Схемы включения реле направления мощности

Реле направления мощности, в частности индукционные, долж­ны включаться таким образом, чтобы сочетание токов и напряже­ний, подводимых к реле, обеспечивало положительный и доста­точный для срабатывания вращающий момент при различных ви­дах коротких замыканий на защищаемом элементе. Существуют схемы с включением реле на полные токи и напряжения фаз и схемы с включением реле на симметричные составляющие токов и напряжений.

Схемы включения реле на полные токи и напряжения фаз. В на­стоящее время является типовой так называемая 90-градусная схема. Название схемы носит условный характер и определяется углом φ _р между напряжением Ů _p и опережающим его током İ _р, подведенными к одному и тому же реле в симметричном трехфаз­ном режиме; при этом предполагается, что ток в фазе совпадает с одноименным фазным напряжением (рис. 8.6, а). Сочетания то­ков и напряжений при 90-градусной схеме включения реле приве­дены ниже:

 

Реле	KW1	KW2	KW3
Ток İ р	İ a	İ b	İ c
Напряжение Ů p	Ů bc	Ů ca	Ů ab

 

В 90-градусной схеме включения обычно применяют реле сме­шанного типа с углом α=π/4. Анализ поведения реле направления мощности при различных видах повреждения можно проводить как аналитическим, так и графическим методами.

В качестве примера целесообразно рассмотреть поведение индукционного реле при трехфазном коротком замыкании, используя графический метод. Со­гласно 90-градусной схеме включения, к реле, например KW1, подводятся ток İ _p= İ ⁽³⁾_a и напряжение Ů _p= Ů ⁽³⁾_bc (рис. 8.6, б). Положение вектора тока İ _p на векторной диаграмме определяется соотношением активного и реактивного сопротивлений линии или системы до точки к.з. и активным переходным сопро­тивлением электрической дуги в месте повреждения. Эти соотношения могут изменяться. При этом вектор тока поворачивается на тот или иной угол, не вы­ходя за пределы зоны, обозначенной на векторной диаграмме (рис. 8.6, б) циф­рой 1. Граница этой зоны определяется, с одной стороны, положением вектора тока İ _p= İ ⁽³⁾_a при чисто активном, а с другой стороны, при чисто индуктивном сопротивлениях. Зона работы реле определяется положением линии нулевой чув­ствительности, которая (см. § 2.6) проводится под углом (π/2—α) к вектору напряжения Ů _p (отсчитываемому по часовой стрелке). При этом, как следует из векторной диаграммы, реле всегда имеет положительный вращающий момент,

так как вектор тока İ ⁽³⁾_a и вектор напряжения Ů ⁽³⁾_bc располагаются в зоне сраба­тывания реле при всех возможных соотношениях активного и индуктивного со­противлений участка линии от места включения реле до точки к.з. Оно может отказать (не сработать) только при коротких замыканиях в мертвой зоне. Два других реле направления мощности KW2 и KW3, включенные по 90-градусной схеме, находятся в аналогичных условиях.

Анализ поведения реле при различных видах повреждения по­казывает [8, 11, 46], что при 90-градусной схеме оно обладает сле­дующими свойствами: четко срабатывает при всех видах коротких замыканий при включении на ток поврежденной фазы; может иметь мертвую зону только при трехфазных коротких замыканиях; может срабатывать неправильно при двухфазных и однофазных коротких замыканиях на землю (реле, включенное на ток неповреж­денной фазы). Поэтому для исключения неправильного действия всей защиты применяется пофазный пуск, а токи срабатывания выбираются с учетом отстройки от токов в неповрежденных фа­зах. Это может привести к уменьшению чувствительности защиты, так как в сетях с глухозаземленными нейтралями токи в непов­режденных фазах при замыкании на землю, складываясь из тока нагрузки и тока повреждения, могут оказаться значительными. Ес­ли требуется повысить чувствительность защиты, то ее схему вы­полняют так, что при коротком замыкании на землю защита авто­матически выводится из действия, а повреждение отключается специальной защитой. Следует отметить, что реле может сработать неправильно при коротких замыканиях за трансформатором с сое­динением обмоток звезда — треугольник. Однако опыт эксплуата­ции показывает, что такие неправильные действия зашиты мало­вероятны. Поэтому никаких мероприятий, предотвращающих эти действия, не предусматривается.

Включение реле на составляющие нулевой последовательности. При замыкании на землю в полных напряжениях и токах фаз по­являются составляющие нулевой последовательности U ₀ и I ₀, связанные между собой соотношением

 

Ů ₀ = Ė ₀ – jİ ₀ Z ₀ = – jİ ₀ Z ₀ ,                                          (8.9)

 

поскольку ЭДС нулевой последовательности генератора Е ₀=0.

В (8.9) Z ₀ — результирующее сопротивление нулевой последо­вательности, принимаемое обычно равным индуктивному сопротив­лению Z ₀= jX ₀ , Ом.

В соответствии с (8.9) на рис. 8.7, а показано распределение напряжения U ₀ между точкой повреждения K⁽¹⁾ и генерирующим источником при однофазном коротком замыкании (ток I ₀ имеет положительное направление). Напряжение Ů _0.p в месте включения реле можно определить как падение напряжения в сопротивлении нулевой последовательности Z _.0.т трансформатора: Ů _0.p = — jİ ₀ Z _.0т.

Обмотки реле направления мощности KWZ ₀ подключаются к фильтру напряжения и фильтру тока нулевой последовательно­сти (рис. 8.7, б). Поэтому Ů _p=3 Ů _0.p и İ _p=3 İ ₀.

При Z _.0.т= jX _0.т напряжение Ů _p отстает по фазе от тока İ _p на угол π/2 (рис. 8.7, б), который определяется только сопротив­лением jX _0.т  и не зависит от переходного сопротивления в точке повреждения. Исходя из векторной диаграммы, желательно ис­пользовать реле направления мощности с углом α=π/2. При этом вращающий момент

 

M _вр = kU _p I _p cos(j _o.p + π/2) = — kU _p I _p sinj _o.p.

 

С учетом активного сопротивления линии угол j _o.p увеличивается до j _o.p≈2π/3. Поэтому в общем случае необходимо иметь реле с углом α=π/2+β₀ и вращающим моментом

 

M _вр = — kU _p I _p sin(j _o.p + β ₀ ),

где β ₀≈π/6.

Достоинством рассматриваемой схемы включения реле направ­ления мощности является ее простота и возможность осуществлять защиту без мертвой зоны. Реле срабатывает только при замыкани­ях на землю, однако из-за погрешностей фильтров в нормальном режиме и особенно при многофазных коротких замыканиях на за­жимах реле мощности появляются ток и напряжение небаланса и оно может сработать при любом направлении мощности к.з. Этот недостаток схемы устраняется отстройкой измерительного органа тока от токов небаланса.

Включение реле на составляющие обратной последовательно­сти. Составляющие обратной последовательности в полных напря­жениях и токах фаз содержатся при всех несимметричных коротких замыканиях. Они появляются также в первый момент после возник­новения трехфазного короткого замыкания. В связи с этим реле направления мощности, включенное на составляющие обратной последовательности, кратковременно может действовать и при трех­фазном коротком замыкании. Соотношение между током İ ₂ и на­пряжением Ů ₂ обратной последовательности аналогично соотноше­нию (8.9) между составляющими нулевой последовательности:

 

Ů ₂ = - jİ ₂ Z ₂,                                                            (8.10)

 

где Z ₂ – результирующее сопротивление обратной последовательности, принимаемое обычно равным индуктивному сопротивлению Z ₂ =jX ₂, Ом.

Поэтому все изложенное о распределении U ₀ и построении векторной диаграммы напряжения Ů ₀ и тока İ ₀ справедливо для напряжения Ů ₂ и тока İ ₂.

В связи с указанным реле направления мощности, включаемое на напряжение Ů ₂ и ток İ ₂, целесообразно было бы выбрать с характеристикой, близкой характеристике реле, включаемого на составляющие нулевой последовательности, с вращающим моментом

 

M _вр = — kU _p I _p sin(j _2.p + β ₂ ).

 

Однако в отличие от первичных фильтров напряжения и тока нулевой последовательности вторичные фильтры напряжения и тока обратной последовательности (см. § 1.7) в зависимости от характеристик и способов включения обусловливают различные фазные соотношения между напряжением Ů _2p и током İ _2p. Поэто­му в рассматриваемой схеме применяются смешанные реле с раз­личными значениями угла α. Достоинством схемы является просто­та ее выполнения, принципиальная возможность четко срабатывать при любых коротких замыканиях, в том числе и при повреждении за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ. Это объясняется тем, что фазные соотношения между Ů ₂ и İ ₂ не изменяются при переходе через трансформатор с любой схемой соединения его обмоток.

Схема не реагирует на токи симметричной нагрузки. Однако в связи с погрешностью фильтров реле может сработать при нор­мальной работе в любом направлении мощности. Неправильное действие защиты в этом случае исключается отстройкой тока сра­батывания измерительного органа тока от тока небаланса на вы­ходе фильтра обратной последовательности.