НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕЙ 1 страница

Нормальная работа электроустановок и потребителей электроэнергии нарушается при возникновении повреждений и ненормальных режимов, которые сопровождаются возраста­нием тока, снижением или повышением напряжения и частоты. В этом случае возможны по­вреждения оборудования и нарушения синхронизма в электроэнергетической системе (ЭЭС). В связи с этим возникает необходимость в создании и применении различных автоматиче­ских устройств, защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Большинство повреждений в ЭЭС приводит к возникновению раз­личного вида коротких замыкания (к.з.) - наиболее опасных и тяжелых видов повреждений, которые сопровождаются значительным возрастанием тока, снижением напряжения и сопро­тивления. Ток короткого замыкания (I_кз), протекая по элементам ЭЭС, может вызвать раз­рушения, размеры которых тем больше, чем больше величина I_кз и время его протекания. Последнее следует из электродинамическою и термического действия I_кз.

Снижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей и может вызвать оста­новку асинхронных двигателей, что приводит к расстройству технологического процесса на предприятиях. Снижение напряжения может вызвать нарушение устойчивости в ЭЭС и при­вести к дальнейшему тяжелому развитию аварии.

Релейная защита (РЗ) представляет собой автоматическое устройство, предназначенное для защиты ЭЭС и ее элементов от опасных последствий повреждений и ненормальных ре­жимов. РЗ производит автоматическую ликвидацию аварии (при возникновении ненормаль­ных режимов) или ее локализацию (отключение поврежденного элемента).

Устройства РЗ и автоматики состоят из отдельных функциональных элементов, связан­ных между собой общей схемой (рис. I) и предназначенных для решения стоящих перед ни­ми задач.

Входной (воздействующей) величиной для РЗ является электрический параметр, опре­деляемый типом РЗ. Так, например, для максимальных токовых защит, в качестве воздейст­вующей (входной) величины принимается ток (I), проходящий через защищаемый элемент ЭЭС. Если величина I превысит установленное значение (I_уст), то происходит срабатыва­ние пускового органа РЗ и сигнал (Z₁)поступает на логическую часть защиты (реле вре­мени КТ). При срабатывании логической части вырабатывается сигнал Z₂, поступающий на исполнительную часть защиты, выполняющую функцию усилительного органа, - промежу­точное реле KL (см. рис. 1).

Для сложных защит в качестве входных параметров могут использоваться несколько воздействующих величин. Так, например, для максимальных токовых защит с блокировкой по минимальному напряжению пусковой орган РЗ выполняется по схеме, приведенной на рис. 2.

Сигнал Z₁ на выходе пускового органа ПО появится, если одновременно будут сигна­лы на выходе пускового органа по току (X₁) и пускового органа по напряжению (X₂).

В ЭЭС действие РЗ тесно связано с устройствами автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима и питания потребителей. Например, устройство АПВ силового трансформатора запускается при срабатывании его максимальной токовой защиты и блокируется при срабатывании основных защит трансфор­матора (дифференциальной и газовой).

РЗ должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Селективность (избирательность) - основное требование к РЗ. Заключается в спо­собности РЗ отключать при к.з. только поврежденный элемент, хотя ток к.з. протекает и по другим неповрежденным элементам ЭЭС. Для различных типов защит селективность обес­печивается различными способами. При селективной работе РЗ не происходит излишних от­ключений оборудования и потребителей, тем самым минимизируется ущерб от аварийной ситуации.

2. Быстродействие - способность работать с минимально допустимой выдержкой вре­мени. Без выдержки времени могут работать только защиты, обладающие абсолютной селек­тивностью (дифференциальные, высокочастотные, первые ступени токовых защит - токовые отсечки). Для сетей с уровнем номинального напряжения 110-220 кВ предельное время от­ключения коротких замыканий составляет 0,3-0,5 с, а для сетей 330-500 кВ - 0,15 с. Такие жесткие ограничения по скорости отключения коротких замыканий в сетях высокого напря­жения определяются в первую очередь условиями обеспечения динамической устойчивости в энергосистеме. На низких напряжениях (6-35 кВ) время отключения к.з. может достигать нескольких секунд. Быстродействие РЗ находится в противоречии с их селективностью.

3. Чувствительность - способность РЗ реагировать на те отклонения от нормального режима, которые возникают в результате повреждения. Для схемы ЭЭС (рис. 3) установлены токовые защиты Р31 и Р32, которые отличают нормальный режим от режима к.з. по возрас танию тока. Р31 служит для защиты линии АВ, а Р32 - ВС. Однако в случае возникновения к.з. на шинах С (в точке К2.) и отказе Р32 или выключателя Q2 ликвидация повреждения должна осуществляться Р31, которая при своем срабатывании дает сигнал на отключение Q1 , т.е. защита Р31 должна «чувствовать» короткое замыкание в конце смежной линии ВС (в точке К2), чтобы она смогла выполнить функции резервирования Р32.

Так для токовой защиты ток срабатывания защиты I_сз - наименьший первичный ток, при котором приходят в действие ПО защиты. Ток срабатывания защиты должен быть меньше тока короткого замыкания для Р31 (точка К1). Для защит от междуфазных к.з. чувствительность проверяется по наименьшему току для двухфазного к.з., когда

; ;

Коэффициент чувствительности защиты характеризует отношение величины контроли­руемого параметра в режиме к.з. к величине порога срабатывания защиты. Коэффициент чувствительности по току определяет, во сколько раз минимальный ток к.з. больше тока срабатывания защиты:

Выбор величины I_сз зависит от типа применяемой защиты.

ПУЭ определяют, что должен быть больше 1,5, если защита является основной (для к.з. в точке К1 защита Р31 - основная), и больше 1,2, если защита является резервной (для к.з. в точке К2 защита Р31 - резервная). Столь высокие требования к коэффициенту чувствительности объясняются тем, что ток к.з. в реальных условиях эксплуатации энергосистемы может быть существенно меньше расчетного .

4. Надежность - способность защиты безотказно действовать в пределах установлен­ной для нее зоны и не работать ложно в режимах, при которых действие РЗ не предусматривается. Иначе говоря, при функционировании РЗ не должно быть случаев отказов и ложной работы. Для повышения надежности работы РЗ используются устройства диагностики - тестового контроля и функционального диагностирования. Кроме того, повышению надежности способствует и перевод РЗ на новую современную элементную базу - интегральные микро­схемы и микропроцессорную технику. Последнее улучшает и характеристики РЗ с точки зрения ее быстродействия и чувствительности, уменьшает нос и габариты устройств РЗ, сокращает потребление электpoэнергии, облегчает ремонт и эксплуатацию устройств РЗиА.

Существует два способа изображения реле на схемах: совмещенный и раздельный. При совмещенном способе катушки и контакты реле изображаются на одном рисунке (рис. 4, а). Условно считают, что катушки реле располо­жены в нижней части, там же указывается количество катушек. В верхней части рисунка изображаются контакты реле, их может быть несколько. В средней части располо­жено условное обозначение реле по ГОСТ (КА - реле тока; KU - реле напряжения).

При раздельном способе катушки реле и его контакты распложены в той части схемы, которая соответствует порядку работы устройства релейной защиты. Способ изображения катушек реле приведен на рис. 4, б.

Схемы релейной защиты, содержащие большое число отдельных реле, чаще всего изображаются раздельным способом.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Измерительные органы релейной защиты подключаются к защищаемому элементу с помощью специальных измерительных трансформаторов.

Назначение измерительных трансформаторов - изолировать измерительные приборы и реле от цепей высокого напряжения, снизить токи и напряжения до величин удобных и безо­пасных для работы реле и измерения. Применение измерительных трансформаторов позво­ляет также унифицировать реле и приборы.

Трансформаторы тока (ТА). ТА состоит из стального сердечника из шихтованной стали и двух обмоток - первичной w₁ и вторичной w₂ , причем w₁ << w₂ . Первичная об­мотка ТА подключается последовательно в цепь защищаемого элемента, к вторичной обмот­ке присоединяются реле или измерительные приборы. Ток, протекающий по обмотке w₁ , создает магнитный поток Ф₁, который индуцирует ток во вторичной обмотке I₂. Ток I₂ , в свою очередь, создает магнитный поток Фт , направленный навстречу потоку Ф₁ . Результирующий магнитный поток Фт = Ф₁- Ф₂ ,

Аналогичное выражение может быть записано для намагничивающих сил F = I , т.е.

; , (2.1)

где I_нам - ток намагничивания, обеспечивающий создание магнитного потока в сердечнике. Из последнего выражения делением всех членов уравнения на w₂ можно получить

, или

где n_тв - витковый коэффициент трансформации,

На практике чаще используют номинальный коэффициент трансформации

записанный через значения номинальных токов. Анализируя уравнение (2.2), можно заме­тить, что расчетное значение тока и действительное значение отличаются друг от друга. Величина I_нам/n_т вносит погрешность в величину и фазу тока I₂, поскольку не весь ток I₁ трансформируется во вторичную обмотку, что обусловливает наличие погрешностей в работе ТА.

рис.5. Схема замещения ТА

Для анализа погрешностей ТА составим схему за­мещения и построим векторную диаграмму. Схема замещения строится при следующих допущениях (рис. 5):

- все магнитные связи заменены электрическими;

- параметры первичной обмотки приведены к чис­лу витков вторичной обмотки;

- вектор тока I₂ повернут на 180⁰ по сравнению с его действительным направлением.

- сопротивление первичной обмотки, приведенное к W2;

- сопротивление намагничивания, приведенное к W₂, , - ток пер­вичной обмотки и ток намагничивания, приведенные к w₂ .

На схеме рис. 5 приведено обозначения выводов обмоток ТА: первичная обмотка имеет маркировку Л₁ - начало, Л₂ - конец обмотки, а вторичная – И₁ - начало, И₂ - ко­нец обмотки.

Наличие I_нам обусловлено тем, что процесс трансформации происходит с затратой энергии, которая идет на создание магнитного потока в сердечнике, на гистерезис, на по­гори на вихревые токи и нагрев обмоток. Из схемы замещения видно, что , т.е. ,т.е. вторичный ток отличается от расчетного первичного, что может исказить работу защиты.

На основе схемы замещения (см. рис. 5) построим векторную диаграмму для анализа величин токов (рис. 6). Сначала строим I₂, затем . Величина ЭДС

.Магнитный поток Ф_Н отстает от Е₂ на 90°.

; .

Из векторной диаграммы видно, что I₁ отличается от I₂ по модулю и сдвинут на угол . Отсюда выделяют погрешности ТА - токовую и угловую.

Токовая погрешность - алгебраическая разность токов:

- абсолютная ;

- относительная .

Угловая погрешность - величина угла 5, являющегося углом сдвига между I₂ и I₁ .

Чем больше величина I_нам, тем больше погрешности трансформатора тока. Чем меньше погрешности ТА, тем точнее работает защита. I_нам имеет две составляющие - активную I_{нам.акт} и реактивную I_нам.р.

Ток I_{нам.акт} обусловлен активными потерями (гистерезис) и вихревыми токами. Для его снижения сердечники ТА делают из шихтованной трансформаторной стали, поскольку величина этих потерь определяется качеством и параметрами стали.

Ток I_нам.р служит для создания магнитного потока Ф_т , который индуцирует Е₂ во

вторичной обмотке. Для снижения I_нам.р нужно снижать Ф_т , который определяется как , где R_м - магнитное сопротивление.

Связь эта представлена на рис. 7. В области до I_нам.р изменение Ф_т почти линейно, при I_нам.р >I'_нам.р происходит насыщение сердечника и малому изменению Ф_т соответствует большое изменение I_нам.р ,что в свою очередь, приводит к увеличению токовой погрешности ( и ) ТА. Для того чтобы снизить эти погрешности, нужно так вы­брать параметры схем релейной защиты и автоматики, чтобы рабочая зона располагалась в линейной части характеристики намагничивания ТА:

В связи с этим для уменьшения тока намагничивания, а следовательно, и уменьшения погрешности ТА необходимо снижать ZH, определяемое сопротивлением токовых обмоток реле, соединительных проводов и контактов, и уменьшать I₂.

Для нормальной эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики погрешности и .

Следует особо отметить необычность режимов холостого хода и короткого замыкания для ТА. Так работа ТА в режиме холостого хода, когда контакты И1 - И2 вторичной обмот­ки разомкнуты, является аварийной. В таком режиме I₂=0 и в соответствии с (2.1) весь магнитный поток I₁w₁ идет на намагничивание сердечника. Размагничивающего действия вторичного потока I₂w₂ нет. Происходит перегрев стали магнитопровода. Кроме того, в со­ответствии со схемой замещения весь ток I1 протекает через большое сопротивление к создает ЭДС E2 , которая может достигать нескольких киловольт. Перенапряжение и пере­грев могут привести к пробою изоляции вторичной обмотки ТА. Таким образом, работа ТА в режиме холостого хода недопустима, поэтому в случае, когда ТА не используется, его следу­ет держать в режиме короткого замыкания, который для ТА является нормальным.

В устройствах релейной защиты обмотки трансформаторов тока и реле соединяются по определенным схемам. Поведение реле зависит от характера распределения тока по обмот­кам реле при различных видах к.з.

Все схемы соединения, кроме изображенной на рис. 8, д, принято характеризовать ко­эффициентом схемы k_сх, который определяется как отношение тока, протекающего по реле, к вторичному фазному току ТА k_cx = I_р/ . Данный коэффициент обычно равен 1 (для схем рис. 8, а и 8, б) или (для схем рис. 8, в и 8, г).

При выполнении МТЗ и токовых отсечек наиболее часто применяют следующие схемы:

1. Трехфазная трехрелейная схема полной звезды для защит сетей с глухозаземленной нейтралью от всех видов замыканий (рис. 8, а).

2. Двухфазная двухрелейная (трехрелейная) схема в качестве зашиты от междуфазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью (рис. 8, б).

3. Двухфазная однорелейная схема в качестве защиты от междуфазных к.з. для неот­ветственных потребителей (рис. 8, в).

4. Схема соединения ТА в треугольник, а реле - в звезду в дистанционных и дифферен­циальных защитах трансформаторов от всех видов к.з. (рис. 8, г).

5. Фильтр токов нулевой последовательности для выполнения защит от замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 8, д).

Для выбора возможности применения какой-либо из приведенных на рис. 8 схем со­единения необходимо провести анализ поведения реле в выбранной схеме при различных видах к.з. Для этого на выбранную схему соединения наносят первичные токи, соответст­вующие им вторичные токи ТА и затем определяют направление и величину тока, проте­кающего по каждому реле.

При анализе трехфазных, двухфазных и однофазных к.з. для схемы, приведенной на рис. 9, становится очевидным, что на трехфазные и двухфазные к.з. реагируют оба реле или одно из них. При однофазном к.з. в фазе В нет тока ни в одном из реле. Следовательно, для защиты от однофазных к.з. данную схему применять нельзя, а для междуфазных к.з. примене­ние ее возможно.

Трансформаторы напряжения (TV). По принципу действия TV аналогичен силовому трансформатору, но W1>>W2, где W1,W2 - число витков первичной и вторичной обмоток. Введем обозначение n_тн= U₁/ - коэффициент трансформации TV, где U_2хх - напряжение вторичной обмотки при условии, что она разомкнута. Схема замещения TV аналогичнаa схеме замещения ТА и построена при тех же самых допущениях (рис. 10).

Построим векторную диаграмму для иллюстрации погрешностей TV. Построение векторной диаграммы начинается с U₂ и I₂. Затем строят Е₂=U₂+I₂(r₂ + jX₂) Поток Ф_Т отстает от Е₂ на 90°. Из схемы замещения = I₂ + , затем можно построить

Из векторной диаграммы видно, что U₂ отличается от по модулю и сдвинуто на угол d. Погрешность по модулю

а. б.

Рис. 11. Схемы соединения трансформаторов напряжения:

а - схема соединения; б - схема соединения

Отсюда видно, что для снижения погрешности TV необходимо уменьшать сопротивле­ние обмоток W₁ и W2, снижать ток намагничивания I_H и ток I₂ .

Погрешность TV может быть абсолютной по напряжению , относитель­ной , угловой - величина угла d.

Для питания цепей релейной защиты, автоматики и измерения TV соединяются по оп­ределенным схемам. Выбор схемы зависит от того, какое напряжение нужно - фазное, ли­нейное или напряжение нулевой последовательности. Наиболее часто применяемые схемы соединения приведены на рис. 11.

3. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ

Принцип действия МТЗ (максимальной токовой защиты) основан на том, что при воз­никновении к.з. или ненормального режима работы ток увеличивается и начинает превышать ток нагрузочного режима. Селективность действия достигается выбором выдержек времени.

При к.з. К1 ток I_кз протекает не только по поврежденному элементу, но и по неповре­жденным (Л₁ и Л₂) - рис. 12. Для обеспечения селективного отключения поврежденного участка сети (Л₃) защиты, установленные на линиях, должны работать с разными выдержка­ми времени, причем t₁ > t₂ > t₃. Выдержки времени увеличиваются от потребителя к ис­точнику питания (рис. 12). В пределах каждого элемента МТЗ устанавливается как можно ближе к источнику питания.

Схемы МТЗ можно классифицировать по ряду признаков:

1. Способу питания оперативных цепей - МТЗ на переменном или постоянном оперативном токе.

2. Способу воздействия на привод выключателя - прямого или косвенного действия.

3. Характеру зависимости выдержки времени от тока - защиты с независимой и зависимой выдержкой времени.

4. Схеме соединения ТА и обмоток реле.

5. Назначению - защиты от к.з. и защиты от перегрузок током.

В качестве пусковых органов МТЗ применяются токовые реле. Для того чтобы защита работала при к.з. и не работала в нормальных и допустимых рабочих режимах необходимо определять ток срабатывания защиты - I_СЗ Ток I_СЗ - это наименьший первичный ток, необходимый для действия пусковых органов защиты. Основным условием выбора I_СЗ является не действие защиты при максимальных токах нагрузки и кратковременных толчках тки, вызванных, например, пуском или само запуском двигателей, колебаниями нагрузки. Дня этого необходимо выполнение следующих условий:

1) I_СЗ > I_{нагр.mах} - пусковые органы защиты не должны приходить в действие при максимальном рабочем токе;

2) пусковые органы защиты, пришедшие в действие при внешнем к.з., должны вернуться в исходное состояние после его отключения и снижения тока до I_{нагр.mах}. Для выполнения этого требования ток возврата защиты (I_ВЗ - наибольший первичный ток, при котором пусковые органы защиты, сработавшие при внешнем к.з., возвращаются в исходное состояние) должен удовлетворять требованию I_ВЗ > k_сз -I_{нагр.mах}, где k_сз - коэффициент самозапуска двигателей, с помощью которого учитывается увеличение тока, происходящее при самозапуске двигателей, которые тормозятся вследствие снижения напряжения при внешних к.з., k_сз > 1.

Токи I_СЗ и I_ВЗ связаны через коэффициент возврата k_в =I_ВЗ/ I_СЗ причем для токовых реле МТЗ k_B < 1. Следовательно, при выполнении условия 2 всегда выполняется условие 1, поэтому выражение для определения I_сз можно получить следующим образом:

где k_H - коэффициент надежности, учитывающий возможную погрешность в определении I_вз (k_H =1,1/1,3):

Зная I_сз, можно определить I_ср - ток срабатывания реле, как ток I_сз, пересчитанный на вторичную обмотку ТА I_ср= I_сз^.k_сх/n_т, где k_сх - коэффициент схемы, зависящий от схемы соединения ТА и обмоток реле и равный отношению тока в реле ко вторичному току ТА; n_т - коэффициент трансформации ТА. По рассчитанному значению I_Ср определяет I_уст - ток уставки. У части токовых реле I_уст регулируется плавно (реле РТ-40), у других - ступенчато (реле РТ-80, РСТ), при этом округление I_cр до I_уст производится в большую сторону.

Схема МТЗ состоит из реле тока (КА), времени (КТ), промежуточного (KL) и указательного (КН). Трехфазная, трехрелейная схема МТЗ с независимой выдержкой времени на постоянном оперативном токе приведена на рис. 13. Схема нарисована для раздельного способа изображения реле.

В нормальном режиме при отсутствии к.з. по ка­тушкам реле КА1, КА2, КАЗ протекает I_{нор.реж} и данные реле не работают, так как I_ср < I_{нор.реж}. Вклю­ченное положение силового выключателя обусловлива­ет замкнутое состояние Q- блок-контактов отключения выключателя. При появлении к.з., например трехфазно­го, увеличивается ток реле и реле KA1, КА2, КА3 срабо­тают, их контакты замыкаются. При этом подается пи­тание на обмотку реле времени КТ. С установленной на нем t_сз замыкается контакт КТ и подается питание на катушки реле указательного (КН) и промежуточного (KL). Срабатывает реле KL, замыкая свой контакт в цепи катушки отключения (УAT) выключателя, что приводит к отключению силового выключателя Q.

Сигнальное реле КН своим контактом сигнализи­рует о срабатывании защиты. В случае двухфазного к.з. работают два реле, установленных на тех фазах, в кото­рых произошло к.з. Дальнейшая работа схемы анало­гична описанной ранее.

Качество рассчитанной защиты оценивают по ко­эффициенту чувствительности - k_ч. Коэффициент k_ч, определяется из условия охвата МТЗ всей линии и действия ее при минимальном значении тока к.з. - I_кз.min, т.е. в конце зоны действия.

Так, для определения k_ч защиты 1 (рис. 12) нужно найти I_КЗ при к.з. в точке К2 (конец линии Л1) в режиме, который сопровождается I_кз.min. Если рассматривать МТЗ в качестве защиты от междуфазных к.з., то I_кз.min должен быть рассчитан для двухфазного к.з.:

а.

б.