РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В данной статье речь пойдет о типовых схемах соединений обмоток трансформаторов тока (ТТ) и реле.

В трехфазных электрических сетях переменного тока всех классов напряжения ТТ для питания устройств РЗ устанавливаются в двух или в трех фазах: как правило, в сетях 6 и 10 кВ с малыми токами замыкания на землю в двух фазах (А и С), в сетях 35 кВ и обязательно в сетях 110 кВ и выше в трех фазах. Все три фазы оснащаются ТТ и в сетях напряжением до 1 кВ, если они работают с глухозаземленной нейтралью.

При выполнении токовых защит используются следующие четыре схемы соединения вторичных обмоток ТТ и токовых цепей реле тока [Л1, с.41]:

• полная звезда (трехфазная, трехрелейная);
• неполная звезда (двухфазная, двухрелейная);
• неполная звезда с реле в обратном проводе (двухфазная, трехрелейная);
• включение реле на разность токов двух фаз (двухфазная, однорелейная).

Схемы характеризуются отношением тока в реле lр к вторичному I2 току ТТ, называемым коэффициентом схемы.

Схема полной звезды ТТ

В схеме полной звезды (рис. 1, а) в реле проходят вторичные токи измерительных трансформаторов, поэтому коэффициент схемы kcx=1.

Защита может срабатывать при любом виде КЗ. Эта схема применяется обычно в сетях с глухозаземленной нейтралью, в которых могут возникать не только междуфазные, но и однофазные КЗ, сопровождающиеся протеканием тока в одной фазе. В сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью (6-35 кВ) схема, как правило, не применяется, так как в этих сетях могут возникать лишь междуфазные КЗ, для фиксации которых достаточно иметь трансформаторы тока в двух фазах. Схема относительно дорогая, так как требует трех ТТ и трех реле тока.

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Транскрипт

1 СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Э. А. КИРЕЕВА, С. А. ЦЫРУК РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УЧЕБНИК Рекомендовано Федеральным государственным учреждением «Федеральный институт развития образования» в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы среднего профессионального образования по специальности «Электрические станции, сети и системы» Регистрационный номер рецензии 47 от 12 марта 2010 г. ФГУ «ФИРО» 3-e издание, стереотипное

2 УДК (075.32) ББК я723 К43 Рецензенты: ректор Института повышения квалификации энергетиков, д-р техн. наук, проф. О.А.Терешко; зам. начальника кафедры систем электроснабжения ракетных комплексов ВА РВСН им. Петра Великого, канд. техн. наук В.В. Зоринец К43 Киреева Э.А. Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Э.А. Киреева, С.А. Цырук. 3-е изд., стер. М. : Издательский , с. ISBN Рассмотрены схемы, принципы действия, области применения токовых защит и расчеты их уставок. Приведены основные сведения о дистанционных и высокочастотных защитах, защитах трансформаторов, двигателей, шин и линий. Описаны схемы и принцип действия автоматического повторного включения, автоматического включения резерва, автоматической частотной разгрузки и частотного автоматического повторного включения, а также микропроцессорных устройств защиты. Учебник может быть использован при освоении профессионального модуля ПМ.02 «Эксплуатация электрооборудования электрических станций, сетей и систем» (МДК.02.02) по специальности «Электрические станции, сети и системы». Для студентов учреждений средних профессиональных учебных заведений. УДК (075.32) ББК я723 Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского , и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается ISBN Киреева Э. А., Цырук С. А., 2010 Образовательно-издательский , 2010 Оформление. Издательский , 2010

3 ПРЕДИСЛОВИЕ Релейная защита является важнейшей и наиболее ответственной составляющей автоматики, применяемой в современных энергетических системах. Она осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и анормальных режимов в электрической части энергосистем, обеспечивая их надежную работу. В настоящее время релейная защита приобретает все б льшее значение в связи с ростом мощностей электростанций, повышением напряжения электрических сетей. Происходит постепенный переход релейной защиты и автоматики на микропроцессорную базу. Дальнейшее совершенствование релейной защиты и автоматики пойдет по пути более широкого использования цифровой техники. Ее преимуществом является возможность фиксации параметров, определяющих действие релейной защиты и автоматики в доаварийном и аварийном режимах, с последующей передачей сведений на пункты диспетчерской связи. В настоящем учебнике нашли отражение классические и современные устройства релейной защиты и автоматики, которые успешно эксплуатируются в энергосистемах России. При написании данного учебника авторы использовали свой многолетний опыт преподавания аналогичной дисциплины в Московском энергетическом институте (Техническом университете), а также свои книги и статьи по релейной защите, автоматике и телемеханике. В учебнике освещены основные вопросы и характерные особенности релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем и промышленных систем электроснабжения. Значительное внимание уделено микропроцессорной релейной защите и быстродействующим устройствам автоматики.

4 ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ АВР АГП АД АПВ АЧР БАВР БП БПН БПНС БПТ ВЛ ВН ВЧ ГВЧ ГПП ДГР ДО ДТЗ ЗРУ ИМС ИО ИОН ИОТ ИСП КЗ КРУ ЛО МДС МОТЗ МТЗ НН НТТ ОВД ПА ПВЧ ПОН ПС ПТТ ПУЭ РЗ РП автоматическое включение резерва автомат гашения поля асинхронный двигатель автоматическое повторное включение автоматическая частотная разгрузка быстродействующий АВР блок питания блок питания напряжением блок питания напряжением стабилизированный блок питания токовый воздушная линия высокое напряжение высокая частота генератор ВЧ главная понизительная подстанция дугогасящий реактор дистанционный орган (измерительный) дифференциальная токовая защита закрытое распределительное устройство интегральная микросхема измерительный орган измерительный орган напряжения измерительный орган тока источник стабилизированного питания короткое замыкание комплектное распределительное устройство логический орган магнитодвижущая сила максимальная однофазная токовая защита максимальная токовая защита низкое напряжение насыщающийся трансформатор тока обмотка возбуждения двигателя противоаварийная автоматика приемник ВЧ пусковой орган напряжения подстанция промежуточный ТТ правила устройства электроустановок релейная защита распределительный пункт 4

5 РС СД СШ ТАПВ ТН ТНП ТО ТТ ТТФ ТЭЦ УО УРОВ УСЗ ЧАПВ ЧЭАЗ ЭДС ЭС реле сопротивления синхронный двигатель сборные шины трехфазное АПВ трансформатор напряжения трансформатор тока нулевой последовательности токовая отсечка трансформатор тока трехтрансформаторный фильтр теплоэлектроцентраль управляющий орган устройство резервирования отказа выключателя устройство сигнализации замыканий частотное АПВ Чебоксарский электроаппаратный завод электродвижущая сила электрическая система

6 Глава 1 ПОВРЕЖДЕНИЯ И АНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 1.1. Общие сведения В электроэнергетических системах могут возникать как повреждения, так и анормальные режимы работы. Повреждения являются аварийными режимами, они могут привести к появлению значительных токов и глубокому понижению напряжения на шинах электростанций и подстанций. Ток повреждения может вызвать разрушение в месте повреждения и опасный нагрев проводов. Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы электростанций энергосистемы [14]. Анормальные режимы не являются аварийными, так как они обычно приводят лишь к отклонению напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а повышение напряжения и тока может привести к повреждению оборудования. Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обеспечения нормальной работы неповрежденной части энергосистемы необходимо быстрое отключение поврежденного участка. Опасных последствий анормальных режимов можно избежать за счет своевременного принятия соответствующих мер к их устранению (например, снижения тока при его увеличении), а при необходимости отключения электрооборудования, если создавшийся режим будет для него недопустим. На возникновение повреждений и анормальных режимов реагирует релейная защита, которая выявляет их и действует при повреждениях на отключение, а при анормальных режимах на сигнал или на отключение. Таким образом, релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем и электрических сетей. 6

7 1.2. Виды повреждений Основным видом повреждений линий являются короткие замыкания (КЗ). Причинами возникновения КЗ могут быть нарушения изоляции электрооборудования вследствие ее износа или перенапряжений, ошибочные действия оперативного персонала, перекрытия изоляторов при их загрязнении, нарушение изоляции животными и птицами и др. Возможные виды замыканий приведены в табл. 1.1 При трехфазном КЗ все три фазы замыкаются между собой в одной точке. Точка трехфазного КЗ обозначается К (3). Токи, напряжения, мощности, относящиеся к трехфазному КЗ, обозначаются соответственно I (3), U (3), S (3). Трехфазное КЗ наиболее тяжелый вид повреждения, вызывающий появление наибольших токов КЗ. Поэтому трехфазное КЗ является расчетным при определении максимального тока КЗ. При двухфазном КЗ происходит замыкание двух фаз между собой. Точка двухфазного КЗ обозначается К (2). Токи, напряжения, Виды замыканий Таблица 1.1 Схема Трехфазное КЗ Вид замыкания Двухфазное КЗ Двухфазное КЗ на землю Двойное замыкание на землю Однофазное короткое замыкание на землю Однофазное замыкание на землю 7

8 мощности, относящиеся к двухфазному КЗ, обозначаются соответственно I (2), U (2), S (2). Токи двухфазного КЗ содержат только составляющие прямой и обратной последовательностей. При двухфазном КЗ на землю замыкание двух фаз между собой сопровождается замыканием точки повреждения на землю (в системах с заземленными нейтралями). Точка двухфазного КЗ на землю обозначается К (1,1). Токи, напряжения, мощности, относящиеся к двухфазному КЗ на землю, обозначаются соответственно I (1,1), U (1,1), S (1,1). Токи двухфазного КЗ на землю содержат составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей. Двухфазное КЗ на землю является наиболее тяжелым после трехфазного КЗ для устойчивости энергосистемы и потребителей электроэнергии. Двойное замыкание на землю является следствием длительной работы сети с однофазным замыканием на землю. Замыкание на землю еще одной фазы в другой точке сети возникает из-за повышенных (до междуфазных) значений напряжений неповрежденных фаз относительно земли. При однофазном КЗ происходит замыкание одной из фаз на землю или на нулевой провод. Точка однофазного КЗ обозначается К (1). Токи, напряжения, мощности, относящиеся к однофазному КЗ, обозначаются соответственно I (1), U (1), S (1). Токи однофазного КЗ имеют составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей. Встречаются и другие виды КЗ, связанные с обрывом проводов и одновременными замыканиями проводов различных фаз. Трехфазное КЗ является симметричным, поскольку при этом все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды КЗ являются несимметричными, так как фазы не остаются в одинаковых условиях, а системы токов и напряжений получаются искаженными. Трехфазные КЗ возникают сравнительно редко (5 % общего числа КЗ). Наиболее часто встречаются однофазные замыкания на землю. На их долю приходится до 65 % общего числа замыканий. Как известно, сети напряжением 6, 10, 20 и 35 кв работают с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР), обладающий большим индуктивным сопротивлением. Работа сети с изолированной нейтралью считается допустимой, если ток в месте замыкания на землю в сетях напряжением 6, 10, 20 и 35 кв не превышает соответственно 30, 20, 15 и 10 А. При б льших токах нейтраль заземляют через ДГР. Ток однофазного замыкания на землю обусловлен емкостями фаз относительно земли. Напряжение замкнувшейся фазы относительно земли в связи с малым током замыкания на землю 8

9 можно считать в любой точке сети равным нулю. Ток замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью содержит составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей. Вероятность возникновения того или иного вида КЗ различна. В сети с глухозаземленной нейтралью (110 кв и выше) в месте замыкания проходит большой ток КЗ. В сети с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью ток однофазного замыкания на землю имеет небольшие значения, определяемые емкостью проводов сети относительно земли. В месте КЗ возникает, как правило, электрическая дуга, сопротивлением которой при расчетах токов повреждений обычно пренебрегают. В случае необходимости сопротивление дуги может быть учтено в соответствии с приближенным выражением [14] R д 1050 lд ª I, где l д длина дуги, м; I д ток дуги, А. д 1.3. Анормальные режимы К анормальным режимам относятся: перегрузка оборудования; повышение напряжения сверх допустимого значения; качания, возникающие при нарушении синхронной работы генераторов электростанций энергосистемы; асинхронный режим синхронного генератора без возбуждения (например, при отключении автомата гашения поля). Наиболее часто встречающимся анормальным режимом является перегрузка электрооборудования, вызванная протеканием сверхтока, т. е. тока, превышающего номинальный. Перегрузка имеет место при технологических процессах производства, в послеаварийных режимах, при расширении производства и росте нагрузок, при профилактических и ремонтных работах. При перегрузке происходит дополнительный нагрев электрооборудования, что приводит к ускоренному старению изоляции токоведущих частей. Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или (при необходимости) отключению. Опасное для изоляции оборудования повышение напряжения может возникнуть, например, при одностороннем отключении или включении длинной линии высокого напряжения с большой емкостной проводимостью. Ликвидация опасных повышений напряжения в сетях сверхвысокого напряжения осуществляется с помощью специальной автоматики. 9

10 Качание очень опасный анормальный режим, отражающийся на работе всей энергосистемы. По характеру изменения тока и напряжения качания похожи на КЗ. Большинство устройств релейной защиты (РЗ) могут отключать защищаемые линии при качаниях. Однако эти отключения носят хаотичный характер, что может привести к частичному или полному нарушению электроснабжения потребителей. При асинхронном режиме, как правило, возникает пульсация тока статора генератора, что для некоторых типов генераторов является недопустимым, особенно при длительной работе в таком режиме. Контрольные вопросы 1. Какие повреждения могут возникать в электроэнергетических системах? 2. Какие анормальные режимы могут иметь место в электроэнергетических системах? 3. Чем отличаются анормальные режимы от аварийных? 4. Какими бывают двухфазные КЗ? 5. Какие КЗ являются симметричными? 6. Какие последствия имеет перегрузка электрооборудования?

Схема неполной звезды ТТ

В схеме неполной звезды (рис. 1, б) в реле тока проходят вторичные токи ТТ, установленных в фазах А и С. Коэффициент схемы kcx = 1. Схема нашла широкое распространение в сетях с изолированной нейтралью, поскольку она обеспечивает отключение любого междуфазного КЗ (двухфазного или трехфазного).

Недостатком схемы является пониженная (в 2 раза по сравнению с предыдущей схемой) чувствительность максимальной токовой защиты при двухфазном КЗ АВ за трансформатором со схемой соединения обмоток У/Д-11, поскольку при этом в реле защиты проходит ток, в 2 раза меньше, чем в схеме полной звезды.

Принцип действия защиты

Дистанционная защита (ДЗ) – название, говорящее о том, что она реагирует на расстояние до точки короткого замыкания. А если говорить точнее: логика ее работы зависит от места расположения точки замыкания, которое и определяет защита.

Делает она это с помощью устройств, называемых реле сопротивления.

Их задача: косвенным образом измерить сопротивление от места расположения защиты до точки короткого замыкания. А для этого, по закону Ома, ей требуются не только ток, но и напряжение, получаемое от установленного на шинах подстанции трансформатора напряжения.

Реле сопротивления срабатывает при условии:

Здесь Zуст – уставка сопротивления срабатывания реле. Измеряемая величина является фиктивной, так как в некоторых режимах работы (например, при качаниях) ее физический смысл, как сопротивления, теряется.

Уставок срабатывания, а, следовательно, и реле сопротивления у ДЗ, как правило, не менее трех.

Защищаемая область делится на участки, называемые зонами. Время срабатывания для каждой из зон свое. А уставка реле сопротивления равна сопротивлению до точки в конце соответствующей зоны. Для пояснения вспомним пример с подстанциями и линиями.

Уставка первой зоны ДЗ

Рассчитывается так, чтобы она защищала только свою отходящую линию. Но не до самого конца, а с учетом погрешности измерения сопротивления – 0,7-0,85 ее длины. При срабатывании первой зоны ДЗ линия отключается с минимально возможной выдержкой времени, так как находится гарантированно на ней.

Вторая зона ДЗ

Резервирует отказ защиты следующей подстанции. Для чего она реагирует на в конце линии №2. И первая зона ДЗ для выключателя второй линии от подстанции №2 выставлена на сопротивление до той же самой точки КЗ, но уже от шин этой подстанции. Но выдержка времени 2 зоны ДЗ подстанции №1 больше, чем 1 зоны ДЗ подстанции №2.

Этим обеспечивается требуемая селективность: выключатель второй линии от подстанции №2 отключится раньше, чем отработает реле времени защиты на подстанции №1.

Третья зона ДЗ

Необходима для резервирования защиты следующей линии, если она есть в наличии. Дополнительного количества зон не предусматривается.

Интересное видео о настройке дистанционной защиты смотрите ниже:

Схема неполной звезды ТТ с реле в обратном проводе

В схеме неполной звезды с реле в обратном проводе (рис. 1, в) через реле 3КА, включенное в обратный провод, проходит сумма вторичных токов фаз А и С или (при междуфазных КЗ) ток фазы В с обратным знаком [Л1, с.42]:

Схема обладает достоинством схемы неполной звезды (использование двух ТТ) и имеет такую же чувствительность при двухфазных КЗ за трансформатором У/Д-11, как и схема полной звезды. Коэффициент схемы kcx = 1.

Схема неполной звезды с реле в обратном проводе или без него нашла широкое распространение в токовых защитах линий напряжением до 35 кВ включительно (т.е. в сетях с изолированной нейтралью).

Коэффициент схемы релейной защиты

Релейная защита

В последнее время увеличилось число случаев выхода из строя силовых трансформаторов в связи с естественным старением изоляции обмоток и несанкционированным сливом масла из бака трансформатора, в результате чего происходят необратимые процессы в изоляции обмоток. Периодическое проведение технического обслуживания и ремонта, диагностика, испытание трансформаторов на их пригодность к дальнейшей эксплуатации не исключают возможности возникновения повреждения, считают наши украинские авторы. Для минимизации повреждений они предлагают свой способ построения релейной защиты трансформатора.

Конструкция РЗА

Устройство релейной защиты представляет собой схему из следующих частей:

1. Пусковые органы – реле напряжения, тока, мощности. Предназначены для контроля режима работы электрооборудования, а также обнаружения нарушений в цепи.
2. Измерительные органы – могут также находиться в пусковых органах (реле тока, напряжения). Основное назначение – запуск других устройств, подача сигнала в результате обнаружения ненормального режима работы, а также мгновенное отключение приборов или с задержкой по времени.
3. Логическая часть. Представлена таймерами, а также промежуточными и указательными реле.
4. Исполнительная часть. Отвечает непосредственно за отключение или же включение коммутационных аппаратов.
5. Передающая часть. Может быть использована в дифференциально-фазной защите.

Напоследок рекомендуем вам просмотреть полезное видео по теме:

Это и все, что мы хотели рассказать вам о назначении релейной защиты и требованиях, предъявляемых к ней. Надеемся, теперь вы знаете, что такое РЗА, какая у нее область применения и из чего она состоит.

Будет полезно прочитать: