РЗА / Лекция 1

Лекция 1

1.1. Назначение релейной защиты

1.2. Виды повреждений электрооборудования

1.3. Ненормальные режимы

1.1. Назначение релейной защиты

В электрической части энергосистем могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций (ЭС) и подстанций (ПС) линий электропередачи (ЛЭП) и электроустановок потребителей электроэнергии.

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 (точка К) и опасное нагревание проводов неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток проходит (рис. 1.1).

Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы ЭС энергосистемы (ЭСС).

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.

Рис.1.1. Схема участка энергосистемы

Опасные последствия ненормальных режимов также 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.

Выявление и отключение повреждений следует производить очень быстро – в большинстве случаев в течение сотых и десятых долей секунды, что может быть обеспечено только средствами автоматики. В связи с этим возникла необходимость в создании и применении автоматических устройств, защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Первоначально в качестве подобной автоматики (защиты) применялись плавкие предохранители. Впоследствии были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи электрических автоматов-реле. Такой способ защиты получил название релейной защиты.

Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль за состоянием всех элементов ЭЭС и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить поврежденный участок (например, на рис.1.1 трансформатор ТС) и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели Q, предназначенные для размыкания токов повреждения.

При возникновении ненормальных режимов РЗ также должна выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо производить автоматические операции, необходимые для восстановления нормального режима, либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу, который должен принимать меры к ликвидации ненормальности.

Релейная зашита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем. Она тесно связана с другими видами электрической автоматики, предназначенной для предотвращения развития аварийных нарушений и быстрого восстановления нормального режима работы ЭЭС и электроснабжения потребителей: автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резервных источников питания (АВР), автоматической частотной разгрузки (АЧР) и др.

1.2. Виды повреждений электрооборудования

Повреждения в электрических системах чаще возникают на линиях сетей. Повреждения в обмотках электрических машин, и особенно таких аппаратов, как трансформаторы и автотрансформаторы, бывают реже, иногда имеют специфический характер, обусловленный их выполнением (например, витковые КЗ), и могут сопровож­даться тяжелыми для них последствиями. Основные виды повреждений приведены в табл. 1. Возможны и более сложные виды повреждений, представляющие сочетание некоторых из перечисленных.

Таблица 1

Так, например, при разрыве провода линии у изолятора упавший на землю конец вызывает появление однофазного КЗ – K⁽¹⁾ или однофазного замыкания – K_З⁽¹⁾ (например, в сети с изолированными нейтралями) с разрывом фазы. Соотношения, подобные разрыву, возникают также при отказах в работе части фаз автоматических выключателей (характерны для воздушных выключателей с пофазным приводом). В процессе раз­вития повреждений возможны также переходы одного вида повреждений в другой, чаще с охватом большего числа фаз. Так, например, K_З⁽¹⁾ иногда переходят в двойные КЗ на землю К_дв^(1,1), что может быть на линиях или при K_З⁽¹⁾ в обмотке машины или аппарата и возникновении К_дв^(1,1) за счет пробоя на землю на линии того же напряжения. С другой стороны, внутри однофазных аппаратов много­фазные КЗ (без земли) практически вообще невозможны.

1.3. Ненормальные режимы

Перегрузка оборудования, вызванная сверхтоком, т.е. увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальное значение тока, допускаемое для данного оборудования в течение неограниченного времени. Если ток I, проходящий по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемой им дополнительной теплоты температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимое значение, что приводит к ускоренному старению изоляции и токоведущих частей. Время t_Д допустимое для прохождения повышенных токов, зависит от их значения. Характер этой зависимости, определяемой конструкцией оборудования и типом изоляционных материалов, приведен на рис.1.2. Причиной сверхтока может быть увеличение нагрузки или появление КЗ за пределами защищаемого элемента (внешнее КЗ). Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или отключению в пределах времени t_Д.

Повышение напряжения сверх допустимого значения может возникнуть на гидрогенераторах, а также на турбогенераторах большой мощности, работающих по схеме блока, при внезапном отключении их от сети. Для предотвращения повреждения оборудования предусматривается РЗ, действующая на гашение поля генератора.

Опасное для изоляции оборудования повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных ЛЭП высокого напряжения (ВН) с большой емкостной проводимостью. Ликвидация опасных повышений напряжения в сетях сверхвысокого напряжения осуществляется с помощью специальной автоматики.

Качания возникают при нарушении синхронной работы генераторов электростанций ЭЭС. Для пояснения процесса качаний рассмотрим упрощенную схему ЭЭС с двумя электростанциями А и В (рис.1.3, а). В режиме нормальной синхронной работы электростанций А и В электрические частоты вращения векторов ЭДС Е_А и Е_В одинаковы: _А=_В==2π (рис.1.10, б). При отсутствии нагрузки и равенстве по значению и фазе ЭДС Е_А=Е_В=Е_С ток в межсистемной ЛЭП отсутствует (рис.1.10, а). В случае нарушения синхронизма, когда, например, _А>_В, положение вектора Е_А по отношению к Е_В будет изменяться, появится разность ЭДС ΔЕ=Е_А Е_В, под действием которой возникнет уравнительный ток Iу=ΔE/(X_A+X_W+X_B). Разность ЭДС ΔE будет изменяться с изменением угла δ (рис.1.10, б). При δ=0, ΔE=0, при δ=180° ΔE=2Е. При дальнейшем нарастании угла δ ЭДС ΔE начнет уменьшаться и станет равной нулю, когда δ достигнет 360° (или δ=0). При повторном цикле увеличения δ процесс изменения ΔE повторяется вновь. Колебания значения ΔE вызывают соответствующие колебания (качания) значения тока Iу и напряжений U_A и U_B, как показано на рис.1.3, в.

Н апряжение снижается от нормального до некоторого минимального значения, имеющего разное значение в разных точках сети (рис.1.3, г). В точке К_Ц называемой электрическим центром качаний, напряжение имеет наименьшее значение и снижается до нуля при δ=180°, когда Е_А=Е_В. В остальных точках сети напряжение снижается, но остается больше нуля, нарастая от центра качания К_Ц к источникам питания А и В. Возрастание тока вызывает нагревание оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу всех потребителей ЭЭС. Качание – очень опасный ненормальный режим, отражающийся на работе всей ЭЭС.

Рис.1.3. К пояснению действия релейной защиты при качаниях:

а – схема энергосистемы; б – векторная диаграмма при наличии между ЭДС угла δ; в – диаграмма изменения токов и напряжений; г – определение положения центра качаний К_Ц

По характеру изменения тока и напряжения (рис.1.10, в) качания похожи на КЗ. Большинство устройств РЗ могут приходить в действие при качаниях и отключать защищаемые ими элементы. Такие хаотичные отключения разделяют ЭЭС на изолированные участки с дефицитом или избытком генерируемой мощности, что может привести к частичному или полному нарушению электроснабжения питающихся от ЭЭС потребителей. Поэтому необходимы меры, исключающие хаотичное действие РЗ при возникновении качаний.

Асинхронный режим. К ненормальным режимам относится также работа синхронного генератора без возбуждения [например, при отключении автомата гашения поля (АГП)]. При работе в асинхронном режиме увеличивается частота вращения генератора и возникает пульсация тока статора. Для генераторов некоторых типов длительная работа в асинхронном режиме не допускается, а для других допускается лишь при уменьшенном значении активной мощности. В отдельных случаях потеря возбуждения, не представляя опасности для самого генератора, может послужить причиной резкого снижения напряжения, угрожающего нарушением устойчивости параллельной работы. В этом случае генератор, оставшийся без возбуждения, должен быть немедленно отключен от сети.