Дистанційний захист — захист із відносною селективністю, робота та селективність якої залежать від локального вимірювання електричних величин, з яких оцінюється еквівалентна відстань від пошкодження шляхом порівняння з налаштуваннями зони. Основою дистанційного захисту є реле імпедансу або реле дистанції — , яке спрацьовує як функція від імпедансу чи реактансу, які в свою чергу є функцією від відстані до місця аварії лінії електропередачі.

Його назва походить від його здатності оцінювати, наскільки далеко від початку лінії знаходиться коротке замикання. Ця здатність дозволяє оператору мережі передачі дуже швидко відправити групу технічного обслуговування до точного місця аварії, щоб усунути її якомога швидше, без необхідності проводити повне обстеження лінії, щоб знайти місце несправності. Ця здатність у поєднанні з надзвичайною чутливістю та чудовою надійністю зробила дистанційний захист важливим елементом, яким оснащено більшість ліній . У лініях мережі напругою , наприклад, використовуються або 2 дистанційних захисти, або дистанційний захист і диференціальний захист лінії.

Код релейного захисту ANSI для дистанційного захисту — 21.

Принцип дії

Дистанційний захист вимірює дві величини :

силу струму в лінії I, яка вимірюється за допомогою трансформатора струму; напругу в лінії U, яка вимірюється за допомогою трансформатора напруги.

Лінія електропередачі (ЛЕП) характеризується довжиною (вираженою в км) з лінійним опором (вираженим в Ом/км). Зазвичай розрахунковий імпеданс для ЛЕП не є кратним опору лінії. З іншого боку, у разі несправності, якщо знехтувати опором електричної дуги, він дорівнює лінійному опору, помноженому на відстань між вимірювальним пристроєм і місцем несправності: . Оскільки відоме, можна зробити висновок щодо . Якщо вона менша за загальну довжину лінії, існує несправність. У цьому випадку захист спрацьовує, відповідний автоматичний вимикач розмикається.

Наприклад, для ЛЕП лінійний опір R'(виражений в Ом/км), лінійний реактивний опір X' (виражений в Ом/км):

R'=0,1 Ом/км X'=0,4 Ом/км Z' =0,1 + j 0,4 довжина L = максимальний струм з коефіцієнтом потужності =0,8

Зазвичай імпеданс навантаження оцінюється:

орієнтовано під кутом 37°.

З іншого боку, під час несправності в кінці лінії, імпеданс

орієнтовано під кутом 76°.

Таким чином, у разі несправності імпеданс нижчий за абсолютною величиною. Кут значно вищий.

Переваги та недоліки Його перевага порівняно з максимальним струмовим захистом полягає в тому, що він мало залежить від опору джерела та навантаження, у його селективності до несправностей і у його швидкості. Крім того, його легко узгодити з іншими типами захисту, та він не вимагає хронометричної вибірковості.

Дистанційний захист дозволяє налаштувати захист по зонах. Це означає, що спочатку він захищає лише певну кількість компонентів, розташованих у певній області. Це дозволяє уникнути непотрібного спрацювання на непошкоджених лініях. Після попередньо встановленого часу, якщо захист сусідньої зони не виконав свою роль, дистанційний захист все одно спрацює, щоб перервати несправність.

Для дистанційного захисту не потрібен канал зв'язку (наприклад, оптичне волокно) між двома кінцями лінії, на відміну від диференціального захисту лінії.

Його регулювання утруднене при неоднорідному з'єднанні (повітряна лінія + кабель). Крім того, слід пам'ятати, що аварії можуть бути декількох видів: міжфазне замикання або замикання на землю, і результуючий імпеданс не буде ідентичним.

Історія

Перші захисні реле, що об'єднують основні функції дистанційного захисту, були запропоновані в 1904 році компанією Felten & Guilleaume-Lahmeyer-Werke AG. Вони засновані на одночасному виявленні зростання струму і падіння напруги.

У лютому 1916 Westinghouse запропонував дистанційний захист, час спрацьовування якого залежить від значення імпедансу. У 1923 році ця компанія встановила перші захисти такого типу в США.

З 1918 р. компанія Paul Meyer AG вдосконалила концепцію та встановила дистанційний захист на кабелі у Карлсруе між березнем і квітнем 1923. У середині 1924 року AEG випустила реле Biermann і встановила його в мережі у Готі. У Німеччині захист був більш успішним, ніж у Сполучених Штатах. Це пояснюється тим, що структура німецької електромережі більш мережева, а американської — переважно радіальна. Саме в цей час з'явилася назва дистанційний захист.

Збільшення складності мережі робить захист за допомогою максимального струмового захисту та неефективним: час спрацювання стає занадто довгим. Необхідно було покращити координацію захистів. Крім того, струми короткого замикання іноді можуть бути нижчими за номінальні струми, що робить максимальний струмовий захист неефективним.

У 1932 році К. Нойгебауер і Ф. Гайзе, які працювали на Siemens, випустили перше дистанційне реле, яке повністю містилося в коробці в кінці лінії. Воно мало час реакції . У 1937 році AEG вперше використала мідно-оксидні випрямлячі у своїх пристроях дистанційного захисту, що значно зменшило їх споживання електроенергії.

У той час опір електричних дуг був погано відомий; з цієї причини прилади мали труднощі з правильною оцінкою відстані. Крім того, реле спрацьовували невиправдано, коли відбувалися синхронні хитання між двома генераторами, що було проблемою. У 1944 році AEG запатентувала метод обходу першої проблеми, відтепер імпеданс оцінюється за такою формулою:

.

У 1950-х роках з'явилися механізми самоперезапуску, які дозволяли обмежити відключення у разі шторму. Вони також є основою для початку стандартизації, що дозволяла б взаємодіяти системам від різних виробників. Використання зв'язку по лінії електропередач почалося в 1955 році на лінії . Наприкінці 1960-х років прилади дозволяли визначити як відстань, так і напрямок, з якого походить відмова.

Перше електронне дистанційне реле було введено в експлуатацію в 1959 році компанією EdF на лінії . Однак електромеханічні реле залишалися більш економічно вигідними. Час реакції реле, випущеного ASEA в 1970 році, становив лише , а в 1976 році інша система того ж бренду досягла .

Мікропроцесорні реле на основі мікроконтролерів з'явилися в 1971 році. Електронні реле, звичайно, більше не залежать від прикладеного моменту, але їхня робота часто імітує роботу електромеханічних реле. Тому можна використовувати ті самі терміни.

Типи характеристик

Дистанційний захист намагається розрізнити опір замикання та опір навантаження. Тому необхідно визначити обмеження, межу між імпедансами навантаження, які захист вважатиме нормальними, та ненормальними імпедансами, пов'язаними з несправністю. Ця межа тут називається характеристикою спрацьовування. Вони можуть мати кілька форм і зображаються на площині активний опір — реактивний опір (RX).

Якщо імпедансом дуги знехтувати, імпеданс відмови знаходиться праворуч , тоді розрізнити імпеданс відмови та імпеданс навантаження легко. Однак імпеданс дуги не завжди є незначним, він вважається суто резистивним і залежить як від довжини дуги, так і від струму. Ці параметри неможливо визначити заздалегідь, опір дуги невідомий. На довгій ЛЕП зазвичай можна знехтувати впливом електричної дуги, але не на коротких лініях з низьким струмом відмови.

Якщо опором дуги не можна знехтувати, зона спрацьовування має бути ширшою (на діаграмі RX), ніж проста пряма .

Крім того, електричні генератори, коли вони синхронізуються з мережею, раптово збільшують струм і, отже, зменшують показник імпедансу. Реле також може сприймати синхронні хитання як багатофазне замикання. Характеристика має бути обрана так, щоб ці перехідні процеси не викликали спрацьовування.

Мікропроцесорне реле можуть використовувати будь-які функції, потрібно просто запрограмувати їх. З іншого боку, статичні або електромеханічні реле мають характеристику, що залежить від їх принципу дії.

Реактивна характеристика

Вимірювання реактивного опору має перевагу в тому, що воно не чутливе до значення опору дуги, але дуже чутливе до синхронізації генератора і не є спрямованим. Тому воно ідеально підходить для захисту від замикання фази на землю.

Імпедансна характеристика

Характеристика імпедансу описує коло на діаграмі RX, яке складається з усіх Z, таких що |Z|= константа. Її недолік полягає в тому, що вона не спрямована, що перешкоджає ефективному та вибірковому захисту зон (див. приклад навпроти). Крім того, опір дуги, що призводить до відключення, сильно залежить від індуктивності. Нарешті, вона вразлива до синхронних хитань.

Mho

Дистанційні захисти, що мають у площині RX кругову характеристику, що проходить через початок координат, називаються «Mho»Mho — історична назва для одиниці сіменс, слово створене зворотнім прочитанням одиниці Ом () або адміттанс.

Поляризоване mho-реле є найбільш селективними з усіх дистанційних реле, оскільки воно спрацьовують лише для точного діапазону імпедансу, який можна представити на діаграмі RX. Таким чином, вони навряд чи спрацюють крім випадку замикання лінії. Тому це кращий елемент для довгих ліній.

Mho-реле за своєю суттю спрямовані. Вони характеризуються імпедансом на колі та характерним кутом реле , який є кутом між віссю R і лінією, що проходить через початок і центр кола. Цей кут має бути меншим, ніж утворений віссю R із опором лінії, щоб бути більш чутливим у разі замикання з високоомною дугою.

Недоліком mho-реле є те, що у разі несправності поблизу реле напруга є занадто низькою, а чутливість поганою. Щоб уникнути цього недоліку, одним із рішень є часткове введення напруги іншої, потенційно безпечної, фази для підтримки напруги. Тоді характеристика залишається круглою, але центр кола наближається до початку координат. Реле з такою характеристикою називається перехресно поляризоване mho-реле.

Mho-реле простіше конфігурувати, ніж реле з чотирикутною характеристикою, але вони менш чутливі до резистивних несправностей у кінці лінії. У США характеристика mho-реле все ще широко використовується в цифрових реле.

Якщо налаштувати характеристику mho-реле так, щоб лінія імпедансу лінії проходила через центр кола, можна зробити наступну геометричну інтерпретацію. Нехай буде імпедансом на лінії, з якого спрацьовує реле. Також можна визначити , де  — виміряний імпеданс. Якщо кут між І більший за 90° (див. малюнок), то знаходиться поза колом, якщо він дорівнює 90° знаходиться на колі, менший — в колі.

Чотирикутна характеристика

Чотирикутну характеристику обмежують 4 лінії. Реле з чотирикутною характеристикою мають перевагу в тому, що вони більш чутливі до резистивних несправностей, ніж mho-реле. Ці характеристики є дуже гнучкими з точки зору імпедансу, як до міжфазних замикань, так і для замикань фази на землю. З цієї причини такі характеристики широко використовуються в аналогових і цифрових реле.

Час спрацювання класичного чотирикутного алгоритму становить близько . Щоб уникнути цієї затримки, використовується алгоритм, який виявляє швидку зміну струму та напруги, який називається «дельта». У цьому випадку два типи алгоритмів виконуються паралельно, класичні алгоритми дозволяють виявляти дефекти, які дельта-алгоритм не розпізнає.

Лінзоподібна характеристика

Лінзоподібна зона утворюється перетином двох кругових зон типу mho-реле. Вісь лінзи — це вісь прямої. Чутливість до резистивного замикання обмежена, однак ймовірність спрацьовування через синхронні хитання дуже низька.

Інші форми характеристик Можливі інші форми характеристик. Крім того, можна використовувати вольт-амперні характеристики замість діаграм RX. Це дає змогу розрізняти, для однакового імпедансу, ситуації несправності, коли напруга низька, і перехідні процеси, коли напруга висока. Недоліком цієї системи є складність роботи з засобами ліквідації асинхронного режиму.

Зона захисту

Принцип

Принцип селективності гарантує, що розмикаються лише несправні лінії, а непошкоджені залишаються підключеними. Однак необхідно вміти впоратися з несправністю захисту, тому використовуються аварійні засоби захисту.

Наступний приклад є суто теоретичним, він передбачає, що всі лінії мають однаковий рівень напруги.