Основы релейной защиты и автоматики распределительных сетей. Основы релейной защиты и автоматики распределительных сетей 1 Назначение релейной защиты и автоматики
 Скачать 5.63 Mb.
|
|
Основы релейной защиты и автоматики распределительных сетей 1.1 Назначение релейной защиты и автоматики Энергетическая система представляет собой сложную многозвенную техническую систему, предназначенную для производства, распределе- ния и потребления электроэнергии. Процессы, происходящие в энерго- системе, отличаются быстротой, взаимосвязанностью, единством про- цессов производства, распределения и потребления электроэнергии. Управление ими без применения специальных технических средств, на- зываемых средствами автоматического управления, в большинстве слу- чаев оказывается невозможным. Условно, все устройства автоматики по своему назначению и области применения можно разделить на следующие две большие группы: мест- ную и системную технологическую автоматику, местную и системную противоаварийную автоматику. Технологическая автоматика обеспечивает автоматическое управление в нормальном режиме: пуск блоков турбина-генератор и включение на параллельную ра- боту синхронных генераторов; автоматическое регулирование напряжения и реактивной мощно- сти на шинах электростанции; автоматическое регулирование частоты и обеспечения режима за- данной нагрузки электростанции; оптимальное распределение электрической нагрузки между бло- ками; регулирование напряжения в распределительной сети; регулирование частоты и перетоков мощности и т.п. Назначением противоаварийной автоматики является предотвращение или наиболее эффективная ликвидация последствий аварий: релейная защита электрооборудования от коротких замыканий и ненормальных режимов; автоматическое повторное включение; автоматическое включение резерва; автоматическая частотная разгрузка; автоматическая ликвидация асинхронного режима. автоматика предотвращения нарушения устойчивости и т.д. Из перечисленных видов устройств автоматики особо выделяется ре- лейная защита, изучающая поведение электроэнергетической систе- мы и ее элементов в режимах глубоких возмущающих воздействий и скачкообразных изменений электрических параметров. Эти возмущения вызываются различного рода короткими замыканиями, которых могут возникнуть по причинам: пробоя или перекрытия изоляторов линий электропередач в слу- чае грозовых перенапряжений или при их загрязнении; обрыва проводов или грозозащитных тросов из-за обледенения и вибраций; механических повреждений опор, поломке изоляторов разъедини- телей, схлестывании проводов; ошибочного действия оперативного персонала; заводских дефектов оборудования и ряда других факторов. Управление энергосистемой при нарушении ее нормальных режимов тесно связано с работой релейной защиты. Поэтому изложения мате- риала целесообразно начать с рассмотрения этого вида автоматики. Требование безаварийности и надежности энергоснабжения закладыва- ется уже на стадии проектирования энергосистемы за счет оптимально- го выбора источника электроэнергии (уголь, газ, вода или другое), рас- положения электростанций, передачи мощности, учета характеристик нагрузок и перспектив их роста, способов регулирования напряжения и частоты, планированием режимов работы и т.п. И все же полностью ис- ключить факт отказа оборудования из-за коротких замыканий нельзя. На релейную защиту возлагаются следующие функции: 1.Автоматическое выявление поврежденного элемента с последующей его локализацией. Защита подает команду на отключение выключателей этого элемента, восстанавливая нормальные условия работы для непо- врежденной части энергосистемы. 2.Автоматическое выявление ненормального режима с принятием мер для его устранения. Нарушения нормального режима в первую очередь вызываются различного рода перегрузками, которые не требуют немед- ленного отключения. Поэтому защита действует на разгрузку оборудо- вания или выдает сообщение дежурному персоналу. В качестве примера на Рис.1 представлено современное микропроцес- сорное реле, выпускаемое инженерно-производственной фирмой «Реон- Техно»; на Рис.2 - типовая панель защиты линии, выполненная на элек- тромеханических реле, Рис.1 Микропроцессорные реле то- ка типа РСТ 80АВ, выпускаемое ИПФ «Реон-Техно» Рис. 2 Типовая панель защиты ли- нии, выполненная на электроме- ханических реле на Рис.3 - многофункциональное устройство РЗА НТЦ «Механотрони- ка». Рис.3 Многофункциональное цифровое устройство релейной защиты и автоматики НПЦ «Механотроника» 2.1 Назначение Измерительные преобразователи являются общими элементами для всех схем релейной защиты. Их основное назначение изолировать цепи высокого напряжения от вторичных цепей защиты и преобразовать входные величины в величины, удобные для измерений. К наиболее распространенным относятся электромагнитные трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Трансформаторы тока рассчитываются на получение вторичных токов величиной 5A или 1A , при помощи транс- форматоров напряжения получают вторичные напряжения 100В или 100 3 В . В качестве примера на Рис.8 показан внешний вид низковольтного ка- бельного и высоковольтного трансформаторов тока. а) б) Рис. 8 Трансформаторы тока: а) низковольтный кабельный трансформатор тока; б) трансформатор тока на напряжение 220 кВ 2. Трансформаторы тока и напряжения 2.2 Особенности работы трансформаторов тока в схемах релейной защиты Конструктивно трансформатор тока представляет собой стальной сер- дечник с двумя обмотками: первичной 1 w и вторичной 2 w (Рис.9). Рис.9 Устройство трансформатора тока При протекании тока по первичной обмотке трансформатора тока соз- дается магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке, замк- нутой на сопротивление нагрузки, ток 2 I Для идеального трансформа- тора тока сумма намагничивающих сил обмоток равна нулю: 1 1 2 2 0, I w I w отсюда 1 2 2 1 I I w w Отношение чисел витков обмоток называется витковым коэффициентом трансформации трансформатора тока: 2 1 в n w w Отношение первичных и вторичных номинальных токов называется номинальным коэффициентом трансформации трансформатора тока. 1 2 ном ТТ ном I n I Из-за потерь в стали сердечника значения виткового и номинального коэффициентов трансформации трансформаторов тока различны. Для рассмотрения причин, вызывающих эту разницу, обратимся к схеме за- мещения трансформатора тока (Рис.10). Первичный ток 1 I проходит сопротивление 1 z и далее разветвляется по двум параллельным ветвям. На нагрузку поступает вторичный ток 2 I , по ветви намагничивания замыкается ток 1 2 нам I I I , называемый током намагничивания. Введение ветви намагничивания в схему заме- щения трансформатора тока позволяет учесть погрешности при реаль- ном процессе трансформации. Рис.10 Схема замещения трансформатора тока Таким образом, соотношение первичного и вторичного токов имеет вид: 1 2 , нам ТТ I I I n то есть реальный трансформатор тока имеет погрешности. Различают следующие виды погрешностей. Токовая погрешность определяет разницу между измеренным модулем тока и его фактическим значением: 1 2 1 1 100%. I I f I Фазовая погрешность определяет угол сдвига вторичного тока относи- тельно первичного. Из схемы замещения следует, что величина погрешности зависит от значения сопротивления ветви намагничивания нам z и от его соотноше- ния с сопротивлением нагрузки н z . Сопротивление намагничивания оп- ределяется конструкцией трансформатора тока, характеристикой стали сердечника и кратностью первичного тока. Увеличение первичного тока приводит к насыщению стали и уменьшению сопротивления нам z , что приводит к росту погрешности. Если увеличивать нагрузку при неиз- менном первичном токе, то также происходит увеличение погрешности. Для примера в Табл.1 приведена классификация трансформаторов тока. Допустимые погрешности, приведенные в таблице, соответствуют на- грузкам вторичной обмотки не выше номинальных, и при вторичном токе, не превышающем 120 % номинального значения Трансформаторы тока, предназначенные для питания схем релейной защиты, работают в режиме коротких замыканий или перегрузок обору- дования, когда первичные токи значительно превышают номинальные. Такие условия работы связаны с увеличенным значением погрешностей. И хотя сердечники трансформаторов тока для устройств релейной за- щиты выполняют из высококачественной электротехнической стали, насыщающейся при больших кратностях тока, обязательным условием возможности использования трансформатора тока является его провер- ка на допустимую погрешность. Согласно нормативным требованиям, погрешность трансформаторов тока в режиме работы защиты не должна превышать 10%. Рекомендует- ся следующий порядок выбора трансформаторов тока: 1.Определяется рабочий ток защищаемого объекта раб I 2.По найденному значению тока и номинальному напряжению выбира- ется трансформатор тока. 3.Определяется максимально возможное значение тока повреждения защищаемого объекта max k I 4.Рассчитывается кратность тока короткого замыкания как отношение max k раб I k I 5. На основании технической документации поставщика оборудования или справочных материалов и найденной кратности первичного тока определяется допустимая нагрузка ндоп z для выбранного трансформа- тора тока. 6. Рассчитывается фактическая нагрузка трансформаторов тока нфакт z и сравнивается с допустимой. 7. Если ндоп z нфакт z считается, что трансформатор тока удовлетворя- ет требованиям точности и его можно использовать для данной схемы защиты. Если ндоп z нфакт z , то необходимо принять меры для уменьшения на- грузки. В качестве таких мер можно назвать следующие: - выбор трансформатора тока с увеличенным значением коэффициента трансформации; - увеличение сечения контрольного кабеля; - использование вместо одного трансформатора тока группу трансфор- маторов, соединенных последовательно. Фактическую нагрузку трансформаторов тока можно рассчитать по вы- ражению: , нфакт р пр каб пер z z z z z где р z – сопротивление реле; пр z – сопротивление приборов; каб z – сопротивление контрольного кабеля; пер z – сопротивление переходных контактов. Сложение полных и активных сопротивлений для упроще- ния расчетов допускается производить арифметически. В трехфазной сети необходимо дополнительно учесть схему соединения трансформа- торов тока и вид короткого замыкания. Трансформаторы тока, в отличие от силовых трансформаторов, работа- ют в условиях, близких к режиму короткого замыкания вторичных вы- водов. При размыкании вторичной обмотки весь первичный ток перехо- дит в ветвь намагничивания, и трансформатор тока переходит в режим глубокого насыщения, (Рис.11). Режим насыщения сопровождается нагревом магнитопровода и возник- новением опасных перенапряжений на вторичных зажимах, что недо- пустимо по условиям изоляции вторичных цепей. С учетом сказанного работа трансформатора тока с разомкнутой вто- ричной обмоткой недопустима, а работа с закороченной является част- ным случаем нормальной работы. По условиям электробезопасности вторичные обмотки трансформаторов тока заземляются. Рис.11 Кривые изменение во времени тока I, ампервитков, индукции B и э.д.с. E у трансформатора тока c разомкнутой вторичной обмоткой. 2.3 Трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты Трансформатор напряжения представляет собой сердечник, набранный из пластин электротехнической стали, с размещенными на нем первич- ной и вторичной обмотками (Рис.12) Рис.12 Устройство трансформатора напряжения Первичная обмотка 1 w , имеющая большое число витков (несколько ты- сяч), подключается параллельно силовой сети, к вторичной обмотке 2 w подключаются измерительные приборы, цепи защит и сигнализации. Преобразование напряжения 1 U до величины 2 U определяется соотно- шением витков первичной и вторичной обмоток: 1 1 2 2 U w U w Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом транс- формации трансформатора напряжения: 1 2 тн w n w Трансформаторы напряжения выполняются в однофазном и трехфазном исполнении. В зависимости от требуемой информации однофазные трансформаторы могут соединяться в различные схемы (Рис.13). Рис.13 Схемы соединения однофазных трансформаторов напряжения Для получения одного междуфазного напряжения используется схема, представленная на Рис13,б; для получения двух или трех междуфазных напряжений применяется схема неполной звезды (Рис.13,сСС). На Рис.13,а приведено соединение трех трансформаторов напряжения в схему звезды. Эта схема используется для получения информации о фазных или междуфазных напряжениях. Для получения напряжения нулевой последовательности наряду с фаз- ным и междуфазным применяются трансформаторы напряжения, имеющие две вторичные обмотки. Одна из вторичных обмоток соеди- няется в звезду, другая - в разомкнутый треугольник (Рис.14). Вторичные обмотки трансформаторов напряжения обязательно зазем- ляются для обеспечения безопасности персонала при попадании высо- кого напряжения во вторичные цепи. При соединении вторичной об- мотки в звезду заземляется нулевая точка, в других случаях - один из фазных проводов. Рис.14 Схема соединения обмоток трансформаторов с двумя вторичными обмотками Для защиты от коротких замыканий во все незаземленные вторичные цепи трансформаторов напряжения устанавливаются предохранители или автоматические выключатели. Трансформаторы напряжения имеют две погрешности: 1.Погрешность по напряжению , под которой понимается отклонение действительного значения коэффициента трансформации от его номи- нального значения. 2.Погрешность по углу В зависимости от погрешностей трансформаторы напряжения подраз- деляются на классы точности. В Табл.2 приведена классификация трансформаторов в зависимости от класса точности. В зависимости от нагрузки один и тот же трансформатор напряжения может работать в разных классах точности. Поэтому в паспортных данных указывается два значения мощности: - номинальная, при которой трансформатор работает в гарантированном классе точности; - предельная, при которой нагрев обмоток не выходит за допустимые пределы. Кроме основных погрешностей на точность измерений оказывает влия- ние падение напряжения в контрольном кабеле. Величина потерь норми- руется, так, для цепей релейной защиты она не должна превышать 3 %. В Ы В О Д Ы 1. Трансформаторы тока и напряжения предназначены для преобразо- вания первичной информации о токе и напряжении в величины, удобные для измерений и безопасные для обслуживающего персонала. 2. Нормальными режимами работы для трансформаторов тока явля- ется режим короткого замыкания, а для трансформаторов напряже- ния - режим холостого хода. 3. Трансформаторы тока, предназначенные для питания схем релейной защиты, работают в условиях больших кратностей первичного тока, что приводит к увеличенному значению погрешностей. 3. Основные алгоритмы функционирования защит 3.1 Классификация защит 3.2 Максимальные токовые защиты 3.2.1 Схемы включения трансформаторов и токовых реле 3.2.2 Пример выполнения максимальной токовой защиты 3.2.3 Расчет параметров максимальной токовой защиты 3.3 Максимальная токовая защита с блокировкой по напряжению 3.4 Токовые отсечки 3.4.1 Принцип действия токовой отсечки 3.4.2 Токовые ступенчатые защиты 3.4.3 Пример выполнения токовой ступенчатой защиты 3.5 Максимальная токовая направленная защита 3.5.1 Варианты выполнения реле мощности 3.5.2 Расчет параметров 3.5.3 Схемы максимальных направленных защит 3.6 Дистанционная защита 3.6.1 Принцип действия 3.6.2 Характеристики измерительных органов дистанционной защиты 3.6.3 Выполнение измерительных органов дистанционной за- щиты 3.6.4 Структурная схема дистанционной защиты 3.6.5 Принципы выполнения блокировки от качаний 3.6.6 Выбор параметров срабатывания дистанционной защи- ты 3.1 Классификация защит К защитам с относительной селективностью относятся максимальные токовые защиты, максимальные токовые направленные защиты, токо- вые отсечки, защиты минимального или максимального напряжения, дистанционные защиты. 3.2 Максимальные токовые защиты 3.2.1 Схемы включения трансформаторов тока и токовых реле 3.2.2 Пример выполнения максимальной токовой защиты 3.2.3 Расчет параметров максимальной токовой защиты Принцип действия максимальной токовой защиты основан на фиксации увеличения тока при возникновении короткого замыкания. Структурно схему максимальной токовой защиты, выполняющей функции защиты линии, можно представить в следующем виде (Рис.15). |