Курс лекций по релейной защите

1. Общие сведения о релейной защите

1. Назначение релейной защиты

При эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Опасность повреждений и ненормальных режимов работы линий электропередач и электрооборудования заключается в следующем:

Повреждения в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения в элементах энергосистемы.

Повышенный ток выделяет большое количество тепла, вызывающее разрушения в месте повреждения и опасный нагрев неповреждённого оборудования, по которому этот ток проходит.

Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы генераторов и энергосистемы в целом.

Ненормальные режимы работы обычно приводят к отклонению величин напряжения, тока и частоты от допустимых значений, что создаёт опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а также угрожает повреждением оборудования и линий электропередачи.

Таким образом, повреждения нарушают работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждения или расстройства работы энергосистемы.

Для предотвращения опасных последствий повреждений и ненормальных режимов используется комплекс специальных автоматических устройств, получивший название релейная защита.

Своё название Релейная защита получила от слова «реле», представляющее собой автоматически действующее устройство, которое приходит в действие (срабатывает) при определенном значении воздействущей на него входной величины. Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надёжная работа современной энергосистемы. Она осуществляет непрерывный мониторинг за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы.

Основным назначением релейной защиты является:

- при возникновении повреждений выявлять и отключать повреждённый участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения;

- выявлять ненормальные режимы и, в зависимости от характера нарушения, производить операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подавать сигнал дежурному персоналу.

Релейная защита тесно связана с другими устройствами электроавтоматики – устройствами автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузкой (АЧР) и др. устройствами системной автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы электроэнергетических систем.

2. Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках

Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания).

Основными причинами повреждений являются:

• нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

• ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.).

Короткие замыкания (к.з.) являются наиболее опасными и тяжелыми видами повреждений.

При коротком замыкании э.д.с Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генератора, трансформатора и линий. В контуре замкнутой накоротко э.д.с. возникает большой ток I_к, называемый током к.з.

При к.з. из-за увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в любой точке М (см. рисунок 1.3) U_М = Е - I_ЗА Z_м , где Е - э.д.с. источника питания, Z_м – сопротивление от источника питания до точки М.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к.з.

Увеличение тока и снижение напряжения, происходящие в результате к.з., приводят к ряду опасных последствий:

Термическое действие тока к.з. Согласно закону Джоуля-Ленца ток к.з. Iк выделяет в активном сопротивлении r цепи в течение времени t тепло Q = kI²rt . При этом происходят большие разрушения в месте к.з., а также недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и проводов линий электропередач, что может вызвать повреждение их изоляции и токоведущих частей;

Понижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели, момент вращения которых M_Д пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: M_Д = КU². При глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Кроме того, из-за снижения напряжения при к.з. также нарушается нормальная работа осветительных установок и компьютерной техники.

Нарушение устойчивости параллельной работы генераторов является наиболее тяжелым последствием снижения напряжения при к.з. Это может привести к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения всех её потребителей. Причины такого распада можно пояснить на примере схемы, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние понижения напряжения при к.з. на работу потребителей (а) и

энергосистемы (б).

При возникновении к.з. в точке К у шин электростанции А напряжение в месте к.з. станет равным нулю, в результате чего электрическая нагрузка генераторов электростанции А станет равным нулю и частота вращения турбин генераторов начнёт быстро увеличиваться т.к. в турбины поступает количество пара (или воды) соответствующей электрической нагрузке доаварийного режима, а регуляторы скорости турбины действуют медленно и не могут предотвратить ускорения вращения турбин генераторов станции А.

В иных условиях находятся генераторы электростанции В, т.к. они удалены от точки К и поэтому напряжение на их шинах может быть близким к номинальному.

Так как генераторы электростанции А разгрузились, то вся нагрузка энергосистемы ляжет на генераторы электростанции В, которые могут при этом перегрузиться и уменьшить частоту вращения.

Таким образом, в результате к.з. скорость вращения генераторов электростанций А и В становится различной, что приводит к нарушению их синхронной работы.

Аварии с нарушением устойчивости системы по величине ущерба являются самыми тяжелыми.

В зависимости от числа замкнувшихся фаз к.з. подразделяются на трёхфазные, двухфазные и однофазны; замыкания с землёй и без земли; замыкания в одной и двух точках сети (таблица 1-1).

Таблица 1-1 - Основные виды повреждений в электроустановках.

Трёхфазные замыкания: замыкания между тремя фазами К(3)
Трёхфазные замыкания на землю К(1, 1, 1)
Двухфазные замыкания: замыкания между двумя фазами К(2)
Двухфазные замыкания на землю К(1. 1)
Двойные замыкания на землю
Однофазные замыкания на землю
Разрыв фазы

На рисунке 2 приведены векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах повреждений.

Рисунок 2 – Векторные диаграммы токов и напряжений в месте установки защиты при различных видах к.з.

Трёхфазное к.з.

Трёхфазное к.з.(К⁽³⁾) является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети:

; ;

Векторная диаграмма токов и напряжений при К⁽³⁾ приведена на рисунке 1.1 а.

Ток к.з., проходящий в каждой фазе, отстаёт от создающей его э.д.с. на одинаковый угол , определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыканий:

;

Все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х фазного к.з. равны нулю:

; ;

В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное к.з. представляет наибольшую опасность и является расчётным режимом при определении максимального тока к.з.

Двухфазное к.з.

При двухфазном к.з. (К⁽²⁾) токи и напряжения разных фаз не одинаковы.

В повреждённых фазах в месте двухфазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В и С справедливы следующие соотношения:

- междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами;

- фазные напряжения замкнувшихся фаз.

Так же как и при трёхфазном к.з. фазные токи в повреждённых фазах отстают от создающей их э.д.с. на угол , определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

Векторная диаграмма токов и напряжений при двухфазном к.з. приведена на рис. 1.1 в. По мере удаления от места 2-х фазного к.з. фазные напряжения ии междуфазное напряжениебудет увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное к.з.

Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

Векторная диаграмма токов и напряжений в месте 1-фазного к.з. фазы С приведена на рисунке 1.1 г.

В месте 1-фазного к.з. фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:

; ;

Ток к.з. протекает только в замкнувшейся на землю фазе С:

;

Напряжения неповреждённых фаз а А и В будут превышать э.д.с. соответствующих фаз из-за того, что в неповреждённых фазах наводится э.д.с. взаимоиндукции под действием тока к.з. протекающего в повреждённой фазе.

В некоторых случаях ток однофазного к.з. может быть больше тока трёхфазного к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем 3-х и 2-х фазные к.з., так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы.

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью

В сетях, работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через дугогасящую катушку (сети с малыми токами замыкания на землю), замыкания одной фазы на землю не вызывает короткого замыкания, т.к. э.д.с. повреждённой фазы не шунтируется появившимся соединением с землёй. Возникающий в месте повреждения ток замыкается через ёмкость проводов относительно земли и имеет небольшую величину, например, несколько десятков ампер.

Векторная диаграмма токов и напряжений этого режима представлена на

рисунке 3.

Рисунок 3 – Векторные диаграммы токов и напряжений при замыкании на землю фазы А в сети с изолированной нейтралью.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз U_В и U_С увеличиваются в раз и становятся равными междуфазным напряжением. (U’_В и U’_С) Через место повреждения проходит ток I_ЗА , замыкающийся через ёмкости неповрежденных фаз В и С. Ёмкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания и поэтому ток через неё не проходит.

Величина тока в месте замыкания на землю: I_ЗА = ,

где Х_С = - суммарное сопротивление цепи замыкания на землю;

ƒ = 50 Гц – частота сети переменного тока;

С - ёмкость одной фазы сети относительно земли.

Так как при замыкании на землю фазы А напряжения фаз В и С относительно земли равны по величине междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60⁰, то:

U’_В + U’_С = 3U_ФА и I_ЗА = 3U_ФА ωС = 3U_ФА 2πf C;

Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными, поэтому оно не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Однако этот вид повреждения создаёт ненормальный режим, вызывая перенапряжения, что может привести к нарушению изоляции относительно земли двух неповреждённых фаз и перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное к.з.

Ненормальными режимами, связанными с отклонением от допустимых значений тока, напряжения и частоты и представляющими опасность для электроснабжения потребителей электроэнергии и энергосистемы в целом, являются: перегрузка оборудования, повышение напряжения, качания в системе.

Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения.

Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению.

Характер зависимости допустимой длительности перегрузки от величины тока: t = (I) показан на рисунке 4 и определяется конструкцией оборудования и типом используемых в оборудовании изоляционных материалов.

Рисунок 4 – Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока.

Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования.

Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения.

Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до значений, опасных для его изоляции.

Опасное для изоляции повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой ёмкостной проводимостью.

При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать оборудование от сети.

Качания в системах – периодическое изменение ("качание") тока, напряжения, активной и реактивной мощности.

Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов и сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети. На эти изменения тока и напряжения защиты реагируют также, как и на симметричное к.з.

В нормальных условиях угловые скорости а и в, с которыми вращаются век­торы э.д.с. Е_А и Е_В, одинаковы. При нарушении синхронизма частота вращения роторов генераторов Г_А и Г_В, а также частота вращения векторов их э.д.с. становятся различными.

Если предположить, что частота вращения ротора генератора Г_А стала большей, чём генератора Г_В, то и электрическая ско­рость _А > _В

В результате этого вектор Е_А (рисунок 5) будет вращать­ся относительно вектора Е_В с угловой скоростью скольжения _С = _А -_В, а разница ΔЕ = Е_А - Е_В будет менять свою величину в зависимости от значения угла δ.

Полагая, что |Е_А|=|Е_В|=Е, из векторной диаграммы на рисунке 5 находим:

;

Таким образом, действующее значение ΔЕ меняется по закону синуса и достигает максимальной величины при δ =180°, а минимальной – при δ = 0.

Под влиянием э.д.с. ΔЕ в сети, соединяющей генераторы Г_А и Г_В появляется ток качания:

, где

Z_АВ =- эквивалентное сопротивление цепи, по которой протекает токI_кач.

Ток качаний изменяется по закону синуса от нуля при δ = 0, когда э.д.с. генераторов совпадают по фазе, до максимального значения I_кач.max = 2Е / Х_АВ при δ =180°, когда э.д.с. генераторов противоположны по фазе. Однако в действительности при δ = 0 ток I_кач отличен от нуля, т.к. обычно Е_А ≠ Е_В.

Распределение напряжения при качаниях в сети представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 – Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях.

В точке С, называемой электрическим центром качаний напряжение снижается до нуля, а в остальных точках сети напряжение остаётся больше нуля, нарастая от центра качаний С к источникам питания А и В.

Возрастание тока вызывает нагрев оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу потребителей системы.

Кроме перечисленных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты и системной автоматики.