Дистанционная защита (ANSI 21) — импедансная защита с зонами 1/2/3 на линиях СН и ВН

Руководство о направленной максимальной токовой защите (ANSI 67) рассматривает защиту, реагирующую на величину и направление тока. Руководство о защите генератора от потери возбуждения (ANSI 40) рассматривает защиту, использующую импеданс для распознавания конкретного повреждения генератора. Эта статья рассматривает третье применение принципа импеданса, на этот раз направленное на защиту линии: дистанционная защита (англ. distance protection), обозначаемая кодом ANSI 21.

Принцип: импеданс как мера расстояния

Реле дистанционной защиты измеряет напряжение и ток в своём местоположении и вычисляет из них кажущийся импеданс до места повреждения. Поскольку импеданс линии (приблизительно) возрастает пропорционально длине, этот вычисленный импеданс даёт прямое указание на то, насколько далеко от реле находится повреждение: близкое повреждение даёт низкий измеренный импеданс, повреждение дальше — более высокий. Это делает дистанционную защиту принципиально отличной от обычной максимальной токовой защиты, которая смотрит исключительно на величину тока и поэтому чувствительна к изменениям доступного тока короткого замыкания (например, из-за переменного объёма активной генерации в сети). Поскольку дистанционная защита реагирует на импеданс — то есть на соотношение между напряжением и током — а не на абсолютное значение тока, установленная зона действия остаётся относительно нечувствительной к такого рода колебаниям, что делает эту функцию привлекательной для замкнутых или сильно взаимосвязанных сетей.

Ступенчатые зоны: от быстрой и ограниченной до медленной и дальней

Реле дистанционной защиты почти никогда не применяет единую границу импеданса, а ступенчатую схему из нескольких зон, каждая со своей зоной действия и выдержкой времени:

• Зона 1 обычно охватывает примерно от 80 до 85% защищаемой линии и отключает без выдержки времени (мгновенно). Зона действия сознательно не устанавливается на 100% — это называется недосягаемостью (underreaching) — чтобы предотвратить ситуацию, когда неточности измерения трансформаторов тока и напряжения или самого реле приводят к тому, что зона 1 ошибочно оценивает повреждение чуть за пределами конца линии как собственное и отключает без задержки.
• Зона 2 сознательно превышает конец собственной линии — типичная уставка находится в диапазоне примерно 120% собственного импеданса линии, чтобы оставшаяся часть линии (15–20%, которые зона 1 сознательно не охватывает) была по-прежнему защищена, плюс часть первой соседней линии в качестве резерва. Зона 2 отключает с короткой, но сознательной выдержкой времени — типичное практическое значение находится в диапазоне 0,3 секунды — чтобы повреждение на соседней линии сначала получило шанс быть отключённым собственной, ближе расположенной защитой этой линии.
• Зона 3 достигает ещё дальше, обычно далеко в следующий участок линии, и служит дальнейшей резервной защитой с более длительной выдержкой времени — в диапазоне примерно 1 секунды — на случай, если ближе расположенные защиты по какой-либо причине не сработают.

Эта ступенчатая схема объединяет быструю, основную защиту для большей части собственной линии со ступенчато более медленной, но дальше достигающей резервной защитой для остальной части линии и соседних участков сети.

Импедансная характеристика: mho или четырёхугольная

Как и в случае с offset-mho-характеристикой защиты от потери возбуждения (см. связанное руководство), зона действия реле дистанционной защиты обычно представляется как область на диаграмме импеданса R-X. Для защиты линии часто применяют mho-характеристику (окружность, проходящую через начало координат) или четырёхугольную характеристику (четырёхсторонняя область, допускающая независимую настройку зоны действия в резистивном и реактивном направлениях) — выбор зависит от типа повреждения (межфазное против замыкания на землю) и от желаемой чувствительности к дуговому сопротивлению в месте повреждения.

Внимание: точные зоны действия, выдержки времени и форма характеристики вытекают из импеданса линии, конфигурации сети и исследования координации для конкретного соединения; данная статья рассматривает принцип, а не готовую таблицу уставок для каждой линии.

Практическая значимость

Дистанционная защита применяется главным образом на линиях среднего и высокого напряжения — особенно в замкнутых или взаимосвязанных сетях, где доступный ток короткого замыкания может значительно меняться в зависимости от конфигурации сети — и реже в простых, радиальных распределительных сетях низкого напряжения, где обычно достаточно максимальной токовой защиты. При вводе в эксплуатацию реле дистанционной защиты важно проверить, что установленные зоны действия согласованы с фактическим, актуальным импедансом линии — уставка, основанная на устаревших или неверных данных линии, может привести к зоне 1, которая достигает слишком далеко или, наоборот, слишком близко.

Типичные ошибки

1. Установка зоны 1 на (почти) 100% длины линии — это повышает риск мгновенного, необоснованного отключения при повреждении чуть за пределами собственной подстанции в результате обычных неточностей измерения.
2. Несогласование выдержки времени зоны 2 и зоны 3 с защитами соседних линий — это может привести к ненужному отключению собственной линии при повреждении, которое на самом деле должно было быть устранено защитой соседней линии.
3. Непересмотр импедансных уставок после изменения конфигурации линии (например, более длинный или короткий участок линии или новое ответвление) — зоны действия напрямую выводятся из актуального импеданса линии.
4. Применение mho-характеристики без учёта дугового сопротивления повреждения при замыканиях на землю — слишком узкая характеристика может пропустить повреждение со значительным дуговым сопротивлением, особенно при повреждениях вблизи края защищаемой зоны.

Связанные материалы

• Направленная максимальная токовая защита (ANSI 67)
• Защита генератора от потери возбуждения (ANSI 40)
• Автоматическое повторное включение (ANSI 79)
• Защита от отказа выключателя (ANSI 50BF)