Конспект лекций по Релейной защита и электроавтоматике

Оглавление 1. Общие вопросы выполнения релейной защиты электроэнергетических  систем.............................................................................................................................6 1.1. Назначение релейной защиты..............................................................................6 1.2. Требования к релейной защите...........................................................................7 1.3. Изображение схем релейной защиты на чертежах............................................8 1.4. Элементы защиты.................................................................................................8 1.5. Принципы выполнения устройств релейной защиты........................................9 1.6. Источники оперативного тока..........................................................................10 2. Трансформаторы тока и схемы их соединений................................................14 2.1. Принцип действия..............................................................................................14 2.2. Параметры, влияющие на уменьшение намагничивающего тока...................15 2.3. Выбор трансформаторов тока и допустимой вторичной нагрузки................18 2.4. Типовые схемы соединений трансформаторов тока.......................................19 2.4.1. Соединение трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду....................19 2.4.2. Соединение трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду................21 2.4.3. Соединение трансформаторов тока в треугольник, а обмоток реле в звезду.......22 2.4.4. Включение реле на разность токов 2 – фаз (схема восьмерки).................................23 2.4.5. Соединение трансформаторов тока в фильтр токов нулевой  последовательности..................................................................................................................24 2.4.6. Последовательное соединение трансформаторов тока...........................................24 2.4.7. Параллельное соединение трансформаторов тока...................................................26 3. Реле...........................................................................................................................27 3.1. Электромагнитные реле тока и напряжения...................................................27 3.1.1. Принцип действия............................................................................................................27 3.1.2. Работа электромагнитного реле на переменном токе.............................................28 3.2. Разновидности электромагнитных реле...........................................................30 3.2.1. Токовые реле.....................................................................................................................30 3.2.2. Реле напряжения.............................................................................................................30 3.2.3. Промежуточные реле.....................................................................................................30 3.2.4. Указательные реле..........................................................................................................32 3.2.5. Реле времени.....................................................................................................................32 4. Максимальная токовая защита...........................................................................34 4.1. Принцип действия токовых защит....................................................................34 4.2. Защита линий с помощью МТЗ с независимой выдержкой времени.............34 4.2.1. Схемы защиты..................................................................................................................35 4.2.2. Выбор тока срабатывания защиты..............................................................................40 4.2.3. Чувствительность защиты............................................................................................44 4.2.4. Выдержка времени защиты...........................................................................................45 4.3. МТЗ с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения................47 3 4.3.1. Схема защиты..................................................................................................................47 4.3.2. Ток срабатывания токовых реле...................................................................................49 4.3.3. Напряжение срабатывания реле минимального напряжения.................................50 4.3.4. Чувствительность реле напряжения...........................................................................51 4.3.5. Напряжение срабатывания реле нулевой последовательности..............................51 4.3.6. Применение защиты........................................................................................................51 4.4. МТЗ с зависимой и с ограниченно зависимой характеристикой выдержки  времени от тока.........................................................................................................52 4.4.1. Принцип действия защиты.............................................................................................52 4.4.2. Индукционные реле..........................................................................................................53 4.4.3. Схема защиты..................................................................................................................58 4.4.4. Выдержки времени защит..............................................................................................58 4.5. МТЗ на переменном оперативном токе............................................................60 4.5.1. Схема с дешунтированием катушки отключения выключателей...........................60 4.5.2. Схемы с питанием оперативных цепей защиты от блоков питания.......................62 4.5.3. Схема защиты с использованием энергии заряженного конденсатора...................64 4.6. Поведение МТЗ при двойных замыканиях на землю......................................65 4.7. Область применения МТЗ.................................................................................66 5. Токовые отсечки.....................................................................................................67 5.1. Принцип действия..............................................................................................67 5.2. Схемы отсечек....................................................................................................68 5.3. Отсечки мгновенного действия на линиях с односторонним питанием.......68 5.3.1. Ток срабатывания отсечки.............................................................................................68 5.3.2. Зона действия отсечки...................................................................................................69 5.3.3. Время действия отсечки................................................................................................70 5.4. Неселективные отсечки.....................................................................................70 5.5. Отсечки на линиях с двусторонним питанием................................................71 5.6. Отсечки с выдержкой времени.........................................................................72 5.6.1. Сеть с односторонним питанием.................................................................................72 5.6.2. Сеть с двусторонним питанием....................................................................................73 5.7. Токовая трехступенчатая защита.....................................................................74 5.8. Применение токовых отсечек...........................................................................74 6. Измерительные трансформаторы напряжения...............................................75 6.1. Принцип действия..............................................................................................75 6.2. Погрешности трансформаторов напряжения..................................................77 6.3. Схемы соединений трансформаторов напряжения.........................................78 6.3.1. Схема соединения трансформаторов напряжения в звезду.....................................78 6.3.2. Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытый  треугольник.................................................................................................................................79 6.3.3. Схема соединения трансформаторов напряжения в разомкнутый треугольник.80 6.4. Контроль за исправностью цепей напряжения................................................81 7. Токовая направленная защита.............................................................................84 7.1. Необходимость токовой направленной защиты..............................................84 4 7.2. Индукционные реле направления мощности...................................................85 7.2.1. Общие сведения................................................................................................................85 7.2.2. Конструкция и принцип действия.................................................................................87 7.2.3. Типы реле мощности.......................................................................................................89 7.2.4. Характеристики реле мощности...................................................................................90 7.2.5. Полярность обмоток......................................................................................................93 7.2.6. Самоход.............................................................................................................................93 7.2.7. Индукционные реле мощности типа РБМ...................................................................93 7.3. Схема и принцип действия токовой направленной защиты...........................94 7.4. Схемы включения реле направления мощности..............................................97 7.4.1. Требования к схемам включения....................................................................................97 7.4.2. 90(cid:176)  и 30(cid:176)  схемы.................................................................................................................97 7.4.3. Работа реле, включенных по 90(cid:176)  и 30(cid:176)  схемам.........................................................102 7.5. Блокировка максимальной направленной защиты при замыканиях на землю ..................................................................................................................................105 7.6. Выбор уставок защиты.....................................................................................107 7.6.1. Ток срабатывания пусковых реле.................................................................................107 7.6.2. Выдержка времени защиты.........................................................................................109 7.6.3. Мертвая зона..................................................................................................................109 7.7. Токовые направленные отсечки......................................................................111 7.9. Оценка токовых направленных защит............................................................112 Литература................................................................................................................113 5 1. Общие вопросы выполнения релейной защиты электроэнергетических систем 1.1. Назначение релейной защиты В   электроэнергетических   системах   могут   возникать   повреждения   и ненормальные режимы работы. Повреждения:  короткие  замыкания  –  сверх   ток,  понижение  напряжения  – потеря устойчивости. Ненормальные режимы – отклонения напряжения, тока и частоты. Развитие   аварии   может   быть   предотвращено   быстрым   отключением поврежденного   участка   при   помощи   специальных   автоматических   устройств  – релейной защиты. Назначение  –   выявление   места   КЗ   и   быстрое   отключение   поврежденного участка от неповрежденной части. Выявление   нарушений   нормального   режима   и   подача   предупредительных сигналов   или   проведение   операций,   необходимых   для   восстановления нормального режима. Связь РЗ с автоматикой – АПВ, АВР, АЧР. Подробнее о повреждениях. Причины:  нарушение   изоляции. повреждение, перенапряжение. ЛЭП – смыкание проводов. Ошибки персонала.   ТВЧ   –   старение,   механическое Виды: КЗ – наиболее тяжелое. Вследствие увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы,   что   приводит   к   понижению   напряжения   во   всех   точках   сети. Возникающая дуга разрушает оборудование, а понижение напряжения нарушает работу потребителей и устойчивость параллельной работы генераторов. Замыкание   на   землю   одной   фазы   в   сети   с   изолированной   нейтралью. (Обычно в системах собственных нужд эл. станций.) Ток   при   этом   невелик   –   несколько   десятков   ампер.   Опасно   тем,   что вызывает перенапряжения – возможность перехода в междуфазное замыкание. Ненормальные режимы Перегрузка оборудования – перегрев ТВЧ и изоляции, её ускоренный износ. Качания   в   системах  –   выход   из   синхронизма   параллельно   работающих генераторов.   При   этом   ток   колеблется   от   нуля   до   максимального, превосходящего нормальную величину значения. Садится напряжение. Повышение напряжения – при внезапном отключении нагрузки. 6 1.2. Требования к релейной защите Селективность  –   способность   отключать   только   поврежденный   участок сети. Рис.1.2.1 Основное   условие   для   обеспечения   надёжного   электроснабжения потребителей. Быстродействие  –   главное   условие   для   сохранения   устойчивости параллельной работы генераторов. Уменьшается время снижения напряжения у потребителей,   повышается   эффективность   АПВ,   уменьшается   ущерб   для оборудования. Номинальное напряжение, кВ Таблица 1.1 Время действия релейной защиты, с 300...500 110...220 6...10 0,1...0,12 0,15...0,3 1,5...3 Критерий – остаточное напряжение не менее 60 % от номинального. Кроме того, нужно учитывать и время срабатывания выключателей: где tоткл=tз+tв, tз – время действия защиты, tв – время отключения выключателя – 0,15...0,06 с. (1.1) Быстродействующей считается защита, имеющая диапазон срабатывания – 0,1...0,2 с, самые быстродействующие – 0,02...0,04 с. В ряде случаев требование быстродействия является определяющим.  Быстродействующие   защиты   могут   быть   и  неселективными,   для исправления неселективности используется АПВ. Чувствительность  –   для   реагирования   на   отклонения   от   нормального режима. 7 Рис. 1.2.2 Резервирование  следующего участка – важное требование. Если защита по принципу   своего   действия   не   работает   за   пределами   основной   зоны,   ставят специальную резервную защиту. Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при КЗ в конце установленной зоны действия в минимальном режиме системы. Чувствительность чувствительности kч   защиты   характеризуется  коэффициентом I k  ч .к I мин , з.с Iк.мин – минимальный ток КЗ, где  Iс.з – ток срабатывания защиты. (1.2) Надежность.   Защита   должна   безотказно   работать   при   КЗ   в   пределах установленной   для   неё   зоны   и   не   должна   ложно   срабатывать   в   режимах,  при которых её работа не предусматривается. 1.3. Изображение схем релейной защиты на чертежах Данный вопрос изучается студентами самостоятельно. 1.4. Элементы защиты Пусковые органы – непосредственно и непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого оборудования и реагируют на возникновение КЗ и нарушение нормального режима работы. Это   различные  реле  –   автоматические   устройства,   срабатывающие   при определенном значении воздействующей на него величины. Логические   органы  –   воспринимают   команды   пусковых   органов   и   в зависимости   от   их   сочетания,   по   заданной   программе   производят   заранее предусмотренные операции. Реле также подразделяются на основные и вспомогательные. 8 Типы основных реле:  тока; напряжения; сопротивления; мощности (определяющие величину и направление (знак)). Реле   бывают  максимальными  –   действующие   при   возрастании контролируемой величины, и минимальными – при снижении этой величины. Специальные реле:  частоты; тепловые. Типы вспомогательных реле: времени; указательные (для сигнализации); промежуточные   (передающие   действие   отключение   на основных   выключателей). защит Каждое   реле   конструктивно   можно   подразделить   на   две   части   – воспринимающую и исполнительную. Воспринимающая часть представляет собой обмотку, питающуюся током или напряжением. Исполнительная   часть   –   это   механическая   система,   воздействующая   на контакты реле, заставляя их замыкаться или размыкаться. 1.5. Принципы выполнения устройств релейной защиты Различают два способа включения реле на ток и напряжение сети. Первичные реле – включены непосредственно (рис.1.5.1). Вторичные реле – через измерительные трансформаторы тока и напряжения (рис.1.5.2).        Рис. 1.5.1          Рис. 1.5.2 К достоинствам вторичных реле следует отнести: их изолированность от цепей высокого напряжения; удобство обслуживания; возможность выполнения их стандартными на одни и те же токи (5 или 1 А) и напряжение (100 В). 9 Достоинство   первичных   состоит   в   отсутствии   измерительных трансформаторов   тока   и   напряжения,   источников   оперативного   тока   и контрольного   кабеля.   Первичные   реле   широко   используются   в   цепях   низкого напряжения. Различают   два   способа   воздействия   защит   на   выключатель:  прямой  и косвенный. Прямой  –   защите   не   требуется   оперативный   ток,   однако   реле   должны развивать большие усилия, поэтому не могут быть очень точными (рис.1.5.3). Косвенный  –   отличаются   большой   точностью.   Проще   осуществляется взаимодействие между реле. Однако для реле косвенного действия необходим источник оперативного тока (рис.1.5.4). Рис. 1.5.3 Рис. 1.5.4 1.6. Источники оперативного тока Оперативный   ток  –   питает   цепи   дистанционного   управления выключателями, оперативные цепи релейной защиты, автоматики. 10 Основное требование к источникам оперативного тока – надежность, при КЗ   и   ненормальных   режимах   напряжение   источников   оперативного   тока   и   их мощность   должны   иметь   достаточную   величину   как   для   действия   релейной защиты, так и для отключения выключателей. Постоянный оперативный ток Источниками   данного   тока   являются   аккумуляторные   батареи напряжением   110...220   В.   Для   повышения   надежности   сеть   постоянного   тока секционируется   (рис1.6.1).   Аккумуляторные   батареи   обеспечивают   питание независимо от состояния основной сети и являются самым надежным источником питания.   К   недостаткам   можно   отнести   высокую   стоимость,   необходимость   в зарядных агрегатах, сложную сеть постоянного тока. Рис. 1.6.1 Переменный оперативный ток Источниками служат измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также трансформаторы собственных нужд, подключаемые на ток и напряжение самой сети. Трансформаторы   напряжения   и   трансформаторы   собственных   нужд   не пригодны для питания цепей релейной защиты при КЗ – так как напряжение в сети   при   этом   резко   снижается.   Могут   использоваться   при   ненормальных режимах: перегрузка, замыкание на землю. Трансформаторы   тока   надежны   для   защит   от   КЗ   –   ток   при   этом увеличивается,   мощность   достаточна   для   питания   оперативных   цепей.  Однако трансформаторы   тока   не   обеспечивают   необходимой   мощности   при повреждениях   и   ненормальных   режимах,   не   сопровождающихся   резким увеличением тока. 11 Чаще   всего   используется   комбинированное   питание   от   трансформаторов тока   и   напряжения.   Принципиальная   схема   блоков   питания   типов   БПТ представлена на рис. 1.6.2. 12 Рис. 1.6.2 13 2. Трансформаторы тока и схемы их соединений Трансформатор   тока  –   важный элемент релейной защиты. Он питает цепи   защиты   током   сети   и выполняет   роль   датчика,   через который   поступает   информация   к измерительным   органам   устройств релейной защиты. Рис. 2 2.1. Принцип действия Первичная   обмотка   трансформатора   тока   включается   последовательно   в силовую цепь. Вторичная обмотка замыкается на сопротивление нагрузки  ZН  – последовательно включенные реле и приборы. Ток  I1,   протекая   по   обмотке,   создаёт   магнитный   поток  Ф1=I1,   под воздействием   этого   потока   во   вторичной   обмотке   наводиться   ЭДС  Е2.   По обмотке протекает ток I2. Если не учитывать потерь то: I 1  I 1 2 2 I 2  I 1   1 2  I n 1 в , (2.1) где  вn 2   – витковый коэффициент трансформации.   1 В заводских материалах на трансформаторы тока указывают номинальный коэффициент трансформации  n  т I I ном1 ном2 . Если не учитывать потери, то nв=nт. В действительности же I2 отличается от расчетного значения. Часть тока I1 тратиться на создание намагничивающего потока:  I 2  нам I 1 I  n в I  11  Ф 1  I  2 Ф 2 2    I 1  I нам   1  2 , .  I  нам 1 nФ 14 (2.2) Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастет. Магнитопровод быстро расплавится. Кроме того на вторичной разомкнутой   обмотке   появиться   высокое   напряжение,   достигающие   десятков киловольт.  Вторичная обмотка обязательно должна быть заземлена  – если произойдет пробой изоляции, то при заземленной вторичной обмотке получится короткое   замыкание,   защитная   аппаратура   отключит   поврежденный трансформатор,   заземление   вторичной   обмотке   делается   прежде   всего   для обеспечения техники безопасности. Причиной   погрешностей   в   работе   трансформаторов   тока   является   ток намагничивания. Чрезмерно большие погрешности могут вызвать неправильные действия релейной защиты, поэтому стараются уменьшить ток намагничивания. 2.2. Параметры, влияющие на уменьшение намагничивающего тока Ток Iнам состоит из активной и реактивной составляющих. Iа.нам – обусловлена активными потерями на гистерезис и от вихревых токов в магнитопроводе трансформатора тока. Iр.нам  –   создает   магнитный   поток,   который   индуктирует   во   вторичной обмотке ЭДС Е2. Для   уменьшения  Iа.нам  магнитопровод выполняется из шихтованной стали. При   насыщении  Iнам  возрастает   значительно быстрее, чем поток  Фт, что вызывает резкое увеличение   погрешностей.   (см.   рис.   2.2.1   – характеристика намагничивания   трансформатора тока.)           Для ограничения погрешностей нужно уменьшить Фт: Рис. 2.2.1 ФтЕ2=I2(Z2+Zн). (2.3) Этого можно добиться, либо снизив ток I2 за счет подбора соответствующего  nт  для   снижения   кратности коэффициента   трансформации   (повысить I 1 I максимального первичного тока  K 1 макс  макс ном1 нагрузки вторичной обмотки Zн . ), либо уменьшив сопротивление Требования к точности трансформаторов тока, питающих релейную защиту 15 Погрешность   трансформаторов   тока   по   току   (I)   не   должна   превышать 10%, а по углу () – 7. Эти требования обеспечиваются, если Iнам0,1I1. 16