Рза. Учебное пособие для вузов Архангельск 2015
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО Северный (Арктический) федеральный университет имени МВ. Ломоносова» В.Ф. Надеин , доц, канд. техн. наук СВ. Петухов, доц, канд. техн. наук В.В. Радюшин , доц, канд. техн. наук РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА Учебное пособие для вузов Архангельск 2015 2 Рассмотрены и рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией института энергетики и транспорта ФГАОУ ВПО «САФУ им. МВ. Ломоносова Рецензенты : УДК 621.316.925.1 Надеин В. Фи др. Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения учебное пособие с контрольными заданиями по дисциплинам Релейная защита и автоматика и Автоматика в системах электроснабжения Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения Надеин В. Ф, Петухов СВ, Радюшин В.В..– Архангельск Издательство САФУ, г. Дисциплина входит в профессиональный цикл Б, направление подготовки бакалавриата Теплоэнергетика и теплотехника, профиль «Энергообеспечение предприятий и преподаётся в 7 семестре. Направление подготовки бакалавриата 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, профиль Менеджмент в электроэнергетике и электротехнике и преподается в 7 семестре. В учебном пособии приведены основные теоретические положения и контрольные задания. Предназначены для студентов института энергетики и транспорта по направлениям подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль «Энергообеспечение предприятий и 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, профиль Менеджмент в электроэнергетике и электротехнике дневной и заочной форм обучения. Табл. Библиограф. назв. © Северный (Арктический) федеральный университет имени МВ. Ломоносова, 2015 3 Оглавление. Введение. 4 Глава 1. Основные понятия релейной защиты. 5 Виды повреждений в электрических сетях Глава 2. Классификация реле 10 Глава 3. Работа трансформаторов тока и напряжения 14 с устройствами релейной защиты Глава 4. Токовые защиты с применением 21 электромеханических реле в устройствах релейной защиты Глава 5. Расчет уставок срабатывания токовых защит 27 ВЛ (КЛ) 6 – 35 кВ Глава 6. Принципы реализации простых токовых защити методы проверки Глава 7. Принципы работы электронных 46 статических) реле Глава 8. Релейная защита силовых трансформаторов 51 напряжением 6-110 кВ Глава 9. Однофазные короткие замыкания в сети 6-35 кВ 68 Глава 10. Применение цифровых технологий 74 в устройствах релейной защиты Глава 11. Защита от повреждений в ячейках комплектных распредустройств 6-35 кВ (дуговые защиты) 89 Глава 12. Назначение устройств частотной разгрузки (АЧР) и частотного АПВ (ЧАПВ) 93 на энергообъектах Библиографический список 98 4 Введение. В трёхфазных электрических сетях при работе систем электроснабжения возможны повреждения электрооборудования и сложные режимы работы. Повреждения, связанные с нарушением изоляции, разрывом проводов и кабелей линий электропередачи, ошибками персонала при переключениях, приводят к короткому замыканию фаз между собой или на землю. При коротком замыкании в замкнутом контуре появляется большой ток, увеличивается падение напряжения на элементах оборудования, что ведёт к общему понижению напряжения во всех точках сети и нарушению работы потребителей. Сложные режимы работы электрических сетей возникают, как правило, в результате аварий или после аварийных отключений оборудования, при последующих перегрузках и отклонениях напряжения от номинальных значений. И хотя эти режимы в течение некоторого времени считаются допустимыми, они создают предпосылки для различного рода повреждений и расстройств в работе электросетей. Для обеспечения нормальных условий работы электрических сетей и предупреждения развития аварий необходимо быстро реагировать на изменение режима работы электрической сети, незамедлительно отделить повреждённое оборудование от исправного и при необходимости включить резервный источник питания потребителей. Эти функции и выполняют устройства релейной защиты и автоматики. В учебном пособии приведены теоретические сведения об устройствах релейной защиты и электроавтоматики по курсу Релейная защита и автоматики систем энергообеспечения», вопросы для самопроверки. Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки Теплоэнергетика и теплотехника. 5 Глава 1. Основные понятия релейной защиты. Виды повреждений в электрических сетях. Электроустановки должны быть оборудованы устройствами релейной защиты, предназначенными для [1]: 1. Автоматического отключения поврежденного элемента от остальной, неповрежденной части электрической системы с помощью выключателей. Если повреждение непосредственно не нарушает работы энергосистемы (замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью, допускается действие релейной защиты только на сигнал 2. Реагирование на опасные, ненормальные режимы работы элементов электрической системы (перегрузка, повышение напряжения и т.д.); в зависимости от режима работы и условий эксплуатации электроустановки релейная защиты должны быть выполнена с действием на сигналили на отключение тех элементов, оставление в работе которых может привести к возникновению повреждения. Виды повреждений и ненормальных (анормальных) режимов в электрических сетях. К опасным (аварийным) режимам работы электросети относятся 1. короткие замыкания между фазами 2. короткие замыкания на землю в сетях с заземленной нейтралью 3. короткие замыкания с одновременным обрывом одной или двух фаз Короткие замыкания могут возникнуть между тремя фазами, тремя фазами на землю, между двумя фазами, двумя фазами на землю, одной 6 фазой на землю. Особыми видами повреждения являются двойные замыкания на землю. К ненормальным (анормальным) режимам работы электрической сети относят 1. сверхтоки, вызванные перегрузкой оборудования или внешними короткими замыканиями 2. качания в энергосистеме 3. повышение напряжения сверх допустимого значения 4. однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью Основные требования к релейной защите. Основные требования к устройствам релейной защиты [2]: 1. Селективность. Это свойство релейной защиты, избирать поврежденный участок электрической сети, отключать его, воздействуя на высоковольтный коммутационный аппарат (выключатель 2. Чувствительность. Следует иметь ввиду, что нет четкой границы между повреждением и отсутствием повреждения электрооборудования. Короткое замыкание между фазами может быть металлическим, а может быть через переходное сопротивление (например – электрическую дугу. Абсолютно чувствительной защиты нет. Поэтому для оценки эффективности работы релейной защиты при различных видах повреждения вводят понятие чувствительности защиты, которая определяется коэффициентом чувствительности [1]. Коэффициент чувствительности нормируется для каждого конкретного вида защиты в зависимости от ее назначения и вида повреждения в электрической сети. 3. Быстродействие. Быстродействие необходимо 7 - для предотвращения нарушения параллельной работы электростанций и предотвращения выхода из синхронизма различных частей электрической сети - для снижения влияния коротких замыканий на работу потребителей, сопровождающихся резким снижением напряжения - для предотвращения повреждения изоляции электрооборудования токами короткого замыкания. 4. Надежность. Под надежностью устройств релейной защиты принято понимать способность выполнять все функции, заложенные ее производителем при нормальных условиях эксплуатации. Принципы работы устройств релейной защиты. 1. Токовые защиты. Короткие замыкания сопровождаются резким увеличением тока сверх значения заранее определенного расчетом, что позволяет выполнить простые устройства релейной защиты, которые контролируют величину значения тока. Подразделяют максимальные токовые защит (МТЗ), действующее на отключение поврежденного элемента сети с выдержкой времени и токовые отсечки (ТО, действующие без выдержки времени. Отличие между ними состоит в выборе способа обеспечения селективности. Токи, которые контролирует устройство релейной защиты могут измеряться в фазах (через трансформаторы тока, либо измеряться отдельные составляющие фазных токов (токи прямой, обратной и нулевой последовательностей. В основу данного способа положен метод симметричных составляющих [4]). Токовые защиты подразделяют с контролем направления мощности (направленные) и без контроля (ненаправленные. Токовая защита по своему принципу работает не только при повреждениях на своем защищаемом элементе сети, но и на 8 смежных. Поэтому токовые защиты относят к защитам с относительной селективностью. 2. Дифференциальные защиты. В основу принципа дифференциальных защит положено сравнение однородных, мгновенных величин по концам защищаемого элемента сети (трансформатор, секции шин, генератора, ВЛ). Обычно сравнивают токи по величине и фазе. Дифференциальная защита по своему принципу работает только при повреждениях на защищаемом элементе сети, поэтому ее выполняют без выдержки времени и дифференциальную защиту называют защитой с абсолютной селективностью. 3. Дистанционные защиты. При возникновении коротких замыканий в электрической сети происходит не только скачкообразное повышение тока, но и резкое снижение напряжения, те. уменьшение сопротивления. Достоинством устройств релейной защиты, основанным на данном принципе, является то, что сопротивление до места повреждения не зависит от величин тока и напряжения, а только от их соотношения. Это позволяет выполнить защиты притоках короткого замыкания меньше номинальных для электрооборудования. Сопротивление от места установки защиты до места повреждения Z прямо пропорционально длине l до места повреждения и называется дистанционным Z = U к.з. (3) I к.з. (3) = z 1 уд. ∗ l. Существуют и другие принципы работы устройств релейной защиты, нона промышленных предприятиях используются редко, поэтому рассматриваться не будут. Контрольные вопросы 1. Каковы основные виды повреждений элементов электрических сетей ? 9 2. Каковы основные элементы и функциональные части устройств релейной защиты и автоматики ? 3. Каковы основные требования к устройствам релейной защиты и автоматики ? 4. Назовите основные принципы работы устройств релейной защиты и автоматики. 10 Глава 2. Классификация реле. Под термином реле принято понимать автоматически действующий аппарат, предназначенный при заданном значении воздействующей величины, характеризующей определенное внешнее явление, производить скачкообразные изменения в управляемых системах [5]. Воздействующей (входной) величиной называется величина, на которую должно реагировать реле. Входных величин может быть несколько, подведенных к разным входам реле. Если входная величина электрическая, то реле называется электрическим реле. Реле подразделяются [6]: 1. По способу подключения к главной электрической цепи 1.1. первичные, подключаемые непосредственно к главной электрической цепи. В настоящее время реле подключаются непосредственно к главной электрической цепи только в сети напряжением до 1 кВ 1.2. вторичные, подключаются к главной электрической цепи через индуктивную или емкостную связь. 2. По способу воздействия на коммутационный аппарат. 2.1. прямого, воздействующего напрямую на привод коммутационного аппарата 2.2. косвенного, воздействующего на коммутационный аппарат через промежуточное элемент. 3. По назначению 3.1. Измерительные. По виду воздействующей величины измерительные реле делятся на токовые, напряжения, мощности, сдвига фаз, направления мощности, сопротивления, симметричных составляющих, частоты. Измерительные реле, срабатывание которых происходит при значениях воздействующей величины больше заданной, называются максимальными при значениях 11 воздействующей величины меньше заданной, называются минимальными. 3.2. Логические. Изменение состояния логических реле происходит при дискретном изменение воздействующей величины. К логическим реле относятся 3.2.1. промежуточные реле, предназначенные для расширения функций других реле 3.2.2. указательные – для указывания срабатывания других реле 3.2.3. реле времени, предназначенные для срабатывания с регулируемой выдержкой времени, имеющей заданную точность 3.2.4. замедленные реле, предназначенные для срабатывания или возврата со специально предусмотренным замедлением. 4. По принципу действия реле подразделяют 4.1. электромагнитные – работа основана воздействии магнитного поля, обтекаемой током обмотки на ферромагнитный якорь 4.2. поляризованное реле – электромагнитное реле со вспомогательным поляризующим магнитным полем 4.3. магнитоэлектрическое реле – работа основана на взаимодействии постоянного магнита и обтекаемой током обмотки 4.4. индукционные реле – работа основана на взаимодействии магнитных полей неподвижных обмоток с магнитными полями токов, индуктируемых в подвижном элементе 4.5. полупроводниковые (статические) реле – измерительные органы реле и логика работы реализована на элементах микроэлектроники без использования программных средств вычисления 4.6. микропроцессорные реле – устройство, все элементы которого, реализованы с помощью программных средств 4.7. микропроцессорный терминал релейной защиты - микропроцессорные реле с дополнительными функциями электроавтоматики, в зависимости от назначения терминала (контроль положения 12 выключателя, автоматического повторного включения выключателя (АПВ), автоматического включения резерва (АВР) и т.п.). У реле отличают два состояния. Начальное – состояние при отсутствии воздействующей величины. Конечное – установившееся состояние, при наличии воздействующей величины больше заданной. Переход реле изначального состояния в конечное называется срабатыванием наоборот – возвратом. Заданное пороговое значение воздействующей величины, при котором происходит изменение состояния реле, называется уставкой реле. Отношение параметра возврата реле к параметру срабатывания реле называется коэффициентом возврата. Для максимальных реле коэффициент возврата меньше единицы, для минимальных – больше единицы. Время срабатывания реле – время с момента появления воздействующей величины определенной кратности по отношению к параметру срабатывания до воздействия реле на управляемую систему. Задание для самостоятельной работы. 1. Изучить технические характеристики, схемы внуттренних соединений и назначение следующих реле РТ, РТ-80,РВМ-12, РП-23, РП-25, РСТ-13 [7]. 2. Познакомиться с электронным справочником на кафедре Справочник РЗА». Контрольные вопросы 1. Что называется электрическим реле ? 2. На какие виды подразделяются электрические реле по способу подключения к главной электрической цепи ? 3. На какие виды подразделяются электрические реле по способу воздействия на коммутационный аппарат ? 13 4. На какие виды подразделяются электрические реле по назначению ? 5. На какие виды подразделяются электрические реле по принципу действия ? 14 Глава 3. Работа трансформаторов тока и напряжения с устройствами релейной защиты. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. Классификация трансформаторов тока (ТТ). Трансформаторы переменного тока частотой тока 50 Гц, используемые в схемах релейной защиты классифицируются [8]: 1. породу установки. Для установки на открытом воздухе, для работы в закрытых помещениях, встраиваемые ТТ в электрооборудование, для специальных установок (в шахтах, судах и т.п.); 2. по способу установки. ТТ могут быть проходными, устанавливаемые в качестве ввода в сооружение или конструкцию опорные встраиваемые в электрооборудование 3. по числу коэффициентов трансформации С одним коэффициентом, несколькими коэффициентами 4. по числу ступеней трансформации одноступенчатые каскадные 5. по способу выполнения первичной обмотки одновитковые, многовитковые. Основными параметрами ТТ являются 1. номинальное напряжение – действующее значение линейного напряжения 2. номинальный первичные ток, при котором предусмотрена продолжительная работа ТТ; принята следующая шкала – 1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600 и т.д. 3. номинальный вторичный ток принимается 1 или 5 А 15 4. вторичная нагрузка ТТ (В*А). Вторичная нагрузка ТТ с коэффициентом мощности со φ =0,8, при котором гарантируется класс точности ТТ, называется номинальной нагрузкой ТТ; 5. коэффициент трансформации ТТ; 6. стойкость ТТ к механическими тепловым воздействиям. Все важные соотношения для ТТ вытекают из его схемы замещения и векторной диаграммы. Н К Н К КА w1 w2 I 1 I 2 E 2 Н К I’ 1 I 2 I нам Z’ 1 Z нагр U 2 Z 2 Z нам а) б) Рис. 1. Принципиальная схема (аи схема замещения (б) ТТ. I’ нам Ф I 2 x 2 I 2 r 2 I 2 x н н δ E 2 U 2 I’ нам I’ 1 I 2 Рис. 2. Векторная диаграмма ТТ. w 1 – число витков первичной обмотки w 2 – число витков вторичной обмотки U 2 – напряжение на зажимах вторичной обмотки ТТ; Ф – магнитный поток I’ 1 – первичный ток, приведенный ко вторичной обмотки ТТ, 𝐼 1 , = 𝐼 1 𝑛 тт ; n тт – коэффициент трансформации ТТ. n тт =w 1 /w 2 ; I 2 – вторичный ток нам ток намагничивания, приведенный ко вторичной обмотке ТТ; 16 Z’ 1 – полное сопротивление первичной обмотки ТТ, приведенное ко вторичной обмотке Z 2 – полное сопротивление вторичной обмотки ТТ; нам – полное сопротивление ветви намагничивания δ – угловая погрешность γ – угол потерь встали сердечника. Основные погрешности ТТ зависят от наличия тока намагничивания 1. Погрешность потоку. Угловая погрешность δ. Критерием пригодности работы ТТ в устройствах релейной защиты будет работа ТТ с 10% погрешностью при максимальном токе короткого замыкания. Угловая погрешность обычно при соблюдении этого условия не превышает 7°. Для уменьшения погрешности работы ТТ они должны работать с минимальной вторичной нагрузкой, те. в режиме короткого замыкания. Размыкать вторичную обмотку ТТ категорически запрещается. Основные схемы соединения трансформаторов тока [9]. 1. Полная звезда. Z p r пр ТТ А ТТ В ТТ С Z p Z p пр пр. Треугольник. 17 Z p r пр ТТ А ТТ В ТТ С Z p Z p пр пр. Неполная звезда. Z p r пр ТТ А ТТ В ТТ С Z p Z p пр пр. На разность фазных токов. Z p r пр ТТ А ТТ С Z p r пр Трансформаторы напряжения в устройствах релейной защиты. К вторичным обмоткам ТН подключены электросчетчики, киловольтметры, цепи контроля изоляции, блоки автоматики регулирования в схеме РПН, приборы обнаружения мест повреждения (ОМП) , защиты ВЛ и трансформатора. Вторичные цепи напряжения защищены автоматами Цепи напряжения Y» и Цепи напряжения о. Если отключены автоматы Цепи напряжения ТН-10» или перегорели предохранители ТН, срабатывает указательное реле Неисправность ТН». 18 С помощью киловольтметров КУ и переключателей ПК на панели У измеряются линейные и фазные напряжения и производится контроль изоляции в сеть 10 кВ. Для удобства при отыскании земли в сети 10 кВ в ячейках ТН-10-1СШ и ТН-10-2СШ установлены дополнительные киловольтметры и переключатели ПИ для замера фазных напряжений на 1СШ 10 кВ и на 2СШ-10 кВ соответственно. Для резервирования цепей напряжения устанавливаются специальные ключи или испытательные блоки БИ Секционирование цепей ТН». А В С а в с х у Рад в д с д х д у д д Н К Ф И Р SF Рис. 3. Принципиальная схема вторичных цепей трансформатора напряжения (ТН) U A U B U C U a U b U c Ф И Н К Рис. 4. Векторная диаграмма напряжения. Задания для самостоятельной работы . Тема Трансформаторы тока в схемах устройств РЗА. 19 № п/п р, ар р, c Вид короткого замыкания Номер схемы соединения трансформаторов тока Первичный ток короткого замыкания, А Коэффициент трансформации ТТ 1. 1 0,5 1 АВС 1,3 400 20/5 2. 0,9 0,6 0,9 АВ 1,4 600 300/5 3. 0,5 0,5 0,5 ВС 1,5 100 100/5 4. 0,7 0,8 0,7 СА 2,3 4000 200/5 5. 0,5 1 0,5 СА 2,4 60 300/5 6. 1,2 0,8 1,2 АВ 2,5 1200 600/5 7. 0,6 0,6 0,6 ВС 3,4 800 400/5 8. 0,8 0,7 0,5 АО 3,5 400 100/5 9. 0,5 0,7 0,8 ВС 4,5 1600 200/5 10. 1,5 1,5 1,5 АВ 1,2 120 300/5 11. 2,1 0,8 2,1 АВ 2,3 400 400/5 12. 0,32 0,8 0,32 СА 4,5 60 600/5 13. 1,2 0,8 1,2 АВС 2,5 800 600/5 14. 0,7 0,8 0,7 ВС 2,2 2000 300/5 15. 0,9 0,6 0,9 СА 1,2 700 400/5 № п/п Номер схемы соединения трансформаторов тока Схема соединения трансформаторов тока и нагрузки 1. 1 Полная звезда 2. 2 Неполная звезда 3. 3 Треугольник ТТ и звезда - нагрузка 4. 4 Реле включены на разность токов двух фаз 5. 5 Два реле включены на фазные токи и одно реле включено на разность токов двух фаз. 20 6. 6 Последовательное включение двух трансформаторов тока 7. 7 Параллельное включение двух трансформаторов тока Задание - Определить нагрузку на все трансформаторы тока при указанном виде короткого замыкания. В помощь можно ознакомится с обучающей программой токовые цепи ТТ» на кафедре. Контрольные вопросы 1. Назовите виды классификаций трансформаторов тока. 2. Назовите основные параметры трансформаторов тока. 3. Приведите принципиальную схему вторичных цепей трансформатора напряжения. 21 Глава 4. Токовые защиты с применением электромеханических реле в устройствах релейной защиты. В настоящее время электромеханические реле наиболее широко представлены в устройствах релейной защиты [7, 12]. В электромеханических реле используются два принципа работы реле см. Главу 2 Классификация реле ): 1. электромагнитный 2. индукционный. Принципиальная схема реле, работающего на электромагнитном принципе показана на рисунке 5. Ф м I p 1 2 3 4 5 δ Рис. 5. Принципиальная схема электромагнитного реле 1 – магнитопровод, 2 – обмотка, 3 – якорь, 4 – пружина, 5 – контакты. Основные выводы, касающиеся применения электромагнитных реле в устройствах релейной защиты, определяются двумя соотношениями [10, 11]: 1. Законом Ома для магнитной цепи - Ф м = 𝐼 𝑝 ∗𝑤 𝑝 𝑅 м , (1) где р – ток катушки реле р – число витков катушки реле м – магнитное сопротивление контура магнитного потока. Магнитное сопротивление контура, состоящее из магнитного сопротивления железа и 22 воздушного зазора, определяется в основном величиной последнего. Формулу (1) можно преобразовать к следующему виду Ф м = 𝑘 1 ∗ 𝐼 𝑝 ∗𝑤 𝑝 𝛿 , (2) где k 1 – коэффициент пропорциональности δ – величина воздушного зазора реле. Электромагнитная сила пропорциональна квадрату магнитного потока 𝐹 эм = 𝑘 2 ∗ Ф м 2 = 𝑘 2 𝑘 1 2 𝐼 𝑝 2 ∗𝑤 𝑝 2 𝛿 2 = 𝑘 ( 𝐼 𝑝 ∗𝑤 𝑝 𝛿 ) 2 , (3) Из формулы (3) можно сделать выводы 1. Уставку срабатывания реле можно регулировать числом витков катушки реле р 2. Порог входной величины реле, при котором происходит срабатывание и возврат реле различны, из-за разной величины воздушного зазора в этих состояниях. Отношение величины входной величины возврата реле (например – тока) к величине срабатывания называется коэффициентом возврата 𝑘 в = 𝐼 возв.р. 𝐼 ср.р. ; (4) 3. Уставку срабатывания реле можно регулировать изменением противодействующей силы (пружины) реле. Индукционные реле. В индукционном реле магнитные потоки, созданные токами, проходящими по катушкам, размещенным на неподвижных частях реле (сердечнике) взаимодействуют с вихревыми токами, наведенными ими, в подвижных элементах реле (алюминиевом диске или барабанчике. В результате взаимодействия магнитных потоков и вихревых токов возникает электромагнитная сила. Вращающий момент пропорционален магнитным потоками синусу угла сдвига между ними М эм = 𝑘Ф 1 Ф 2 ∗ sin 𝜗, (5) 23 Таким образом, для создания вращающего момента магнитные потоки должны быть сдвинуты по фазе ив пространстве (проекции на плоскость вращающего элемента реле. Принципиальная схема индукционного реле показана на рисунке 6. I p Up + Ф i Ф u Ф i Ф u в в f 1 f 2 f 3 f 4 1 2 Рис. 6 принципиальная схема индукционного реле с двумя катушками 1 - сердечники, 2 – катушки реле, 3 – алюминиевый диск Индукционные реле с двумя входными величинами выполняются для контроля направления мощности короткого замыкания. Широкое применение получили индукционные токовые реле с одной входной величиной (током. Для получения сдвига в пространстве и по фазе необходимо магнитный поток от одной входной величины расщепить на два потока и сдвинуть их по фазе. Достигается это разрезанием концом полюсов сердечника и установкой на части разрезанного сердечника короткозамкнутых витков. На рисунке 7 показана схематическая схема индукционного реле тока. I p Ф 1 Ф 2 E k Рис.7. Принципиальная схема индукционного токового реле. 24 Вращающий момент такого реле будет пропорционален квадрату тока М эм = 𝑘𝐼 𝑝 2 , (6) Квадратичная характеристика реле аналогична характеристикам предохранителей, что значительно облегчает условия согласования уставок релейной защиты, выполненных на индукционных реле, с характеристиками предохранителей в электрической сети. Частота вращения диска также будет пропорциональна квадрату тока 𝑤 = 𝑘 , 𝐼 𝑝 2 , (7) При достижении величины тока в реле, равной уставке срабатывания, диск реле сдвинется в пространстве и войдет в зацепление с червячной передачей. Количество звеньев n червячной передачи и является вторым параметром настройки реле - выдержкой времени на задержку срабатывания 𝑡 = 𝑛 𝑤 = 𝑘 ,, ∗ 𝑛 𝐼 𝑝 2 , (8) Реле сердечника является насыщающимся элементом, те. величина магнитного потока приросте тока в реле не будет линейной. Поэтому характеристика реле (рисунок 8) имеет независимую часть, на которой приросте тока в реле выдержка времени изменяться не будет и будет равна выставленной по шкале реле. t, сек I p /I cp Зависимая часть характеристики Независимая часть характеристики Рис.8. Характеристика срабатывания токового реле. Конкретные величины срабатывания зависят от типа реле [7, 12]. 25 Электромагнитные реле на переменном оперативном токе имеют ряд особенностей по сравнению с реле на постоянном токе. Магнитный поток от переменного тока можно записать 𝐹 эм = Ф м 2 2∗𝜇 0 𝑆 𝛿 , (9) где S δ – поперечное сечение рабочего зазора реле. Магнитный поток Ф м = Ф (𝑤𝑡), (10) Тогда, уравнение (9) с учетом формулы (10) можно представить 𝐹 эм (𝑡) = Ф 𝑚 2 ∗𝑠𝑖𝑛 2 (𝑤𝑡) 2𝜇 0 𝑆 𝛿 = Ф 𝑚 2 (1−2 cos(𝑤𝑡)) 4𝜇 0 𝑆 𝛿 , (11) Амплитудное значение магнитного потока Ф можно представить через действующее значение Ф при синусоидальном токе Ф Ф, (12) Подставим (12) в (11) и преобразуем к виду 𝐹 эм (𝑡) Ф Ф (2𝑤𝑡) 2𝜇 0 𝑆 𝛿 , (13) Первая часть уравнения (13) постоянна, вторая имеет переменное значение и меняется с удвоенной частотой сети. По сравнению с электромагнитными реле постоянного тока реле переменного тока имеют ряд существенных недостатков 1. Тяговое усилие реле переменного тока в 2 раза меньше, чему реле постоянного при одинаковых прочих параметрах реле. Поэтому при заданном электромагнитном усилии реле переменного тока имеет большую массу и большее собственное потребление 26 2. Наличие переменной составляющей в тяговой силе приводит к вибрации подвижных частей реле 3. Потери на вихревые токи могут приводить к нагреву реле, поэтому сердечник реле выполняют шихтованным, что усложняет технологический процесс изготовления реле. Контрольные вопросы 1. Назовите основные принципы работы электромеханических реле. 2. Приведите принципиальные схемы электромагнитных реле. 3. Каковы основные недостатки электромагнитных реле переменного тока. 27 Глава 5. Расчет уставок срабатывания токовых защит ВЛ (КЛ) 6-35 кВ. Токовые защиты наиболее распространённый вид релейной защиты. Схемы токовых защит отличаются большим разнообразием и зависят от [13]: 1. защищаемого элемента электрической сети и его технических характеристик 2. класса напряжения и вида конфигурации электрической сети 3. конструктивного исполнения применяемого устройства релейной защиты 4. типа оперативного тока на объекте, где устанавливается устройство релейной защиты. Принцип работы токовых защит. Принцип выбора зон ответственности токовых отсечек (ТО) и максимальных токовых защит (МТЗ) показана на рисунке 9. ПСА ПС В ПС С Тр Н Н Т Тв 1 Т Тв 1 Т Тв 1 I,A t,сек L,км В1 В2 L ТО L 1 L 2 I ТО I МТЗ2 , t МТЗ2 I МТЗ1 , t МТЗ1 - Токовая отсечка- Максимальная токовая защита с одной выдержкой времени Кривая величины тока короткого замыкания вдоль ВЛ L 1 L 2 ВЛ-1 ВЛ-2 Рис.9. Зоны действия токовых защит. 28 Токовая отсечка (ТО) защиты, установленная на ПСА, во всех режимах энергосистемы не должна работать вне зоны ВЛ-2. Поэтому ее зону работы ограничивают примерно 85% длины L 2 , что позволяет ТО выполнить с нулевой выдержкой времени на отключение выключателя В. Назначение МТЗ ВЛ-1 - обеспечивать отключение повреждения на ВЛ-1 во всех режимах работы энергосистемы с воздействием на выключатель В иона должна запускаться при повреждения на ВЛ-1 для резервирования защит ВЛ-1 в случае отказа защит ПС Вили отказав отключении выключателя В. Способность производить отключения МТЗ ВЛ-2 при повреждениях на ВЛ-1 называется дальним резервированием. Требования селективности обеспечивается выбором уставок срабатывания МТЗ ВЛ-2 потоку и времени срабатывания : I МТЗ2 > I МТЗ1 , и t МТЗ1 > t МТЗ2 Расчет уставок релейной защиты обычно производится в первичных величинах, поэтому необходимо определить величину, которую необходимо выставить на реле 𝑖 ср = 𝐼 сз ∗𝑘 сх (3) 𝐾 тт , (14) где I сз – ток срабатывания защиты в первичных величинах i ср – ток срабатывания реле k (3) сх – коэффициент схемы, показывающий, во сколько раз ток в реле больше, чем ток во вторичной обмотке трансформатора тока при нормальном симметричном режиме защищаемого элемента K тт – коэффициент трансформации трансформаторов тока. Оценка эффективности работы МТЗ определяется коэффициентом чувствительности, который определяется по формуле 29 𝑘 ч = 𝑖 р.мин. 𝑖 ср , (15) где i р.мин . – минимально возможный ток повреждения, протекающий в реле. При расчете минимально возможного тока в реле необходимо учитывать схему сборки токовых цепей, вид короткого замыкания и схемы соединения обмоток силовых трансформаторов [13]. Нормируемые коэффициенты чувствительности приведены [1]. Выбор параметров срабатывания токовых защит. Токовая отсечка. Ток срабатывания ТО выбирается из условия отстройки от максимально возможного тока при повреждениях в конце защищаемой зоны на рисунке 1 – шины ПС В тон макс, (16) где макс – трехфазный ток короткого замыкания в конце защищаемого участка сети н – коэффициент надежности, зависящий от типа применяемого реле [13]. При наличии на ВЛ отпаечных ПС необходимо проверить ТО на несрабатывание от бросков тока намагничивания трансформаторов при включении ВЛ и отстроиться от коротких замыканий за трансформаторами. Максимальная токовая защита. Ток срабатывания МТЗ выбирается из двух условий 1. отстройки от максимально возможного тока нагрузки с учетом самозапуска заторможенных двигателей [13] 30 𝐼 сз ≥ 𝑘 н 𝑘 сзп 𝑘 в ∗ 𝐼 раб.макс , (17) где н коэффициент надежности отстройки реле k сзп – коэффициент самозапуска; в – коэффициент возврата I раб.макс. – максимально возможный рабочий ток с учетом параллельно работающих элементов сети. 2. по условию согласования рассчитываемой защиты (последующей – на рисунке 1 ПСА) с предыдущей защита ПС В) 𝐼 сз ≥ 𝑘 н.с. (𝐼 сз.предыд + ∑ 𝐼 раб.макс.(𝑛−1) ) 𝑛−1 1 , (18) где нс – коэффициент надежности согласования [13], зависящий от типа реле I сз.предыд. – ток срабатывания предыдущей защиты. Выдержка времени МТЗ для обеспечения селективности выбирается на ступень больше времени срабатывания предыдущей защиты 𝑡 сз = 𝑡 сз.предыд + ∆𝑡, где t сз.предыд – время срабатывания предыдущей МТЗ; Δt – ступень селективности, зависящая от типа реле [13]. На рисунке 10 приведен пример рассчитанных уставок МТЗ ввода трансформатора. 31 1 2 3 4 5 I нагр =100 А I 1МТЗ =500 А t 1МТЗ =0,5 сек. РТ-40 I нагр =100 А I 2МТЗ =200 А t 2МТЗ =0,5 сек. РТ-40 I нагр =100 А I 3МТЗ =300 А t 3МТЗ =0,5 сек. РТ-40 I нагр =100 А I 4МТЗ =400 А t 4МТЗ =1,0 сек. РТ-40 I нагр =100 А I 1МТЗ =880 А t 1МТЗ =1,5 сек. РТ-40 Рис.10. Таблица уставок РЗА секции шин ПС. Определяющим условием выбора тока срабатывания МТЗ, установленной на вводе трансформатора, является условие согласования потоку с МТЗ защиты 1 (I сз =500 Аи повремени с защитой 4 (t сз =1,0 сек. 𝐼 сз5 ≥ 1,1 ∗ (500 + 3 ∗ 100) = 880 А. 𝑡 сз5 = 1,0 + 0,5 = 1,5 сек. Для реле с обратнозависимой характеристикой для проверки правильности выбора уставок необходимо построить карту селективности рисунок 11). t, сек Iк, А Iкз, А t 1 – последующая защита предыдущая защита Iкз - ток короткого замыкания, рассчитанный в конце основной зоны МТЗ Рис.11. Пример построения карты селективности. Самыми распространенными реле до настоящего времени являются реле серии РТ , РТ, РТВ, типовые характеристики которых показаны на рисунках 12, 13. Современные цифровые реле имеют похожие характеристики срабатывания, и стандартизированы согласно рекомендациям международного энергетического комитета (МЭК). 32 Рис. Характеристики реле типа РТ и РТ. Кривые 1,2,3,4,5 – зависимость времени срабатывания реле РТ, РТ от кратности к току срабатывания при выставленных уставках выдержки времени в независимой части характеристики соответственно -0,5; 1, 2, 3, 4 секунды. Кривые 6,7 – для реле РТ - 0,5; 4 секунды. Ток срабатывания для реле РТ и РТ (с номинальным током 10 А) – 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 А Ток срабатывания для реле РТ-85/2 и РТ (с номинальным током 5 А) – 2; 2,5; 3, 3,5; 4, 4,5; 5 А. Рис. Характеристики вторичных токовых реле типа РТВ. Ток срабатывания реле уст = 5, 6, 7, 8, 9, 10 А. 33 Контрольные вопросы 1. Назовите основные принципы работы токовых защит. 2. Как обеспечивается требование селективности ? 3. Каковы основные параметры срабатывания токовых защит ? 34 Глава 6. Принципы реализации простых токовых защити методы проверки. Принципиальные схемы токовых защит. Принципиальные схемы токовых защит определяются схемой сборки токовых цепей, видом оперативного тока на объекте, типом применяемого устройства релейной защиты. Токовые цепи собирают по схеме 1. неполная звезда - двухфазная, двух- или трехрелейная. Применяется для защиты электрооборудования сетей напряжением до 35 кВ 2. полная звезда - трехфазная, двух- , трех- , четырехрелейная. Применяется для защиты электрооборудования сетей напряжением до 110 кВ 3. треугольник - трехфазная с двумя, тремя реле. Применяется в основном для защиты силовых трансформаторов Принципиальных схем существует большое множество, ново всех заложена одинаковая логика работы Схемы токовых защит на постоянном оперативном токе. На рисунке 14 приведен пример схемы МТЗ на постоянном оперативном токе с электромеханическими реле. 35 А411 С411 |