Б.В. Соколов Релейная защита и автоматизация

1

ВВЕДЕНИЕ

Система электроснабжения (СЭС) является сложным производственным объектом, все элементы которого участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями которого являются: быстротечность явлений и большая вероятность повреждений аварийного характера (коротких замыканий) в электрических установках.

Надежное и экономичное функционирование СЭС возможно только при автоматическом управлении. С этой целью используется комплекс автоматических устройств, среди которых первостепенное значение имеют устройства релейной защиты и автоматики (РЗ и А).

Рост потребления электроэнергии и усложнение систем электроснабжения требуют постоянного совершенствования этих устройств. В настоящее время широко применяются как простейшие средства защиты, так и релейные (токовые) защиты, а также простые устройства автоматизации. Наблюдается явная тенденция в создании автоматизированных систем управления на основе использования полупроводниковых и цифровых универсальных комплектов защит и специализированных электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Комплекс устройств автоматического управления включает в себя устройства релейной защиты и автоматизации. Устройства РЗ действуют при повреждении электрических установок или нарушении их режима работы. Они предназначены для быстрого выявления и отключения поврежденного элемента СЭС, т.е. для предотвращения развития аварии и уменьшения размеров повреждения при коротком замыкании (КЗ). Эти устройства также обеспечивают выявление ненормальных режимов работы элементов СЭС, вызванных перегрузкой оборудования или внешними КЗ, возникшими в других элементах СЭС. В этом случае РЗ действует на разгрузку или на отключение поврежденного элемента.

Для восстановления нормального режима в СЭС предусматриваются устройства автоматизации: устройство автоматического повторного включения (УАПВ), устройство автоматического включения резерва (УАВР), устройство автоматической частотной разгрузки (УАЧР).

Целью изучения дисциплины является формирование базовых знаний по принципам работы устройств РЗ и А, а также освоение рациональных способов построения устройств РЗ и А для достижения требуемой надежности функционирования систем электроснабжения.

2

В результате изучения дисциплины студенты должны знать:

- классификацию, принцип действия и особенности конструкции элементов, на основе которых выполняются существующие и перспективные устройства РЗ и А;

-принципы действия и особенности построения устройств РЗ и А различных элементов СЭС;

уметь:

-производить регулировку (настройку, проверку) основных типов реле (устройств РЗ);

-анализировать схемы построения простейших релейных защит и устройств автоматики.

В процессе изучения дисциплины студенты выполняют лабораторные и две контрольные работы.

Цель лабораторных работ – изучение принципа работы основных типов реле, применяемых в устройствах РЗ, и получение практических навыков по исследованию основных параметров электромагнитных, индукционных и микроэлектронных реле.

Лабораторные работы выполняются по следующим темам: исследование электромагнитных реле тока серии РТ-40, исследование микроэлектронных реле тока серии РСТ, исследование реле напряжения, исследование логических реле, исследование индукционных реле тока, исследование реле направления мощности.

Контрольные работы выполняются в обычной тетради. Приводимый в ней графический материал должен соответствовать существующим нормативным документам. Расчетная часть должна содержать полное описание последовательности приводимых расчетов с краткими комментариями каждой операции.

Задания для выполнения контрольных работ приведены ниже.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Основная литература

1.Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1991. – 496 с.

2.Чернобровов Н.В. Релейная защита энергетических систем: Учеб. для техн. / Н.В. Чернобровов, В.А. Семенов.– М.: Энергоатомиз-

дат, 1998. – 800 с.

3

Дополнительная литература

3.Андреев В.А. Релейная защита, автоматика и телемеханика в системах электроснабжения: Учеб. для вузов.– М.: Высш. шк., 1985. – 391 с.

4.Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 756 с.

5.Чернобровов Н.В. Релейная защита: Учеб. для техн. – М.: Энер-

гия, 1974. – 680 с.

6.Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 520 с.

7.Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматических распределительных сетей. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 296 с.

8.Шабад М.А. Защита трансформаторов 10 кВ. – М.: Энергоатом-

издат, 1989. – 144 с.

9.Шабад М.А. Максимальная токовая защита. – Л.: Энергоатом-

издат, 1991. – 96 с.

10.Овчинников В.В. Реле РНТ в схемах дифференциальных защит. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 88 с.

11.Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 112 с.

12.Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания

ивыбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева. – М.: НЦ ЭНАС, 2001. – 152 с.

13.Беркович М.А. Автоматика энергосистем: Учеб. для техн./ М.А. Беркович, В.А. Гладышев, В.А. Семенов.– М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.

14.Александров К.К. Электрические чертежи и схемы / К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина.– М.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с.

15.Реле защиты / В.С. Алексеев, Г.П. Варганов, Б.И. Панфилов, Р.З. Розендлюм. – М.: Энергия, 1976. – 464 с.

16.Измерительные реле тока: Метод. указания к лабораторной работе / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2003. – 26 с.

17.Индукционные измерительные реле: Метод. указания к лабораторной работе / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 1999. – 24 с.

18.Реле направления мощности: Метод. указания к лабораторной работе / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2001. – 28 с.

4

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

РАЗДЕЛ 1. Элементы устройств РЗ и автоматики

ТЕМА 1. Функции РЗ итребования, предъявляемые к ней

Функции РЗ. Требования, предъявляемые к устройствам РЗ: селективность, быстродействие, чувствительность, надежность. Виды повреждений и ненормальные режимы работы сетей и их элементов. Классификация защит. Состав и назначение устройств РЗ. Краткая характеристика элементной базы, особенности реализации. [1, с. 6-21], [2, с. 21-30].

Методические указания

При проработке темы необходимо уяснить назначение релейной защиты (РЗ) и основные требования, предъявляемые к ней. В системах электроснабжения (СЭС) неизбежны аварийные ситуации, которые сопровождаются быстродействующими процессами. С целью повышения надежности функционирования СЭС необходимо мгновенно за очень короткий промежуток времени 0,01–0,02 с определить поврежденный элемент системы и отключить его.

Для повышения надежности системы и обеспечения бесперебойности электроснабжения потребителей РЗ должна работать совместно с устройствами автоматики. К ним относятся устройства: автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резерва (АВР) и др. Основными требованиями, которым должна удовлетворять РЗ, являются: селективность, чувствительность, быстродействие, надежность. Следует подробно изучить эти требования и их содержание.

Контрольные вопросы

1.Назначение релейной защиты и автоматики.

2.Функции релейной защиты.

3.Основные требования, предъявляемые к релейной защите.

4.Виды повреждений в электрических сетях.

5

ТЕМА 2. Первичные измерительные преобразователи

Преобразователи тока. Назначение, принцип и режим работы, схема замещения, параметры. Погрешности трансформатора тока: абсолютная, относительная, обобщенная. Классы точности. Схемы соединения измерительных трансформаторов тока, анализ их работы при основных видах КЗ. Область применения. Коэффициент схемы. Фильтр тока нулевой последовательности.

Преобразователи напряжения. Назначение, принцип и режим работы, схема замещения, параметры, погрешности, классы точности. Схемы соединения измерительных трансформаторов напряжения, область их применения, фильтр напряжения нулевой последовательности. [1, с. 35-40], [2, с. 146-178].

Методические указания

Основными первичными преобразователями являются измерительные трансформаторы тока и напряжения. Основным требованием, предъявляемым к ним, является точное преобразование уровня первичного тока или напряжения в его стандартное вторичное значение.

Следует уяснить схемы замещения измерительных трансформаторов и их элементы, по векторной диаграмме токов (напряжений) получить представление о погрешностях и режимах работы измерительных трансформаторов тока (напряжения).

Следует обратить внимание на максимально возможную нагрузку трансформатора тока, при которой его обобщенная погрешность не превосходит требуемой величины. Особенно тщательно следует изучить схемы соединения измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Контрольные вопросы

1.Назначение измерительного трансформатора тока (напряжения).

2.Схема замещения измерительного трансформатора тока (напряжения).

3.Погрешности и классы точности измерительного трансформатора тока.

6

4.Режим работы измерительного трансформатора тока (напряжения).

5.Схемы соединения измерительных трансформаторов тока (напряжения).

6.Коэффициент схемы.

ТЕМА 3. Электромеханические и электронные элементы РЗ

Классификация реле и их характеристики. Конструкция и принцип действия электромагнитных и электронных реле. Особенности их реализации, параметры и область применения.

Полупроводниковые и микроэлектронные элементы измерительных органов. Их назначение, принцип действия, параметры, область практического применения. Интегральные схемы. [1, с. 64-78, 95-113],

[2, с. 36-74, 85-104].

Методические указания

Элементная база РЗ представлена в виде электромеханических (электромагнитных, индукционных, магнитоэлектрических), полупроводниковых (статических, микроэлектронных) и цифровых реле (устройств).

В последнее время наиболее широкое применение находят полупроводниковые и цифровые устройства РЗ. В электромагнитных реле обычно используются электромеханические системы с втягивающимся или поворотным якорем, а также с поперечным движением якоря, действие которых особенно на притяжении подвижного якоря к электромагниту, по обмотке которого проходит ток.

При изучении этой темы следует уяснить принцип работы, особенности реализации и параметры электромагнитных, индукционных и полупроводниковых реле.

Следует уделить внимание свойствам и параметрам операционных усилителей (ОУ), которые находят широкое применение в полупроводниковых (статических) реле.

Контрольные вопросы

1. Классификация электромагнитных реле.

7

2.Принцип работы электромагнитного реле.

3.Особенности реализации и параметры электромагнитного реле тока (напряжения).

4.Назначение и особенности построения логических реле времени, промежуточных, указательных.

5.Принцип работы индукционных реле.

6.Особенности реализации и параметры индукционных реле (тока и направления мощности).

7.Принцип работы и особенности построения микроэлектронных реле (тока, напряжения, направления мощности).

8.Назначение и схема операционного усилителя.

9.Реализация основных функциональных узлов на основе ОУ.

РАЗДЕЛ 2. Релейная защита ЛЭП

ТЕМА 4. Токовые защиты

Классификация защит. Принципы построения токовых защит, их структурная схема и параметры: токи срабатывания и возврата, время срабатывания, коэффициент чувствительности.

Первая ступень токовой защиты. Основные параметры, структурная и принципиальные схемы, порядок расчета, область применения.

Вторая ступень токовой защиты. Основные параметры, структурная и принципиальные схемы, порядок расчета, область применения.

Третья ступень токовой защиты. Основные параметры, структурная и принципиальные схемы, порядок расчета, область применения.

Максимальные токовые защиты с зависимой характеристикой и с пуском по напряжению. [1, с. 157-177], [2, с. 181-255].

Методические указания

Токовые защиты являются самыми простыми и надежными защитами. Они применяются в тех случаях, когда они обеспечивают необходимую чувствительность, избирательность и быстроту действия. Особенно просты и надежны токовые отсечки.

При изучении темы необходимо уяснить принцип действия максимальных защит и их параметры: ток срабатывания, ток возврата, коэффициенты возврата и чувствительности, время срабатывания.

8

Следует обратить внимание на коэффициент возврата реле и выбор тока срабатывания защиты.

При построении различных ступеней токовых защит следует уяснить, как обеспечивается селективность их действия и правило выбора ступени селективности (выдержки времени срабатывания защиты).

Контрольные вопросы

1.Классификация токовых защит.

2.Зависимость тока КЗ от электрической удаленности точки КЗ от источника питания.

3.Выбор (расчет) тока срабатывания (уставки) всех ступеней защит.

4.Выбор времени срабатывания всех ступеней защит.

5.Учет коэффициента самозапуска защиты и коэффициента возврата реле при расчете тока срабатывания МТЗ.

6.Особенности построения защиты с дешунтированием электромагнита отключения выключателя.

7.Структурная схема токовой защиты, назначение и взаимодействие элементов.

8.Зоны действия токовых защит.

ТЕМА 5. Токовые направленные защиты

Принцип действия токовых направленных защит и область их применения. Особенности построения и реализации направленных защит от многофазных КЗ. Структурная и принципиальные схемы направленных защит. Схемы включения реле направления мощности. Мертвая зона. Особенности построения микроэлектронных направлен-

ных защит. [1, с. 192-204], [2, с. 251-265].

Методические указания

Токовые направленные защиты применяются в сетях с двухсторонним питанием. Благодаря наличию в них реле направления мощности они реагируют не только на абсолютные значения тока в защищенном элементе, но и на его фазу относительно напряжения на шине, у которой установлена защита.

9

Селективное действие направленных защит обеспечивается соответствующим включением органа (реле) направления мощности и выбором выдержки времени.

При изучении этой темы следует уяснить принцип работы направленных защит и особенности реализации этих защит по сравнению с обычной, максимально токовой (ненаправленной) защитой, а также рассмотреть схемы включения реле направления мощности и особенности построения микроэлектронных защит этого класса.

Контрольные вопросы

1.Принцип действия направленной защиты.

2.Область применения направленных защит.

3.Мертвая зона направленной защиты.

4.Схемы включения реле направления мощности.

5.Структурная схема направленной защиты.

ТЕМА 6. Резервирование действия РЗ и выключателей

Необходимость и способы резервирования. Принципы выполнения устройств резервирования отказа выключателей. [2, с. 293-297].

Контрольные вопросы

1.Необходимость и способы резервирования защит.

2.Ближнее и дальнее резервирование.

3.Преимущества и недостатки дальнего резервирования.

4.Принцип ближнего резервирования с помощью УРОВ.

5.Структурная схема УРОВ.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

Вариант контрольной работы выбирают в соответствии с номером фамилии в списке группы. В текстовой части работы делают ссылки на литературу согласно приводимому перечню литературы.

Контрольная работа № 1 включает в себя две задачи. Задача 1

Рассмотрите назначение и принцип работы измерительного транс-