Проектирование токовых защит нулевой последовательности параллельных и одиночной ЛЭП

2.4.1 На линиях 110-330 кВ, имеющих питание с двух и более сторон, устанавливается в качестве защиты от замыканий на землю четырехступенчатая защита нулевой последовательности. Первая, вторая и третья ступени образуют в совокупности основную защиту линии и представляют собой токовые отсечки, предназначенные в основном для действия при замыкании на землю в пределах защищаемой линии. Последняя ступень предназначена в основном для осуществления дальнего резервирования. Шкаф ШЭ2607 предусматривает возможность выполнения всех ступеней направленными. Однако в каждой ступени орган направления мощности может быть исключен, если необходимость в нем отсутствует.

Поясняющая схема для расчета ТЗНП приведена на рис. 2.6. Выбор уставок проводится для защит №1 и №3, установленных на линии Л1. Уставки защит №2 и №4 идентичны соответственно уставкам защит №1 и № 3.

Рис. 2.6. Поясняющая схема для расчета ТЗНП

При проектировании ТЗНП параллельных линий необходимо учитывать следующие особенности сети:

1) номинальное напряжение сети U_HОМ = 110 кВ;

2) сеть имеет параллельные линии Л1 и Л2 с двусторонним питанием;

3) параллельные линии имеют ответвления, трансформаторы ТЗ и Т4, подстанции ответвления “В”, работают с незаземленной нейтралью;

4) на линиях установлены выключатели типа 3AP1 FG Siemens 145 кВ;

5) параллельные линии Л1 и Л2 связаны взаимоиндукцией;

6) трансформатор Т7 подстанции «Б» работает с незаземленной нейтралью, а трансформатор Т6 имеет заземленную нейтраль;

7) в распределительных устройствах 110кВ электростанции “А” и подстанции “Б” имеется УРОВ со временем действия t_УРОВ=0,3 с;

8) со стороны электростанции “А” с заземленной нейтралью работают автотрансформатор и трансформатор Т1 блока;

9) КЗ на шинах 110 кВ электростанции “А” и подстанции “Б”, в автотрансформаторе электростанции “А” отключаются быстродействующими защитами со временем действия t_БЫСТР=0,1 с;

10) выдержка времени резервной защиты автотрансформатора от замыканий на землю равна 3,1 с;

11) выдержка времени резервной защиты от замыканий на землю в системе С2 равна 2,9 с.

2.4.2Расчет токов КЗ, необходимых для выбора уставок ТЗНП, произведен на ЭВМ в программе “TKZ-200”. Протоколы расчетов ТКЗ приведены в приложении 6. Обоснование выбора уставок ТЗНП приведено в табл. 2.19.

Таблица 2.19 Обоснование выбора уставок ТЗНП

Пара-метр сраба-тыва-ния	Задаваемая функция	Расчетное условие	Расчетное выражение	Прим.
	Несрабатывания при внешних КЗ на землю	1. Отстройка от КЗ на землю на шинах подстанции, примыкающей к дальнему концу ЛЭП
2. Отстройка от КЗ, при каскадном отключении КЗ на землю на параллельной линии вблизи шин подстанции, на которой установлена рассматриваемая защита.
Несрабатывания в режимах без КЗ	3. Отстройка от кратковременного неполнофазного режима при неодновременном включении фаз выключателя защищаемой линии
4. Отстройка от броска тока намагничивания силовых трансформаторов, работающих с глухозаземлённой нейтралью
	Несрабатывания при внешних КЗ на землю в зоне действия быстродейству-ющих защит смежных элементов	5. Отстройка от времени срабатывания быстродействующих защит смежных элементов, с учетом действия УРОВ.

 

Продолжение табл. 2.19

Пара-метр сраба-тыва-ния	Задаваемая функция	Расчетное условие	Расчетное выражение	Прим.
	Несрабатывания при внешних КЗ на землю за пределами зон действия быстродейству-ющих защит смежных элементов	6. Отстройка от внешнего КЗ на землю в конце зоны действия первой ступени защиты смежной ЛЭП
7. Отстройка от КЗ на землю на шинах ВН автотрансформатора, отключаемого ТЗНП автотрансформатора с временем, большим или равным времени срабатывания данной ступени
8. Отстройка от внешнего КЗ на землю в конце зоны действия или за зоной действия первой ступени защиты ЛЭП, параллельной данной, при ее каскадном отключении.
Срабатывания при внутренних КЗ	9. Обеспечение требуемой чувствительности при каскадном отключении КЗ на землю в конце защищаемой ЛЭП
	Несрабатывания при внешних КЗ на землю в зонах действия второй ступени защиты смежной ЛЭП и первой ступени ТЗНП автотрансфор-матора	10. Отстройка от времени срабатывания второй ступени ТЗНП смежной ЛЭП
11. Отстройка от времени срабатывания первой ступени ТЗНП автотрансформатора

 

 

Продолжение табл. 2.19

Пара-метр сраба-тыва-ния	Задаваемая функция	Расчетное условие	Расчетное выражение	Прим.
	Несрабатывания при внешних КЗ на землю за пределами зон действия вторых ступеней защит смежных ЛЭП и первых ступеней ТЗНП автотрансфор-маторов, с которыми производится согласование по времени	12. Отстройка от внешнего КЗ в конце зоны действия второй ступени защиты смежной ЛЭП
13. Отстройка от внешнего КЗ на землю в конце зоны действия или за зоной действия второй ступени защиты ЛЭП, параллельной данной, при ее каскадном
Несрабатывания в режимах без замыканий на землю	14. Отстройка от тока небаланса при внешних трёхфазных КЗ за трансформаторами и на стороне низшего напряжения автотрансформато-ров, а также за трансформаторами, присоединёнными к ответвлениям защищаемой линии, отключаемых защитами трансформаторов с временем, большим или равным времени срабатывания третьей ступени
15. Устойчивый возврат в исходное состояние после отключения внешнего КЗ в режиме качаний или асинхронного хода
	Несрабатывание при внешних КЗ на землю в зонах действия резервных защит смежных элементов	16. Отстройка от времени срабатывания последней ступени защиты смежной ЛЭП

Продолжение табл. 2.19

Пара-метр сраба-тыва-ния	Задаваемая функция	Расчетное условие	Расчетное выражение	Прим.
	Несрабатывание при внешних КЗ на землю в зонах действия резервных защит смежных элементов	17. Отстройка от времени срабатывания последней ступени ТЗНП автотрансформатора
	Несрабатывания в режимах без замыканий на землю	18. Отстройка от тока небаланса при внешних трёхфазных КЗ за трансформаторами и на стороне низшего напряжения автотрансформато-ров, а также за трансформаторами, присоединёнными к ответвлениям защищаемой линии, отключаемых защитами трансформаторов с временем, большим или равным времени срабатывания четвёртой ступени
19. Устойчивый возврат в исходное состояние после отключения внешнего КЗ в нагрузочном режиме

 

Выбор тока срабатывания второй ступени ТЗНП параллельных линий по расчетному условию (РУ) № 8 производится в зависимости от характера изменения тока нулевой последовательности в рассматриваемой линии при каскадном отключении КЗ на землю на параллельной линии.

Ток срабатывания второй ступени выбирается по расчетному выражению или если первая ступень защиты, установленной на противоположном конце параллельной линии, в режиме каскадного отключения КЗ на землю охватывает всю линию.

Ток срабатывания второй ступени ТЗНП выбирается по расчетному выражению, если в режиме каскадного отключения КЗ на землю первая ступень защиты, установленной на противоположном конце параллельной линии, охватывает только часть линии.

Выбор расчетного выражения или зависит от кривой распределения тока нулевой последовательности в неповрежденной линии:

- если ток нулевой последовательности в неповрежденной линии увеличивается по мере приближения места КЗ к отключенному концу линии, то рассматривается КЗ на параллельной линии вблизи шин подстанции, на которой установлена данная защита – РВ;

- если ток нулевой последовательности в неповрежденной линии уменьшается по мере приближения места КЗ к отключенному концу линии, то расчетной точкой КЗ является конец зоны действия первой ступени защиты, установленной на противоположном конце параллельной линии – РВ.

Согласование третьей ступени ТЗНП со второй ступенью защиты, установленной на противоположном конце параллельной линии, по расчетному условию (РУ) № 12 производится аналогично согласованию второй ступени ТЗНП с первой ступенью защиты, установленной на противоположном конце параллельной линии.

Расчет токов КЗ произведен на ЭВМ, протокол расчета приведен в приложении 6. Коэффициенты токораспределения и значения токов КЗ, необходимые для определения уставок и оценки чувствительности, приведены в табл. 2.20.

Таблица 2.20 Токи КЗ и коэффициенты токораспределения, необходимые при расчете параметров срабатывания ТЗНП

Номер защиты	Номер РВ	Режим по табл. 1.5	Место и вид КЗ на рис. 2.6	Узел на рис. 2.6	Обозна- чение тока в схеме на рис. 2.6	Значение тока, кА	Значение коэффициента токораспреде-ления	Прим.
		I				2.197		Для
	1.604
	I-3Г-4				1,773		Для
1 (2)		I-20				3.351		Для
I-2A-7				2.313
	I-20				1.760	0,775	Для
	2.270
	I-1Б				0,6819		Для
I-2				0,5359		Для и
I-2				0.9702
I-2				0,4798
3 (4)		I-20				1,143		Для
I-2Б-4				1.114
	I-20				0,6976		Для
	I-1А				0,6669		Для
I-2				0,5359		Для и
I-2				0.9702
I-2				0,4798

Протокол расчета токов КЗ, необходимых для построения кривых токов нулевой по­следовательности в параллельных линиях при каскадном отключении КЗ на одной из них, приведен в прил. 6. Результаты расчётов сведены в табл. 2.21, 2.22. Кривые токов нулевой последовательности изображены на рис. 2.7, а и 2.7, б.

Таблица 2.21 Расчёт токов нулевой последовательности через защиты №1 и №4 в режиме каскадного отключения линии Л2 со стороны электростанции «А» и отключения трансформатора Т6

LКЗ, км	0(К10)										30(К9)
3I01, кА	2.825	2.718	2.63	2.559	2.5	2.451	2.411	2.378	2.351	2,33	2,313
3I04, кА	4.983	4.610	4.297	4.031	3.803	3,605	3.432	3.28	3.144	3,025	2,917
KТ	0,567	0,59	0,612	0,635	0,657	0,68	0,703	0,725	0,748	0,77	0,793

 

Таблица 2.22 Расчёт токов нулевой последовательности через защиты №3 и №2 в режиме каскадного отключения линии Л2 со стороны подстанции «Б» и отключения автотрансформатора Т3

LКЗ, км	0(К9)										30(К10)
3I03, кА	0,9615	0,9811	0,9984	1,014	1,03	1,044	1,058	1,072	1,086	1,1	1,114
3I02, кА	6,749	5,816	5,127	4,591	4,165	3,821	3,534	3,293	3,088	2,911	2,757
KТ	0,142	0,169	0,195	0,221	0,247	0,273	0,299	0,326	0,352	0,378	0,404

 

Выбор тока срабатывания второй и третьей ступеней производится в зависимости от характера изменения кривых тока в рассматриваемой линии при каскадном отключении замыканий на землю на параллельной линии.

Значение тока небаланса в выражениях, и может быть рассчитано по следующему выражению:

где - максимальное значение расчетного фазного первичного тока, проходящего в месте установки защиты при внешенем трехфазном КЗ (в выражениях и) или в максимальном нагрузочном режиме без КЗ (в выражении);

- коэффициент небаланса, величина которого зависит от значения кратности ( - первичный номинальный ток трансформатора тока защиты). Для защит 1 – 4 принимаем (при значении кратности ).

В выражениях, и - коэффициент, учитывающий возможное увеличение тока небаланса в переходном режиме. Для III и IV ступеней защит 1 – 4 принимаем (при выдержке времени ступени больше 0,3 с).

Ток максимального нагрузочного режима определяется по выражению:

где - переток мощности в месте установки защиты в максимальном нагрузочном режиме.

.

Расчет токов небаланса сведен в табл. 2.23.

Рис. 2.7, а Кривые токов КЗ через защиты в режиме каскадного отключения

Рис. 2.7, б Кривые токов КЗ через защиты в режиме каскадного отключения

 

Таблица 2.23 Расчет токов небаланса

Номер защиты	Расчетное выражение	Режим, вид место КЗ	, кА		, кА
1 (2)		I-1Б,	0,6819	0,05
I-2,	0,5359
I-2,	0,9702
I-2,	0,4798
	-	0,567
	-	3,628	0,1
3 (4)		I-1А,	0,6669	0,05
I-2,	0,5359
I-2,	0,9702
I-2,	0,4798
	-	0,567
	-	3,628	0,1

 

Расчет параметров срабатывания ТЗНП приведен в табл. 2.24.

Таблица 2.24 Расчет параметров срабатывания ТЗНП

Номер защиты	Пара-метр сраба-тыва-ния	Расчет-ное условие	Режим, вид, место КЗ	Расчет-ное выра-жение	Расчет	Прин. значе-ние
			I,			2,856
		-			0,7 c
		I-3Г-4,			1,182
		-			4,2 c
1 (2)			I-20,			4.356
	I-2A-7,
		-			0,7
		I-20,			2,435
	I-2А-7,
		-			1 с
		I-20,			1,008
	I-2А-7,
	I-1Б,
I-2,
I-2,

 

Продолжение табл. 2.24

Номер защиты	Пара-метр сраба-тыва-ния	Расчет-ное условие	Режим, вид, место КЗ	Расчет-ное выра-жение	Расчет	Прин. значе-ние
1 (2)			I-2,			1,008
	-
		-			3,5 с
		I-2,			0,039
	-
3 (4)			I-20,			1,486
	I-2Б-4,
		-			0,7
		I-20,			1,145
	I-2Б-4,
		-			1 с
		I-2Б-4,			1,082
	I-1Б,
I-2,
I-2,
I-2,
	-
		-			3,4 с
		I-2,			0,039
	-

 

2.4.3 Оценка чувствительности четырёхступенчатой направленной ТЗНП в общем случае сводится к проверке чувствительности второй, третьей и четвёртой ступеней защиты при внутренних КЗ на землю в расчётном режиме.

Чувствительность отдельных ступеней ТЗНП оценивается с помощью коэффициента чувствительности при однофазном КЗ в расчетной точке:

 

где - минимальное значение утроенного тока нулевой по последовательности,

проте­кающего в месте установки защиты при однофазном КЗ в расчетном режиме;

- ток срабатывания соответствующей ступени.

Чувствительность вторых и третьих ступеней ТЗНП параллельных линий оценивается при КЗ в конце защищаемой линии. При этом согласно требованиям [4], коэффициент чувст­вительности должен быть не менее 1,5. При наличии устойчиво действующей резервной сту­пени защиты линии и отдельной защиты шин на противоположном конце линии допускается обеспечивать коэффициент чувствительности не менее 1,5 в режиме каскадного отключения КЗ в конце линии. Чувствительность четвертых ступеней ТЗНП оценивается при однофазных КЗ в конце защищаемой линии и в конце зон дальнего резервирования. Согласно требованиям [4], в пер­вом случае коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5, во втором случае - не менее 1,2.

Значения токов нулевой последовательности, необходимых для проверки чувствительности ТЗНП, установленных на параллельных ЛЭП, приведены в табл. 2.25. Оценка чувствительности ступеней ТЗНП приведена в табл. 2.26.

Таблица 2.25 Токи КЗ, необходимые при оценке чувствительности ТЗНП

Номер защиты	Режим по табл. 1.5	Место и вид КЗ на рис. 2.6	Узел на рис. 2.6	Обозначение тока в схеме на рис. 2.6	Значение тока, кА	Прим.
1 (2)	I-4				1.267	,
I-1Б-4				2,757
I-4				0,724
I-2A-4				1,881
3 (4)	I-7				0,384	,
I-1A-7				2,917
I-7				0,2496
I-2Б-7				0.8729

 

Таблица 2.26 Оценка чувствительности ТЗНП

Номер защиты	Номер ступени	Режим, место, вид КЗ	Ток через защиту	Расчёт	Примечание
1 (2)	II	I-4,	1.267
I-1Б-4,	2,757
III	I-4,	1.267
I-1Б-4,	2,757
IV	I-4,	1.267

 

Продолжение табл. 2.26

Номер защиты	Номер ступени	Режим, место, вид КЗ	Ток через защиту	Расчёт	Примечание
1 (2)	IV	I-4,	0,724
I-2А-4,	1,881
3 (4)	II	I-7,	0,384
I-1А-7,	2,917
III	I-7,	0,384
I-1А-7,	2,917
IV	I-7,	0,384
I-7,	0,2496
I-2Б-7,	0.8729

 

Из табл. 2.26 видно, что только третьи ступени защит 1 и 2 и третья и вторая ступень защит 3 и 4 обеспечивают требуемую чувствительность только в режиме каскадного отключении защищаемой ЛЭП, что допустимо согласно [4] при наличии на противоположной подстанции дифференциальной защиты шин. Четвертые ступени защит обеспечивают требуемую чувствительность в зонах ближнего и дальнего резервирования. Вторые ступени защит 3 и 4 не обеспечивают требуемой чувствительности.

2.4.4 Для повышения надежности срабатывания ТЗНП целесообразно выполнять от­дельные ступени ненаправленными. Возможность выполнения отдельных ступеней защиты ненаправленными проверяется в каждом отдельном случае индивидуально. Если защиту можно выполнить ненаправленной, то она выполняется без реле направления мощности (РНМ). Обусловлено это тем, что при удаленных от места установки защиты металлических, однофазных КЗ, когда напряжение на зажимах защиты снижается практически до нуля, ор­ган направления мощности может не сработать, запрещая тем самым действие защиты.

Согласно [6], возможность выполнения отдельных ступеней ненаправленными может быть выявлена на основании сравнения выдержек времени и токов срабатывания защит, ус­тановленных на противоположных концах рассматриваемой линии.

Проверка возможности выполнения отдельных ступеней ТЗНП параллельных линий ненаправленными приведена в табл. 2.27.

 

 

Таблица 2.27 Проверка возможности выполнения отдельных ступеней токовых защит нулевой последовательности ЛЭП ненаправленными

Ступень	, с	, кА	Сравнение параметров срабатывания	Вывод о направленности
1 (2)	3 (4)	1 (2)	3 (4)
I	0,1	0,1	4.356	1,486		I ступень защиты 1 (2) –ненаправленная I ступень защиты 3 (4) –направленная
II	0,7	0,7	2.435	1,145		II ступень защиты 1 (2) –ненаправленная II ступень защиты 3 (4) –направленная
III			1,008	1.082		III ступень защиты 1 (2) –направленная III ступень защиты 3 (4) –ненаправленная
IV	3,5	3,4	0,039	0,039