Лабораторная работа №2. Исследование поперечной дифференциальной защиты

Цель работы: Изучение действия поперечной дифференциальной защиты

 

Описание стенда

Данная лабораторная работа предназначена для исследования поперечной дифференциальной защиты, представленная на стенде мнемонической схемой с комплектами релейной защиты(см.рисунок 2.1).

 

 

Рисунок 2.1 – Схема подключения поперечной дифференциальной защиты: а) вторичная цепь; б) и в) оперативная цепь

 

Питание ~220 В на стенд подается включением автомата SF (горит сигнальная лампа). Линии W1, W2, W3 включаются выключателями Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 путем нажатия кнопок включения (загораются световые табло выключателей).

На стенде установлены следующие виды защит:

На линии W3 установлена максимальная токовая защита (МТЗ) с независимой выдержкой времени (реле КА, КТ);

На линии W1 и линии W2 – установлены комплекты поперечной дифференциальной защиты.

Токи нагрузки линии и токи короткого замыкания определяются по показаниям амперметров, включенных в первичную цепь без трансформаторов тока.

Для производства короткого замыкания служат тумблеры, установленные в точках К1 – К4 и кнопка к.з. Короткое замыкание производят в следующем порядке:

а) включаются выключатели Q1 – Q5;

б) включают тумблер К4 производят к.з.;

г) по амперметру РА4 или РА1 определяют ток к.з.;

д) отключают тумблер К4, включают тумблер К3 и вновь производят к.з.

Примечание:

1. Во избежание погрешностей при замерах токов нагрузки все тумблеры для производства к.з. должны быть отключены.

2. При производстве к.з. должен быть включен один тумблер в точке замера.

 

Задание

 

2.3.1 Ознакомится с принципом выполнения поперечной дифференциальной защиты.

2.3.2 Ознакомится со схемами защит.

2.3.3 Собрать схему поперечной дифференциальной защиты (рисунок 2.1 а) и б)).

2.3.4 Произвести измерение токов к.з. в точках К1 – К4 и записать в таблицу 2.1

2.3.6 Рассчитать уставки продольной дифференциальной защиты.

2.3.7 Произвести испытание схемы в следующей последовательности:

а) включить автомат SF и выключатели Q1 – Q5;

б) произвести к.з. в точке К4 и проследить действие продольной дифференциальной защиты. То же произвести для оставшихся точек;

2.3.8 Результаты испытаний занести в таблицу 2.1 в столбец «Примечание».

 

Таблица 2.1 – Снятие токов короткого замыкания в линиях      

Защищаемый объект	Ток нагрузки (А)	Ток к.з.		Примечание
		в точках	IК.З. (А)
1	2	3	4	5
W1		К1
1	2	3	4	5
W2		К2
		К3
		К4

 

Методические указания

 

2.4.1 Принцип действия и виды поперечных дифференциальных защит параллельных линий

 

Рисунок 2.2 – Распределение токов в параллельных ЛЭП: а) при нормальной нагрузке; б) при КЗ на одной ЛЭП

 

Поперечные дифференциальные РЗ применяются на параллельных ЛЭП, имеющих одинаковое сопротивление, и основаны на сравнении значений и фаз токов, протекающих по обеим ЛЭП. Благодаря равенству сопротивлений ЛЭП в нормальном режиме и при внешнем КЗ токи в них равны по значению и фазе (I _I = I _II) (рис. 2.2). В случае КЗ на одной из ЛЭП равенство токов нарушается. На питающем конце ЛЭП А токи I_I и I_II совпадают по фазе, но различаются по значению, а на приемном В противоположны по фазе, что следует из токораспределения, приведенного на рис.2.2, б. Таким образом, нарушение равенства токов в параллельных ЛЭП по значению или фазе является признаком повреждения одной из них. Поперечные дифференциальные РЗ применяются двух видов: на параллельных ЛЭП, включенных под один общий выключатель - токовая поперечная дифференциальная РЗ; на параллельных ЛЭП с самостоятельными выключателями - направленная поперечная дифференциальная РЗ.

2.4.2 Токовая поперечная дифференциальная защита.

Токовая поперечная дифференциальная РЗ предназначена для параллельных ЛЭП с общим выключателем. При одностороннем питании параллельных ЛЭП РЗ устанавливается только со стороны источника питания, а в сети с двусторонним питанием - с обеих сторон параллельных ЛЭП.

 

 

Рисунок 2.3 – принцип действия токовой поперечной дифференциальной защиты: а) режим нагрузки и внешнего КЗ; б) режим КЗ на WI

 

Схема РЗ для одной фазы изображена на рис. 2.3. На одноименных фазах каждой ЛЭП устанавливаются ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации К_II = К_III = K_I. Вторичные обмотки трансформаторов тока I и II соединяются разноименными зажимами по схеме с циркуляцией токов в соединительных проводах, и параллельно к ним включается обмотка токового реле 1. Из токораспределения, приведенного на рис. 2.3. для нормального режима, внешнего КЗ и качаний, видно, что ток в реле

I_p = I _{в I} – I _{в II} = I_I / K_I – I_II / K_I (2.1)

 

В этих режимах I _I = I _II, поэтому при отсутствии погрешностей ТТ I_р = 0, и РЗ не работает. Следовательно, по своему принципу действия рассматриваемая РЗ не реагирует на внешние КЗ и нагрузку. Поэтому ее выполняют без выдержки времени и не отстраивают от токов нагрузки. В действительности в реле протекает ток небаланса I_нб, вызванный погрешностью ТТ I’_нб и некоторым различием первичных токовI”_нб, обусловленным неточным равенством сопротивлений ЛЭП. Ток срабатывания реле I_с.р должен быть больше максимального тока небаланса:

 

                                        I_c.p> (I'_нб + I''_нб)                                       (2.2)

 

В случае повреждения одной из параллельных ЛЭП, например,wI (рис. 2.3, б), ток I_I в поврежденной ЛЭП становится больше тока во второй ЛЭП (I_I>I_II), и в реле появляется ток

I_p = I _{в I} – I _{в II} = (I _I – I _II) / K_I                                                                                   (2.3)

 

При токе в реле I_р> I_ср РЗ действует и отключает общий выключатель обеих ЛЭП.

Оценка защиты. Токовая поперечная дифференциальная РЗ относится к числу простых и надежных устройств, важным достоинством ее является быстродействие. Недостатком РЗ являются наличие мертвой зоны и необходимость отключения РЗ при отключении одной из параллельных ЛЭП. Кроме поперечной дифференциальной РЗ на параллельных ЛЭП необходимо предусматривать дополнительную РЗ, действующую при КЗ на шинах противоположной подстанции, в мертвой зоне, а также при выводе из работы одной ЛЭП.

1.4.3 Выбор уставок направленной поперечной дифференциальной защиты.

Ток срабатывания пусковых реле РЗ должен удовлетворять четырем требованиям:

1) пусковые реле не должны действовать от тока небаланса I_нб, возникающего при КЗ на шинах противоположной под­станции:

 

                                             I_с.з = k_отсI_нбmax,                                      (2.4)

где k_отс = 1,5 2.

 

2) пусковые реле должны быть отстроены от суммарного тока нагрузки Iн mах параллельных ЛЭП для предотвращения ложного действия РЗ в случае отключения одной из ЛЭП с противоположной стороны в нормальном режиме (рис. 2.4, а):

 

                                              I_c.з = k_отcI_нmax.                                      (2.5)

 

3) пусковые реле должны отстраиваться от токов в неповрежденных фазах I_неп.ф при двухфазных и однофазных КЗ:

 

                                               I_c.з = k_отcI_неп.ф,                                      (2.6)

где I_неп.ф = I_н + kI_к.

 

Токи в неповрежденных фазах (В и С) влияют на работу РЗ при каскадном отключении поврежденной ЛЭП (рис. 2.4, б), так как в этом режиме они текут только по одной оставшейся в работе линии WII. При пофазном пуске РЗ неселективное отключение ЛЭП в рассматриваемом случае исключается;

4) пусковые реле должны надежно возвращаться при максимальной нагрузке параллельных ЛЭП. Условия возврата обеспечиваются, если

 

                                     I_с.з = (k_отсI_нmax) / k_в,                         (2.7)

 

где I_нmax - суммарный максимальный ток нагрузки параллельных ЛЭП.

 

Ток срабатывания, выбранный по четвертому условию, обычно удовлетворяет всем остальным требованиям. Поэтому расчет I_c.з ведется по (2.7) и проверяется по (2.4) и (2.5).

Ток небаланса поперечной дифференциальной РЗ принимается равным арифметической сумме тока небаланса I_нб, обусловленного погрешностью ТТ, и тока небаланса I_нб, вызванного неравенством сопротивлений параллельных ЛЭП. При выборе уставок необходимо исходить из максимального значения суммарного тока небаланса:

 

                                     I_нбmах = I'_нбmax + I''_нбmax.                              (2.8)

 

 

Рисунок 2.4 – Токораспределение в РЗ при каскадном отключении поврежденной ЛЭП с учетом нагрузки

 

Для уменьшения I'_нбТТ, питающие РЗ, выбираются по кривым предельной кратности или 10%-ной погрешности при максимальном значении тока внешнего КЗ на шинах противоположной подстанции, текущего по каждой параллельной ЛЭП   I_кmax. Расчетная кратность тока

 

m_p = (k_aI_кmax) / I_номTT,                           (2.9)

 

где k_a - коэффициент, учитывающий влияние апериодической слагающей тока КЗ, принимается равным 2.

 

Рекомендуется оценивать приближенное значение I'_нб по выражению

 

I'_нбmax = k_одн0,1k_a(I_кmax / k_I),               (2.10)

 

где I_кmax - максимальный ток при трехфазном КЗ на шинах подстанций А и В, проходящий по одной из параллельной ЛЭП при работе обеих; 0,1 - погрешность ТТ, равная 10%; k_одн - коэффициент однотипности, принимаемый при однотипныхТТ и одинаковых сопротивлениях плеч равным 0,5; k_а = 1,5 2. Вторую составляющую тока небаланса I”_нб можно оценивать по формуле:

 

I”_нбmax = ( Z%k_aI_kmax) / (100K_I),                       (2.11)

 

где Z% = ((Z_I – Z_II) / Z_I)100 - разница в процентах между сопротивлениями прямой последовательности обеих ЛЭП; I_кmах – максимальное значение суммарного тока КЗ (по обеим ЛЭП при повреждении на шинах противоположной подстанции). Обычно сопротивления ЛЭП одинаковы и I”_нб = 0.

Чувствительность защиты характеризуется зоной каскадного действия РЗ, коэффициентом чувствительности пусковых реле и мертвой зоной по напряжению.

Зона каскадного действия подсчитывается для РЗ на каждом конце параллельных ЛЭП по (2.3) и не должна превышать 25% длины ЛЭП.

Чувствительность пусковых реле проверяется для двух случаев:

а) при КЗ в точке К1 на границе зоны каскадного действия РЗ А (рис. 2.5, а) после отключения поврежденной ЛЭП с противоположной стороны В

 

                                            k_ч = I_pK1 / I_с.з,                                       (2.12)

 

где I_рК1 - минимальный ток в реле; в этих условиях рекомендуется иметь k’_ч> 1,5;

б) в случае установки поперечных дифференциальных РЗ с обеих сторон ЛЭП (рис. 2.5, б) определяется k”_ч при повреждении в точке равной чувствительности обеих РЗ, которая находится из условия

 

                                   (I_pA / I_{с.з А}) = (I_{p В} / I_{с.з В}),                                 (2.13)

где I_{р A} и I_{р B} - токи в реле РЗ А и В при КЗ в точке К2.

 

Если обозначить расстояние от РЗ В до точки К2 через l _B, то, приравнивая падение напряжения в параллельных ветвях от подстанции В до точки К2 по контуру линий WI и WII и учитывая (2.11), получаем:

 

                                     l _B = (I_{p A} / I_{с.з А} + I_{с.з В}) l                               (2.14)

 

Определив местоположение точки К2, рассчитываем токи КЗ и токи в реле РЗ А и В, после чего находим:

 

                            k”_ч = (I_{p A(к)} / I_{с.з А}) = (I_{p В(к)} / I_{с.з В}) (2.15)

 

Рекомендуется иметь k_ч 2.

Оценка направленных поперечных дифференциальных защит. Положительными особенностями РЗ являются простота схемы, меньшая стоимость по сравнению с продольной дифференциальной РЗ, отсутствие выдержки времени, нереагирование на качания, простота выбора параметров.

К недостаткам РЗ нужно отнести каскадное действие, вызывающее замедленное отключение КЗ в зоне каскадного действия, мертвую зону по напряжению, необходимость вывода из действия РЗ при отключении одной ЛЭП, в связи с чем требуется дополнительная полноценная РЗ для оставшейся в работе ЛЭП; неправильную работу РЗ при обрыве провода ЛЭП с односторонним заземлением.

Защита применяется в сетях 110-220 кВ как дополнительная к основной быстродействующей защите. В сетях 6-10 кВ эта защита используется как основная, ускоряющая отключение повреждения.

Контрольные вопросы