Проблема оценки чувствительности релейной защиты

Одним из основных требований к релейной защите является требование чувствительности. Чувствительность защиты должна быть достаточной для её надёжного действия при КЗ в конце установленной для неё зоны в минимальном режиме энергосистемы и при замыканиях через переходное сопротивление (через дугу). В отечественной практике в качестве меры чувствительности используется коэффициент чувствительности, это регламентировано в ПУЭ.

Цитата из п. 3.2.20 ПУЭ:

«Оценка чувствительности основных типов релейных защит должна производиться при помощи коэффициента чувствительности, определяемого:

• для защит, реагирующих на величины, возрастающие в условиях повреждений, — как отношение расчётных значений этих величин (например, тока, или напряжения) при металлическом КЗ в пределах защищаемой зоны к параметрам срабатывания защит;
• для защит, реагирующих на величины, уменьшающиеся в условиях повреждений, — как отношение параметров срабатывания к расчётным значениям этих величин (например, напряжения или сопротивления) при металлическом КЗ в пределах защищаемой зоны.»

Итак, по нормативным требованиям чувствительность защит различного типа следует оценивать с помощью коэффициента чувствительности, определяемого при металлическом КЗ. Но насколько объективен этот показатель? Правильно ли сравнивать чувствительность, к примеру, реле тока (РТ) и реле сопротивления (РС) по их коэффициентам чувствительности? Ответ нет, неправильно. Обоснуем это утверждение на простом примере трёхфазного КЗ на стороне ВН трансформатора блока генератор-трансформатор. Параметры защищаемого объекта следующие.

• Генератор:
  тип ТВФ-120-2У3
  номинальная полная мощность S_ном = 125 МВА
  номинальная активная мощность P_ном = 100 МВА
  сверхпереходное индуктивное сопротивление X ”_d* =0,192 о.е.
• Трансформатор:
  тип ТДЦ-125000/220
  номинальная мощность S_ном = 125 МВА
  номинальное напряжение 242/10,5 кВ
  напряжение короткого замыкания u_k = 11 %
• Система:
  значение тока трёхфазного КЗ на выводах 220 кВ трансформатора – 21128 А
  расчётное напряжение – 235,5 кВ

Схема замещения защищаемого объекта при металлическом трёхфазном КЗ на стороне ВН трансформатора (по прямой последовательности) приведена на рис. 1. Место установки защиты обозначено флажком. Координата места повреждения обозначена как x_f.

Рис. 1. Схема замещения трёхфазного КЗ на стороне ВН блока

Рассчитанные параметры схемы замещения:

• ЭДС генератора E_г = 230/sqrt(3) = 133 кВ
• эквивалентная ЭДС системы E_с = E_г = 133 кВ
• сопротивление генератора X”_d =81,25 Ом
• сопротивление трансформатора X_т = 46,55 Ом
• эквивалентное сопротивление системы X_с = 6,43 Ом

Рассчитанный по схеме замещения ток металлического трёхфазного КЗ на стороне ВН блока равен I_кз = 1039 А. Рассчитаем уставки РТ и РС исходя из условия равенства их коэффициентов чувствительности K_ч при КЗ в указанной точке (примем для обоих реле K_ч = 1,5). Ток срабатывания РТ при K_ч = 1,5:

I_сраб =  I_кз/K_ч = 1039/1,5 = 693 А.

Сопротивление срабатывания РС при K_ч = 1,5:

Z_сраб = X_т · K_ч = 46,55·1,5 = 69,83 Ом.

Пусть РС будет ненаправленным с круговой характеристикой срабатывания (рис. 2).

Рис. 2. Характеристика срабатывания РС

Теперь выясним насколько реально чувствительны РТ и РС с одинаковым K_ч = 1,5 к трёхфазным КЗ на стороне ВН защищаемого блока генератор-трансформатор. Очевидно, что и то, и другое реле в случае металлического трёхфазного КЗ в данной точке сработают надёжно. Какое же должно произойти КЗ, чтобы выбранные РТ и РС оказались к нему нечувствительными и отказали в срабатывании? Единственный параметр режима КЗ, который влияет на чувствительность реле в нашем примере – это переходное сопротивление в месте повреждения R_f. По мере увеличения R_f при каком-то его значении защиты перестают срабатывать. Для каждой конкретной точки КЗ это значение R_f  будет своё. Если для каждой точки КЗ x_f в пределах защищаемой зоны получить значения R_f, при которых защита перестаёт срабатывать, то полученная зависимость будет представлять собой вполне конкретную меру чувствительности этой защиты, причём с явным физическим смыслом. Назовём такую зависимость характеристикой чувствительности защиты (реле) к переходному сопротивлению. Для рассматриваемых РТ и РС характеристики чувствительности к переходному сопротивлению приведены на рис. 3. Координата x_f = 0 о.е. соответствует стороне НН трансформатора блока, а x_f = 1,0 о.е. – стороне ВН. Какую информацию можно получить из характеристик на рис. 3? Во-первых, оказывается, что РТ и РС с одинаковым коэффициентом чувствительности при металлическом КЗ на стороне ВН трансформатора блока имеют разную чувствительность к переходному сопротивлению, причём не только при КЗ на стороне ВН, но и в пределах всего трансформатора блока. Во вторых, чувствительность РТ к переходному сопротивлению оказывается более чем в 2 раза выше, чем у РС.

Таким образом, выясняется, что показатель коэффициента чувствительности является не вполне объективной мерой чувствительности измерительных органов релейной защиты. Выходит, что если мы хотим получить реальную картину, то сравнивать по чувствительности различные реле (различного типа, с различными формами характеристики срабатывания) с помощью коэффициента чувствительности нельзя.

Рис. 3. Характеристики чувствительности РТ и РС к переходному сопротивлению