Курс лекций по релейной защите. Повреждений и ненормальных режимов работы

• Название: Повреждений и ненормальных режимов работы
• Дата: 19.10.2022
• Размер: 405.27 Kb.
• Имя файла: Курс лекций по релейной защите.docx
• Тип: Курс лекций; #741145
• страница: 5 из 6

Оперативный ток

Реле косвенного действия воздействуют на включение и отключение выключателей через специальные включающие и отключающие электромагниты путём подачи в них тока, называемого оперативным током.

Оперативный ток также используется для питания вспомогательных реле в схемах релейной защиты и автоматики (промежуточных, реле времени, указательных), а также для работы световой и звуковой сигнализации

Таким образом, оперативным током называется ток, питающий цепи дистанционного управления выключателями, оперативные цепи релейной защиты, автоматики и различные виды сигнализации.

Источники оперативного тока должны обеспечивать высокую степень надёжности, быть постоянно готовы к действию и обеспечивать необходимую величину напряжения или тока в обмотках электромагнитов включения и отключения коммутационных аппаратов (выключателей и разъединителей).

Для управления выключателями и питания устройств РЗА в электроустановках используются два вида оперативного тока: постоянный и переменный.

Постоянный оперативный ток

Основными источниками постоянного оперативного тока являются аккумуляторные батареи (АБ) с зарядными устройствами. Стандартными величинами номинальных напряжений постоянного оперативного тока приняты 24, 48, 110 и 220 В.

Для питания устройств РЗА, управления выключателями, аварийной и предупредительной сигнализации, а также других устройств, требующих независимого источника постоянного тока создаётся распределительная сеть (рисунок 12). Для заряда АБ используются зарядные агрегаты выпрямительные или электромашинные.

Распределительная сеть постоянного оперативного тока делится на отдельные участки так, чтобы повреждение на одном из них не нарушало работу других.



Рисунок 12 – Пример принципиальной схемы распределительной сети постоянного тока.

Все потребители оперативного тока делятся по степени их ответственности на категории. Наиболее ответственными потребителями являются цепи оперативного

тока релейной защиты, автоматики и катушек отключения выключателей, питаемые от шинок управления ШУ. Вторым очень важным участком являются цепи катушек включения, питаемые от отдельных шинок ШВ вследствие больших токов, потребляемых катушками включения масляных выключателей. Третьим, менее ответственным потребителем оперативного тока, является сигнализация, питающаяся от шинок ШС.

Обычно питание ответственных цепей осуществляется от двух аккумуляторных батарей работающих на разные секции щитов постоянного тока.

В распределительных сетях постоянного тока широко используется секционирование и резервирование.

На каждой линии, отходящей от шин щита постоянного тока, устанавливаются автоматические выключатели (или предохранители) осуществляющие защиту сети при к.з. на отходящих линиях.

Ток к.з. определяется по формуле:

, где

е – э.д.с. одного элемента батареи, В;

R_э – внутреннее сопротивление одного элемента батареи, Ом;

n – число элементов в цепи разряда, шт.;

 – сопротивление цепи от шин батареи до места к.з. в оба конца, Ом.

ℓ – расстояние по трассе кабеля от шин батареи до места к.з., м;

γ – удельная проводимость, равная примерно 57 для меди и 34 для алюминия; м/Оммм².

S - сечение жил кабеля, мм².

Нарушение изоляции относительно земли сети постоянного тока может привести к замыканиям на землю и образованию обходных цепей и ложным отключением оборудования, поэтому щиты постоянного тока оборудуются устройствами контроля изоляции, осуществляющими непрерывный контроль состояния изоляции сети постоянного тока относительно земли.

Схема простейшего устройства контроля изоляции приведена на рисунке 13 и состоит из двух вольтметров, включенных между каждым полюсом и землёй.



Рисунок 13 – Схема контроля изоляции цепей постоянного тока с помощью двух вольтметров.

В нормальных условиях, когда сопротивления изоляции каждого полюса относительно земли R₍₊₎ и R_(-) одинаковы, напряжение каждого полюса относительно земли равно половине напряжения между полюсами, т.е. U₍₊₎ =U_(-) = 0,5U.

Если один из полюсов, например (+), замкнётся на землю, т.е. R₍₊₎ = 0, то соответственно U₍₊₎ также станет равным нулю, а напряжение U_(-) возрастёт до полного напряжения между полюсами, т.е. U₍₊₎ = 0 и U_(-) = U. Следовательно, при снижении сопротивления изоляции на одном из полюсов напряжение этого полюса относительно земли, равное в нормальном режиме 0,5U, понижается, а напряжение другого полюса относительно земли увеличивается на ту же величину.

При помощи кнопок К₍₊₎ и К_(-) и вольтметров можно определить величину изоляции сети относительно земли (поочерёдно размыкаются кнопки К₍₊₎ и К_(-) и записываются показания вольтметров U_(-) и U₍₊₎. Сопротивление изоляции сети относительно земли определяют по формулам:

;  ,

где R_в – внутреннее сопротивление вольтметров;

В эксплуатации могут использоваться и другие устройства контроля изоляции, в том числе и автоматически действующие на предупредительный сигнал при снижении изоляции сети до определенного значения.

Аккумуляторные батареи являются независимыми наиболее надёжными источниками оперативного тока и поэтому они нашли широкое применение на электростанциях и подстанциях для питания оперативных цепей релейной защиты, автоматики и управления выключателями.

Однако аккумуляторные батареи имеют высокую стоимость, требуют специальное помещение и наличие зарядного устройства; а обслуживать их должен специально обученный квалифицированный персонал. Кроме того, выполнение распределительной сети постоянного тока требует большого количества контрольного кабеля.

В России питание оперативных цепей от источников постоянного оперативного тока получило распространение на электростанциях и на подстанциях напряжением 110 кВ и выше.

Переменный оперативный ток

Для питания оперативных цепей переменным током используется ток или напряжение сети. При этом в качестве источников переменного оперативного тока служат: трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд.

Трансформаторы тока являются надёжным источником питания оперативных цепей защит от к.з. При к.з. ток и напряжение на зажимах трансформатора тока увеличиваются и следовательно возрастает мощность трансформаторов тока чем обеспечивается надёжное питание оперативных цепей.

Схема питания оперативных цепей защиты переменным оперативным током непосредственно от трансформаторов тока показана на рисунке 14 а). В нормальном режиме катушка отключения выключателя 2 зашунтирована контактами реле 1 и ток в ней отсутствует. При к.з. реле 1 срабатывает, его контакты размыкаются, и ток от трансформаторов тока поступает в катушку отключения 2, приводя её в действие.

Однако трансформаторы тока не обеспечивают необходимой мощности при повреждениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся увеличением тока. Их нельзя использовать для питания устройств релейной защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, защит от витковых замыканий электрических машин и для защит от ненормальных режимов электроустановок, таких как повышение или понижение напряжения и понижение частоты. В этих случаях в качестве источников оперативного тока должны использоваться трансформаторынапряжения или трансформаторы собственных нужд.

Схема питания оперативным током от трансформатора напряжения и от трансформатора собственных нужд приведена на рисунке 14 б), в). Схема б) применяется для питания оперативных цепей защит, а для питания цепей управления выключателями обычно используется схема в), где для питания цепей управления используется выпрямленный ток.



Рисунок14 – Схема питания оперативных цепей защиты переменным оперативным током

а) непосредственно от трансформаторов тока; б) от трансформаторов напряжения; в) от трансформатора собственных нужд

Однако, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд непригодны для питания оперативных цепей защит от к.з. т.к. при к.з. напряжение сети резко снижается, и они могут использоваться для таких защит как, например, защиты от перегрузки, от замыканий на землю, повышения напряжения и др.

Помимо непосредственного использования мощности трансформаторов тока и напряжения можно использовать энергию, накопленную в предварительно заряженных конденсаторах. Заряд конденсатора обычно осуществляется в нормальном режиме от напряжения сети. При исчезновении напряжения на электроустановке запасённая конденсатором энергия сохраняется и её можно использовать для питания защит, которые должны работать при исчезновении напряжения.

Схема с питанием от заряженного конденсатора изображена на рисунке 15. Конденсатор 1питается от трансформатора напряжения через выпрямитель2. В нормальном режиме конденсатор заряжен. При действии защиты он замыкается на катушку отключения, питая её током разряда.



Рисунок 15 – Схема питания оперативных цепей защиты переменным током с использованием энергии заряженного конденсатора

В России питание оперативных цепей от источников переменного тока получило широкое распространение в электрических сетях напряжением 6-35 кВ.

2. 
   Измерительные преобразователи
   

Включение измерительных приборов и реле в электроустановках высокого напряжения переменного тока производится в большинстве случаев через измерительные преобразователи –трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН).

Измерительные трансформаторы предназначены для изолирования измерительных приборов и реле от первичных цепей высокого напряжения и для уменьшения напряжения (тысячи вольт) и тока (сотни и тысячи ампер) до величин удобных для измерения.

В России трансформаторы напряжения обычно изготавливаются на номинальное вторичное напряжение 100 В, а трансформаторы тока – на номинальный вторичный ток 5 и 1 А.

Конструктивно трансформаторы напряжения отличаются от трансформаторов тока.

2.1. Трансформаторы тока

Трансформатором тока называется трансформатор, в котором при правильных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Классификация трансформаторов тока

Все трансформаторы тока можно классифицировать по следующим основным признакам:

По роду установки:

• 
  для работы на открытом воздухе;
  
• 
  для работы в закрытых помещениях;
  
• 
  для встраивания во внутренние полости электрооборудования;
  
• 
  для специальных установок.
  

По способу установки:

• 
  проходные трансформаторы тока (используются в качестве ввода и устанавливаются в проёмах стен, потолков или металлических конструкциях);
  
• 
  опорные (устанавливаются на опорной плоскости);
  
• 
  встраиваемые (для установки во внутренние полости электрооборудования);
  

По числу коэффициентов трансформации:

• 
  с одним коэффициентом трансформации;
  
• 
  с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток;
  

По выполнению первичной обмотки:

• 
  одновитковые;
  
• 
  многовитковые.
  

По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками ТТ:

• 
  с твёрдой изоляцией (фарфор, литая изоляция, прессованная изоляция );
  
• 
  с вязкой изоляцией (заливочные компаунды);
  
• 
  с комбинированной изоляцией (бумажно – масляная, конденсаторного типа);
  
• 
  с газообразной изоляцией (воздух, элегаз).
  

По принципу преобразования тока:

• 
  электромагнитные трансформаторы тока;
  
• 
  оптико – электронные трансформаторы тока.
  

Устройство и принцип действия трансформатора тока

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через неё проходит весь первичный ток нагрузки или к.з.

Устройство и схема включения трансформатора тока показаны на рисунке 16.

Трансформатор тока имеет стальной сердечник С и две обмотки: первичную W₁ и вторичную W₂. Трансформаторы тока часто имеют два и более сердечника, при этом первичная обмотка является общей для всех сердечников. Первичная обмотка имеет меньшее количество витков и включается последовательно в цепь измеряемого тока. К вторичной обмотке, имеющей большее количество витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.



Рисунок 16 – Устройство и схемы включения ТТ

а) с одним сердечником; б) с двумя сердечниками.

Первичный ток I₁, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока создаёт в сердечнике магнитный лоток Ф₁, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂, который также создаёт магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике ТТ равен:

Ф₀ = Ф₁-Ф₂;

Величина магнитного потока зависит от величины создаваемого его тока и от количества витков обмотки, по которой этот ток протекает. Произведение тока на число витков F=IW называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках. Поэтому выражение для Ф₀ можно заменить выражением:

F₀ = F₁ - F₂ или I₀W₁ = I₁W₁ - I₂W₂, где

I₀ – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока (I_нам);

Разделив все члены последнего выражения на W₂, получим:

 или  , где

 - витковый коэффициент трансформации трансформатора тока.

Соотношение первичного и вторичного токов имеет вид:

;

При I_нам=0 трансформатор тока работает «идеально», его вторичный ток пропорционален первичному и совпадает с ним по фазе:

;

Однако в действительности намагничивающий ток не может быть равным нулю, поэтому действительный вторичный ток ТТ отличается от «идеального» на величину, которая и вносит искажение в величину и фазу вторичного тока. Таким образом, вследствие наличия тока намагничивания во вторичную обмотку трансформируется не весь первичный ток, а только его часть, что и вызывает погрешность в работе трансформатора тока.

Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивания стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, а также на нагрев обмоток.

Искажающее влияние тока намагничивания показано на векторной диаграмме (см. рисунок 18), построенной на основе схемы замещения на рисунке 17.



Рисунок 17 – Упрощённая схема замещения трансформатора тока.

На схеме замещения Z₁ и Z₂– сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора тока, Z_нам – сопротивление ветви намагничивания. Из схемы замещения видно, что первичный ток I₁, входящий в начало первичной обмотки