 3 I ₀ и 3 U ₀ находятся геометрическим сложением векторов фазных токов и напряжений. В месте КЗ ток 3 I _0К = I _A и, следовательно, I _0К = I _A, а вектор 3 U _0К = (U _ВК + U _СК). При принятых допущениях U _ВК + U _СК = - E _A, поэтому

U _0К = − E _A. (8.7)

Из рис.8.6,б следует, что I _0К опережает U _0К на 90º.

Векторная диаграмма напряжений и токов в точке Р, удаленной от места однофазного КЗ, отличается от предыдущего случая значениями U_А и U ₀: U_АР = j I_0КX_P-K. Напряжения неповрежденных фаз: U _B = E_B и U _С = E_С (рис. 8.6, в).

Векторы U _0Р и I _0К аналогично предыдущему случаю находятся геометрически суммированием фазных напряжений и токов. В соответствии с этим I _0Р = I _A, U_0Р = (U _АР + U _ВР + U _СР).

При двухфазном КЗ на землю векторная диаграмма токов и напряжений в месте повреждения фаз В и С приведена на рис. 8.7, б. Этот вид повреждения характеризуется в месте КЗ тремя условиями, очевидными из рис. 8.7, а: U_ВК = 0; U_СК = 0; I_A = 0; U _А = E _А. В поврежденных фазах проходят токи I _В и I _С, каждый из которых состоит из двух составляющих, показанных на рис. 8.7 пунктиром.

Одна составляющая замыкается по контуру поврежденных фаз В и С и обусловливается разностью ЭДС E _В – E _С, а вторая проходит по контуру поврежденная фаза – земля под действием E _В и E _С соответственно. Результирующие токи I _В и I _С, в отличие от токов при двухфазном КЗ безземли, сдвинуты между собой на угол , меньший 180º; (рис. 8.7, б):

U _0К = U _АК, а I _0К = (I _В + I _С).

Диаграмма для точки Р, находящейся на некотором удалении от места повреждения, представлена на рис. 8.7, в. Очевидно, что токи в точке Р такие же, как и в точке К. Напряжение неповрежденной фазы также не меняется. Напряжения поврежденных фаз U _ВР и U _СР равны падению напряжения от точки К до точки Р.

Напряжение U _0Р = (U _АР + U _ВР + U _СР).Сучетом того, что U _АР = E _А находим

U _0Р = (E _АР + U _ВР + U _СР).

Отсюда и из векторной диаграммы следует, что U_0Р <. U_0К. Ток I ₀, опережает U _0К и U _0Р на угол . Если не учитывать активного сопротивления, то = 90º.

Векторные диаграммы на рис. 8.6 и 8.7 позволяют сделать выводы:

1) угол сдвига определяющий знак и значение мощности S _P, на которую реагируют РНМ НП, равен (считая Z = X), согласно рис. 8.7, б, в, 90º. При учете активного сопротивления сети , составляет 100-120º. Отсюда следует, что для НТЗ НП необходимо применять РНМ, имеющие максимальный момент в диапазоне значений = 90 120º. К подобным реле относятся электромеханические реле типа РБМ-177 с = – 20º и = -110º и реле на интегральных микросхемах типа РМ 12-11, РМ 12-18 с = – 100º;

2) ток 3 I₀ при однофазном КЗ равен I_К (в режиме одностороннего питания), а при двухфазном КЗ с землей – геометрической сумме токов поврежденных фаз, т. е. току КЗ, проходящему через землю;

3) напряжение 3 U₀ имеет наибольшее значение (равное фазному напряжению) в месте КЗ (точка К). По мере удаления от точки КЗ напряжение 3 U₀ уменьшается. Из рис. 8.3, в следует, что чем дальше от места КЗ находится РНМ, тем хуже условия его работы. При удаленных К3 S_P (U_P) может оказаться меньше S _с.р(U _с.р), в результате чего РНМ, а следовательно, и РЗ не будут работать.

Для расширения зоны действия НТЗ НП необходимы высокочувствительные РНМ. Для исключения отказа РНМ из-за недостаточной чувствительности при удаленных КЗ можно применять схему, показанную на рис. 8.8. В этой схеме реле КWO срабатывает не при КЗ на защищаемой ЛЭП (как в обычных схемах), а при повреждениях на землю (точка К2) на ЛЭП и трансформаторах, подключенных к шинам, от которых отходит защищаемая ЛЭП. При этом реле КWO подает сигнал, блокирующий НТЗ НП, т.е. запрещающий ей действовать. В случае КЗ на защищаемой ЛЭП (К1) реле КWO не работает и НТЗ НП действует только по сигналу, подаваемому реле тока КАО без разрешающего сигнала РНМ, как ненаправленная НТЗ НП. При такой схеме чувствительность пускового реле должна быть меньше чувствительности РНМ, когда последнее блокирует РЗ.