Дистанционная защита (далее – ДЗ) – это защита с относительной селективностью, выполняется с использованием реле сопротивления (реагирует на отношение напряжения, подаваемого на реле, к току в реле) и срабатывает при снижении напряжения и увеличении тока, фиксируемых в месте установки защиты. Это отношение пропорционально расстоянию до места повреждения – дистанции, что и определило название защиты. ДЗ чаще всего выполняется только от междуфазных КЗ, но иногда дополнительно и от КЗ на землю.
Как и ТЗНП, ДЗ применяется не только для защиты ЛЭП, но и другого оборудования.
ДЗ определяет полное сопротивление цепи КЗ по измеренному напряжению и току КЗ в месте установки реле. Измеренное сопротивление цепи КЗ сравнивается с уставкой. Если измеренное полное сопротивление цепи КЗ меньше, чем уставка, то это рассматривается как внутреннее короткое замыкание и подается команда на отключение выключателя.
Однако, из-за погрешности измерения расстояния до места КЗ невозможно выполнить защиту с абсолютной селективностью. Для обеспечения гарантированной селективности при внешних и внутренних коротких замыканиях дистанционная защита выполняется ступенчатой. Селективность отключения обеспечивают ступенчатым выбором выдержек времени (согласованием с защитами смежных участков).
Для защиты ЛЭП дистанционная защита чаще всего выполняется трех ступенчатой.
На рисунке 1 представлена упрощённая структурная схема 3-х ступенчатой дистанционной защиты с некоторыми допущениями. РС I, РС II, РС III - реле сопротивления 1,2 и 3 ступеней - основные элементы дистанционной защиты, к которым подводятся напряжения Ua, Ub, Uc от трансформаторов напряжения и токи Ia, Ib, Ic от измерительных трансформаторов тока. Для реализации дистанционной защиты от междуфазных КЗ реле сопротивления подключаются на междуфазные напряжения и разности фазных токов:
Т.е. для каждой ступени в действительности используется 3 реле сопротивления, а для 3-х соответственно 9.
УБК - устройство блокировки защиты при качаниях. При возникновении в энергосистеме режима синхронных качаний или асинхронного режима, возникают колебания токов и напряжений. Токи при этом могут достигать величин, больших чем в нагрузочных режимах, а напряжения наоборот - наименьших величин, а вблизи электрического центра качаний снижаться до 0. Данные режимы дистанционная защита может принять за короткое замыкание и сработать, поэтому при наличии качаний или асинхронного режима УБК выявляет их и посылает запрет на работу защиты на вход 2 (рисунок 1).
УБН - устройство блокировки при потере цепей напряжения. При пропадании цепей напряжения вследствие неисправности ТН реле сопротивления может ложно сработать. УБН выявляет неисправность цепей напряжения и посылает запрет на работу защиты на вход 3.
Сигнал с входа 1 на выход 4 будет проходить, если нет сигналов запрета с входов 2 и 3.
РВ II и РВ III - реле времени 2 и 3 ступеней обеспечивают необходимую выдержку времени срабатывания соответствующей ступени.
ИЛИ - логический элемент, который при получении любого из сигналов входе подаёт сигнал на отключение выключателя.
Для 1-ой ступени устанавливают некоторый запас надѐжности (10-15% длины ЛЭП). Сопротивление срабатывания выбирается по условию отстройки от металлического КЗ на шинах противоположного энергообъекта и принимается поэтому равной 80-85% модуля полного сопротивления защищаемой линии. 1 ступень осуществляет ближнее резервирование основной защиты своей ЛЭП (ВЛ1) и выполняется, как правило, без выдержки времени.
Оставшаяся часть линии защищается 2-ой ступенью, с запасом охватывающей всю ЛЭП. Сопротивление срабатывания выбирается таким образом, что обеспечивается необходимая чувствительность 2-й зоны защиты при металлическом междуфазном КЗ на шинах противоположного энергообъекта. Ступень должна иметь выдержку времени по отношению к времени срабатывания защиты на смежных присоединениях. Как правило, ступень селективности 0,3-0,5 сек в зависимости от типа исполнения защит (для микропроцессорных защит ступень селективности 0,3 сек.).
3-я ступень обычно используется для защиты смежного присоединения, если это возможно, т.к. обеспечивая дальнее резервирование смежных элементов сопротивление срабатывания может быть не отстроено от нагрузочных режимов.
Поведение реле сопротивления в различных режимах зависит от его характеристики Zср=f (ϕр), где ϕр - угол между током и напряжением, подводимых к реле.
В нормальном режиме работы измеренное сопротивление соответствует сопротивлению нагрузки. Его величина обратно пропорциональна нагрузке (Zнагр= U²/Sнагp). Угол между током и напряжением соответствует углу нагрузки и определяется соотношением активной и реактивной мощности (ϕнагр = arctg (Q/Р)).
После возникновения КЗ измеряемое сопротивление скачком изменяется до значения сопротивления цепи КЗ, которое обычно меньше, чем сопротивление нагрузки. Его величина соответствует сопротивлению линии между местом установки реле и местом КЗ. При наличии в месте КЗ сопротивления дуги или переходного активного сопротивления, к сопротивлению линии добавляется дополнительное сопротивление Rп. Угол между током и напряжением КЗ — это угол короткого замыкания ϕкз.
Характеристики реле сопротивления представляют собой геометрические фигуры, составленные из прямых линий, окружностей и секторов окружностей.
1. Круговая характеристика с центром в начале координат. Зона, ограниченная окружностью, является зоной действия реле. Сопротивление срабатывания таких реле не зависит от ϕр, поэтому их называют реле полного сопротивления и являются ненаправленными (например, срабатывают при КЗ, как на защищаемой ЛЭП, так и за спиной)
2. Круговая характеристика, проходящая через начало координат. Реле с такой характеристикой не работают при направлении тока из линии к шинам, поэтому оно является направленным. Точка начала координат соответствует началу защищаемой линии. При КЗ в начале линии, когда r и x равны нулю, реле не работает, что является его недостатком. Угол ϕмч, при котором сопротивление срабатывания реле максимально, называется углом максимальной чувствительности. Используется в электромеханической панели защит ЭПЗ-1636 для 1 и 2 ступеней ДЗ и микроэлектронной ШДЭ 2801 (2802) для 1 ступени ДЗ.
3. Реле с эллиптической характеристикой. Такие характеристики используются для третьих ступеней электромеханических защит (3 ступень ДЗ в панели ЭПЗ-1636) с целью улучшения отстройки от нагрузочных режимов и получения большей чувствительности. Также является направленным реле сопротивления.
4. Реле с многоугольными характеристиками. Четырехугольная характеристика используется для выполнения второй и третьей ступеней микроэлектронных защит (2 ступень ДЗ в панели ШДЭ-2801 (2802)). Её верхняя сторона должна фиксировать концы защищаемых зон (в зависимости от номера ступени), правая боковая сторона обеспечивает отстройку от нагрузочных режимов. Левая сторона отстраивает защиту от мощностей нагрузок, передаваемых к месту ее включения. Нижняя сторона обеспечивает работу защиты при близких повреждениях, сопровождающихся замыканием через переходное сопротивление.
Треугольная характеристика применяется для реле сопротивления третьей ступени микроэлектронных защит (3 ступень ДЗ в панели ШДЭ-2801 (2802)), обеспечивает необходимую отстройку от нагрузочных режимов с соблюдением требуемой чувствительности. Также является направленным реле сопротивления.
5. Реле с многоугольными характеристиками микропроцессорных защит. Ограничение сверху характеристики срабатывания определяется уставкой (Zуст) дистанционного органа соответствующей ступени, а также вершинами Z1, Z2, выбираемыми на расстоянии от Zуст с целью охвата дуговых повреждений и обеспечения надежности и быстроты срабатывания с учетом различных влияющих факторов. Небольшой наклон верхней стороны обеспечивает повышение селективности при внешних дуговых повреждениях. Ограничение справа выбирается на определенном расстоянии от характеристики короткозамкнутой линии с целью охвата дуговых повреждений. С приближением места короткого замыкания к источнику питания значение сопротивления дуги (Rд) падает. Поэтому правая сторона характеристики срабатывания Z1-Z4 имеет наклон к оси R, учитывающий меньшие возможные значения Rд при близких дуговых замыканиях. Ограничение области действия слева определяется возможными погрешностями дистанционного органа в статических и динамических режимах, в том числе и получением необходимого быстродействия. Существенное расширение области слева нежелательно ввиду возрастающей подверженности дистанционного органа влиянию качаний и ухудшению динамических характеристик в части расширения областей излишних срабатываний в переходных режимах.
Нижняя сторона Z3-Z4, характеристики в IV квадранте плоскости Z выбирается таким образом, чтобы обеспечить надежное срабатывание при близких повреждениях через переходное сопротивление, когда входное сопротивление располагается вблизи активной оси.
В зависимости от производителя микропроцессорного устройства РЗА многоугольные характеристики могут немного отличаться (различие в вырезах нагрузки, граней характеристики и т.п.) из-за наличия у производителей уникальных алгоритмов, обеспечивающих правильное функционирование дистанционного органа с учетом негативных факторов.
Физическая реализация ДЗ осуществляется традиционно на 3-х элементных базах: электромеханическая (панели ЭПЗ-1636; ДЗ-503), микроэлектронная (ШДЭ-2801,ШДЭ-2802), микропроцессорная.