Курс лекций по релейной защите. Повреждений и ненормальных режимов работы
 Скачать 405.27 Kb.
|
|
Курс лекций по релейной защите 1. Общие сведения о релейной защите Назначение релейной защиты При эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Опасность повреждений и ненормальных режимов работы линий электропередач и электрооборудования заключается в следующем: Повреждения в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения в элементах энергосистемы. Повышенный ток выделяет большое количество тепла, вызывающее разрушения в месте повреждения и опасный нагрев неповреждённого оборудования, по которому этот ток проходит. Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы генераторов и энергосистемы в целом. Ненормальные режимы работы обычно приводят к отклонению величин напряжения, тока и частоты от допустимых значений, что создаёт опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а также угрожает повреждением оборудования и линий электропередачи. Таким образом, повреждения нарушают работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждения или расстройства работы энергосистемы. Для предотвращения опасных последствий повреждений и ненормальных режимов используется комплекс специальных автоматических устройств, получивший название релейная защита. Своё название Релейная защита получила от слова«реле», представляющее собой автоматически действующее устройство, которое приходит в действие (срабатывает) при определенном значении воздействущей на него входной величины. Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надёжная работа современной энергосистемы. Она осуществляет непрерывный мониторинг за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы. Основным назначением релейной защиты является: - при возникновении повреждений выявлять и отключать повреждённый участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения; - выявлять ненормальные режимы и, в зависимости от характера нарушения, производить операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подавать сигнал дежурному персоналу. Релейная защита тесно связана с другими устройствами электроавтоматики – устройствами автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузкой (АЧР) и др. устройствами системной автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы электроэнергетических систем. Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания). Основными причинами повреждений являются: нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями; ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.). Короткие замыкания (к.з.) являются наиболее опасными и тяжелыми видами повреждений. При коротком замыкании э.д.с Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генератора, трансформатора и линий. В контуре замкнутой накоротко э.д.с. возникает большой токIк, называемый током к.з. При к.з. из-за увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в любой точке М (см. рисунок 1.3) UМ = Е - IЗА Zм , где Е - э.д.с. источника питания, Zм – сопротивление от источника питания до точки М. Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к.з. Увеличение тока и снижение напряжения, происходящие в результате к.з., приводят к ряду опасных последствий: Термическое действие тока к.з. Согласно закону Джоуля-Ленца ток к.з. Iк выделяет в активном сопротивлении r цепи в течение времени t тепло Q = kI2rt . При этом происходят большие разрушения в месте к.з., а также недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и проводов линий электропередач, что может вызвать повреждение их изоляции и токоведущих частей; Понижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей. Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели, момент вращения которых MДпропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: MД = КU2. При глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке. Кроме того, из-за снижения напряжения при к.з. также нарушается нормальная работа осветительных установок и компьютерной техники. Нарушение устойчивости параллельной работы генераторов является наиболее тяжелым последствием снижения напряжения при к.з. Это может привести к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения всех её потребителей. Причины такого распада можно пояснить на примере схемы, представленной на рисунке 1.  Рисунок 1 – Влияние понижения напряжения при к.з. на работу потребителей (а) и энергосистемы (б). При возникновении к.з. в точке К у шин электростанции Анапряжение в месте к.з. станет равным нулю, в результате чего электрическая нагрузка генераторов электростанции А станет равным нулю и частота вращения турбин генераторов начнёт быстро увеличиваться т.к. в турбины поступает количество пара (или воды) соответствующей электрической нагрузке доаварийного режима, а регуляторы скорости турбины действуют медленно и не могут предотвратить ускорения вращения турбин генераторов станции А. В иных условиях находятся генераторы электростанции В, т.к. они удалены от точки К и поэтому напряжение на их шинах может быть близким к номинальному. Так как генераторы электростанции А разгрузились, то вся нагрузка энергосистемы ляжет на генераторы электростанции В, которые могут при этом перегрузиться и уменьшить частоту вращения. Таким образом, в результате к.з. скорость вращения генераторов электростанций А и Встановится различной, что приводит к нарушению их синхронной работы. Аварии с нарушением устойчивости системы по величине ущерба являются самыми тяжелыми. В зависимости от числа замкнувшихся фаз к.з. подразделяются на трёхфазные, двухфазные и однофазны; замыкания с землёй и без земли; замыкания в одной и двух точках сети (таблица 1-1). Таблица 1-1 - Основные виды повреждений в электроустановках.
На рисунке 2 приведены векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах повреждений.  Рисунок 2 – Векторные диаграммы токов и напряжений в месте установки защиты при различных видах к.з. Трёхфазное к.з. Трёхфазное к.з.(К(3))является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети:  ;  ;Векторная диаграмма токов и напряжений при К(3) приведена на рисунке 1.1 а. Ток к.з., проходящий в каждой фазе, отстаёт от создающей его э.д.с. на одинаковый угол  , определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыканий: ;Все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х фазного к.з. равны нулю:  ;  ;В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное к.з. представляет наибольшую опасность и является расчётным режимом при определении максимального тока к.з. Двухфазное к.з. При двухфазном к.з. (К(2)) токи и напряжения разных фаз не одинаковы. В повреждённых фазах в месте двухфазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В и С справедливы следующие соотношения:    - междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами; - фазные напряжения замкнувшихся фаз.Так же как и при трёхфазном к.з. фазные токи в повреждённых фазах отстают от создающей их э.д.с. на угол  , определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.Векторная диаграмма токов и напряжений при двухфазном к.з. приведена на рис. 1.1 в. По мере удаления от места 2-х фазного к.з. фазные напряжения  и и междуфазное напряжение будет увеличиваться.С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з. Однофазное к.з. Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше). Векторная диаграмма токов и напряжений в месте 1-фазного к.з. фазы С приведена на рисунке 1.1 г. В месте 1-фазного к.з. фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:  ;  ;Ток к.з. протекает только в замкнувшейся на землю фазе С:  ;Напряжения неповреждённых фаз а А и В будут превышать э.д.с. соответствующих фаз из-за того, что в неповреждённых фазах наводится э.д.с. взаимоиндукции под действием тока к.з. протекающего в повреждённой фазе. В некоторых случаях ток однофазного к.з. может быть больше тока трёхфазного к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем 3-х и 2-х фазные к.з., так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы. Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью В сетях, работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через дугогасящую катушку (сети с малыми токами замыкания на землю), замыкания одной фазы на землю не вызывает короткого замыкания, т.к. э.д.с. повреждённой фазы не шунтируется появившимся соединением с землёй. Возникающий в месте повреждения ток замыкается через ёмкость проводов относительно земли и имеет небольшую величину, например, несколько десятков ампер. Векторная диаграмма токов и напряжений этого режима представлена на рисунке 3.  Рисунок 3 – Векторные диаграммы токов и напряжений при замыкании на землю фазы А в сети с изолированной нейтралью. При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз UВи UС увеличиваются в  раз и становятся равными междуфазным напряжением. (U’В и U’С) Через место повреждения проходит ток IЗА , замыкающийся через ёмкости неповрежденных фаз В и С.Ёмкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания и поэтому ток через неё не проходит.Величина тока в месте замыкания на землю: IЗА =  ,где ХС =  - суммарное сопротивление цепи замыкания на землю;ƒ = 50 Гц – частота сети переменного тока; С - ёмкость одной фазы сети относительно земли. Так как при замыкании на землю фазы А напряжения фаз В и С относительно земли равны по величине междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 600, то: U’В + U’С = 3UФА и IЗА = 3UФА ωС = 3UФА 2πf C; Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными, поэтому оно не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Однако этот вид повреждения создаёт ненормальный режим, вызывая перенапряжения, что может привести к нарушению изоляции относительно земли двух неповреждённых фаз и перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное к.з. Ненормальными режимами, связанными с отклонением от допустимых значений тока, напряжения и частоты и представляющими опасность для электроснабжения потребителей электроэнергии и энергосистемы в целом, являются: перегрузка оборудования, повышение напряжения, качанияв системе. Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения. Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению. Характер зависимости допустимой длительности перегрузки от величины тока: t = (I) показан на рисунке 4 и определяется конструкцией оборудования и типом используемых в оборудовании изоляционных материалов.  Рисунок 4 – Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока. Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования. Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения. Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до значений, опасных для его изоляции. Опасное для изоляции повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой ёмкостной проводимостью. При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать оборудование от сети. Качания в системах– периодическое изменение ("качание") тока, напряжения, активной и реактивной мощности. Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов и сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети. На эти изменения тока и напряжения защиты реагируют также, как и на симметричное к.з. В нормальных условиях угловые скорости а и в, с которыми вращаются векторы э.д.с. ЕА и ЕВ, одинаковы. При нарушении синхронизма частота вращения роторов генераторов ГА и ГВ, а также частота вращения векторов их э.д.с. становятся различными. Если предположить, что частота вращения ротора генератора ГА стала большей, чём генератора ГВ, то и электрическая скорость А > В В результате этого вектор ЕА (рисунок 5) будет вращаться относительно вектора ЕВ с угловой скоростью скольжения С = А -В, а разница ΔЕ = ЕА - ЕВ будет менять свою величину в зависимости от значения угла δ. Полагая, что |ЕА|=|ЕВ|=Е, из векторной диаграммы на рисунке 5 находим:  ;Таким образом, действующее значение ΔЕ меняется по закону синуса и достигает максимальной величины при δ =180°, а минимальной – при δ = 0. Под влиянием э.д.с. ΔЕ в сети, соединяющей генераторы ГА и ГВ появляется ток качания:  , гдеZАВ =  - эквивалентное сопротивление цепи, по которой протекает токIкач.Ток качаний изменяется по закону синуса от нуля при δ = 0, когда э.д.с. генераторов совпадают по фазе, до максимального значения Iкач.max = 2Е / ХАВпри δ =180°, когда э.д.с. генераторов противоположны по фазе. Однако в действительности при δ = 0 ток Iкач отличен от нуля, т.к. обычно ЕА ≠ ЕВ. Распределение напряжения при качаниях в сети представлено на рисунке 5.  Рисунок 5 – Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях. В точке С, называемой электрическим центром качаний напряжение снижается до нуля, а в остальных точках сети напряжение остаётся больше нуля, нарастая от центра качаний С к источникам питания А и В. Возрастание тока вызывает нагрев оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу потребителей системы. Кроме перечисленных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты и системной автоматики. |
