151667 (Релейная защита)

1. Основные органы релейной защиты

Пусковые органы

Пусковые органы непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого участка цепи и реагируют на возникновение коротких замыканий и нарушения нормального режима работы. Выполняются обычно с помощью реле тока, напряжения, мощности и др.

Измерительные органы

Измерительные органы определяют место и характер повреждения и принимают решения о необходимости действия защиты. Измерительные органы также выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др. Функции пускового и измерительного органа могут быть объединены в одном органе.

Логическая часть

Логическая часть — это схема, которая запускается пусковыми органами и, анализируя действия измерительных органов, производит предусмотренные действия (отключение выключателей, запуск других устройств, подача сигналов и пр.). Логическая часть состоит, в основном, из элементов времени (таймеров), логических элементов, промежуточных и указательных реле, дискретных входов и аналоговых выходов микропроцессорных устройств защиты.

Пример логической части релейной защиты

Катушка реле тока K1 (контакты А1 и А2) включена последовательно со вторичной обмоткой трансформатора тока ТА. При коротком замыкании, на участке цепи, в котором установлен трансформатор тока, возрастает сила тока, и пропорционально ей возрастает сила тока во вторичной цепи трансформатора тока. При достижении силой тока значения уставки реле K1, оно сработает и замкнёт рабочие контакты(11 и 12). Цепь между шинками +EC и -EC замкнётся, и запитает сигнальную лампу HLW. Данная схема приведена как простой пример. В эксплуатации используются более сложные логические схемы.

2. Повреждения и ненормальные режимы работы в энергосистемах

Повреждения вызывают появление значительных аварийных токов и сопровождаются глубоким понижением напряжения на шинах ЭС и ПС. Ток повреждения выделяет большое количество теплоты, которое вызывает сильное разрушение в месте повреждения и опасное нагревание проводов неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток проходит. Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы ЭС энергосистемы. (ЭЭС).

Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости ЭЭС, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и ЛЭП.

Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обеспечения нормальной работы неповрежденной части ЭЭС необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной части ЭЭС. Опасные последствия ненормальных режимов так же можно предотвратить, если своевременно принять меры к их устранению (например, снизить ток или напряжение при их увеличении), а при необходимости отключить оборудование, оказавшееся в недопустимом для него режиме.

Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием как по виду, так и по характеру повреждения. Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на величины токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте к. з. и все повреждения рассматриваются как «глухое» или, как говорят, «металлическое» соединение фаз между собой или на землю для сети с заземленной нейтралью. Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий напряжением до 330—500 кВ. Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми.

Основные виды коротких замыканий приведены на рис. 1. Междуфазные короткие замыкания — двухфазные и трехфазные — возникают как в сетях с заземленной, так и в сетях с изолированной нейтралью. Однофазные короткие замыкания могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью.

Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывание и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.

Трехфазное короткое замыкание

Симметричное трехфазное короткое замыкание — наиболее простой для расчета и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к. з., так и в любой другой точке сети: Так как все фазные и междуфазные напряжения в месте трехфазного короткого замыкания равны нулю, а в точках, удаленных от места к.з. на небольшое расстояние, незначительны по величине, рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы.

Двухфазное короткое замыкание

При двухфазном к.з. токи и напряжения разных фаз неодинаковы. С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем трехфазное короткое замыкание.

Двухфазное короткое замыкание на землю в сети с заземленной нейтралью

Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного короткого замыкания. Токи, проходящие в месте к. з. и в ветвях рассматриваемой схемы, а также междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном к. з.

В сетях же с заземленной нейтралью двухфазное к. з. на землю значительно более опасно, чем двухфазное короткое замыкание. Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте короткого замыкания, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других — до величины фазного напряжения неповрежденной фазы.

Однофазное короткое замыкание в сети с заземленной нейтралью

Однофазное короткое замыкание может иметь место только в сетях с заземленной нейтралью (как правило, с заземленной нейтралью работают сети напряжением 110 кВ и выше). Однофазные короткие замыкания, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения одного
фазного напряжения, представляют меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные к. з.

Однофазное замыкание на землю в сети с малым током замыкания на землю

В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 3—35 кВ, работающие с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку, замыкания одной фазы на землю сопровождаются значительно меньшими токами, чем короткие замыкания.

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства — дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землей. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля или до небольшой остаточной величины. Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшую величину, а все междуфазные напряжения остаются неизменными, однофазное замыкание на землю не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал.

Однако длительная работа сети с заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в 1,73 раза напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного к. з. Поэтому согласно Правилам технической эксплуатации допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение 2 ч. За это время оперативный персонал с помощью устройств сигнализации должен обнаружить и вывести из схемы поврежденный участок.

В сетях, питающих торфопредприятия и передвижные строительные механизмы, для обеспечения условий безопасности обслуживающего персонала защита от замыканий на землю выполняется с действием на отключение.

3. Реле минимального напряжения типов РНМ и РНВ

Устройство встроенных реле минимального напряжения прямого действия показано на рис. 1

Рис. 1 Реле минимального напряжения прямого действия

Реле мгновенного действия типа РИМ показано на рис. 1, а. Обмотка реле 1 постоянно находится под нормальным напряжением, вследствие чего якорь 3 притянут к неподвижному полюсу 2. Пружина 6, связанная с бойком 4, находится в сжатом состоянии и удерживается системой рычагов 5. Вторая пружина 7, связанная с якорем, растянута и тянет якорь вниз. При понижении напряжения электромагнитная сила уменьшается, и когда она становится меньше противодействующей силы пружины 7, якорь опускается. При этом система рычагов 5 освобождает пружину 6, под действием которой боек 4 движется вверх и производит отключение выключателя.

На рис. 1, б показано реле минимального напряжения с выдержкой времени типа РНВ, которое отличается от рассмотренного реле типа РНМ наличием часового механизма, аналогичного реле типа РТВ.

4. Назначение защиты шин, и вида защит

Специальные защиты шин предназначены для отключения без выдержки времени повреждении, возникающих на сборных шинах. На шинах могут возникать такие же повреждения, как и на линиях: однофазные и многофазные в сетях с заземленной нейтралью, многофазные в сетях с изолированной нейтралью. Защиты шин устанавливаются практически на всех станциях и подстанциях напряжением 110 кВ и выше, работающих в режиме многостороннего питания. Защиты шин используются также и в сетях менее высокого напряжения.

Рис. 1 Схемы электрических соединений

Повреждения на шинах могут быть отключены без специальной защиты шин резервными защитами линий, установленными на соседних подстанциях. Так, например, при коротком замыкании на шинах подстанции А (рис. 1, а) подействуют резервные защиты на подстанции Б и отключат выключатель В-2, отделяя поврежденный участок от остальной сети. Отключение при этом, конечно, происходит с выдержкой времени резервной защиты, а не мгновенно, как при наличии специальной защиты шин. Замедление в отключении приводит к увеличению размеров повреждения в месте короткого замыкания, а в кольцевых сетях может вызвать нарушение устойчивости параллельной работы. Поэтому подстанции 110—500 кВ в кольцевых сетях с многосторонним питанием, как правило, оснащаются специальными защитами шин. На тупиковых же подстанциях защита шин обычно не устанавливается, и повреждения, возникающие на них, отключаются резервными защитами линий на питающих подстанциях.

Специальные защиты шин позволяют также селективно отключить поврежденный участок и предотвратить нарушение электроснабжения дополнительных подстанции. Так, например, в схеме, приведенной на рис. 1, б) в случае короткого замыкания на шинах подстанции В, при срабатывании резервных защит и отключении выключателя В-4 одновременно с поврежденной подстанцией будет отключен и трансформатор Т, подключенный ответвлением к линии. При наличии на подстанции В специальной защиты шин рассматриваемое повреждение будет отключаться выключателем В-3, и питание трансформатора Т сохранится от подстанции Г. Аналогично в схеме на рис. 1, в) при повреждении на одной из систем шин подстанции Д она будет селективно отключена защитой шин, а вторая система шин сохранится в работе. В случае отсутствия защиты шин короткое замыкание будет ликвидироваться отключением выключателей В-9 и В-10, что приведет к погашению обеих систем шин подстанции Д. Таким образом, специальные защиты шин целесообразно применять для ускорения отключения повреждений и повышения селективности.

Дифференциальная защита шин

Принцип действия

Токовые реле (рис.2) подключаются к соединенным параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока, установленных на каждом присоединении. Коэффициенты трансформации всех трансформаторов тока равны.

Рис. 2 Распределение токов в цепях дифференциальной защиты шин при коротком замыкании