КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр-1

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО РЗА 1 СЕМЕСТР

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

1.1. 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 но рмальная 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.

1.2. 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 Iк, называемый током к.з.

При к.з. из-за увеличения тока возрастает падение напряжения в элемен тах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в любой точке М (см. рисунок 1.3) UМ = Е - IЗА Zм , где Е - э.д.с. источника питания, Zм – 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 MД пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: MД = 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 К 1.1

ДВ

Однофазные замыкания на землю К 1 К 1

3

Разрыв фазы

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

UBC 0 - междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами;

UB UC E2 - 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 2 , определяемый соотношением активных и

к.з.

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 UB и UC и междуфазное напряжение UВC будет 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:

IK1 IC1 ;

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.

Внекоторых 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.

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. ЕА и ЕВ, одинаковы. При нарушении синхронизма частота вращения роторов генераторов ГА и ГВ, а также частота вращения векторов их э.д.с. становятся различными.

Если предположить, что частота вращения ротора генератора ГА стала большей, чём

генератора ГВ, то и электрическая скорость А > В В результате этого вектор ЕА (рисунок 5) будет вращаться относительно вектора ЕВ с

угловой скоростью скольжения С = А - В, а разница Е = ЕА - ЕВ будет менять свою величину в зависимости от значения угла δ.

Полагая, что |ЕА|=|ЕВ|=Е, из векторной диаграммы на рисунке 5 находим:

Е 2Е sin 2 ;

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

Под влиянием э.д.с. Е в сети, соединяющей генераторы ГА и ГВ появляется ток качания:

Iкач Е , где Z АВ

ZАВ = Х 2 АВ R2 АВ - эквивалентное сопротивление цепи, по которой протекает ток

Iкач.

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

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.

1.3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ.

Релейная защита выполняется в виде автономных устройств, устанавливаемых на элементах энергосистемы. Устройства релейной защиты реагируют на к.з. и ненормальные режимы и действуют на отключение выключателей защищаемых элементов.

Релейная защита должна срабатывать при повреждениях в защищаемой зоне (при внутренних повреждениях) и не должна срабатывать при п овреждениях вне защищаемой зоны (при внешних повреждениях), а также при отсутствии повреждений.

Защиты подразделяют на основные и резервные.

Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов к.з. в пределах всего защищаемого объекта со временем, срабатывания меньшим, чем у других установленных защит.

Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного объекта при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.

Основные требования к защите от к.з.:

1. Быстродействие.

Быстрое отключение повреждённого оборудования или участка электроустановки уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповреждённой части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом. Последнее условие является главным.

Допустимое время отключения к.з. по условию сохранения устойчивости зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является величина остаточного напряжения на шинах электростанций и узловых подстанций энергосистемы. Чем меньше остаточное напряжение, тем хуже условия устойчивости, тем быстрее нужно отключать к.з. ПУЭ рекомендуют определять остаточное напряжение на шинах электростанций и узловых подстанций при трёхфазных к.з. в интересующей нас точке сети. Если остаточное напряжение получается меньше 60% номинального, то для сохранения устойчивости следует применять быстродействующую защиту.

Полное время отключения повреждения tоткл складывается из времени работы защиты tз и времени действия выключателя tв, разрывающего ток к.з. tоткл = tз + tв.

Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время действия

0,02-0,1 с.

2. Селективность или избирательность.

Селективностью называется способность защиты отключать при к.з. только поврежденный участок сети ближайшими к месту к.з. выключателями.

Так, при к.з. в точке К1 (рисунок 6) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита только на выключателе В1 и отключить этот выключатель. При этом остальная часть электрической установки останется в работе. Такое избирательное действие защиты называется селективным.

Рисунок 6 – Схема, поясняющая принцип селективности релейной защиты.