Направленная защита — это защита, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ [2].

В электрических сетях с двухсторонним питанием и в кольцевых сетях обычные токовые защиты не могут действовать селективно. Например, в электрической сети с двумя источниками питания (рис. 2.15), где выключатели и защиты установлены с обеих сторон каждой линии, при повреждении в точке К1 должны выполняться следующие условия выбора выдержек времени срабатывания МТЗ:

t_{СЗ 2} < t_{СЗ 3} < t_{СЗ 4} < t_{СЗ 5} < t_{СЗ 6}.

При КЗ в точке K2:

t_{СЗ 1} < t_{СЗ 2} < t_{СЗ 3 ^и} t_{СЗ 4} < t_{СЗ 5} < t_{СЗ 6}.

При КЗ в точке K3:

t_{СЗ 1} < t_{СЗ 2} < t_{СЗ 3} < t_{СЗ 4} < t_{СЗ 5}.

Как видно, эти требования противоречивы и не могут быть выполнены в одной системе защит.

Для обеспечения селективного действия токовых защит в этих условиях необходимо использовать дополнительный признак, характеризующий расположение места повреждения относительно защит. В качестве этого признака можно использовать направление мощности КЗ в месте установки защиты.

Для того чтобы обеспечить селективное действие МТЗ, нужно разрешить действовать только тем защитам, направление мощности КЗ в месте установки которых — от шин к линии. Тогда выполнять согласование по времени срабатывания необходимо только для тех защит, которым действие разрешено (рис. 2.16).

С учетом этого, при коротком замыкании в точке К1:

t_{СЗ 2} < t_{СЗ 4} < t_{СЗ 6};

в точке K2:

t_{СЗ 1} < t_{СЗ 3 ^и} t_{СЗ 4} < t_{СЗ 6};

в точке K3:

t_СЗ 1 < t_СЗ 3 < t_{СЗ 5}.

При таких условиях требования к соотношению выдержек времени срабатывания отдельных защит, обеспечивающие их селективное действие, не противоречат друг другу. Следовательно, система защиты реализуема.

Для того чтобы определить направление мощности, передаваемой по контролируемой электрической сети, в месте установки защиты используют специальное реле — реле направления мощности. Отечественная промышленность выпускает реле направления мощности двух видов: индукционные (серий РБМ-170 и РБМ-270) и микроэлектронные (типа РМ-11 и РМ-12) [3].

Индукционное реле направления мощности [2, 3] имеет две обмотки, размещенные на полюсах замкнутого стального магнитопровода 1 (рис. 2.17). Одна из них, токовая (4) включается во вторичные цепи ТТ, и ток в ней (I_p) определяется вторичным током ТТ. Вторая — потенциальная (5) — подключается ко вторичной обмотке трансформатора напряжения (ТН), и ток в ней (I_H) пропорционален подведенному напряжению (U_H). Между полюсами расположен внутренний стальной сердечник 2 цилиндрической формы и алюминиевый ротор 3, имеющий форму стакана. На роторе укреплен контактный мостик 6. При направлении мощности КЗ от шин в линию этот мостик замыкает неподвижные выходные контакты 7 (реле срабатывает). Возврат реле происходит под воздействием противодействующей пружины 8.

Магнитные потоки, создаваемые катушками с соответствующими токами, сдвинуты в пространстве на угол 90°. Взаимодействие потоков с токами, индуктированными ими в роторе, создает вращающий момент, который заставляет ротор поворачиваться. Если магнитные потоки имеют синусоидальную форму, то вращающий момент М_ВР ~ Ф_I × Ф_U × sinΨ. Здесь Ф_I и Ф_U — магнитные потоки, создаваемые токовой и потенциальной катушками соответственно; T — электрический угол между магнитными потоками Ф_I и Ф_U.

На рис. 2.18 показана векторная диаграмма, поясняющая принцип действия реле. Приняты следующие обозначения: Í_p и Ú_H — векторы тока и напряжения, подведенных к реле; φ_р — угол между векторами Í_p и Ú_H, определяемый параметрами силовой электрической сети и схемой включения реле; Í_H — вектор тока в потенциальной катушке реле; α — угол между векторами Í_H и Ú_H (угол внутреннего сдвига), определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи потенциальной катушки.

Учитывая, что Ф_I ~ I_p, Ф_U ~ I_H ~ U_H, а Ψ = α — φ_р, можно получить:

M_BP = k_p × U_H × I_P × sin (α — φ_р).

В этом выражении k_p — постоянный коэффициент, определяемый параметрами реле, а U_H × I_p × sin (α − φ_р) = S_p — мощность на зажимах реле. Следовательно, вращающий момент реле пропорционален мощности: M_BP = k_p × S_p, то есть реле реагирует на мощность.

Вращающий момент реле равен нулю, когда sin (α — φ_р) = 0. Отсюда следует, что M_BP = 0, если φ_р = α при отставании и если φ_р = (α + 180°) при опережении вектором Í_p вектора Ú_H. Линия, расположенная под этим углом к вектору Ú_H, называется линией нулевых моментов или линией изменения знака момента [2, 3].

Угол φ_р между векторами Í_P и Ú_H, при котором вращающий момент имеет максимальное значение, принято называть углом максимальной чувствительности φ_МЧ. Линия, расположенная к вектору Ú_H под углом φ_МЧ, называется линией максимального момента.

Если внутренний угол α = 0 (рис. 2.19, а), то вращающий момент M_BP = k_p × U_H × I_p × sin (−φ_р) в реле пропорционален реактивной мощности, подведенной к реле (синусное реле или реле реактивной мощности). Эти реле выполняют так, что M_BP положителен, если угол φ_р < 0 (то есть M_BP = k_p × U_H × I_p × sin φ_р). Угол максимальной чувствительности для синусного реле φ_МЧ = 90°.

Если внутренний угол α = 90° (рис. 2.19, б), то вращающий момент

M_BP = k_p × U_H × I_P × sin (90 − φ_р) = k_p × U_H × I_P × cos φ_р

пропорционален активной мощности, подведенной к реле (косинусное реле или реле активной мощности). Для косинусного реле φ_МЧ = 0°.

В реле смешанного типа (см. рис. 2.18) угол а может иметь значения от 0° до 90°. У отечественных реле смешанного типа (РБМ-171, РБМ-271) угол а изменяется дискретно: α = 45° (φ_МЧ = 45°) или α = 60° (φмч = 30°).

Срабатывание реле направления мощности происходит при выполнении условия:

M_BP ≥ М_ПР,

где М_ПР — противодействующий момент, который определяется силой противодействия возвратной пружины, трением в подшипниках реле и силой нажатия контактов при срабатывании реле.

Поскольку вращающий момент реле пропорционален подведенной к нему мощности, то реле срабатывает при определенном произведении U_H × I_p. Минимальное значение мощности на зажимах реле, при котором оно срабатывает, принято называть мощностью срабатывания реле S_CP. Для большинства индукционных реле S_CP = (0,2 − 4) B × A.

Чувствительность реле оценивается по вольт-амперной характеристике, которая представляет собой зависимость напряжения срабатывания реле от тока (рис. 2.20, а), при неизменном угле между векторами Ú_H и Í_p равном углу максимальной чувствительности [3].

Зависимость мощности срабатывания реле от угла между векторами Ú_H и Í_p при неизменном токе принято называть угловой характеристикой реле (рис. 2.20, б) [2]. Она определяет зоны срабатывания и несрабатывания реле. Как видно, при углах, соответствующих изменению направления вращающего момента, мощность срабатывания возрастает и стремится к бесконечности. При φ_р = φ_МЧ мощность срабатывания реле имеет минимальное значение.

Принцип действия микроэлектронных статических реле направления мощности РМ-11 и РМ-12 основан на измерении длительности интервалов времени, при котором напряжение и ток, подведенные к реле, имеют одинаковый знак. Время совпадения знака сигналов измеряется в течение каждого полупериода и сравнивается с уставкой. При определенной продолжительности времени совпадения знаков сигналов реле срабатывает. Эти реле превосходят индукционные по многим основным характеристикам и широко используются в системах релейной защиты [3].

В отечественных энергосистемах принято использовать в направленных токовых защитах так называемую 90-градусную схему включения реле направления мощности смешанного типа. При этом в токовую катушку первого реле подается через ТТ ток фазы А, а к его потенциальной катушке подводится через ТН линейное напряжение ВС (рис. 2.21, а) [2]. Угол между этими векторами составляет 90°. Отсюда и произошло название схемы включения реле. Такое сочетание сигналов, подводимых к реле, улучшает его работоспособность при близких КЗ.

Для трехфазного исполнения защиты Í_P1 = Í_A; Ú_P1 = Ú_BC; Í_P2 = Í_B; Ú_P2 = Ú_CA; Í_P3 = 4; Ú_P3 = Ú_AB, где Í_P1, Í_P2, 4 — вектoры токов 15 токовых катушках первого, второго и третьего реле направления мощности; Í_A Í_B, Í_C — векторы вторичных токов соответствующих фаз; Ú_P1, Ú_P2, Ú_P3 — векторы напряжений, подведенных к потенциальным катушкам первого, второго и третьего реле направления мощности; Ú_AB, Ú_BC, Ú_CA — векторы вторичных линейных напряжений.

На рис. 2.21, б показана векторная диаграмма реле направления мощности, соответствующая 90-градусной схеме включения реле с углом внутреннего сдвига α = 45° (φ_МЧ = −45°) в симметричном режиме контролируемого объекта. Вектор тока Í_A отстает от вектора фазного напряжения Ú_A при КЗ на контролируемом объекте (например, линии) на угол φ_КЗ, определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивления контролируемой линии (см. рис. 2.21, а). Вектор Í_А имеет два предельных положения. Одно — Í_AI — при КЗ за чисто индуктивным сопротивлением (φ_КЗ = 90°). Другое — Í_AII — при КЗ за чисто активным сопротивлением (φ_КЗ = 0°, например, при КЗ вблизи места установки реле). Это означает, что угол φ_p между векторами тока Í_P = Í_PI = Í_A и напряжения Ú_H = Ú_P1 = Ú_BC, подведенными к реле, φ_p = −(90° − φ_КЗ) и может изменяться в симметричном режиме от 0 до 90° (вектор тока опережает вектор напряжения).

Как видно, вращающий момент реле при трехфазных КЗ в зоне действия защиты положителен и близок к максимальному; следовательно, реле надежно срабатывает. При трехфазных КЗ вне зоны вращающий момент изменяет свое направление на противоположное φ_р ∈ [180°… 270°] и реле столь же надежно не срабатывает.

Направленные МТЗ необходимо отстраивать от максимальных рабочих токов с учетом самозапуска электродвигателей в послеаварийных режимах после отключения смежного присоединения, то есть так же, как и обычные ненаправленные МТЗ:

В сетях с глухозаземленной нейтралью направленные МТЗ должны быть также отстроены от токов, возникающих в неповрежденных фазах при однофазных и двухфазных КЗ на землю (если не используется блокировка действия от защит, действующих при замыканиях на землю) [2]:

I_СЗ = k_З × I_НФ,

где k_З — коэффициент запаса (k_З = 1,15-1,3);

I_НФ = I_{РАБ MAX} + k₀ × I_К0 — максимальное значение тока в неповрежденной фазе;

k₀ — доля тока КЗ в неповрежденной фазе k₀ < 1;

I_К0 — максимальное значение тока при однофазном или двухфазном КЗ на землю.

Большее из значений, полученных по первому и второму условиям, принимается за расчетное.

Еще одной мерой, призванной исключить неправильное действие реле направления мощности неповрежденных фаз, является использование особых схем защит (с так называемым пофазным пуском), которые подают сигнал на отключение объекта только тогда, когда срабатывают токовое реле и включенное на ток той же фазы реле направления мощности [2]. Пример схемы двухфазной направленной МТЗ с пофазным пуском показан на рис. 2.22.

Дополнительно смежные защиты, действующие в одном направлении, должны быть согласованы по чувствительности. Токи срабатывания защит должны нарастать при их обходе против направления действия с приращением не менее 10 %. Иначе при токах КЗ, близких по значению к токам срабатывания защит, некоторые из них могут подействовать неселективно.

Защиты необходимо отстраивать от максимальных токов в местах их установок независимо от направления действия защиты и направления передачи мощности для исключения ложного срабатывания при повреждениях цепей напряжения защиты [2]. Если при этом чувствительность защиты недостаточна, то допускается использовать в качестве расчетного ток, соответствующий передаче мощности в направлении действия защиты.

Выдержки времени срабатывания выбираются по условию обеспечения селективности. Согласуются защиты, действующие в одном направлении. Время срабатывания защит должно нарастать ступенчато с приращением Д t при обходе их против направления действия (см. рис. 2.16):

Здесь t_{C3 H1} и t_{C3 H4} — время срабатывания защит, установленных на присоединениях Н1 и Н4 соответственно.

Участок контролируемой электрической сети вблизи места установки защиты, в пределах которого реле направления мощности при КЗ может не сработать из-за недостаточной мощности на его зажимах (U_p → 0), принято называть мертвой зоной.

Границу этой зоны можно определить, опираясь на следующие рассуждения [2]. Пусть напряжение срабатывания реле при КЗ на границе мертвой зоны равно:

Здесь I_PK — значение тока в токовой катушке реле при повреждении в начале контролируемого объекта (в месте установки защиты); φ_p — угол между векторами тока и напряжения, подведенными к реле.

При 90-градусной схеме включения реле φ_p = −(90°− φ). Угол φ_КЗ между векторами тока и напряжения в первичной цепи определяется соотношением удельных реактивного (х_УД) и активного (r_УД) сопротивлений контролируемого объекта:

Первичное фазное напряжение срабатывания реле:

где k_TH — коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Сопротивление мертвой зоны:

Тогда протяженность мертвой зоны:

где