Расчёт уставок дистанционной защиты: ступени, зоны, выдержки

Дистанционная защита — единственная из массовых защит, которая измеряет не ток, а отношение напряжения к току, то есть сопротивление до точки повреждения. Отсюда её главное достоинство: она чувствует не «есть ли КЗ», а «где оно». И отсюда же главная сложность расчёта: уставка выражается в омах, а омы зависят от режима, от ТН, от переходного сопротивления в месте КЗ и от того, что параллельные линии «подсасывают» ток.

Принцип работы и логику ступеней разбирал в статье дистанционная защита. Здесь — расчёт.

Что именно считается

Для каждой ступени определяют четыре величины:

Zсз ....... сопротивление срабатывания, Ом (первичное и вторичное)
t ......... выдержка времени, с
вид КЗ .... для каких повреждений работает ступень (КЗ, ОЗЗ, оба)
направление ... в какую сторону смотрит (обычно — в линию)

Вторичное сопротивление получается из первичного через коэффициенты трансформации:

Zсз.втор = Zсз.перв · (kтт / kтн)

Это же значение вводится в терминал. Путаница между первичными и вторичными омами — самая частая ошибка при задании уставок: ошибка в 10 раз ловится сразу, а ошибка в 1,2 раза живёт годами.

Первая ступень: 85% линии

Первая ступень должна отключать КЗ в начале линии мгновенно и при этом гарантированно не видеть КЗ на шинах приёмной подстанции — иначе она будет работать при повреждениях за пределами своего участка.

Zсз1 = 0,85 · Zл
t1 = 0 (или минимальная выдержка терминала)

Откуда 85%: запас 15% покрывает погрешность ТТ и ТН, погрешность расчёта сопротивления линии и переходное сопротивление в месте КЗ. Уменьшать его нельзя, увеличивать — можно, но тогда первая ступень теряет часть линии и её работу берёт на себя вторая.

Для коротких линий первая ступень может вообще не иметь зоны: 15% от 5 км — это 750 метров, а погрешность измерения на таких дистанциях сравнима с самой зоной. В этом случае первую ступень либо не используют, либо дополняют ДФЗ или дифференциальной защитой.

Вторая ступень: отстройка от подстанции

Вторая ступень смотрит дальше — в следующий участок, но должна быть отстроена от КЗ на шинах следующей подстанции и от первой ступени защиты следующего участка.

Zсз2 = 0,85 · (Zл + 0,85 · Zслед) — при согласовании по зоне

или, если считать по току/сопротивлению следующего комплекта:

Zсз2 = 0,8 · (Zл + Zсз1.след)

Выдержка выбирается на ступень селективности больше, чем у первой ступени следующего участка:

t2 = t1.след + Δt

где Δt для электромеханических панелей принимают 0,5 с, для микропроцессорных терминалов — 0,2–0,3 с.

Третья ступень: дальнее резервирование

Третья ступень — резервная. Она должна охватывать всю защищаемую линию с запасом и, по возможности, следующий участок.

Zсз3 = 1,2 · (Zл + Zслед)   — типично
t3 = t2.след + Δt

Здесь появляется компромисс, знакомый каждому, кто считал уставки: третья ступень должна быть чувствительной (то есть иметь большое сопротивление срабатывания) и одновременно не срабатывать от тока нагрузки. Обычно её проверяют по условию:

Zсз3 ≤ 0,9 · Zнагр.мин

где Zнагр.мин — минимальное сопротивление нагрузки в рассматриваемом режиме. Если оба условия не выполняются одновременно, ставят блокировку от качаний или применяют комбинированную характеристику.

Характеристика срабатывания

Прямоугольная характеристика (просто по сопротивлению) — простейшая, но плохо отстраивается от нагрузки. Поэтому в терминалах применяют характеристики со смещением и с разными наклонами:

• смещённая — начало характеристики сдвинуто в третий квадрант, чтобы видеть близкие КЗ «за спиной»;
• с полигональной формой — отдельные зоны по активной и реактивной составляющей, что позволяет отстроиться от нагрузки и от переходного сопротивления;
• с торможением по току — при больших токах характеристика расширяется.

Настройка угла характеристики — отдельная работа. Угол максимальной чувствительности обычно принимают равным углу линии φл = arctg(Xл/Rл), то есть 65–80° для воздушных линий 110–330 кВ. Если задать его «по умолчанию» из прошивки, можно получить систематическую ошибку в пределах сотых долей ома на километр.

Что мешает и как это учитывают

Переходное сопротивление в месте КЗ. Дуга добавляет активное сопротивление, вектор измеренного сопротивления уходит в первый квадрант и «укорачивает» зону измерения. Именно против этого делают характеристики с расширением по активной оси.

Подпитка с противоположной стороны. Для транзитной линии ток через защиту при КЗ в середине линии меньше, чем ток в месте повреждения, поэтому сопротивление измеряется больше реального — защита «недовидит» дальнюю часть. Это учитывают коэффициентом и в расчёте, и при настройке.

Погрешность ТН. Дистанционная защита питается напряжением, и потеря цепи напряжения для неё означает потерю функции. Поэтому в цепях ТН обязательна: разомкнутая цепь, автоматический выключатель, предохранители.

Качания. При выпадении генератора из синхронизма вектор сопротивления проезжает через область уставок. Без блокировки от качаний защита отключит линию зря. Блокировка выполняется по скорости изменения сопротивления и по уровню тока.

Насыщение ТТ. Дистанционная защита измеряет сопротивление по основной гармонике; при глубоком насыщении ТТ форма тока искажается, и измерение уходит.

Проверка при наладке

Расчёт проверяется не на бумаге, а на терминале:

1. Подстановка сопротивлений. Проверяют границы зон по каждой ступени и по всем видам КЗ: подают ток и напряжение, фиксируют момент срабатывания.
2. Проверка по «живой» векторной диаграмме. Сопротивление при КЗ в разных точках имитируют сдвигом фаз между током и напряжением.
3. Проверка блокировок. Качания, неисправность ТН, вывод ступеней — каждая блокировка проверяется отдельно.
4. Проверка взаимодействия со следующим комплектом. Ступень селективности должна быть реально больше выдержки нижестоящей защиты, а не только по расчёту.

Частые вопросы

«Почему первая ступень 85%, а не 80 или 90?» 80% — излишний запас, теряется часть линии; 90% — риск срабатывания на КЗ за шинами при большой погрешности. 85% — компромисс, закреплённый практикой.

«Можно ли ставить t1 = 0?» Для терминалов — да, выдержка первой ступени обычно нулевая или минимальная (0,02–0,1 с для отстройки от помех распознавания).

«Что делать, если третья ступень не отстраивается от нагрузки?» Варианты: блокировка от качаний, характеристика с вырезом, снижение охвата, отказ от дальнего резервирования с передачей функции вышестоящей защите.

«Нужно ли пересчитывать уставки при замене ТТ или ТН?» Обязательно. Вторичные сопротивления зависят от коэффициентов трансформации напрямую; при замене ТТ с другим kтт все уставки в омах смещаются пропорционально.

Итог

Расчёт дистанционной защиты — это три сопротивления и три выдержки, но качество результата определяется деталями: правильным выбором расчётных режимов, учётом переходного сопротивления и подпитки, проверкой отстройки от нагрузки и обязательной проверкой каждой зоны на терминале. Ошибка здесь обнаруживается не в расчёте, а при первом же реальном КЗ.