НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

 

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Конспект лекций
для студентов специальности 5В081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства

 

СОСТАВИТЕЛИ: М.В. Башкиров, М.А.Тергеусизова «Релейная защита распределительных сетей». Конспект лекций для студентов специальности 5В081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства. – Алматы: АУЭС, 2013. - 66 с.

В конспекте лекций по дисциплине «Релейная защита распределительных сетей» приведены основные виды защит от замыканий на землю в сетях 10-35 кВ, защита трансформаторов, двигателей

Ил.48, библиогр. - 11 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, проф.Цыба Ю.А.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013 год.

 

 zНАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013г.

 

Содержание

1	Назначение релейной защиты	4
2	Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока и трансформаторов напряжения	8
3	Устройства РЗА на микроэлектронной элементной базе	14
4	Ненаправленные токовые защиты	17
5	Токовые направленные защиты	21
6	Токовые защиты от коротких замыканий на землю в сетях с   большими токами замыкания	25
7	Защита от замыканий на землю в сетях 10-35 кВ	30
8	Продольная дифференциальная защита линий	36
9	Дистанционная защита линий	39
10	Резервные защиты трансформаторов и автотрансформаторов	43
11	Основные защиты трансформаторов и автотрансформаторов	48
12	Газовая защита трансформаторов	50
13	Защита сборных шин	53
14	Защита электродвигателей	55
15	Общая структура и конструктивное исполнение МУРЗ	60

 

1 Лекция. Назначение релейной защиты

Содержание лекции:

- назначение релейной защиты, основные виды защиты.

Цель лекции:

- изучить назначение релейной защиты, виды реле, требования предъявляемые к релейной защите.

 

1.1   Назначение релейной защиты

 

При эксплуатации энергетического оборудования и электрических сетей неизбежны их повреждения и ненормальные режимы. Наиболее опасными являются короткие замыкания, повреждения изоляции и перегрузки.

Короткие замыкания возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала (включения под напряжение заземленного оборудования, отключения разъединителей под нагрузкой) и других причин.

В большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга, термическое действие которой приводит к разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электрических аппаратов. При КЗ к месту повреждения подходят большие токи (токи КЗ), измеряемые тысячами ампер, которые перегревают неповрежденные токоведущие части и могут вызвать дополнительные повреждения, т. е. развитие аварии. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов.

В большинстве случаев развитие аварий может быть предотвращено быстрым отключением поврежденного участка электрической установки или сети при помощи специальных автоматических устройств, действующих на отключение выключателей, и получивших название релейная защита.

При отключении выключателей поврежденного элемента гаснет электрическая дуга в месте КЗ, прекращается прохождение тока КЗ и восстанавливается нормальное напряжение на неповрежденной части электрической установки или сети. Благодаря этому, минимизируются или даже совсем предотвращаются повреждения оборудования, на котором возникло КЗ, а также восстанавливается нормальная работа неповрежденного оборудования.

Таким образом, основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения КЗ и быстрое автоматическое отключение выключателей поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части электрической установки или сети.

Кроме повреждений электрического оборудования могут возникать такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью, выделение газа в результате разложения масла в трансформаторе, или понижение уровня масла в его расширителе и др.

В указанных случаях нет необходимости немедленного отключения оборудования, так как эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут самоустраниться. Поэтому при нарушении нормального режима работы на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом, как правило, достаточно дать предупредительный сигнал персоналу подстанции. На подстанциях без постоянного обслуживающего персонала и в отдельных случаях на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени.

Вторым назначением релейной защиты является выявление нарушений нормальных режимов работы оборудования, которые могут привести к аварии, и подача предупредительных сигналов обслуживающему персоналу, или отключение оборудования с выдержкой времени. Устройства РЗА должны быть постоянно включены. Устройства аварийной и предупредительной сигнализации должны быть всегда готовы к действию.

1.2  Классификация реле защиты

По способу подключения реле бывают:

- первичные (прямое включение в цепь защищаемого элемента);

- вторичные (включение через измерительные трансформаторы тока, напряжения).

По исполнению реле бывают:

- электромеханические, с подвижными элементами и контактными системами;

- статические, без подвижных элементов и контактов (электронные, микропроцессорные).

По назначению реле подразделяются на:

- измерительные реле (тока, напряжения, сопротивления, мощности, частоты, температуры, уровня) могут быть максимального или минимального действия;

- логические реле (промежуточные, двухпозиционные, времени, указательные  (сигнальные).

Для измерительных реле характерно наличие опорных (образцовых) элементов в виде калиброванных пружин, источников стабильного напряжения, тока и т.п. Они входят в состав реле и воспроизводят заранее установленные значения, называемые - уставкой,  какой-либо физической величины, с которой сравнивается контролируемая величина. Термин "уставка" предложен инженером Л.С. Бобровским (Свирьстрой, Ленинград) в 1929г. взамен имеющего несколько значений термина "установка". Максимальные реле срабатывают при повышении контролируемого параметра, а минимальные – при понижении.

Логические реле (промежуточные реле) служат для размножения импульсов, полученных от других реле, усиления этих импульсов и передачи команд другим аппаратам, создания выдержек времени между отдельными операциями (реле времени), и для регистрации действия как самих реле, так и других вторичных аппаратов (указательные реле).

По способу воздействия на выключатель реле бывают:

- реле прямого действия подвижная система которых механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата (РТМ, РТВ);

- реле косвенного действия, которые управляют цепью электромагнита отключения.

 

1.3 Основные виды релейной защиты

 

1. Максимальная токовая защита (МТЗ) для радиальных линий 10-35 кВ с одним источником  питания.

2. Направленная максимальная токовая защита для  линий 10-35 кВ с двумя источниками  питания.

3. Газовая защита (ГЗ) трансформаторов, автотрансформаторов.

4. Дифференциальная защита трансформаторов (ДЗТ), линий электропередачи (ДЗЛ).

5. Дистанционная защита (ДЗ) линий 110-500 кВ в сетях с несколькими источниками питания.

6. Дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ) для линий 220-1150 кВ.

Если назначением релейной защиты является в первую очередь отключение оборудования, то в функции электроавтоматики входит его включение. В чистом виде к электроавтоматике относят автоматическое повторное включение (АПВ) и автоматическое включение резервного питания или механизма (сокращенно автоматический ввод резерва – АВР).

Кроме этого существует противоаварийная режимная автоматика.

К ней относят: автоматическую частотную разгрузку (АЧР); автоматическое регулирование частоты и активной мощности (АРЧМ).

Имеется также противоаварийная системная автоматика: разгрузка электростанций, предотвращение и прекращение асинхронного режима (АЛАР), предотвращение недопустимого повышения (АОПН) или снижения напряжения (АОСН) в узле, автоматика дозированного воздействия (АДВ), автоматика предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ). Такие устройства размещаются на крупных электростанциях и подстанциях сверхвысокого напряжения.

1.4   Основные требования, предъявляемые к релейной защите

 

К релейной защите предъявляются такие основные требования, как быстродействие, селективность, чувствительность, надежность:

а) быстродействие – это свойство релейной защиты отключать повреждение с минимально возможной выдержкой времени. Для сохранения устойчивости энергосистем требуется весь­ма малое время отключения КЗ. На ЛЭП 750-1150 кВ между­фазные КЗ необходимо отключать через 0,06-0,08 с после их возникновения, на ЛЭП 330-500 кВ - за 0,1-0,12 с, на ЛЭП 110-220 кВ - за 0,15-0,3 с;

б)  селективность или избирательность.

Селективностью называется способность релейной защиты выявлять место повреждения и отключать его только ближайшими к нему выключателями (см.рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Схема электроустановки к пояснению принципа селективности релейной защиты

Так, при КЗ в точке К1 (см.рисунок 1.1) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита только на выключателе Q1 и отключить этот выключатель. При этом остальная неповрежденная часть электрической установки останется в работе. Такое избирательное действие защиты называется селективным. Если же при КЗ в точке К1 раньше защиты выключателя Q1 или одновременно с ней подействует защита выключателя Q4 и отключит этот выключатель, то ликвидация аварии будет неправильной, так как, кроме поврежденного электродвигателя M1, останется без напряжения неповрежденный электродвигатель М2. Такое действие защиты называется неселективным.

Из рисунка 1.1 видно, что если при КЗ в точке K1 подействует неправильно защита выключателя Q5 и отключит этот выключатель, то последствия такого неселективного действия будут еще более тяжелыми, так как без напряжения останутся оба неповрежденных электродвигателя М2 и МЗ.

Рассмотренный пример показывает, какое важное значение имеет выполнение требования селективности для обеспечения правильной ликвидации аварий;

в) чувствительность – это свойство защиты надежно срабатывать при КЗ в конце защищаемого участка в минимальном режиме работы системы.

Защита должна обладать такой чувствительностью к тем видам повреждений и нарушений нормального режима работы в данной электрической установке или электрической сети, на которые она рассчитана, чтобы было обеспечено ее действие в начале возникновения повреждения, чем сокращаются размеры повреждения оборудования в месте КЗ;

г) надежность – это свойство защиты гарантированно выполнять свои функции на протяжении всего периода эксплуатации. Защита должна правильно и безотказно действовать на отключение выключателей оборудования при всех его повреждениях и нарушениях нормального режима работы, для действия при которых она предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима работы, при которых действие данной защиты не предусмотрено, и должна действовать другая защита. Требование надежности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкций аппаратуры, добротностью деталей, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации.

1.5 Повреждения и ненормальные режимы работы в энергосистемах:

а) короткие замыкания являются наиболее опасным и тяжелым видом повреждения.

Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием, как по виду, так и по характеру повреждения.   Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственные (или, как говорят, «глухое» или «металлическое») соединение фаз между собой, или на землю (для сети с заземленной нейтралью). Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми. Междуфазные КЗ – двухфазные и трехфазные – возникают в сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью.

Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывания и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.;

б) ненормальные режимы. К ненормальным относятся режимы, связанные с отклонениями от допустимых значений величин тока, напряжения и частоты, опасные для оборудования или устойчивой работы энергосистемы.

Наиболее характерным ненормальным режимом является перегрузка оборудования, вызванная сверхтоком, т.е. уве­личением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальное значение тока, допускаемое для данного оборудования в течение неограниченного времени. Если ток I, проходящий по оборудованию, превышает номи­нальное значение, то за счет выделяемой им дополнительной теплоты температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимое значение, что при­водит к ускоренному старению изоляции и токоведущих частей. Причиной сверхтока может быть увеличение нагрузки или появление КЗ за пределами защищаемого элемента (внешнее КЗ). Для преду­преждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или отключению.

2. Лекция. Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока

Содержание лекции:

- приведены основные схемы соединений трансформаторов тока, векторные диаграммы для различных видов КЗ.

Цель лекции:

- изучить основные типовые схемы соединений трансформаторов тока и выяснить распределение вторичных токов при различных видах КЗ, получить представление о коэффициенте схемы.

2.1 Схема соединения ТТ и обмоток реле в полную звезду

Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки ТТ и обмотки реле соединяются в звезду, и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым (см.рисунок 2.1). В нулевую точку объединяются одноименные за­жимы обмоток ТТ. Стрелками показаны условные положитель­ные направления первичных и вторичных токов с учетом по­лярности обмоток ТТ, начала которых обозначены точками.

Рисунок 2.1 – Схема соединений ТТ и обмоток реле в звезду

При нормальном режиме и трехфазном КЗ, как показано на рисунке 2.1, в реле I, II и III проходят токи фаз I_а=I_A/K_Т; I_b=I_B/K_Т; I_c=I_C/K_Т, а в нулевом проводе  их гео­метрическая сумма:

           I_н.п=(I_а + I_b + I_с),                                              (2.1)

которая при симметричных режимах равна нулю.

Токи прямой и обратной последовательностей, как видно из рисунка 2.2 а, в нулевом проводе не проходят, так как сумма векторов каждой из этих систем равна нулю. Токи же НП совпадают по фазе и поэтому в нулевом проводе проходит утроенное значение этого тока: I_н.п = 3×I₀.

 

                        а)                           б)                           в)                   г)

 

Рисунок 2.2 – прохождение токов симметричных составляющих

 

При нарушении (обрыве) вторичной цепи одного из ТТ в нулевом проводе возникает ток, равный току фазы, что может привести к непредусмотренному действию реле, установлен­ному в нулевом проводе. В рассмотренной схеме реле, установ­ленные в фазах, реагируют на все виды КЗ, а реле в нулевом проводе – только на КЗ на землю. Схема соединения ТТ и об­моток реле в звезду применяется в РЗ, действующих при всех видах КЗ.

Как рассматриваемая, так и другие схемы соединения ТТ и реле характеризуются отношением тока в реле I_р к току в фазе I_ф, которое называется коэффициентом  схемы:

k_сх = I_p/I_ф.                                                                (2.2) Для схемы соединения трансформаторов тока в звезду k_сх=1.

 

2.2 Схема соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду

 

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах и соеди­няются так же, как и в схеме соединения в звезду (см.рисунок 2.3, а). В реле I и III проходят токи соответствующих фаз I_a=I_A/K_Т и I_c=I_c/K_Т, а в обратном (общем) проводе (реле IV) ток равен их геометри­ческой сумме:

         I_о.п = I_IV = -(I_а + I_с).                                          (2.3)

С учетом векторной диаграммы I_а + I_c = -I_b, т. е. I_o.п равен току фазы, отсутствующей во вторичной цепи (см.рисунок  2.3, б).

 

                                             а)                                            б)

Рисунок 2.3 – Схема соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду

 

При трехфазном КЗ и в нормальном режиме токи проходят по обоим реле I и III и в обратном проводе. В случае двухфазного КЗ токи появляются в одном или двух реле (I и III) в зависимости от того, какие фазы повреждены.

В случае однофазного КЗ фаз (А или С), в которых установлены ТТ, во вторичной обмотке ТТ и обратном проводе проходит ток КЗ. При замыкании на землю фазы В, в которой ТТ не установлен, токи в РЗ не появляются. Коэффициент схемы  k_cx= 1.

 

2.3 Схема соединения с двумя ТТ и одним реле, включенным на разность токов двух фаз

 

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах, например А и С (см.рисунок 2.4); их вторичные обмотки соединяются разноименными зажимами, к которым подключается обмотка реле. Из токораспределения, показанного на рисунке 2.4 для случая, когда по первичной цепи проходят положительные токи I_А, I_В, I_С, находим, что ток в реле I_p равен геометрической разности токов двух фаз I_а и I_c, т.е.

     I_p  =   I_a – I_c,                                                      (2.4)

где I_a= I_A/K_Т;  I_c= I_C/K_Т.

При симметричной нагрузке и трехфазном КЗ разность то­ков I_a – I_c в  раз больше тока в фазе (I_a и I_c) и, следовательно,

             I⁽³⁾_p=×I_ф .                                                    (2.5)

При двухфазном КЗ АС (фазы, на которых установлены ТТ):

                                                 I⁽²⁾_p=I_a–(-I_c)=2×I_ф,                                               (2.6)         

где I_ф =                                   

При двухфазных КЗ АВ или ВС в реле поступает ток только одной фазы I_а или I_с:

         I⁽²⁾_p=I_ф,                                                     (2.7)

где I_ф = I_a или I_ф = I_c.

Из формул (2.5)–(2.7) следует, что данная схема по сравнению со схемами полной и двухфазной звезды имеет худшую в  раз чувствительность при КЗ между фазами АВ и ВС.

 

Рисунок 2.4 – Схема соединения ТТ на разность  токов двух фаз

Рисунок 2.5 – Схема  соединения ТТ в  фильтр токов нулевой                                                          последовательности

 

2.4 Схема соединения ТТ в фильтр токов нулевой последовательности

 

Трансформаторы тока устанавливаются на трех фазах, одноименные зажимы  вторичных обмоток соединяются параллельно, и к ним подключается обмотка реле КА (см.рисунок 2.5). Ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:

I_p = I_а + I_b + I_c = 3×I₀.

Рассматриваемая схема является фильтром токов НП. Ток в реле появляется только при одно- и двухфазных КЗ на землю. Поэтому схема применяется для РЗ от КЗ на землю.

Включение реле по схеме на рисунке 2.5 равносильно его вклю­чению в нулевой провод звезды по рисунку 2.1.

 

3 Лекция. Устройства РЗА на микроэлектронной элементной базе

 

Содержание лекции:

- ознакомление с элементами интегральных микросхем, используемых в устройствах РЗА на микроэлектронной элементной базе.

Цель лекции:

- получить сведения о назначении и принципе действия элементов интегральных микросхем в схемах релейной защиты.

      

3.1 Устройства РЗА на микроэлектронной элементной базе

 

Общие принципы построения защит.

Устройства релейной защиты, как правило, содержат три основных части: измерительную, логическую и выходную. В измерительную часть входят измерительные и пусковые органы защиты, которые воздействуют на логическую часть при достижении контролируемыми электрическими параметрами (ток, напряжение, мощность, сопротивление) значений (уставок), предварительно заданных для защищаемого объекта.

Логическая часть состоит из отдельных переключающих элементов и органов выдержки времени, которые при определенном действии (срабатывании) измерительных и пусковых органов, в соответствии с заложенной в логическую часть программой, запускают выходную часть.

Выходная часть связывает релейную защиту с цепями управления коммутационными аппаратами (выключателями) и устройствами передачи команд по каналам связи и телемеханики. Выходные органы защиты имеют на выходе переключающие элементы достаточной мощности, обеспечивающие работу цепей управления.  До последнего времени все органы релейной защиты выполнились только с помощью электромеханических реле. Нередко новые требования к релейной защите не могут быть удовлетворены из-за несовершенства аппаратуры, содержащей электромеханические устройства. Стало очевидным, что использование электромеханических устройств в релейной аппаратуре задерживает дальнейшее развитие техники релейной защиты, как в качественном, так и в количественном отношениях.

Один из возможных выходов из создавшегося положения открылся благодаря успехам современной полупроводниковой схемотехники, а в первую очередь – созданию интегральных микросхем, которые и стали основой для создания нового поколения релейной защиты.

Интегральные микросхемы относятся к категории электронных устройств средней степени интеграции, реализующих одну или несколько однородных функций. В последние годы электронная промышленность начала выпускать многоцелевые, так называемые большие интегральные схемы (БИС) универсального назначения. Второе направление развития РЗА – микропроцессорные устройства, обладающие еще более высокой эффективностью, однако стоимость их значительно превышает стоимость микроэлектронных. Поэтому последние находят спрос в случаях, когда к устройствам не предъявляются высокие требования в точности и многофункциональности. Микропроцессорные устройства будут рассмотрены в лекции №8.

   Рисунок 3.1 – Общее условное изображение логического элемента

 

Представим себе такой идеальный логический элемент (см.рисунок 3.1) в виде некоторого переключающего устройства, обладающего несколькими входными зажимами Х₁, Х₂, Х₃., . . , Х_n и одним выходным зажимом Y.

За исходное состояние элемента примем такое, когда на его входные зажимы поданы нулевые сигналы и когда его переключение происходит после поступления на его входы некоторого сочетания единичных сигналов. Такие элементы зовутся элементами "единичной", или "положительной", логики. Если в исходном состоянии к элементам подводятся единичные сигналы, то их называют элементами "нулевой", или "отрицательной" логики. В наших примерах рассматриваются элементы "положительной" логики.

Операции ИЛИ. У идеального элемента, обеспечивающего выполнение операции ИЛИ при нулевых сигналах на всех его выходах, выходной сигнал имеет тоже нулевое значение. Если хотя бы на одном из входных зажимов подается единичный сигнал, элемент немедленно подействует, и на его выходе установится единичный сигнал. Единичный сигнал на выходе сохранится при любом числе сигналов 1, поданных на его входы. Когда со всех входных зажимов сигналы 1 снимаются, выходной сигнал ИЛИ опять становится нулевым.

На структурных схемах элемент ИЛИ принято изображать так, как показано на рисунке 3.2, а.

а)                            б)                                      в)                            г)

а) – условное изображение; б) – на полупроводниковых элементах;

в) – на электромеханических элементах; г) – таблица соответствия.

Рисунок 3.2 – Логический элемент ИЛИ

 

Операции И. Элемент, осуществляющий операцию И, при нулевых сигналах на всех его входных зажимах имеет на выходном зажиме сигнал 0. Но в отличие от элемента ИЛИ этот элемент переключится только тогда, когда единичные сигналы поступят на все его входы. 

Только при этом условии на его выходном зажиме образуется сигнал 1. В случаях, когда единичные сигналы поступят только на часть входных зажимов, на выходе элемента И будет оставаться нулевой сигнал. После срабатывания элемента И сигнал 1 на его выходе будет сохраняться до тех пор, пока не снимается единичный сигнал хотя бы с одного из его входных зажимов.

На структурных схемах элемент И изображается так, как дано на рисунке 3.3, а.

 

 

 

                            а)                              б)                            в)                            г)

а) условное изображение; б) на электромеханических элементах;

в) на полупроводниковых элементах; г) таблица соответствия.

Рисунок 3.3 – Логический элемент И

 

Операция НЕ или ИНВЕРСИЯ. В исходном положении элемента НЕ принято, что на его единственном входном зажиме X имеется нулевой сигнал, при этом на его выходном зажиме Y держится единичный сигнал. В случае появления на входном зажиме единичного сигнала сигнал на выходе элемента НЕ принимает нулевое значение.

Действие элемента НЕ называют в математической логике инвертированием сигнала или инверсией, а сам элемент – инвертором. Для его изображения применяется прямоугольник с небольшим кружочком, нанесенным посредине правой или левой его стороны.

На структурных схемах элемент НЕ изображается так, как дано на                    рисунке 3.4, а.

 

 

а) условное изображение; б) на электромеханических   элементах;  в) на полупроводниковых элементах.

Рисунок 3.4 – Логический элемент НЕ

 

               

                        а)               б)                 в)               г)                   д)

 

а) элемент ИЛИ; б) элемент И; в) элемент НЕ; г) элемент И-НЕ;                       д) элемент ЗАПРЕТ.

Рисунок 3.5 – Условные изображения логических элементов

 

Для промышленной автоматики изготовляют серийные логические микросхемы, представляющие собой набор из сложных элементов и предназначенные для одновременного выполнения операций И и НЕ. Такой элемент сокращенно записывается так: элемент И-НЕ.

В качестве реагирующего органа используются операционные усилители.  Питание операционных усилителей, применяемых при изготовлении реле защиты, осуществляется от двух разнополярных источников напряжения постоянного тока с общей нулевой точкой. Значения питающих напряжений берутся в диапазоне от ±5 до ± 15 В.

 

4 Лекция.  Ненаправленные токовые защиты

 

Содержание лекции: 

- приведены основные виды токовых защит от междуфазных КЗ в сетях 10-35кВ.

Цель лекции:

- изучить  принцип действия максимальной токовой защиты, токовой отсечки, способы достижения селективности и повышения коэффициента чувствительности.

 

4.1 Максимальная токовая защита. Принцип действия токовых защит

 

Одним из признаков возникновения КЗ является увеличе­ние тока в ЛЭП. Этот признак используется для выполнения РЗ, называемых токовыми. Токовые РЗ приходят в действие при увеличении тока в фазах ЛЭП сверх определенного значе­ния. В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, слу­жат максимальные токовые реле. Токовые РЗ подразделяются на максимальные то­ковые РЗ и токовые отсечки. Главное различие между этими РЗ заключается в способе обеспечения селективности. Селективность действия максимальных токовых РЗ дости­гается с помощью выдержки времени. Селективность токовых отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока сра­батывания.

Принцип действия и селективности защиты. Максимальные токовые защиты (МТЗ) являются основным видом РЗ для се­тей с односторонним питанием. Они устанавливаются в начале каждой ЛЭП со стороны источника питания (см.рисунок 4.1, а). Каж­дая ЛЭП имеет самостоятельную РЗ, отключающую ЛЭП в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее ПС, и резервирующую РЗ соседней ЛЭП.

При КЗ в какой-либо точке сети, например в точке К1 (см.рисунок 4.1, а), ток КЗ проходит по всем участкам сети, расположен­ным между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие все РЗ (1, 2, 3, 4). Однако по условию селективности сработать на отключение должна только РЗ 4, установленная на поврежденной ЛЭП. Для обес­печения указанной селективности МТЗ выполняются с выдерж­ками времени, нарастающими от потребителей к источнику питания, как это показано на рисунке 4.1, б. При соблюдении это­го принципа в случае КЗ в точке К1 раньше других сработает МТЗ 4 и отключит поврежденную ЛЭП. Защиты 1, 2 и 3, имеющие большие выдержки времени, вернутся в начальное положение, не успев подействовать на отключение. Соответственно при КЗ в точке К2 быстрее всех сработает МТЗ 3, а МТЗ 1 и 2, име­ющие большее время, не успеют подействовать.

 

б)

а)

 

а) размещение МТЗ; б) выдержки времени МТЗ выбранные по ступенчатому   принципу.

Рисунок 4.1 – Максимальные токовые РЗ в радиальной сети

 

4.2 Принципиальные схемы  МТЗ на постоянном оперативном токе. Схемы на электромеханических реле

 

На рисунке 4.2 приведе­на трехфазная схема МТЗ, выполненная на электромеханиче­ских реле. Три измеритель­ных органа выполняются с   помощью   трех   реле РТ-40, орган времени - с помощью реле типа РВ-100, исполнительный элемент - посредством промежуточного реле типов РП-16 или других промежуточных реле, контакты которых  рассчитаны на ток электромагнита отключения выключателя. Из рассмотрения схемы понятно, что эта защита действует при всех видах КЗ. Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание оперативных цепей защиты осуществляется  постоянным током с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электромагнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфазные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными нейтралями.

 

 

а) – токовые цепи; б) – оперативные цепи защиты.

Рисунок 4.2 – Принципиальная схема трёхфазной МТЗ

 

4.3 Выбор тока срабатывания

 

Исходным для выбора тока срабатывания МТЗ является требование, чтобы она надежно работала при повреждениях на защищаемом участке, но в то же время не действовала при максимальном рабочем токе нагрузки I_{н тах} и кратковременных перегрузках, вызванных пуском и самозапуском электродвигателей, а также нарушением нормального режима электрической сети. Увеличение тока нагрузки из-за самозапуска электродвигателей принято оценивать коэффициентом самозапуска k_сэп, показывающим, во сколько раз возрастает ток I_{р тах}. Для отстройки МТЗ от I_{н max} необходимо выполнить два условия. По первому условию МТЗ, пришедшая в действие при КЗ в сети (вне защищаемой ЛЭП), должна надежно возвращаться в исходное состояние после отключения КЗ при наличии в защищаемой ЛЭП тока нагрузки I_{н та}.

По первому условию:

 

                                                   I_с.з = (k_oтc / k_в) k_сэпI_p.                                            (4.1)

По второму условию ИО тока, находящиеся в состоянии не ­действия МТЗ, не  должны срабатывать при появлении I_{н тах}:

                                                        I_с.з > I_{н max}.                                          (4.2)

 

4.4 Токовые отсечки. Принцип Действия токовых отсечек

 

Отсечка является разновидностью МТЗ, позволяющей обес­печить быстрое отключение КЗ. Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного действия и  отсечки с выдержкой времени. Селективность токовых отсечек достигается ограничением их зоны действия так, чтобы отсечка не работала при КЗ за пределами этой зоны, на смежных участках сети, РЗ которых имеет выдержку времени, равную или большую, чем отсечка. Для этого ток срабатывания отсечки (I_c.з) должен быть больше максимального тока КЗ  (I_{к mах}), проходящего через нее при повреждении в конце участка (например, AM на рисунке 4.3), за пределами которого она не должна работать:  I_с.э >I_кM.

Зона действия мгновенной отсечки по условиям селективности не должна выходить за пределы защищаемой ЛЭП. Зона действия отсечки, работающей с выдержкой времени, выходит за пределы защищаемой ЛЭП и по условию селективности должна отстраиваться от конца зоны РЗ смежного участка по току и по времени. Токовые отсечки применяются как в радиальной сети с односторонним питанием, так и в сети, имеющей двустороннее питание.

 

                                                            

Рисунок 4.3 – Принцип действия токовой отсечки

 

Схемы цепей постоянного тока отсечек изображены на                            рисунке 4.4, а, б. Схемы отсечек, выполненные на электромеханических реле и на постоянном оперативном токе, аналогичны схемам МТЗ.

Схемы отсечек с выдержкой времени полностью совпадают со схемами МТЗ с независимой выдержкой времени. Схемы отсечек без выдержки времени отличаются от схем МТЗ отсутствием реле времени.

 

 

Рисунок 4.4 – Схема цепей постоянного тока токовой отсечки на электромеханических реле

 

5 Лекция.  Токовые направленные защиты

 

Содержание лекции:

- приведены схемы направленной защиты в двухрелейном исполнении и её работа при КЗ на линии.

Цель лекции:

- выяснить необходимость применения направленных защит в сетях с двумя источниками питания и изучить принцип действия направленных защит. 

  

5.1 Токовая направленная защита в сетях с двухсторонним питанием

 

Направленной называется РЗ, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ S_K. Необходимость в применении направленных РЗ возникает в сетях с двусторонним питанием                 (см.рисунок 5.1, а) и в кольцевых сетях с одним источником питания (см.рисунок 5.1, б). При двустороннем питании места КЗ для ликвидации повреждения РЗ должна устанавливаться с обеих сторон защищаемой ЛЭП, как показано на рисунке 5.1.

Самым простым способом РЗ от КЗ, как и в сетях с односторонним питанием, может служить защита, реагирующая на возникновение тока КЗ. Однако простая МТЗ, реагирующая только на значение тока (рассмотренная выше), в подобных сетях не может обеспечить селективного отключения повреждения.

 Для селективного действия необходимо ее дополнить реле направлением, реагирующим на знак мощности, протекающей по защищаемому присоединению. Действительно, предположим, что в сети на рисунке 5.1, а на всех ЛЭП установлены МТЗ, и рассмотрим действие одной из них - например 5'. При КЗ в точке К1 выдержка времени защиты 5' должна быть меньше времени действия РЗ 6', 7' и 8', т. е. t_5'<t_6', t_7' и t_8'. В случае же КЗ в точке К2 МТЗ 5' должна действовать медленнее РЗ 6' (t_5'>t_6'). Одновременное выполнение обоих требований невозможно. Так, при выполнении первого требования (т. е. при t_5'<t_6') МТЗ 5' будет действовать неселективно при КЗ на W3. Эту неселективность можно устранить, заменив МТЗ 5' направленной защитой 5, действующей только при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП.

При аналогичном выполнении всех остальных МТЗ сети селективное отключение повреждений становится возможным при выборе выдержек времени РЗ, действующих в одном направлении, по ступенчатому принципу.   Исходя из сказанного, можно сформулировать следующие принципы выполнения селективной РЗ в сетях с двусторонним питанием:

1) защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой ЛЭП и действовать на отключение при появлении тока КЗ, если мощность направлена от шин в линию (см.рисунок 5.1);

2) выдержки времени на РЗ, работающих при одном направ­лении мощности (от генератора А или генератора В), должны согласовываться по ступенчатому принципу, нарастая по на­правлению к источнику питания: у РЗ, действующих от тока источника А, выдержка времени t₆<t₄<t₂; у РЗ, действующих от тока источника В, t₃<t₅<t₇.

 

 

а) радиальная сеть;     б) кольцевая сеть.

Рисунок 5.1 – Схема сети с двухсторонним питанием и размещение РЗ

Направленная токовая защита (НТЗ) при КЗ должна реагировать на значение тока и направление мощности в поврежденных фазах защищаемой ЛЭП.

Структурная (функциональная) схема НТЗ, наиболее часто применяемая и показанная на рисунке 5.2, состоит из трех основных элементов (органов): два пусковых реле тока КА (органы тока), которые срабатывают при появлении тока КЗ и выдают сигнал, разрешающий РЗ действовать; два реле направления мощности KW (органы направления мощности - OHM), которые срабатывают при направлении мощности от шин в ЛЭП и подают сигнал, разрешающий РЗ действовать. Если же мощность направлена к шинам, то реле KW выдают сигнал, блокирующий действие РЗ, логической схемы (органы логики), которая действует по заданной программе: получив сигнал о срабатывании органа тока, OHM формирует сигнал о срабатывании РЗ, который с заданной выдержкой времени поступает на ЭО выключателя и производит его отключение.

 

 

Рисунок 5.2 – Функциональная схема и принцип действия токовой направленной защиты

 

а) цепи переменного  тока        б) цепи напряжения

 

Рисунок 5.3 – Двухфазная схема направленной МТЗ с

электромеханическими реле

 

                                

Рисунок 5.4 – Оперативные цепи двух релейной направленной МТЗ

 

 

 Пусковое реле тока КА включают на ток фазы ЛЭП, а реле направления мощности (РHМ) - на ток той же фазы и соответствующее междуфазное напряжение (см.рисунок 5.3). Поведение РHМ определяется знаком мощности, подведенной к его зажимам:

                              S_p = U_рI_р5sin(-_р),                                                    (5.1)

где   - угол сдвига между напряжением и током в цепи напряжения реле (угол внутреннего сдвига);

_р - угол сдвига между U_p и I_p.

При КЗ на защищаемой ЛЭП S_p положительно (+ S_p), и РНМ разрешает НТЗ действовать на отключение.

 При КЗ на защищаемой ЛЭП W1 (см. рисунок 5.1) или на следующем за ней участке W2 реле КА и KW, приходя в действие, подают сигналы на вход И (см.рисунок 5.2). На выходе элемента И появляется сигнал, который приводит в действие КТ. Через заданное время на выходе КТ появляется сигнал, действующий на исполнительный элемент KL, подающий команду на отключение выключателя. При КЗ на других присоединениях данной подстанции (W2 на рисунке 5.1). КА срабаты­вает, если I_к > I_с.з, но так как KW не работает, элемент И, а следовательно, и НТЗ в целом не действуют.

Рассматриваемая схема может быть реализована с помощью как контактных, так и бесконтактных реле. В нормальном режиме, если мощность нагрузки направлена от шин в ЛЭП, РНМ может сработать. Для исключения при этом срабатывании НТЗ ее пусковой орган КА необходимо отстраивать от тока нагрузки (I_с.з > I_{н max}). При качаниях в энергосистеме НТЗ может работать ложно, если ток качания окажется больше I_с.з, мощность S_p на зажимах KW будет направлена от шин в ЛЭП, а период качаний будет больше выдержки времени НТЗ. Анализируя действия НТЗ, установленных в кольцевой  следует иметь в виду возможную каскадность ее действия, т. е. последовательное срабатывание РЗ и отключение выключателей, установленных по кон­цам защищаемой ЛЭП. Так, например, при КЗ в точке К1 из­мерительные органы РЗ 6, установленной на ПС III, удаленной от источников питания, могут не подействовать в первый мо­мент возникновения повреждения из-за недостаточной чув­ствительности. После же отключения поврежденной ЛЭП со стороны ПС I ток, протекающий от ПС III, увеличится и РЗ 6 по­действует каскадно, ликвидируя КЗ в точке К1.

 

6 Лекция. Токовые защиты от коротких замыканий на землю в сетях с большими токами замыкания

 

Содержание лекции:

- приведены схемы защиты линий от коротких замыканий на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью, рассмотрен принцип их действия.

Цель лекции:

- изучаются распределение токов нулевой последовательности в сетях с глухозаземленной нейтралью, и виды схем направленных и ненаправленных защит от КЗ на землю.

 

6.1 Защита от коротких замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью

 

Для защиты ЛЭП от КЗ на землю (одно- и двухфазных) применяется РЗ, реагирующая на токи и мощности нулевой последовательности (НП). Эта РЗ осуществляется более просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной выше МТЗ, реагирующей на полные токи фаз. Защиты НП выполняются в виде МТЗ НП и отсечек как простых, так и направленных.

При однофазном КЗ ток НП в месте повреждения I_ОК равен 1/3 тока КЗ в поврежденной фазе и совпадает с ним по фазе, а напряжение U_OK в точке КЗ равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.

 

 

Рисунок 6.1 – Однофазное КЗ в сети (а) и прохождение

токов I₀  под действием U₀  (б)

 

Под действием напряжения НП, возникающего в месте повреждения (точка К на рисунке 6.1), возникают токи I_ок, которые замыкаются по контуру фаза-земля через место повреждения (точку К) и заземленные нейтрали. Таким образом, при КЗ на землю появление токов I₀ возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземленными нейтралями. При нескольких заземленных нейтралях ток НП от места повреждения разветвляется между ними обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. На рисунке 6.2 показаны характерные случаи распределения токов НП в схемах сети. Направление токов, проходящих к месту КЗ, принято за положительное. Если заземлена нулевая точка трансформатора только с одной стороны ЛЭП, то при КЗ на землю на ней токи НП проходят только на участке между местом повреждения и заземленной нейтралью (см.рисунок 6.2, а). Если же заземлены нейтрали трансформаторов с двух сторон рассматриваемого участка (см.рисунок 6.2, б), токи НП проходят с обеих сторон от места КЗ. Это позволяет сделать вывод, что распределение токов НП в сети определяется расположением не генераторов, а заземленных нейтралей. Если трансформатор имеет соединение обмоток звезда-треугольник, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов НП на стороне звезды. Поэтому РЗ, установленные в сети звезды, не действуют при замыканиях на землю в сети треугольника.

 

а) – при заземлении нейтрали с одной;

б) – при заземленных  нейтралях стороны ЛЭП с обеих сторон ЛЭП.

Рисунок 6.2 – Распределение токов нулевой последовательности

при однофазных КЗ

 

Схема и принцип действия защиты.

Ненаправленная МТЗ НП применяется в сети с односторонним питанием места КЗ током I_о, т. е. при расположении трансформаторов с заземленной нейтралью с одной стороны защищаемого участка. Функциональная схема этой РЗ состоит из одного ИО - пускового токового реле КАО (см.рисунок 6.3, а, б), реле времени КТ и исполнительного реле KL. Реле тока КАО включено на фильтр тока НП, в качестве которого используется нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды. Ток в КАО равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:

                                                     I_р = I_а + I_b + I_c = 3I₀ / К_I.                                         (6.1)

При появлении тока 3I₀ реле КАО срабатывает и приводит в действие реле времени КТ; последнее через время t подает сигнал на промежуточное реле KL, которое дает команду на отключение выключателя.

 

 

а) структурная схема; б) токовые цепи;

в) схема оперативных цепей РЗ с электромеханическими РЗ.

      Рисунок 6.3 – Схема токовой защиты нулевой последовательности

 

Согласно формуле 6.1 ток в пусковом реле РЗ появляется только в том случае, когда имеется ток I₀, поэтому МТЗ НП, показанная на рисунке 6.1, может работать только при одно- и двухфазных КЗ на землю.

При междуфазных КЗ (без "земли"), а также при нагрузке и качаниях МТЗ НП не действует, поскольку в этих режимах сумма токов                         I_А+I_B+I_C=0 и ток 3I₀ отсутствует. Важным преимуществом МТЗ НП является то, что она не реагирует на нагрузку. Благодаря этому ее не требуется отстраи­вать от токов нормального режима и перегрузок, что позволяет обеспечить более высокую чувствительность этой РЗ по сравнению с МТЗ, реагирующими на фазные токи. Однако в действительности работа МТЗ НП осложняется погрешностью ТТ, обусловленной их током намагничивания . Поэтому в режимах, когда имеет место баланс первичных токов (I_A+I_B+I_C=0)> сумма вторичных токов I_а+I_b+I_c0. В нулевом проводе и пусковом реле МТЗ НП появляется остаточный ток, называемый током небаланса (I_нб), который может вызвать нежелательное действие РЗ при отсутствии первичного тока I₀.Значение I_нб можно найти, если  учесть токи намагничивания ТТ:

  

(6.2)

 

 

 

        

Очевидно, что второй член в формуле 6.2, является током небаланса. Обозначив его I_нб и выразив первый член  через I₀, полу­чим

                                      I_p = (3I₀)/K_I - I_нб.                                               (6.3)

Выражение 6.3 показывает, что ток в пусковом реле МТЗ НП состоит из двух слагающих: одно обусловлено первичным током I₀ и второе – погрешностью ТТ. Последнее искажает значение тока 3I₀, на которое реагирует МТЗ НП.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

 

6.2 Токовые направленные защиты нулевой последовательности

 

В сетях с заземленными нейтралями, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка, селективное действие МТЗ НП можно обеспечить только при наличии органа направ­ления мощности. Направленные МТЗ НП (НТЗ НП) действуют при КЗ на защищаемой ЛЭП и не работают при повреждениях на всех остальных присоединениях, отходящих от данной под­станции. Такое поведение НТЗ НП обеспечивается с помощью РНМ KWO, реагирующего на знак (направление) мощности НП при КЗ. Выдержки времени на защитах НТЗ НП, действующих при одном направлении мощности, должны выбираться по ступенчатому принципу.

 

    а)  структурная схема;  б) схема цепей тока и напряжения;

в) цепи оперативного тока.

Рисунок 6.4 – Схема максимальной токовой направленной защиты

нулевой последовательности

Структурная схема направленной защиты НП приведена на рисунке 6.4 а. По этой схеме выполняют­ся защиты как на электромеханических, так и на полупроводни­ковых реле. Схема состоит из пускового реле КАО, реагирующе­го на появление КЗ на землю (см.рисунок 6.4, б), реле направления мощности KWO, определяющего направление мощности при КЗ, и реле времени КТ. Пусковое реле и цепь тока РНМ включаются на 3I₀ в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды, а на входные зажимы цепи напряжения РНМ подводится на­пряжение 3U₀ от разомкнутого треугольника ТН. При таком включении реле KWO реагирует на мощность НП S₀ = U₀I₀. С учетом угла сдвига между векторами U₀I₀90° и равенств U_р=3U₀, I_р=3I₀ используются реле НП, реагирующие на мощ­ность:

                     S_p = U_pI_psin( - _р) = 9U₀I₀sin( - _p),                              (6.4)

где _р = ₀ - угол сдвига фаз между U_p и I_р или U₀ и I₀.

 

7 Лекция.  Защита от замыканий на землю в сетях 10-35 кВ

 

Содержание лекции:

- изучаются способы защиты линий от замыканий    на землю в сетях с изолированной нейтралью, особенности защиты кабельных линий.

Цель лекции:                                                          

- выяснить распределение токов нулевой последовательности  при замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью, изучить специфические особенности подобных защит.

 

7.1 Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью, токи и напряжения при однофазном замыкании на землю

 

В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а также с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождается появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети. Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в сети и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю (К⁽¹⁾₃) в режиме, когда нейтраль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор. Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЗДС фаз источника питания. На рисунке 7.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (гене­ратором или понижающим трансформатором) и одной экви­валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть.

 

 

Рисунок 7.1 – Протекание фазных токов при замыкании на землю

в сети с изолированной нейтралью

 

Распреде­ленная емкость фаз относительно земли заменена эквива­лентной сосредоточенной емкостью С₀. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.

 

 

а) – в нормальном  симметричном режиме; б) при замыкании одной фазы на землю.

Рисунок 7.2 – Векторные диаграммы фазных токов и напряжений

 

В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U_A, U_B, U_C, которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания Е_А, Е_B, Е_C. Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (см.рисунок  7.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали N отсутствует: U_N = 0. Под действием фазных напряжений че­рез емкости фаз относительно земли С_А,С_B,C_C проходят токи, опережающие фазные напряжения на 90°:

                               

                                   I_A = U_A / -jX_C;     I_В = U_B /-jX_C;    I_C = U_C /-jX_C,                (7.1)

 

где  X_C = 1 / .                                                    

Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3I₀ отсутствует (см.рисунок  7.2, а).

Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А                 (см.рисунок 7.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (U_A=0). Напряжение нейтрали U⁽¹⁾_N по отношению к земле становится равным U_N=U_KN (см.рисунок 7.1 и 7.2, б), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:

    U_N=U_KN=-E_A.                                                               (7.2)

Напряжения неповрежденных фаз относительно земли повышаются до междуфазных значений U⁽¹⁾_B=U_BA и U⁽¹⁾_C=U_CA. Междуфазные напряжения остаются неизменными, что видно из рисунков 7.1 и 7.2.

 На рисунке 7.2, б построена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (U⁽¹⁾_B, U⁽¹⁾_C, U_N): точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка N соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с землей и имеет нулевой потенциал.

Поскольку замыкания на землю не вызывают появления сверхтоков и не искажают значения междуфазных напряже­ний, то они не отражаются на питании потребителей и не сопровождаются перегрузкой оборудования опасными токами. Поэтому в отличие от КЗ замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью не требуют немедленной ликвидации.

Однако отключение замыканий на землю является все же необходимым, так как в результате теплового воздействия тока замыкания на землю и электрической дуги в месте по­вреждения возможно повреждение изоляции между фазами на кабельных ЛЭП и переход однофазного замыкания в междуфазное КЗ. Помимо этого, из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к образованию двойных замыканий на землю в разных точках сети.

 

7.2 Принципы выполнения защиты от однофазных замыканий на землю

 

Все виды РЗ от однофазных замыканий на землю реагируют на составляющие нулевой последовательности тока I₀ и на­пряжения U₀. Простейшим устройством является неселективная сигнализация о появлении замыкания на землю, реаги­рующая на 3U₀. Такое устройство состоит из одного реле повышения напряжения KV₀, которое питается напряжением 3U₀ от обмоток ТН, соединенных по схеме разомкнутого треугольника  (см.рисунок 7.3). Подобная неселективная сигнализация устанавливается на шинах РУ 6-35 кВ. Возможен и другой вариант ее исполнения, изображенный на том же рисунке. В этой схеме сигнал о появлении земли дает реле КА₀, включенное в нулевой провод вольтметров контроля изоляции фаз сети, показания которых позволяют определить поврежденную фазу.

Селективная сигнализация должна дополняться РЗ, способной определять, на каком участке сети возникло замыкание на землю. В качестве селективных применяются токовые ненаправленные и направленные РЗ, реагирующие на составляющие НП.

Все применяемые РЗ можно подразделить на четыре группы защиты, реагирующие:

 

Рисунок 7.3 – Схема неселективной сигнализации при замыкании на землю

 

 1) на естественный емкостный ток сети (такой способ РЗ возможен только при отсутствии компенсации или при наличии перекомпенсации емкостного тока сети);

2) на токи НП, создаваемые искусственным путем;

3) на токи высших гармоник, возникающие в поврежденной ЛЭП при резонансной компенсации емкостных токов в установившемся режиме;

4) на токи переходного режима, возникающие в первый момент замыкания.

 

7.3 Фильтры токов нулевой последовательности

 

Как правило, такие защиты на линиях действуют на сигнал, тем не менее, применение этих защит целесообразно, так как место замыкания на землю нужно отыскать и устранить по воз­можности быстро, потому что упавший провод опасен для окружающих. Кроме того, повреж­дение в месте замыкания на землю развивается и со временем может привести к короткому замыканию. В ряде случаев защита должна обязательно действовать на отключение. Это двигатели и генераторы при токе замыкания на землю более 5 А. Это передвижные механиз­мы с электродвигательными приводами.

Существенным осложнением является то, что ток замыкания на землю имеет очень малую величину. Эта величина соизмерима с небалансом в нулевом проводе трансформаторов то­ка, поэтому в нулевой провод ТТ защиту от замыканий на землю не включают. Для защиты от замыканий на землю используют специальные трансформаторы тока нулевой последова­тельности (ТЗ, ТЗЛ, ТЗР), которые можно применить только при наличии кабельного вывода из ячейки. Для ячеек КРУ с воздушным выводом и линий напряжением 35 кВ, для которых от­сутствуют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности, защиту подклю­чить нельзя. Таким образом может быть выполнена защита от за­мыканий на землю и при отсутствии кабельной вставки. Конструкция кабельного ТНП показа­на на рисунке  7.4:    1 - магнитопровод; 2 – обмотка; 3 – трехфазный силовой кабель. Магнитопровод 1, собранный из листов трансформаторной стали, имеет обычно форму коль­ца или прямоугольника, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП. Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, являются первичной обмоткой трансформато­ра, вторичная обмотка 2 располагается на магнитопроводе с числом витков w = 20-30.

 

 

                      а)                                                               б)

             

в)

а) устройство; б) схема замещения; в) установка ТНП на кабеле.

Рисунок 7.4 – Трансформатор тока нулевой последовательности

 

Токи фаз IA, IB и IC создают в магнитопроводе соответствующие магнитные потоки Ф_А, Ф_В, Фа ко­торые, складываясь, образуют результирующий поток:

                                              

                                        Ф_рез=Ф_А+ФВ+ФС.                                            (7.3)

 

Так как сумма токов I_A+ I_B+ I_C = 3I₀, то можно сказать, что результирующий поток, созда­ваемый первичными токами ТНП, пропорционален составляющей тока НП:

 

                                         Ф_рез=k3I₀.                                                          (7.4)

 

Поток Ф_рез, а следовательно, вторичная ЭДС Е₂ и вторичный ток I₂ могут возникнуть только при условии, что сумма токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные токи, про­ходящие через ТНП, содержат составляющую I₀. Поэтому, ток во вторичной цепи ТНП будет по­являться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двухфазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз I_A+I_B+I_C=0, и поэтому, ток в реле отсутствует  (Ф_рез=0). Однако, поскольку из-за неодинакового расположения фаз А, В и С относительно вторичной обмотки ТНП коэффициенты взаимоиндукции этих фаз со вторичной обмоткой различны, не­смотря на полную симметрию первичных токов, сумма их магнитных потоков в нормальном режиме не равна нулю. Появляется магнитный поток небаланса (Ф_рез—Ф_нб), вызывающий во вторичной обмотке ЭДС и ток небаланса (I_нб).

Для защиты линий ТНП обычно выполняются кабельного типа (ТЗ, ТЗЛ, ТФ). При необ­ходимости осуществления ЗЗ воздушных ЛЭП делается кабельная вставка, на ко­торой устанавливается ТНП. Для кабельных ЛЭП изготовляются ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа во­ронки, и типов ТЗР и ТФ с разъемным магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки.

При прохождении токов I_бр по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного ТНП, в реле РЗ появляется ток, от которого РЗ может подействовать неправильно. Эти токи появляются при замыканиях на землю вблизи кабеля или при работе сварочных аппаратов.

Для исключения ложной работы РЗ необходимо компенсировать влияние блуждающих токов, замыкающихся по свинцовой оболочке и броне кабеля. С этой целью воронка и оболочка кабе­ля на участке от воронки до ТНП изолируются от земли (см.рисунок 7.4, в), а заземляющий провод присоединяется к воронке кабеля и пропускается через окно ТНП. При таком исполнении ток, проходящий по броне кабеля, возвращается по заземляющему проводу, поэтому магнитные потоки в магнитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничтожаются. Магнитопровод ТНП должен быть надежно изолирован от брони кабеля.

8 Лекция. Продольная дифференциальная защита линий 

 

Содержание лекции:

- рассмотрены схемы продольной защиты линий, принцип её действия.

Цель лекции:

- изучить принцип действия продольной защиты линий, обладающей абсолютной селективностью, причины возникновения тока небаланса, особенности защиты.   

  

8.1 Дифференциальная защита линий. Принцип действия продольной дифференциальной защиты

 

Для отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП без выдержки времени служат дифференциальные РЗ, которые подразделяются на продольные и поперечные.

Принцип действия продольных дифференциальных РЗ основан на сравнении значения и фазы токов в начале и конце защищаемой ЛЭП. Как видно из рисунка 8.1, а, при внешнем КЗ (в точке К) токи I_I и I_II на концах ЛЭП АВ направлены в одну сторону и равны по значению, а при КЗ на защищаемой ЛЭП (см.рисунок 8.1, б) они направлены в разные стороны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопоставляя значение и фазу токов I_I и I_II, можно определять, где возникло КЗ - на защищаемой ЛЭП или за ее пределами. Такое сравнение то­ков по значению и фазе осуществляется в реагирующем орга­не (реле тока). Для этой цели вторичные обмотки ТТ TAI и ТАII, установленных по концам защищаемой ЛЭП и имеющих одинаковые коэффициенты трансформации, при помощи соединительного кабеля подключаются к дифференциально­му реле КА (реагирующему органу) таким образом, чтобы при внешнем КЗ ток в реле был равен разности токов I_Ib и I_IIв, а при КЗ на ЛЭП их сумме I_Ib+I_IIв. Применяется схема дифференциальной РЗ с циркулирующими токами, основанная на сравнении вторичных токов (см.рисунок 8.1). Реаги­рующий орган - токовое реле КА включается параллельно вторичным обмоткам ТТ.

 

 

а)

 

 

а) вне защищаемой ЛЭП; б) на защищаемой ЛЭП; в) ток небаланса.   

Рисунок 8.1 – Принцип действия дифференциальной РЗ; токораспределение при КЗ 

 

При таком включении в случае внеш­него КЗ токи I_Ib и I_IIв замыкаются через обмотку КА и прохо­дят по ней в противоположном направлении   (см.рисунок 8.1, а). Ток в реле равен разности токов:

                                        

                                          I_р=I_Ib-I_IIв=I_I/K_I–I_II/K_I.                                               (8.1)

 

При равенстве коэффициентов трансформации и отсутствии погрешностей в работе ТТ вторичные токи I_Ib - I_IIв, поступа­ющие в обмотку реле, балансируются, ток I_р = 0, и реле не сра­батывает.

Таким образом, по принципу действия дифференциальная РЗ не реагирует на внешние КЗ, токи нагрузки и качания, поэтому она выполняется без выдержки времени и не должна отстраиваться от токов нагрузки и качаний. В действительно­сти же ТТ работают с погрешностью. Вслед­ствие этого в указанных режимах в реле появляется ток не­баланса:

                                                        I_p=I_нб=I_Ib-I_IIв .                                              (8.2)

 

Для исключения неселективной работы при внешних КЗ I_с.з дифференциальной РЗ должен превышать максимальное значение тока небаланса:

                                          I_с.з>I_{нб mаx}.                                            (8.3)

 

При КЗ на защищаемой ЛЭП (см.рисунок 8.1, б) первичные токи   I_I и I_II направлены от шин подстанций в ЛЭП (к месту КЗ). При этом вторичные токи I_Ib - I_IIв суммируются в обмотке реле:

 

                                           I_p=I_Ib+I_IIв=I_I/K_I+I_II/K_I=I_K/K_I,                                   (8.4)

 

где I_к – полный ток КЗ, равный сумме токов I_I и I_II, притека­ющих к месту повреждения (к точке К).

Под влиянием этого тока РЗ срабатывает. Выражение 8.4 показывает, что дифференциальная РЗ реагирует на полный ток КЗ в месте повреждения, и поэтому в сети с двусторонним  питанием она обладает большей чувствительностью, чем то­ковые РЗ, реагирующие на ток, проходящий только по одному концу ЛЭП. Зона действия РЗ охватывает участок ЛЭП, рас­положенный между ТТ, к которым подключено токовое реле.

 

8.2 Токи небаланса в дифференциальной защите

 

Выразив в формуле (8.2) вторичные токи через первичные, с учетом погрешности ТТ получим I_нб в реле:

                             

                                 I_нб=(I_I/К_I - I_Iнам)-(I_II/K_I - I_{II нам}),                                 (8.5)

 

где I_Iнам и I_{II нам} - токи намагничивания, отнесенные ко вто­ричным обмоткам ТТ (ТАI и ТАII). Так как при внешнем КЗ, сквозных токах нагрузки и качаний первичные токи в начале и конце ЛЭП одинаковы, I_I =I_II,   из формулы 8.5 получим

                                             

                                              I_нб=I_{II нам}-I_{I нам}.                                              (8.6)

Это выражение показывает, что значение тока небаланса определяется различием значений токов намагничивания ТТ. Следовательно, для уменьшения тока небаланса необходи­мо выравнивать токи намагничивания              I_{I нам} и I_{II нам} по значе­нию и фазе.

 

8.3  Полная схема дифференциальной защиты линий

 

Во всех рассмотренных схемах подразумевалась установка реле на трех фазах в тех случаях, когда РЗ должна реагировать на все виды КЗ. Для выполнения таких схем необходимо шесть дифференциальных реле и не менее четырех соединительных проводов. Для уменьшения числа реле и соединительных про­водов реле включаются через фильтры симметричных состав­ляющих или суммирующие трансформаторы, как показано на принципиальной схеме (см.рисунок 8.2).

 

 

Рисунок 8.2 – Полная принципиальная схема односистемной продольной дифференциальной РЗ ЛЭП

 

Помимо уже рассмотренных элементов в этой схеме преду­смотрены разделительные (изолирующие) трансформаторы TI, с помощью которых цепь соединительного кабеля АВ отделя­ется от цепей реле. Такое разделение исключает появление в цепях реле высоких напряжений, наведенных в жилах кабе­ля при протекании токов КЗ по защищаемой ЛЭП или возни­кающих в них по любым другим причинам.

На практике получили распространение РЗ с комбинирован­ными фильтрами прямой и обратной последовательностей или прямой и нулевой последовательностей. Ток (или напря­жение) на выходе таких фильтров пропорционален I₁+kI₂ или I₁+kI₀. Составляющая прямой последовательности I₁ имеется при всех видах КЗ. Слагающая kI₂ возникает при несимметричных повреждениях (двух- и однофазных) и позволя­ет повысить чувствительность РЗ, увеличивая ток в реле. То же самое достигается с помощью слагающей kI₀, но только при КЗ на землю.

 

 

9 Лекция.  Дистанционная защита линий

 

Содержание лекции:

- приводятся общие сведения о принципе действия дистанционной защиты.

Цель лекции:

- изучить особенности защит линий с несколькими источниками питания, принцип действии реле сопротивления, способы достижения селективности.

 

9.1 Дистанционная защита линий. Назначение и принцип действия

 

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные МТЗ (НТЗ) не могут обеспе­чить селективного отключения КЗ. Так, например, при КЗ на W2 (см.рисунок 9.1) НТЗ 3 должна подействовать быстрее РЗ 1, а при КЗ на W1, наоборот, НТЗ 1 должна подействовать быстрее РЗ 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены с помощью НТЗ. Кроме того, МТЗ и НТЗ часто не удовлетворяют требованиям быстродействия и чувствительности. Селектив­ное отключение КЗ в сложных кольцевых сетях может быть обеспечено с помощью дистанционной РЗ (ДЗ).

 

 

           

∆   -    дистанционная защита,   О  - максимальная токовая

направленная защита.

Рисунок 9.1 – Кольцевая сеть с двумя источниками питания:

        

Выдержка времени ДЗ t₃ зависит от расстояния (дистанции)   t₃= f(l_р.к) (см.рисунок 9.2) между местом установки РЗ (точка Р) и точкой КЗ (К), т.е. l_р.к  и нарастает с увеличением этого рас­стояния. Ближайшая к месту повреждения  ДЗ имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные ДЗ. Например, при КЗ в точке К1 (см.рисунок 9.2) Д32, расположен­ная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдерж­кой времени, чем более удаленная Д31. Если же КЗ возникает в точке К2, то время действия Д32 увеличивается, и КЗ селек­тивно отключается ближайшей к месту повреждения  ДЗ  3 .

 

 

Рисунок 9.2 – Зависимость выдержки времени дистанционной защиты

 

Основным элементом ДЗ является дистанционный измерительный орган (ДО), определяющий удаленность КЗ от места установки РЗ. В качестве ДО используются реле со­противления (PC), реагирующие на полное, реактивное или активное сопротивление поврежденного участка ЛЭП (Z, X, R). Сопротивление фазы ЛЭП от места установки реле Р до места КЗ (точки К) пропорционально длине этого участка I_р.к, так как  Z_p.к=Z_y l_p.к; Х_р.к=Х_уl_р.к; R_р.к=R_yl_p.к, где Z_p.к, Х_р.к, R_р.к – полное, реактивное и активное сопротивления участка ЛЭП длиной l_р.к; Z_y, Х_у, R_y – удельные сопротивления на 1 км ЛЭП.

Таким образом, поведение дистанционного органа, реаги­рующего на сопротивление линии, зависит от расстояния до места повреждения.

В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует ДО (Z, X или R), ДЗ подразделяются на РЗ полного, реактив­ного и активного сопротивлений.. Реле сопротивления, применяемые в ДЗ для определения сопротивления Z_p.к до точки КЗ, контролируют напряжение и ток в месте установки ДЗ (см.рисунок 9.3). К зажимам PC подводятся вторичные значения U_р и I_р от ТН и ТТ. Реле выполняется так, чтобы его поведение в общем случае зависело от отношения U_р к I_р. Это отношение является некоторым сопротивлением Z_p. При КЗ Z=Z_p.к, и при определенных значениях Z_p.к PC срабатывает; оно реаги­рует на уменьшение Z_p, поскольку при КЗ U_р уменьшается, а I_р возрастает.

 

 

Рисунок  9.3 – Подключение цепей тока и напряжения реле

сопротивления

Наибольшее значение Z_p, при котором PC сра­батывает, называется сопротивлением срабатывания реле Z_c.p:

 

                                                      Z_p = U_p/I_p  Z_c.p.                                         (9.1)

 

Для обеспечения селективности в сетях сложной конфигу­рации на ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ необходимо вы­полнять направленными, действующими при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. Направленность действия ДЗ обеспечивается при помощи дополнительных РНМ или приме­нением направленных PC, способных реагировать и на направ­ление мощности КЗ.  Зависимость времени действия ДЗ от расстояния или со­противления до места КЗ t₃=f(l_р._к) или t₃=f(Z_p.к) называется характеристикой выдержки времени ДЗ. По характеру этой за­висимости ДЗ делятся на три группы: с плавнонарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенча­тыми и комбинированными характеристиками (см.рисунок 9.4). Ступенчатые ДЗ действуют быстрее, чем ДЗ с наклонной и комбинированной характерис­тиками и, как правило, получают­ся проще в конструктивном ис­полнении. Наиболее распростра­ненные ДЗ со ступенчатой харак­теристикой выполняются обычно с тремя ступенями времени: t_I, t_II, t_III, соответствующими трем зонам действия ДЗ (см.рисунок 9.4,б).

 

а) наклонная; б)  ступенчатая; в) комбинированная.

Рисунок 9.4 – Характеристики дистанционных защит

 

9.2   Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью ступенчатой дистанционной защиты

 

На ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ устанавливаются с обеих сторон каждой ЛЭП и должны действовать при направ­лении мощности от шин в ЛЭП. Дистанционные РЗ, действу­ющие при одном направлении мощности, необходимо согла­совать между собой по времени и по зоне действия так, чтобы обеспечивалось селективное отключение КЗ. В рассматривае­мой схеме (см.рисунок 9.5) согласуются между собой  Д31, ДЭЗ, Д35 и Д36, Д34, Д32.

 

 

∆Z – погрешность дистанционного реле; ∆t – ступень селективности.

Рисунок 9.5 – Согласование выдержек времени дистанционных РЗ со ступенчатой характеристикой

 

С учетом того, что первые ступени ДЗ не имеют выдержки времени (t_I=0), по условию селективности они не должны действовать за пределами защищаемой ЛЭП. Исходя из этого протяженность первой ступени, не имеющей выдержки вре­мени (t_I=0), берется меньше протяженности защищаемой ЛЭП и обычно составляет 0,8-0,9 длины ЛЭП. Остальная часть защищаемой ЛЭП и шины противоположной подстан­ции охватываются второй ступенью ДЗ этой ЛЭП. Протяжен­ность и выдержка времени второй ступени согласуются (обыч­но) с протяженностью и выдержкой первой ступени ДЗ следу­ющего участка. Например, у второй ступени Д31 зона дейст­вия отстраивается от конца первой ступени ДЭЗ (т.е. Z_II(1)<Z_I(3)),  а время действия выбирается на ступень t больше t_I(3): t_II(1)=t_I(3)+t.

Последняя третья ступень ДЗ является резервной, ее про­тяженность выбирается из условия охвата следующего участ­ка, на случай отказа его РЗ или выключателя. Выдержка вре­мени принимается на t больше времени действия второй или третьей зоны ДЗ следующего участка. При этом зона действия третьей ступени должна быть отстроена от конца второй или третьей зоны следующего участка. 

Основными достоинствами дистанционного принципа яв­ляются: селективность действия в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания: малые выдержки време­ни при КЗ в начале защищаемого участка, которые обеспечи­ваются I зоной, охватывающей до 85-90% защищаемой ЛЭП; большая, чем у МТЗ, стабильность зон действия; значительно большая чувствительность при КЗ и лучшая отстройка от на­грузки и качаний по сравнению с МТЗ.

К числу недостатков ДЗ следует отнести: невозможность обеспечения мгновенного отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП; реагирование на качания и нагрузку; воз­можность ложной работы при неисправностях в цепях напря­жения; сложность схем ДЗ и ДО.

  

10 Лекция.  Резервные защиты трансформаторов и автотрансформаторов

 

Содержание лекции: 

- рассматриваются резервные защиты трансформаторов и автотрансформаторов.

 Цель лекции:

- изучить основные виды повреждений и ненормальных режимов трансформаторов и способы защиты от них.

 

10.1 Защита трансформаторов и автотрансформаторов. Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов и  автотрансформаторов, виды защит и требования к ним

 

Виды повреждений. Основными видами повреждений в трансформаторах и автотрансформаторах являются: замыкания между фазами внутри кожуха трансформатора (трехфазного) и на наружных выводах обмоток; замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания на землю обмоток или их наружных выводов; повреждения магнитопровода трансформатора, приводящие к появлению мест­ного нагрева и "пожару стали". Опыт показывает, что КЗ на выводах и витковые замыкания в обмотках происходят наибо­лее часто. Междуфазные повреждения внутри трансформато­ров возникают значительно реже. В трехфазных трансформато­рах они хотя и не исключены, но маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции. В трансформатор­ных группах, составленных из трех однофазных трансформато­ров, замыкания между обмотками фаз практически невоз­можны.

При витковых замыканиях токи, идущие к месту повреждения от источников питания, могут быть небольшими. Чем меньше число замкнувшихся витков w_a, тем меньше будет ток I_к, приходящий из сети.

Для ограничения размера разрушения РЗ от повреждений в трансформаторе должна действовать быстро (t =0,05÷0,1 с).

Защита от повреждений. В качестве таких РЗ применяются токовая отсечка, дифференциальная и газовая защиты.

На трансформаторах мощностью 200 MB∙А и более предусмат­ривается автоматическое пожаротушение водой. Все изложенное далее в равной мере относится к трансфор­маторам и автотрансформаторам.

Виды ненормальных режимов. Наиболее частым ненормаль­ным режимом работы трансформаторов является появление в них сверхтоков, т. е. токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора. Сверхтоки в трансформаторе возни­кают при внешних КЗ, качаниях и перегрузках. Последние воз­никают вследствие самозапуска электродвигателей, увеличе­ния нагрузки в результате отключения параллельно работаю­щего трансформатора, автоматического подключения нагруз­ки при действии АВР и т.п.

Внешние КЗ. При внешнем КЗ, вызванном повреждением на шинах трансформатора или неотключившимся повреждением на отходящем от шин присоединении, по трансформатору про­ходят токи КЗ I_к > I_ном, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. В связи с этим трансформаторы должны иметь РЗ от внешних КЗ, отключающую трансформатор.

Защита от внешних КЗ осуществляется при помощи МТЗ, МТЗ с блокировкой минимального напряжения, дистан­ционной РЗ, токовых РЗ нулевой и обратной последователь­ностей. В зону действия РЗ от внешних КЗ должны входить шины подстанций (I участок) и присоединения, отходящие от этих шин (II участок). Эти РЗ являются также резервными от повреждений в трансформаторе.

Перегрузка. Время действия РЗ от перегрузки определяется только нагревом изоляции обмоток. Масляные трансформаторы допускают длительную перегрузку на 5%. В аварийных режи­мах допускается кратковременная перегрузка в следующих пределах:

Кратность перегрузки………………………………...	1,3	1,6	1,75	2	3
Допустимое время перегрузки, мин………………….	120	45	20	10	1,5

Из этих данных видно, что перегрузку порядка (1,5-2) I_ном можно допускать в течение значительного времени, измеряе­мого десятками минут. Наиболее часто возникают кратковре­менные, самоликвидирующиеся перегрузки, неопасные для трансформатора ввиду их непродолжительности, например перегрузки, вызванные самозапуском электродвигателей или толчкообразной нагрузкой (электропоезда, подъемники и т. п.). Отключения трансформатора при таких перегрузках не требуется. Более длительные перегрузки, вызванные, напри­мер, автоматическим подключением нагрузки от АВР, отклю­чением параллельно работающего трансформатора и др., могут быть ликвидированы обслуживающим персоналом, который располагает для этого достаточным временем. На подстанциях без дежурного персонала ликвидация длительной перегрузки должна производиться автоматически от РЗ отключением ме­нее ответственных потребителей или перегрузившегося трансформатора.

Таким образом, РЗ трансформатора от перегрузки должна действовать на отключение только в том случае, когда пере­грузка не может быть устранена персоналом или автомати­чески.

Неполнофазный режим. На автотрансформаторах (AT) преду­сматриваются РЗ от неполнофазного режима, возникающего при отключении (или включении) не всеми фазами сторон высшего (ВН) или среднего (СН) напряжений. Эта РЗ должна действовать на отключение AT. Необходимость установки та­кой РЗ обусловлена возможностью отключения в указанном режиме второго, параллельно работающего AT той же под­станции.

Понижение уровня масла в баке трансформатора ниже уров­ня обмоток, что возможно при течи в баке или резком понижении температуры наружного воздуха, может привести к повреж­дению обмотки.

 

10.2 Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях

 

Защита от внешних КЗ служит для отключения трансформа­тора при КЗ на сборных шинах или на отходящих от них присо­единениях                    (см.рисунок 10.1), если РЗ или выключатели этих элементов отказали в работе. Одновременно РЗ от внешних КЗ использу­ется и для защиты от повреждения в трансформаторе. Однако по условиям селективности РЗ от внешних КЗ должна иметь выдержку времени и, следовательно, не может быть быстро­действующей. По этой причине в качестве основной РЗ от по­вреждений в трансформаторах она используется лишь на мало­мощных трансформаторах. На трансформаторах, имеющих специальную РЗ от внутренних повреждений, РЗ от внешних КЗ служит резервом к этой защите на случай ее отказа. Наибо­лее простой РЗ от внешних КЗ является МТЗ. В тех случаях, когда ее чувствительность оказывается недостаточной, при­меняются более чувствительные МТЗ с пуском по напряже­нию, МТЗ ОП и НП, ДЗ.

Максимальные токовые защиты трансформаторов. Защита двухобмоточных понижающих трансформаторов.  Схема МТЗ трансформатора с односторонним питанием приведена на рисунке 10.1. Чтобы включить в зону действия защиты сам транс­форматор, РЗ устанавливается со стороны источника питания и должна действовать на отключение выключателя Q1. То­ковые реле МТЗ включаются на ТТ, установленные у выключа­теля Q2.

На рисунке 10.1, а приведена схема РЗ трансформатора, выполнен­ная с двумя токовыми реле КА1 и КА2, которые, сработав, с выдержкой времени одновременно действуют на отключение выключателей Q1 и Q2. При этом в случае внешних КЗ на сто­роне низшего напряжения (НН) трансформатора отключение выключателя Q2 резервирует действие выключателя Q1. Часто РЗ выполняют с двумя выдержками времени: с первой t₁ на отключение выключателя Q1 со стороны НН, а со второй t₂ = t₁ + t на отключение Q2 со стороны ВН. Структурная схема при таком выполнении МТЗ приведена на рисунке 10.1,  в. В случае неотключенного внешнего КЗ на сто­роне НН МТЗ с выдержкой времени t₁ отключит выключа­тель Q1, трансформатор при этом останется под напряжением со стороны ВН. В случае же повреждения в трансформаторе и отказе его основных быстродействующих РЗ МТЗ с выдержкой времени отключит выключатель Q2.

 

а) схема токовых цепей с тремя ТТ; б) принципиальная схема оперативных цепей; в) структурная схема; г) схема токовых цепей с двумя ТТ.

Рисунок 10.1 – Максимальная токовая защита двухобмоточного трансформатора

   

Токовые реле КА1 и КА2 в схеме МТЗ трансформаторов с ВН                 110-220 кВ подключены к ТТ, соединенным в треугольник                   (см.рисунок 10.1, а). Такое выполнение токовых цепей МТЗ предотвра­щает возможное неселективное ее действие при КЗ на землю в сети 110-220 кВ (в случае, когда нейтраль трансформатора заземлена). Защита может действовать при всех видах междуфазных КЗ на сторонах как ВН, так и НН трансформатора со схемой соединения обмоток y/. При этом, однако по срав­нению с МТЗ, содержащей три токовых реле, подключенных к ТТ, соединенным в полную звезду, имеет место снижение чувствительности на 15% при двухфазном КЗ на стороне НН 6-10 кВ.  Для трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Y или Δ/Δ и не связанных с сетью с заземленной нейтралью, МТЗ выполняется также двумя токовыми реле КА1 и КА2 (см.рисунок 10.1, г), ТТ при этом соединяются в неполную звезду. Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Δ. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме Y/Δ, устанав­ливается дополнительное реле в обратном проводе токовых це­пей КA3 (показано пунктиром на рисунке 10.1, в-г). Аналогичная схема применяется и на трансформаторах со схемой соедине­ния обмоток треугольник-звезда с заземленной нулевой точ­кой (обычно питающих сеть 0,4 кВ).

Направленные ДЗ, устанавливаемые на сторонах ВН и СН, включаются таким образом, чтобы защищать ЛЭП ВН и СН со­ответственно. Применение ДЗ более сложных, чем МТЗ, объяс­няется необходимостью обеспечения согласования по селек­тивности РЗ, установленных на противоположных концах ЛЭП, и дальнего резервирования в сетях ВН и СН.

Токовая защита нулевой последовательности реагирует на ток 3I₀, появляющийся в трансформаторе при внешних КЗ (одно- и двухфазных на землю) и КЗ в трансформаторе. Она применяется на повышающих трансформаторах (а также на AT) и устанавливается со стороны обмоток ВН и СН, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухозаземленной нулевой точкой.

Защита от перегрузки трансформатора - на трансформато­рах, находящихся под наблюдением оперативного персонала, РЗ от перегрузки выполняется действующей на сигнал посред­ством одного токового реле.

 

11 Лекция. Основные защиты трансформаторов и автотрансформаторов

 

Содержание лекции:

- рассматриваются основные защиты трансформаторов от всех видов КЗ.

Цель лекции:

- изучить принцип действия токовой отсечки и дифференциальной защиты трансформатора от всех видов КЗ.

        

11.1 Токовая отсечка

 

 Токовая отсечка – простая быстродействующая РЗ от повреж­дений в трансформаторе Зона действия отсечки ограничена, она не действует при витковых замыканиях и за­мыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с малым током замыкания на землю. Отсечка устанавливается с питающей стороны.

В зону действия отсечки входят ошиновка, выводы и часть обмотки трансформатора со стороны питания. Отсечка, являю­щаяся РЗ от внутренних повреждений, должна отключать трансформатор со всех сторон, имеющих источники питания. Достоинством отсечки являются ее простота и быстродейст­вие. Отсечка в сочетании с МТЗ и газовой защитой (рассматриваемой ниже) обеспечивает хорошую защиту для трансформа­торов малой мощности.

    

11.2 Дифференциальная защита. Назначение и принцип действия дифференциальной защиты трансформатора

 

В качестве основной быстродействующей РЗ трансформаторов от КЗ между фазами, однофазных КЗ на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение получила дифференциальная РЗ (см.рисунок 11.1). При внешнем КЗ и нагрузке токи I_I и I_II направлены в одну сторону (см.рисунок 11.1,а) и находятся в определенном соотношении, равном коэффи­циенту трансформации защищаемого трансформатора:

                                    

                                              I_II / I_I = К_т.                                                 (11.1)

          

 

                       а) внешнее КЗ;            б) КЗ в трансформаторе.

Рисунок 11.1 – Действие дифференциальной защиты трансформатора

 

При внешнем КЗ защита не должна действовать, при КЗ в трансформаторе - должна работать. С учетом этого и выполня­ется схема защиты. Трансформаторы тока ТАI и ТАII, питающие схему, устанавливаются с обеих сторон защищаемого транс­форматора. Их вторичные обмотки соединяются разноименны­ми полярностями так, чтобы при внешнем КЗ и нагрузке вто­ричные токи I_Ib и I_IIв были направлены в контуре соединитель­ных проводов последовательно (циркулировали по ним). Диф­ференциальное реле КА включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соедине­нии в случае внешнего КЗ и при токе нагруз­ки вторичные токи I_Ib и I_IIв замыкаются по обмотке реле КА и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен разно­сти вторичных токов:

                                                     I_р = I_Iв - I_IIв.                                                          (11.2)

 

При КЗ в защищаемом трансформаторе вторич­ные токи I_Iв и I_IIв проходят по обмотке реле в одном направ­лении (см.рисунок 11.1, б), в результате чего ток в реле равен их сумме:

 

                                                    I_р = I_Iв + I_IIв.                                                           (11.3)

 

Если I_p> I_с.р то реле срабатывает и отключает трансфор­матор.

Для того чтобы дифференциальная РЗ не работала при на­грузке и внешних КЗ, необходимо уравновесить вторичные то­ки в плечах РЗ так, чтобы ток в реле, равный их разности, от­сутствовал:

 

                                                   I_р=I_Iв-I_IIв=0.                                                  (11.4)

 

Для этого необходимо, чтобы токи совпадали по модулю и по фазе, т.е.

 

I_Iв = I_IIв.

Особенности дифференциальной  защиты  трансформаторов и AT.           

В дифференциальной РЗ ЛЭП и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, по­этому для выполнения условия селективности (см.формулу 11.4) доста­точно иметь равенство коэффициентов трансформации ТТ. Иное положение имеет место в дифференциальной РЗ транс­форматоров. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по значению и в общем случае не совпадают по фазе.

В режиме нагрузки и внешнего КЗ ток трансформатора на стороне низшего напряжения I_II всегда больше тока на стороне высшего напряжения I_I. Их соотношение определяется коэф­фициентом трансформации силового трансформатора соглас­но формуле 11.1.

В трансформаторе с соединением обмоток звезда-треуголь­ник и треугольник-звезда токи I_I и I_II различаются не только по значению, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединения обмоток трансформатора. При наиболее распро­страненной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треугольника опережает линейный ток со стороны звезды на 30°. В трансформаторах с соединением обмоток звезда-звезда токи I_I и I_II совпадают по фазе. Таким образом, для выполнения условия селективнос­ти (см.формулу 11.4) необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов I_Ib = I_I/К_II и  I_IIв = I_II / K_III  по значению, а при разных схемах соединения обмоток (Y/Δ и Δ/Y) - и по  фазе с тем, чтобы поступающие в реле токи были равны. Компенсация сдвига токов I_Ib и I_IIв по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмо­ток ТТ, установленных на стороне звезды силового трансфор­матора. Соединение в треугольник обмоток ТТ должно соответствовать соединению в треугольник обмотки силового трансформатора.

 

12 Лекция. Газовая защита трансформаторов

 

Содержание лекции:

- приводятся сведения о повреждениях внутри бака трансформатора; принцип действия и конструкцию газового реле.

Цель лекции: 

- изучить защиту трансформатора от внутренних повреждений.

 

12.1 Газовая защита трансформаторов Принцип действия и устройство газового реле

 

Газовая защи­та получила широкое распространение в качестве весьма чув­ствительной защиты от внутренних повреждений трансформа­торов. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой или нагре­вом деталей, что приводит к разложению масла и изоляцион­ных материалов и образованию летучих газов. Будучи легче масла, газы поднимаются в расширитель 2, который является самой высокой частью трансформатора (см.рисунок 12.1) и имеет сообщение с атмосферой. При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных повреждениях, бурно рас­ширяющиеся газы создают сильное давление, под влиянием которого масло в кожухе трансформатора приходит в движение, перемещаясь в сторону расширителя. Таким образом, образованные газов в кожухе трансформато­ра и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора. Эти призна­ки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и дви­жения масла. Газовое реле 1 устанавливается в трубе, соеди­няющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы че­рез него проходили газ и поток масла, устремляющиеся в рас­ширитель при повреждениях в трансформаторе. В трубе преду­смотрена задвижка, которая закрывает ее автоматически при срабатывании газовой защиты, предотвращая поступление масла из расширителя в бак поврежденного трансформатора (для ограничения пожара в баке).

Конструкции газовых реле имеют три разновидности, различающиеся принципом исполнения реагирующих элемен­тов, в виде: поплавка, лопасти, чашки.

 

 

1 – газовое реле; 2 – расширитель.

Рисунок 12.1 – Установка газового реле на трансформаторе

    

Устройство поплавкового газового реле показано на рисунке 12.2. Реле состоит из чугунного кожуха 1, имеющего вид тройного патрубка с фланцами для соединения с трубкой к расширителю. Внутри кожуха реле расположены два подвиж­ных поплавка 2а и 2б, выполненные в виде тонкостенных по­лых цилиндров, герметически запаянных и плавающих в мас­ле. Каждый поплавок свободно вращается на оси, закрепленной на стойке. На торце поплавков располагаются ртутные контак­ты 3, представляющие собой стеклянные колбочки с впаян­ными в них контактами и ртутью внутри. При определенном положении поплавков ртуть замыкает контакты. Выводы от контактов на наружную сторону кожуха выполнены с помощью гибких и изолированных проводников. Контакты верхнего по­плавка действуют на сигнал, а нижнего - на отключение транс­форматора. Кожух реле находится ниже уровня масла в расши­рителе, поэтому он всегда заполнен маслом. Поплавки, стре­мясь всплыть, занимают верхнее положение, их контакты разомкнуты.

 

 

Рисунок 12.2 – Устройство поплавкового газового реле; схема выходных цепей газовой защиты

 

При небольших повреждениях образование газа происходит медленно, и он небольшими пузырьками поднима­ется к расширителю. Проходя через реле, пузырьки газа запол­няют верхнюю часть его кожуха, вытесняя оттуда масло. По мере понижения уровня масла верхний контакт опускается и через некоторое время замыкается.

Если повреждение трансформатора значительное, то под влиянием давления, создаваемого бурно образующимися га­зами, масло приходит в движение, сообщая толчок нижнему поплавку. Под его воздействием поплавок мгновенно замы­кает свои контакты, посылая импульс на отключение. По­скольку в схемах управления выключателями предусмотрено удерживание отключающих сигналов, даже кратковременного замыкания контактов газового реле оказывается достаточно для надежного отключения выключателя.

Сигнализация о небольших повреждениях вместо отключе­ния позволяет дежурному персоналу перевести нагрузку на другой источник питания и отключить после этого трансфор­матор.

Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторе.      

В этом случае первым сработает сигнальный контакт, а затем при продолжающемся снижении уровня мас­ла срабатывает отключающий контакт, выключая трансфор­матор.

Оценка газовой защиты. Основными достоинствами газо­вой защиты являются: простота ее устройства, высокая чув­ствительность, малое время действия при значительных по­вреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимо­сти от размеров повреждения. Газовая защита является наи­более чувствительной защитой трансформатора от повреждения его обмоток и особенно при витковых замыканиях. Все масля­ные трансформаторы мощностью 1000 кВ∙А и выше поставляют­ся вместе с газовой защитой.

Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора, поэтому должна дополняться второй защи­той от внутренних повреждений. Для маломощных трансформа­торов такой защитой служат МТЗ и токовая отсечка. Для мощных трансформаторов применяется  более совершенная диф­ференциальная РЗ.

 

13 Лекция. Защита сборных шин

 

Содержание лекции: 

- приводятся общие сведения о принципах защиты шин, поведение защиты при КЗ на шинах и внешних КЗ.

Цель лекции:

- изучить принцип действия дифференциальной защиты шин и токораспределение во вторичных цепях защиты, причины возникновения тока небаланса. 

13.1 Дифференциальная защита   шин

 

Повреждения на шинах подстанций электрических сетей и электростанций высокого и сверхвысокого напряжений могут быть отключены резервными РЗ, установленными на противо­положной стороне элементов, подключенных к этим шинам. Однако резервные РЗ в подобных случаях работают со значительными выдержками времени t_рез.з и не всегда обес­печивают селективное отключение поврежденных шин. В то же время КЗ на шинах по условиям устойчивости энергосисте­мы и работы потребителей требуют быстрого отключения. Для прекращения КЗ на шинах их РЗ должна действовать на отключение всех присоединений, питающих шины. В связи с этим специальные РЗ шин приобретают особую ответствен­ность, так как их неправильное действие приводит к отклю­чению целой электростанции или подстанции либо их секций. Поэтому принцип действия РЗ шин и их практическое выпол­нение (монтаж) должны отличаться повышенной надежностью, исключающей возможность их ложного срабатывания.

В качестве быстродействующей и селективной РЗ шин полу­чила распространение защита, основанная на дифферен­циальном принципе.

Дифференциальная РЗ шин (ДЗШ) (см.рисунок 13.1) основывается на том же принципе, что и рассмотренные ранее дифферен­циальные РЗ ЛЭП, трансформаторов и генераторов, т. е. на сравнении значений и фаз токов, приходящих к защищаемому элементу (в данном случае к шинам ПС) и уходящих от него. Для питания ДЗШ на всех присоединениях устанавливаются ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации К_I (независи­мо от мощности присоединения).

 

 

Рисунок 13.1 – Токораспределение во вторичных цепях дифференциальной защиты при внешних КЗ

 

Дифференциальное реле 1 подключается к ТТ всех присо­единений, так чтобы при первичных токах, направленных к шинам, в нем проходил ток, равный сумме токов всех при­соединений, т.е. I_р=ΣI_пр.  Тогда при внешних КЗ ΣI_пр=0 и реле не будет действовать, а при КЗ в зоне (на шинах)  ΣI_пр равна сумме токов КЗ, притекающих к месту повреждения, и ДЗШ работает. Первичные обмотки всех ТТ подключаются к шинам одноименными зажимами; все вторичные обмотки ТТ соединяются параллельно одноименной полярностью, и к ним подключается реле 1.

При внешнем КЗ (точка К на рисунке 13.1) ток КЗ I₄, идущий от шин к месту КЗ по поврежденной ЛЭП W4, равен сумме токов, притекающих к шинам от источников питания (по линиям Wl, W2, W3):

 

                                                    I₄= I₁+ I₂+ I₃.                                                  (13.1)

 

 Из токораспределения, показанного на рисунке 13.2, видно, что вторичные токи, соответствующие I_1В, I_2В, I_3В и первичным токам, притекающим к шинам, направлены в обмотке реле противоположно вторичному току I_4В (первичный ток которого утекает от шин). Ток в реле

 

                      .                        (13.2)

 

Выражая вторичные токи через первичные и учитывая ра­венство (13.1), получаем, что ток

 

                             .

Следовательно, если пренебречь погрешностями ТТ, то при внешних КЗ ток в реле отсутствует. С учетом токов намагни­чивания вторичные токи ТТ

                   и.т.д.

Подставив эти значения вторичных токов в выражение (13.2), получим

           .                  (13.3)

Это выражение позволяет сделать вывод, что вследствие погрешности ТТ в реле появляется ток небаланса     , равным геометрической разности токов намагничивания ТТ на повреж­денном присоединении W4 и ТТ всех остальных неповрежден­ных присоединений   (Wl, W2, W3), по которым ток КЗ прите­кает к шинам. В общем случае

 

                                                (13.3а)

 

Защита не будет действовать при условии, что ток срабаты­вания реле будет больше максимального тока небаланса, воз­никающего при i_{К max} во время внешнего КЗ:

                                            

 

При КЗ на шинах (см.рисунок 13.2) по всем присоединениям, имею­щим источники питания (генераторы), ток КЗ направляется к месту повреждения, т.е. к шинам подстанции. Вторичные токи направлены в обмотке реле одинаково, поэтому ток в реле равен их сумме:

 

                                                                  (13.4)

 

Так как

,

то

                                                             i_p = i_k/k₁.                                                                           (13.5)

 

Выражение 13.5 показывает, что при КЗ на шинах ДЗШ реагирует на полный ток I_к в месте КЗ. Защита будет дей­ствовать, если I_к > I_с.з.

В нормальном режиме сумма токов, приходящих к шинам, всегда равна сумме токов, отходящих от шин, поэтому ток в реле равен нулю: I_р = 0. Из-за погрешности ТТ в реле появляет­ся ток небаланса, который невелик в нормальном режиме и увеличивается при внешнем КЗ.

    

14 Лекция. Защита электродвигателей

 

Содержание лекции:

- рассматриваются основные защиты электродвигателей от всех видов КЗ.

 Цель лекции:

- изучить принцип действия защит и схемы защит двигателей от всех видов КЗ и перегрузки.

 

14.1 Защита электродвигателей от КЗ между фазами и от перегрузки

 

Междуфазные КЗ в обмотках статора сопровождаются боль­шими токами КЗ и вызывают значительные разрушения по­врежденных электродвигателей. Поэтому РЗ электродвигате­лей от междуфазных повреждений является обязательной. На электродвигателях, подверженных перегрузкам, устанав­ливается РЗ от перегрузки, которая в зависимости от условий работы и обслуживания электродвигателей выполняется дей­ствующей на сигнал, разгрузку приводимого механизма или отключение электродвигателя.

Защита от КЗ между фазами является основной РЗ электро­двигателей, и установка ее обязательна во всех случаях. В ка­честве РЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт от КЗ согласно ПУЭ применяется МТЗ (токовая отсечка). Наиболее просто токовая отсечка выполняется с реле прямого действия, встроенными в привод выключателя. С реле косвенного дей­ствия отсечка выполняется с независимыми токовыми реле по схемам на рисунках 14.1 и 14.2. Ток срабатывания должен быть отстроен от броска пускового тока электродвигателя

                                                  I_с.р = k_отс k_сх I_пуск / K_I,                                         (14.1)

 

где k_cx - коэффициент схемы, равный  для схемы на рисунке 14.1 и 1 для схемы на рисунке 14.2;

I_пуск - пусковой ток электродвига­теля;

k_отс - коэффициент отстройки, значение которого прини­мается равным: 1,8 - для реле типа РТ-40, действующих через промежуточное реле с временем срабатывания 0,04-0,06 с; 2 - для реле прямого действия и индукционных реле типов РТ-82 и РТ-84 . Если ток срабатывания отсечки отстроен от пускового тока электродвигателя, то она надежно отстроена и от тока, кото­рый электродвигатель посылает в сеть при внешнем КЗ.

Токовую РЗ электродвигателей мощностью до 2000 кВт сле­дует выполнять, как правило, по наиболее простой и дешевой однорелейной схеме (см.рисунок 14.1). Недостатком этой схемы является более низкая чувствительность по сравнению с отсеч­кой, выполненной по схеме на рисунке 14.2, к двухфазным КЗ меж­ду одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой без ТТ. Это имеет место, так как ток срабатывания реле отсечки, выполненной по однорелейной схеме, в  раз больше, чем в двухрелейной схеме.

Поэтому  на  электродвигателях  мощностью  2000-5000  кВт токовая  отсечка  выполняется  двухрелейной.   Двухрелейную схему отсечки следует также применять на электродвигателях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительности однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя окажется менее двух (k_ч < 2).

 

                      

 

 а) цепи тока; б) цепи оперативного        а) цепи тока; б) цепи оперативного

        постоянного тока                                      постоянного тока                    

 Рисунок 14.1 - Схема однорелейной       Рисунок 14.2 - Схема двухрелейной

  токовой отсечки электродвигателя         токовой отсечки электродвигателя

На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более устанавливается продольная дифференциальная РЗ, обеспечивающая более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках электродвигателей, чем токовая отсечка и МТЗ. Дифферен­циальная РЗ предусматривается и на электродвигателях мощ­ностью до 5000 кВт, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности. Дифференциальная РЗ обычно вы­полняется в двухфазном исполнении с реле типа РНТ-565. Ток срабатывания РЗ, который должен быть отстроен от I_нб при пуске электродвигателей, рекомендуется принимать:

 

                                                   I_с.з = 2I_ном.                                                  (14.2)

 

Коэффициент чувствительности РЗ при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя должен быть не менее двух. В тех случаях, когда РЗ с реле РНТ-565, отстроенная от больших токов небаланса, не обеспечивает необходимой чувствительности, используются дифференциальные реле типа ДЗТ-11 с торможе­нием. Подобные РЗ, в частности, применяются на асинхрон­ных электродвигателях типа АТД 5000-8000 кВт, а также на синхронных электродвигателях мощностью более 5000 кВт.

Защита электродвигателей от перегрузки. Перегрузка электродвигателей возникает при затянувшем­ся пуске и самозапуске; из-за перегрузки приводимых механиз­мов. Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя, кратковременны и самоликвидируются при достижении нормальной частоты вращения. Значительное увеличение тока электродвигателя получа­ется также при обрыве фазы, что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при пере­горании одного из них. При номинальной загрузке в зависимо­сти от параметров электродвигателя увеличение тока статора при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6 - 2,5)I_ном. Эта перегрузка носит устойчивый характер. Также устойчивый ха­рактер носят сверхтоки, обусловленные механическими по­вреждениями электродвигателя или вращаемого им механиз­ма и перегрузкой механизма. Основной опасностью сверхто­ков является сопровождающее их повышение температуры от­дельных частей, и в первую очередь обмоток. Повышение тем­пературы ускоряет износ изоляции обмоток и снижает срок службы двигателя.

При решении вопро­са об установке РЗ от перегрузки и характере ее действия  руководствуются условиями работы электродвигателя, имея в виду возможность устойчивой перегрузки его приводного механизма:

а) на электродвигателях механизмов, не подверженных тех­нологическим перегрузкам (например, электродвигателях цир­куляционных, питательных насосов и т. п.) и не имеющих тяжелых условий пуска или самозапуска, РЗ от перегрузки не устанавливается;

б) на электродвигателях, подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях мельниц, дроби­лок, багерных насосов и т. п.), а также на электродвигателях, самозапуск которых не обеспечивается, РЗ от перегрузки долж­на устанавливаться;

в) защита от перегрузки выполняется с действием на отклю­чение в случае, если не обеспечивается самозапуск электро­двигателей или с механизма не может быть снята технологи­ческая перегрузка без остановки электродвигателя;

г) защита от перегрузки электродвигателя выполняется с действием на разгрузку механизма или сигнал, если техноло­гическая перегрузка может быть снята с механизма автомати­чески или вручную персоналом без остановки механизма и элект­родвигатели находятся под наблюдением персонала;

д) на электродвигателях механизмов, могущих иметь как перегрузку, устраняемую при работе механизма, так и пере­грузку, устранение которой невозможно без останова механиз­ма, целесообразно предусматривать действие РЗ от сверхтоков с меньшей выдержкой времени на отключение электродвига­теля. В тех случаях, когда ответственные электродвигатели собственных нужд электростанций находятся под постоянным наблюдением дежурного персонала, тогда РЗ их от перегруз­ки можно выполнить с действием на сигнал. Защиту электродвигателей, подверженных технологической перегрузке, желательно иметь такой, чтобы она, с одной сто­роны, защищала от недопустимых перегрузок, а с другой давала возможность наиболее полно использовать перегрузоч­ную характеристику электродвигателя с учетом предшество­вавшей нагрузки и температуры окружающей среды.

Защита от перегрузки с токовыми реле. Для защиты электро­двигателей от перегрузки обычно применяются МТЗ с использованием реле с ограниченно зависимыми характеристиками типа РТ-80 или МТЗ с независимыми токовыми реле и реле вре­мени (см.рисунок 14.2).

а), в) цепи переменного тока; б), г) цепи переменного оперативного

тока для защит с независимой и с зависимой выдержками времени

соответственно.

Рисунок 14. 2 – Схема защит электродвигателей от перегрузки

 

Максимальная токовая РЗ с независимой выдержкой време­ни в одно-релейном исполнении (см.рисунок 14.2, а, б) применяется на всех асинхронных электродвигателях собственных нужд теп­ловых и атомных электростанций, а на промышленных пред­приятиях - для всех синхронных (когда она совмещена с РЗ от асинхронного режима) и асинхронных электродвигателей, являющихся приводами ответственных механизмов, а также для неответственных асинхронных электродвигателей с вре­менем пуска более 12-13 с.

В случае выполнения РЗ от междуфазных КЗ при помощи токовых реле типа РТ-80 эти же реле используются и для защи­ты от перегрузки. Если при этом РЗ от сверхтоков должна дей­ствовать не на отключение, а на сигнал, то применяются реле типа РТ-84, имеющие раздельные контакты отсечки и индук­ционного элемента (см.рисунок 14.2, в, г).

Ток срабатывания МТЗ от перегрузки устанавливается из условия отстройки от I_ном электродвигателя:

 

                                                     I_с.з=k_отсI_ном/k_в.                                                                                   (14.3)

 

Время действия МТЗ от перегрузки t_э.п должно быть таким, чтобы оно было больше времени пуска электродвигателя t_nycк, а у электродвигателей, участвующих в самозапуске, больше времени самозапуска.

Время пуска асинхронных электродвигателей обычно состав­ляет 10-15 с. Поэтому характеристика реле типа РТ-80 должна иметь в независимой части время, не меньшее 12-15 с. На РЗ от перегрузки с независимой характеристикой выдержка вре­мени принимается 12-20 с.

 

14.2 Защита электродвигателей от замыканий на землю

 

В соответствии с ПУЭ РЗ от замыканий на землю в обмотке статора с действием на отключение устанавливается на элект­родвигателях мощностью 2000 кВт и более при токах замыка­ния на землю более 5 А, а на электродвигателях меньшей мощ­ности - при токах замыкания на землю более 10 А. В эксплуата­ции, однако, при токах замыкания на землю более 5 А РЗ от замыканий на землю часто устанавливают на электродвигате­лях любой мощности, что способствует ограничению их повреж­дений при замыканиях на землю. Защита от замыканий на землю реагирует на емкостный ток сети и выполняется с помощью одного токового реле типа РТЗ-51 (РТЗ-50, применявшихся раньше), которое подключает­ся к ТТ нулевой последовательности (ТТНП), установленному на кабеле, питающем двигатель.

Применяются ТТНП типов ТЗ, ТЗЛ, ТЗЛМ и др. (см.рисунок 14.3, а). В случае, когда питание электродвигателя осуществляется по нескольким параллельным кабелям (двум-четырем), вто­ричные обмотки ТТНП, надетые на каждый из них, соединяют­ся последовательно или параллельно.

а) защита двигателя от замыканий на землю; б) схема подключения

дополнительного трансформатора с заземляющими резисторами.

Рисунок 14.3 – Структурная схема защиты от замыканий на землю

  

Ток срабатывания РЗ выбирается на основании тех же соображений, что и для аналогичной РЗ кабельных линий, реагирующих на емкостный ток (50 Гц)              

                                                                           (14.3)

 

где I_С - собственный емкостный ток электродвигателя; k_OTC -коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,2-1,3; k_б -коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока электро­двигателя при внешних перемежающихся замыканиях на землю. Для РЗ, действующей без выдержки времени, значе­ние этого коэффициента принимается равным 3-4. Для повы­шения чувствительности РЗ допускается принимать уменьшенное значение k_б = 1,5  2. Защита при этом выполняется с выдержкой времени 1-2 с.

В целях уменьшения перенапряжений при замыканиях на землю в сети собственных нужд (СН) энергоблоков ТЭС и АЭС большой мощности, а также повышения чувствительности и селективности действия РЗ электродвигателей 6 кВ и транс­форматоров СН 6,3/0,1 кВ, эти сети работают с нейтралью, за­земленной через резистор. Для этого на каждой секции блочных СН 6,3 кВ устанавливается дополнительный заземляю­щий трансформатор (ДТ), например, типа ТСЗК-63 со схемой со­единения обмоток звезда с заземленной нейтралью - треуголь­ник. В нейтраль ДТ включаются параллельно два высоковольт­ных заземляющих резистора по 200 Ом каждый, изготовлен­ные из специального электротехнического бетона (бетела) (см.рисунок 14.3, б).

15 Лекция. Общая структура и конструктивное исполнение МУРЗ

 

Содержание лекции:

- основные сведения о микропроцессорных устройствах релейной защиты, автоматики, дистанционного управления.  Характеристики микропроцессорных устройств.

Цель лекции:

- ознакомиться с новым направлением исполнения элементной базы в  виде цифровых терминалов и новой аппаратуры для проверки цифровых терминалов.

 

15.1 Общая структура и конструктивное исполнение МУРЗ

 

Большинство фирм производителей оборудования РЗА прекращают выпуск электромехани­ческих реле и устройств и переходят на цифровую элементную базу.  Переход на новую элементную базу не приводит к изменению принципов релейной защиты и электроавтоматики, а только расширяет ее функциональные возможности, упрощает экс­плуатацию и снижает ее стоимость. Именно по этим причинам микропроцессорные устройст­ва очень быстро занимают место устаревших электромеханических и микроэлектронных ре­ле.  Основные характеристики микропроцессорных защит значительно выше, чем у микроэлек­тронных, а тем более электромеханических.     

Так, мощность, потребляемая от измерительных трансформаторов тока и напряжения, находится на уровне 0,1-0,5 ВА, аппаратная погреш­ность в пределах 2-5%, коэффициент возврата измерительных органов составляет 0,96-0,97.

Мировыми лидерами в производстве устройств РЗА являются европейские концерны SIEMENS, ALSTOM, ABB. Общей для них является тенденция все большего перехода на цифровую технику. Цифровые защиты, выпускаемые этими фирмами, имеют высокую стои­мость, которая, впрочем, окупается их высокими техническими характеристиками и много­функциональностью. Микропроцессорную аппаратуру выпускают и другие фирмы: GE Мultilin, SEL. Переход на цифровые способы обработки информации в устройствах РЗА не привел к появлению каких-либо новых принципов построения защиты электроустановок, но сущест­венно улучшил эксплуатационные качества реле.

Современные цифровые устройства РЗА интегрировали в рамках единого информационного комплекса функции релейной защиты, измерения, регулирования и управления электроуста­новкой. Такие устройства в структуре автоматизированной системы управления техноло­гическим процессом (АСУ ТП) энергетического объекта являются оконечными устройствами сбора информации. В интегрированных цифровых комплексах РЗА появляется возможность перехода к новым нетрадиционным измерительным преобразователям тока и напряжения на основе оптоэлектронных датчиков, трансформаторов без ферромагнитных сердечников и т. д. Эти преобразователи технологичнее при производстве, обладают очень высокими мет­рологическими характеристиками, но имеют малую выходную мощность и непригодны для работы с традиционной аппаратурой. Цифровые устройства РЗ различного назначения имеют много общего, а их структурные схе­мы очень похожи и подобны представленной на рисунке 15.1. Центральным узлом цифрового уст­ройства является микроЭВМ, которая через свои устройства ввода-вывода обменивается информацией с периферийными узлами. С помощью этих дополнительных узлов осуществ­ляется сопряжение микроЭВМ (микропроцессора) с внешней средой: датчиками исходной информации, объектом управления, оператором и т. д.

Аналоговые выходы

 

 

Рисунок 15.1 – Структурная схема микропроцессорной защиты

 

Следует отметить, что в реальном устройстве РЗ может использоваться несколько микро­процессоров (МП), каждый из которых будет занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия. Так, фирма АLSТОМ, для этой цели, использует один мощный процессор, а фирма АВВ, использует 4-10 МП, работающих па­раллельно.

Основными узлами МУРЗ являются: 1 - внутренние транс­форматоры тока и нап­ряжения ПТН и ПТТ (входные преобразователи);  2 - антиалиазинговые фильтры; 3 - цепи выборки и за­поминания (sample-and-hold circuit); 4 - мультиплексор; 5 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);   6 - микропроцессор;    7 - таймер;    8 - электрически стира­емое перепрограмми­руемое запоминающее устройство (ЕЕРРОМ);  9 - оперативная память (РАМ);   10 - постоянное запо­минающее устройство (РОМ);  11 - логические входы-выходы; 12 - клавиатура и дис­плей;   13 - сериальный порт; 14 - оптроны; 15 - выходные реле.

Основные функции вышеперечисленных узлов следующие:

Входные преобразователи  обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей от внут­ренних цепей устройства. Одновременно, входные преобразователи осуществляют приведе­ние контролируемых сигналов к единому виду (как правило, к напряжению) и нормированно­му уровню. Здесь же осуществляется предварительная частотная фильтрация входных сиг­налов перед их аналого-цифровым преобразованием. Одновременно принимаются меры по защите внутренних элементов устройства от воздействия помех и перенапряжений. Разли­чают преобразователи входных сигналов аналоговые         (1) и логические (14). Первые стремятся выполнить так, чтобы обеспечить линейную (или нелинейную, но с известным за­коном) передачу контролируемого сигнала во всем диапазоне его изменения. Преобразова­тели логических сигналов, наоборот, стремятся сделать чувствительными только к узкой об­ласти диапазона возможного нахождения контролируемого сигнала. Выходные релейные преобразователи(15). Воздействия реле на защищаемый объект традиционно осуществляется в виде дискретных сигналов управления. При этом выходные цепи устройства защиты выпол­няются так, чтобы обеспечить гальваническую развязку коммутируемых цепей как между со­бой, так и относительно внутренних цепей устройства РЗ. Выходные преобразователи долж­ны обладать соответствующей коммутационной способностью и, в общем случае, обеспечи­вать видимый разрыв коммутируемой цепи.

Тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор (4) и собственно аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - 5. Мультиплексор - это электронный коммутатор, по­очередно подающий контролируемые сигналы на вход АЦП. Применение мультиплексора по­зволяет использовать один АЦП (как правило, дорогостоящий) для нескольких каналов. В АЦП осуществляется преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорцио­нальное ему цифровое значение. Преобразования выполняются с заданной периодичностью. В последующем в микроЭВМ  (6) по этим выборкам из входных сигналов рассчитываются инте­гральные параметры контролируемых сигналов - их амплитудные или действующие значе­ния.

Блок питания - обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы рас­сматриваемого устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети. Обычно это импульсный БП от сети постоянного тока. Имеются также блоки питания от цепей переменного тока и напряжения.

Дисплеи и клавиатура (12)  являются непременными атрибутами любого цифрового устройства, позволяя оператору получить информацию от устройства, изменять режим его работы, вво­дить новую информацию. Надо отметить, что дисплей и клавиатура в цифровых реле, как правило, реализуются в максимально упрощенном виде: дисплей - цифробуквенный, одно- (или несколько-) строчный; клавиатура - несколько кнопок.

Порт связи с внешними цифровыми устройствами. Достоинством цифровых устройств явля­ется возможность передачи имеющейся информации в другие цифровые системы: АСУ ТП, персональный компьютер и т. д., что позволяет интегрировать различные системы, экономя на каналах связи, затратах на предварительную обработку сигналов и т. п. Комму­никационный порт - необходимый элемент для дистанционной работы с данным устройст­вом.

Наряду с вышеперечисленными, в цифровых устройствах, в общем случае, могут встретить­ся и другие узлы, например, цифро-аналоговые преобразователи при формировании анало­говых сигналов управления и регулирования.

Практически вся обработка информации в любом цифровом устройстве осуществляется внутри микроЭВМ по определенному алгоритму, реализованному в виде программы работы.

Аналоговые сигналы, полученные от измерительных транс­форматоров в виде синусоидальных токов и напряжений, после преобразования в промежуточных трансформаторах ПТН и ПТТ и частотных фильтрах ЧФ необходимо превратить в дискрет­ные, поскольку их обработка производится в МПС, построенных на цифровых микросхемах. Поэтому аналоговый выходной сиг­нал частотных фильтров ЧФ подается в устройство АЦП, пред­усмотренное для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую). В АЦП измерение значения синусоидального тока (напряжения) происходит в определенные моменты времени t_l t₂ ... t_n с интервалом времени t (см.рисунок 15.2, а).

а) дискретизация по времени; б) дискретизация по параметру.

Рисунок 15.2 – Характеристика входной величины (тока или напряжения)

 

В эти моменты вре­мени фиксируются соответствующие им мгновенные значения, которые используются как дискретные значения синусоидаль­ного тока. Полученные таким образом дискретные сигналы через интервалы времени t передаются последовательно в мо­менты времени                t₁, t₂... t_n на ввод МПС в виде двоичного цифро­вого кода (1, когда есть импульс тока и 0, когда сигнал отсутст­вует). Эта операция часто называется выборкой. Очень важно чтобы значения измеряемых дискретных значений тока и на­пряжения точно соответствовали действительным значениям синусоидам этих величин. Кроме дискретизации по времени предусмотрена дискретизация по значению входной величины (тока или напряжения), как показано на рисунке 15.2, б. Момент вы­борки сигналов определяется мультивибратором, непрерывно с интервалом t генерирующим тактовые импульсы. Для получения с помощью дискретных сигналов, возможно большей точности представления действительной синусоиды интервал t нужно выбирать, возможно, меньше. Однако сле­дует иметь в виду, что при последовательной передаче сигна­лов это замедляет процесс обработки и ухудшает быстродейст­вие РЗ.

Сигнал с выхода АЦП поступает в устройство обработки ин­формации, каким является МПС. Основным элементом цифро­вой РЗ является МП, схема которого позволяет использовать его в качестве вычислительного устройства, производящего арифметические и логические операции, необходимые для выполнения им функций РЗ, представленных в виде алгорит­мов действия ее измерительных и логических органов.

Микропроцессор состоит из трех основных частей:

- арифметико-логического устройства АЛУ, реализующего арифметические операции (сложение, вычитание и др.), логи­ческие операции (И, ИЛИ, НЕ);

- сверхоперативного запоминающего устройства СОЗУ, состо­ящего из набора регистров, обеспечивающих промежуточное хранение данных до завершения операций, проводимых в МП; ра­ботой МП (АЛУ и СОЗУ) по заданной программе. Элементы МП связаны между собой информационными ши­нами, представляющими из себя группу линий передачи ин­формации, объединенных общим функциональным признаком (шины данных, адресов и управления). Для выполнения функ­ций какой-либо РЗ, МП дополняется внешними устройствами памяти, образуя микропроцессорную систему (МПС). На рисунках 15.3, 15.4, 15.5 приведены примеры модулей  МУРЗ типа SIPROTEC  SIEMENS и Nari-Relays

 

                    

 

  Рисунок 15.3 - Конструкция реле     Рисунок 15.4 - Модуль выходных реле

типа SIPROTEC 7UT 612 SIEMENS              компании Nari-Relays

 

1 - 32 Мb СМОS флэш-память типа S29AL32090; 2 - коммуникационный контроллер типа МPC860EN; 3 - центральный процессор типа МСF5280CVM66 (Freescale); 4 - синхронизированная динамическая оперативная память типа 48LС2М3282; 5 - выходные реле типа V23061-A1001; 6 - конденсаторы (4,7 нФ, 250 В) включенные параллельно; 8 - стабилитрон; 9 - транзисторы; 10 - оптроны типа SFH601.

Рисунок 15.5 - Комбинированный модуль МУРЗ типа SIPROTEC 7UT 612 SIEMENS    

Список литературы

1. Булычев, А. В. Релейная защита электроэнергетических систем: учебное пособие/А. В. Булычев, В. К. Ванин, А. А. Наволочный, М. Г. Попов. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. — 211 с.

2. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем./Под ред. А.Ф. Дьякова. - М.: Изд. МЭИ, 2002. - 295 с.

3. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. "Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов". - М.: Энергоатомиздат, 1998.

4. Шабад М.А. Расчеты РЗ и А распределительных сетей: Монография. - СПб.: ПЭИПК, 2003. – 350 с.

5. Овчинников В.В. Защита электрических сетей 0,4-35 кВ ч.1,ч.2. - М.: Издательство редакции журнала “Энергетик”, 2002.

6. Шабад М.А. Защита генераторов малой и средней мощности. - М.: НТФ « Энергопрогресс», 2001.- 96 с.

7. Авербух А.М. Релейная защита в задачах с решениями и примерами. - М.: Энергия, 1975. - 416 с.

8. Правила устройства электроустановок Минэнерго РК. Издание - Астана, 2008.

9. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций/Под ред. Э.С. Мусаэляна. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

10.  Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13А. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 112 с.

11. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Расчеты. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 96 с

 Сводный план 2013 г., поз.236