1.11 Вопросы по дисциплине «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»

1. Назначение релейной защиты. Требования, предъявляемые к релейной защите. Классификация реле. Классификация защит.

Аварии и ненормальные режимы предотвращаются при помощи специальных автоматических устройств, получивших название релейная защита, которые действуют на отключение выключателей поврежденного участка сети или производят операции, необходимые для восстановления нормального режима, или действуют на предупредительный сигнал дежурному персоналу. В отдельных случаях при возникновении ненормального режима производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени. После отключения выключателей гаснет

электрическая дуга к.з. и восстанавливается нормальное напряжение на

неповрежденной части электроустановки или сети. Релейная защита выполняется при помощи специальных аппаратов - реле.

Под устройством релейной защиты следует понимать реле или совокупность реле и вспомогательных элементов, которые должны в случаях повреждений или опасных ненормальных режимах работы элемента системы отключать его воздействием на выключатели или действовать на сигнал.

В соответствии с требованиями «Правил устройства

электроустановок» (ПУЭ) все элементы электрической части энергосистем

(генераторы, трансформаторы, ЛЭП, шины, электродвигатели) должны оснащаться устройствами релейной защиты (РЗ) предназначенными для:

− автоматического отключения повреждённого элемента от остальной, неповрежденной части электрической системы с помощью выключателей, а если повреждение непосредственно не нарушает работу электрической системы допускается действие РЗ только на сигнал;

− реагирования на опасные, ненормальные режимы работы элементов электрической системы при этом, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации электроустановки, РЗ должна действовать на сигнал или на отключение тех элементов системы оставление в работе которых может привести к возникновению повреждения.

Основные требования к релейной 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.

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.

2. Селективность или избирательность.

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

Относительную селективность имеют защиты, на которые по принципу действия можно возложить функции резервных защит при к.з. на смежных элементах сети. С учётом этого такие защиты в общем случае должны выполняться с выдержками времени.

Абсолютную селективность имеют защиты, селективность которых при внешних к.з. обеспечивается их принципом действия, т.е. защита способна работать только при к.з. на защищаемом объекте. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются без выдержек времени.

3. Чувствительность.

Это свойство защиты, обеспечивающее выявление повреждения электрооборудования в самом начале его возникновения. Чувствительность защиты должна также обеспечивать её действие при повреждениях на смежных участках сети. Для защит реагирующих на ток к.з.

где: Iкз мин – минимальный ток к.з.; Iс.з. – ток срабатывания защиты.

4. Надёжность.

Требование надёжности состоит в том, что защита должна правильно и безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых её работа не предусматривалась.

В устройствах РЗ применяются реле электрические, механические и тепловые.

Электрические реле реагируют на электрические величины – ток,

напряжение, мощность, частоту, сопротивление, угол между током и напряжением или двумя токами, или двумя напряжениями.

Механическое реле реагируют на неэлектрические величины – давление, скорость истечения жидкости или газа, скорость вращения и т.д.

Тепловые реле реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры. Наибольшее распространение в релейной защите и автоматике получили электрические реле.

Классификация электрических реле

Все реле по назначению условно можно разделить на три группы.

I. Основные реле, непосредственно реагирующие на изменение

контролируемых величин, например, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д. (реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления).

II. Вспомогательные реле, управляемые другими реле и выполняющие

функции введения выдержек времени, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим, воздействия на выключатели и т.п. (реле времени, промежуточные реле).

III. Сигнальные (указательные) реле, фиксирующие действие защиты и

управляющие звуковыми и световыми сигналами (указательные реле).

По способу включения воспринимающего органа различаются реле

первичные, у которых воспринимающий орган включается непосредственно в цепь защищаемого элемента, и реле вторичные, у которых воспринимающий орган включается через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

По способу воздействия исполнительного органа различаются реле прямого действия, у которых исполнительный орган отключает выключатель путём прямого механического воздействия, и реле косвенного действия, исполнительный орган которых воздействует на привод выключателя с помощью оперативного тока.

По принципу действия электрические реле разделяются на следующие группы:

– электромагнитные реле;

– поляризованные реле;

– магнитоэлектрические реле;

– индукционные реле;

– полупроводниковые реле.

По характеру изменения воздействующей величины делятся на: реле максимальные и реле минимальные. Максимальные реле работают, когда значение воздействующей величины превосходят заданной, а минимальные – когда значение воздействующей величины снижается ниже заданной.

2. Измерительные трансформаторы тока и напряжения (назначение, устройство). Требования, предъявляемые к трансформаторам тока и напряжения для релейной защиты. Типовые схемы включения трансформаторов тока и напряжения (область применения, анализ схем).

Включение измерительных приборов и реле в электроустановках высокого напряжения переменного тока производится в большинстве случаев через измерительные преобразователи: трансформаторы напряжения – для измерения напряжения и трансформаторы тока – для измерения тока.

Принципиальным отличием трансформатора тока (ТТ) от трансформатора напряжения является то, что его первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через неё проходит весь первичный ток нагрузки или к.з.

Трансформатор тока, также как и трансформатор напряжения, имеет стальной сердечник С и две обмотки: первичную W₁ и вторичную W₂. Трансформаторы тока часто имеют два и более сердечника, при этом первичная обмотка является общей для всех сердечников. Первичная обмотка имеет меньшее количество витков и включается последовательно в цепь измеряемого тока. К вторичной обмотке, имеющей большее количество витков, подключаются последовательно соединенные реле и

приборы.

Первичный ток I₁, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока создаёт в сердечнике магнитный лоток Ф₁, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂, который также создаёт магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике ТТ равен: Ф₀=Ф₁-Ф₂

Величина магнитного потока зависит от величины создаваемого его тока и от количества витков обмотки, по которой этот ток протекает. Произведение тока на число витков F=IW называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках. Поэтому выражение можно заменить выражением: F₀=F₁-F₂ или: I₀W₁=I₁W₁-I₂W₂

где: I₀ - ток намагничивания, являющийся частью первичного тока (Iнам);

W₁ и W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

n_T = – коэффициент трансформации трансформатора тока.

Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду

Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторич­ные обмотки трансформаторов тока и обмотки реле соединяются в звезду и их нулевые точки связываются одним проводом, назы­ваемым нулевым. В нулевую точку объединяются одноименные зажимы обмоток трансформаторов тока.

При нормальном режиме и трехфазном к.з. в реле I, II и III проходят токи фаз:

; ; ,

а в нулевом проводе — их гео­метрическая сумма, , которая при симметричных режимах равна нулю (как при наличии, так и отсутствии заземления, рисунок 23, а).

а — при трехфазном к. з.; б — при двухфазном к. з.; е — при однофазном коротком замы­кании; г — при двухфазном к. з. на землю; д — при двойном замыкании на землю в раз­ных точках.

При двухфазных к.з. ток к.з. проходит только в двух поврежденных фазах и соответственно в реле, подключенных к трансформаторам тока поврежденных фаз (рисунок 23, б), ток в неповрежденной фазе отсутствует. Согласно закону Кирхгофа сумма токов в узле равна нулю, следовательно, = 0, отсюда .

Ток в нулевом проводе схемы равен сумме токов двух повре­жденных фаз, но так как последние равны и противоположны по фазе, то ток в нулевом проводе также отсутствует.

Т.е. реле, включенное в нулевой провод схемы трансформаторов тока, соединённых в полную звезду, не будет реагировать на междуфазные к.з.

Однако, из-за неидентичности характеристик и погрешностей ТТ сумма вторичных токов при нагрузочном режиме и при 3-х и 2-х фазных к.з. отличается от нуля и в нулевом проводе проходит ток, называемый током небаланса.

При однофазных к. з. первичный ток к.з. проходит только по одной поврежденной фазе (рисунок 23, в). Соответствующий ему вторичный ток проходит также только через одно реле и замы­кается по нулевому проводу.

При двухфазных к.з. на землю токи проходят в двух повреждённых фазах и соответственно в двух реле, а в нулевом проводе проходит ток, равный геометрической сумме токов повреждённых фаз, всегда отличный от нуля.

При двойном замыкании на землю в различных точках, например фаз В и С, на участке между точками замыкания на землю режим аналогичен 1ф. к.з. фазы В, а между источником питания и ближайшему к нему месту замыкания фазы С – соответствует режиму 2-х фазного к.з. фаз В и С.

Нулевой провод схемы звезды является фильтром токов нулевой последовательности. Токи прямой и обратной последовательностей в нулевом проводе не проходят, так как векторы каждой из этих систем дают в сумме нуль. Токи же нулевой последовательности совпадают по фазе, поэтому в нулевом проводе проходит утроенное значение этого тока.

Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду

ТТ устанавливаются в двух фазах (обычно А и С), вторичные обмотки и обмотки реле соединяются аналогично схемы полной звезды.

В нормальном режиме и при трёхфазном к.з. в реле I и III проходят токи соответствующих фаз:

; ,

В нулевом проводе ток равен их геометрической сумме: Фактически ток в нулевом проводе соответствует току фазы В, отсутствующей во вторичной цепи.

В случае двухфазного к.з. токи появляются в одном или двух реле (I или III) в зависимости от того, какие фазы по­вреждены.

Ток в обратном проводе при двухфазных к.з. между фазами А и С, в которых установлены трансформаторы тока, равен нулю, т.к. I_A = - I_C, а при замыка­ниях между фазами AB и ВC он соответственно равен I_Н.П = - I_а и I_Н.П = - I_С.

Схема соединения ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду

Вторичные обмотки трансформаторов тока, соединенные после­довательно разноименными выводами, образуют тре­угольник. Реле, соединенные в звезду, подключаются к вершинам этого треугольника. Из токораспределения на рисунке 25, а) видно, что в каждом реле проходит ток, равный геометрической разности токов двух фаз:

; ; .

При симметричной нагрузке и трехфаз­ном к.з. в каждом реле проходит линейный ток, в раз больший фазных токов и сдвинутый относи­тельно последних по фазе на 30°.

Таким образом, схема соединения трансформаторов тока в тре­угольник обладает следующими особенностями:

1. Токи в реле проходят при всех видах к.з., и, следовательно, защиты по такой схеме реагируют на все виды к.з.

2. Отношение тока в реле к фазному току зависит от вида к.з.

3. Токи нулевой последовательности не выходят за пределы треугольника трансформаторов тока, не имея пути для замыка­ния через обмотки реле, значит при к.з. на землю в реле попадают только токи прямой и обратной последовательностей, т. е. только часть тока к.з.

Схема соединения двух ТТ и одного реле, включённого на разность токов двух фаз.

ТТ устанавливаются в 2-х фазах (обычно А и С), их вторичные обмотки соединяются разноимёнными зажимами, к которым параллельно подключается токовое реле. В некоторой литературе эту схему называют схемой неполного треугольника.

Рисунок 26 – Схема соединения двух ТТ и одного реле, включённого на разность токов двух фаз.

В рассматриваемой схеме ток в реле равен геометрической сумме токов двух фаз, в которых установлены ТТ:

, где , .

При симметричной нагрузке и в режиме 3-х фазного к.з. ток в реле I⁽³⁾_Р = I_Ф и К⁽³⁾_СХ =.

При 2-х фазных к.з. между фазами, в которых установлены ТТ (А и С) в реле будет протекать двойной ток, т.к. в этом случае I_A = - I_C, и следовательно I⁽²⁾_Р = 2 I_Ф и К⁽²⁾_СХ.АС = 2.

При замыканиях между фазами АВ или ВС в реле поступает только ток той фазы, в которой установлен ТТ (I_а или I_с), поэтому I⁽²⁾_Р = I_Ф и К⁽²⁾_СХ.АВ = 1, К⁽²⁾_СХ.ВС = 1.

При 1 фазных к.з. на фазах, в которых установлены ТТ в реле появляется фазный ток, при этом К⁽¹⁾_СХ. = 1, а при 1ф. к.з. на фазе, в которой ТТ не устанавливается (В) ток в реле будет отсутствовать и К⁽¹⁾_СХ. = 0.

Анализ поведения схемы при различных повреждениях показывает, что такое соединение позволяет выполнить защиту от всех видов междуфазных замыканий. Схема отличается экономичностью, но в то же время обладает сравнительно невысокой надежностью - отказ реле ведет к отказу защиты.

Схема соединения ТТ в фильтр токов нулевой последовательности

ТТ устанавливаются во всех фазах, а одноимённые зажимы их вторичных обмоток соединяются параллельно и к ним подключается обмотка реле (рисунок 27).

В рассматриваемой схеме ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трёх фаз:

;

Ток в реле появляется только в режимах 1ф. к.з. и 2-х фазных к.з. на землю, так как только в этих режимах появляется ток нулевой последовательности.

В режимах симметричной нагрузки и междуфазных к.з. без земли сумма первичных и вторичных токов трёх фаз равна нулю и реле не действует.

Однако, в этих режимах из-за погрешностей ТТ в реле появляется ток небаланса I_н.б., который необходимо учитывать при применении схемы.

Рассматриваемую схему часто называют трёхтрансформаторным фильтром токов I₀ и применяют для защит от однофазных и 2-х фазных к.з. на землю.

В режимах 2-х фазных к.з. за трансформаторами с соединением обмоток / и / и при 1 фазных к.з. за трансформаторами с соединением обмоток / различные схемы соединений ТТ и реле работают не одинаково.

Трансформатор напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен обычному силовому трансформатору и состоит из: стального сердечника (магнитопровода), собранного из тонких пластин трансформаторной стали, и 2^х обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Первичная обмотка W₁, имеющая очень большое число витков включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке W₂, имеющей меньшее число витков, подключаются параллельно измерительные приборы и реле.

Рис.2.1. Устройство и схема включения ТН.

Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней э.д.с. Е, которая при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход трансформатора) равна напряжению на её зажимах U_2хх.

Напряжение U_2хх, меньше первичного напряжения U₁ во столько раз, во сколько раз число витков вторичной обмотки W₂ меньше числа витков первичной обмотки W₁:

Отношения чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается n_н:

Схемы соединения трансформаторов напряжения

На рис. 2-3 приведены основные схемы соединения однофазных ТН.

На рисунке (а) представлена схема включения одного ТН на междуфазное напряжение АС.

Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно только одно междуфазное напряжение.

На рис. (б) приведена схема соединения 2-х ТН в открытый треугольник (или неполную звезду). Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно иметь два или три междуфазных напряжения.

На рис. (в) приведена схема соединения 3^х однофазных ТН в звезду. Эта схема получила широкое распространение и применяется когда для защиты и измерений нужны фазные напряжения или же одновременно фазные и междуфазные напряжения.

Соединение 3-х однофазных ТН по схеме треугольник – звезда представлена на рис. (г). Эта схема обеспечивает напряжение на вторичной стороне, равное

На рис. (д) представлена схема соединения обмоток 3‑х однофазных ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности. В этой схеме первичные обмотки ТН соединяются в звезду с заземлённой нейтралью, а вторичные обмотки соединяются последовательно, образуя разомкнутый (не замкнутый) треугольник. Напряжение на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений нулевой последовательности вторичных обмоток:

Так как сумма 3‑х фазных напряжений равна утроенному напряжению нулевой последовательности, то

Следовательно, на зажимах схемы разомкнутого треугольника получается напряжение, пропорциональное напряжению нулевой последовательности.

В нормальных режимах и при к.з. без земли U_p=0, т.к. векторы напряжений не содержат нулевой последовательности.

При к.з. на землю в сетях с заземлённой нейтралью и при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью геометрическая сумма фазных напряжений не равна нулю за счёт появления напряжения нулевой последовательности и на зажимах разомкнутого треугольника появится напряжение нулевой последовательности 3U₀.

Таким образом, рассмотренная схема является фильтром напряжений нулевой последовательности.

Следует отметить, что обязательным условием работы рассмотренной схемы (д) в качестве фильтра U₀ является заземление нейтрали первичных обмоток ТН, так как при отсутствии заземления первичным обмоткам ТН будут подводиться не фазные напряжения относительно земли, а фазные напряжения относительно изолированной нейтрали, сумма напряжения которых не содержит U₀ и их сумма всегда равна нулю и при замыканиях на землю напряжение на выходе схемы будет отсутствовать.