Дистанційний захист (ANSI 21) — імпедансний захист із зонами 1/2/3 на лініях СН і ВН

Посібник про напрямлений максимальний струмовий захист (ANSI 67) розглядає захист, що реагує на величину і напрямок струму. Посібник про захист генератора від втрати збудження (ANSI 40) розглядає захист, що використовує імпеданс для розпізнавання конкретного пошкодження генератора. Ця стаття розглядає третє застосування принципу імпедансу, цього разу спрямоване на захист лінії: дистанційний захист (англ. distance protection), позначений кодом ANSI 21.

Принцип: імпеданс як міра відстані

Реле дистанційного захисту вимірює напругу і струм у своєму місцезнаходженні та обчислює з них уявний імпеданс до місця пошкодження. Оскільки імпеданс лінії (приблизно) зростає пропорційно довжині, цей обчислений імпеданс дає пряму вказівку на те, наскільки далеко від реле знаходиться пошкодження: близьке пошкодження дає низький виміряний імпеданс, пошкодження далі — вищий. Це робить дистанційний захист принципово відмінним від звичайного максимального струмового захисту, який дивиться виключно на величину струму і тому чутливий до змін доступного струму короткого замикання (наприклад, через змінний обсяг активної генерації в мережі). Оскільки дистанційний захист реагує на імпеданс — тобто на співвідношення між напругою і струмом — а не на абсолютне значення струму, встановлена зона дії залишається відносно нечутливою до такого роду коливань, що робить цю функцію привабливою для замкнених або сильно взаємопов'язаних мереж.

Ступеневі зони: від швидкої й обмеженої до повільної й далекої

Реле дистанційного захисту майже ніколи не застосовує єдину межу імпедансу, а ступеневу схему з декількох зон, кожна зі своєю зоною дії та витримкою часу:

• Зона 1 зазвичай охоплює приблизно від 80 до 85% захищуваної лінії і відключає без витримки часу (миттєво). Зона дії свідомо не встановлюється на 100% — це називається недосяжністю (underreaching) — щоб запобігти ситуації, коли неточності вимірювання трансформаторів струму і напруги або самого реле призводять до того, що зона 1 помилково оцінює пошкодження трохи за межами кінця лінії як власне і відключає без затримки.
• Зона 2 свідомо перевищує кінець власної лінії — типова уставка знаходиться в діапазоні приблизно 120% власного імпедансу лінії, щоб решта частини лінії (15–20%, які зона 1 свідомо не охоплює) була все ще захищена, плюс частина першої сусідньої лінії як резерв. Зона 2 відключає з короткою, але свідомою витримкою часу — типове практичне значення знаходиться в діапазоні 0,3 секунди — щоб пошкодження на сусідній лінії спочатку отримало шанс бути відключеним власним, ближче розташованим захистом цієї лінії.
• Зона 3 сягає ще далі, зазвичай далеко в наступну ділянку лінії, і слугує подальшим резервним захистом із довшою витримкою часу — в діапазоні приблизно 1 секунди — на випадок, якщо ближче розташовані захисти з якоїсь причини не спрацюють.

Ця ступенева схема поєднує швидкий, основний захист для більшої частини власної лінії зі ступенево повільнішим, але далі досяжним резервним захистом для решти лінії та сусідніх ділянок мережі.

Імпедансна характеристика: mho або чотирикутна

Як і у випадку з offset-mho-характеристикою захисту від втрати збудження (див. пов'язаний посібник), зона дії реле дистанційного захисту зазвичай представляється як область на діаграмі імпедансу R-X. Для захисту лінії часто застосовують mho-характеристику (коло, що проходить через початок координат) або чотирикутну характеристику (чотиристороння область, що допускає незалежне налаштування зони дії в резистивному і реактивному напрямках) — вибір залежить від типу пошкодження (міжфазне проти замикання на землю) та від бажаної чутливості до дугового опору в місці пошкодження.

Увага: точні зони дії, витримки часу та форма характеристики випливають з імпедансу лінії, конфігурації мережі та дослідження координації для конкретного з'єднання; ця стаття розглядає принцип, а не готову таблицю уставок для кожної лінії.

Практична значущість

Дистанційний захист застосовується головним чином на лініях середньої і високої напруги — особливо в замкнених або взаємопов'язаних мережах, де доступний струм короткого замикання може значно змінюватися залежно від конфігурації мережі — і рідше в простих, радіальних розподільних мережах низької напруги, де зазвичай достатньо максимального струмового захисту. Під час введення в експлуатацію реле дистанційного захисту важливо перевірити, що встановлені зони дії узгоджені з фактичним, актуальним імпедансом лінії — уставка, заснована на застарілих чи неправильних даних лінії, може призвести до зони 1, яка сягає занадто далеко або, навпаки, занадто близько.

Типові помилки

1. Встановлення зони 1 на (майже) 100% довжини лінії — це підвищує ризик миттєвого, необґрунтованого відключення при пошкодженні трохи за межами власної підстанції внаслідок звичайних неточностей вимірювання.
2. Неузгодження витримки часу зони 2 і зони 3 із захистами сусідніх ліній — це може призвести до непотрібного відключення власної лінії при пошкодженні, яке насправді мало бути усунене захистом сусідньої лінії.
3. Непереглядання імпедансних уставок після зміни конфігурації лінії (наприклад, довша чи коротша ділянка лінії або нове відгалуження) — зони дії безпосередньо виводяться з актуального імпедансу лінії.
4. Застосування mho-характеристики без урахування дугового опору пошкодження при замиканнях на землю — занадто вузька характеристика може пропустити пошкодження зі значним дуговим опором, особливо при пошкодженнях поблизу краю захищуваної зони.

Пов'язані матеріали

• Напрямлений максимальний струмовий захист (ANSI 67)
• Захист генератора від втрати збудження (ANSI 40)
• Автоматичне повторне включення (ANSI 79)
• Захист від відмови вимикача (ANSI 50BF)