Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем

Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем

Учебное пособие

Курск

Издательство Курской государственной

сельскохозяйственной академии

Печатается по решению методического

совета ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА»

Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем:

учебное пособие [Текст] [ Эл. ресурс] / сост.: Р.И. Сафронов, И.М. Солопова – Курск: Изд-во Курск. Гос. с.-х. ак., 2012. – 40с.

Учебное пособие подготовлено в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров 140400.62 Электроэнергетика и электротехника. В нем приведены принципы действия защит, основные элементы автоматизации в системах промышленного электроснабжения.

Для студентов сельскохозяйственной академии, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140400.62 Электроэнергетика и электротехника.

Рецензент:

Коняев Н.В., к.т.н., доцент

Варавин В.И., к.т.н., доцент

Ó ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», 2012

УДК 621.31(075)

ББК 31.2я 7

Р36

Введение

Основные положения

При проектировании и эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Наиболее распространенными и в то же время наиболее опасными видами повреждений в них являются короткие замыкания (КЗ). Одним из основных видов ненормальных режимов работы являются перегрузки. В перегруженном элементе возникают токи, превосходящие длительно допустимые для него значения. Температура токоведущих и других частей может при этом недопустимо повышаться, сами они деформироваться, а их изоляция ускоренно изнашиваться или даже разрушаться.

Повреждения и ненормальные режимы работы могут приводить к возникновению в системе аварий, под которыми обычно понимаются вынужденные нарушения нормальной работы всей системы или ее части, сопровождающиеся определенным недоотпуском энергии потребителям, недопустимым ухудшением ее качества или разрушением основного оборудования.

По условиям обеспечения бесперебойной работы неповрежденной части системы и уменьшения размеров повреждения оборудования время отключения КЗ должно быть по возможности малым, часто это десятые, а иногда и сотые доли секунды. Необходимо также иметь в виду, что КЗ в любом месте системы ввиду взаимосвязанности всех ее элементов в той или иной мере немедленно отражаются на работе значительной ее части. Совершенно очевидно, что дежурный персонал не в состоянии в требуемое малое время отметить возникновение КЗ, выявить поврежденный элемент и дать сигнал на отключение его выключателей. Поэтому электрические установки снабжаются автоматически действующими устройствами — релейной защитой или предохранителями, осуществляющими защиту от повреждений и некоторых ненормальных режимов работы.

Основным назначением релейной защиты является автоматическое отключение поврежденного элемента (как правило, при КЗ) от остальной, неповрежденной части системы при помощи выключателей. Таким образом, она является одним из видов противоаварийной автоматики систем. Важность этого вида автоматики определяется тем, что без нее вообще невозможна бесперебойная работа электроэнергетических установок. Следует отметить, что некоторые виды повреждений, например однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, непосредственно не нарушают работу системы. В таких случаях часто допускают действие защиты только на сигнал.

Дополнительным назначением релейной защиты является необходимость ее реагирования на опасные ненормальные режимы работы элементов системы. В зависимости от их вида и условий эксплуатации установки защита действует на сигнал или отключение выключателей тех элементов, оставлять которые на некоторое время в работе нежелательно или даже недопустимо, так как это может привести к возникновению повреждения или аварии. Релейную защиту, которая должна реагировать на ненормальные режимы работы, часто целесообразно выполнять не быстродействующей, как защиту от КЗ, а с определенной выдержкой времени.

Название «релейная защита» появилось в ряде стран в связи с тем, что рассматриваемый вид противоаварийной автоматики начал осуществляться с использованием электромеханических аппаратов, названных реле. В дальнейшем этот термин получил всеобщее признание и был узаконен в Международном электротехническом словаре, сыгравшем большую роль в становлении отечественной терминологии.

Впервые реле было разработано и построено русским ученым П. Л. Шиллингом в 1830—1832 гг.

В технике релейной защиты под термином реле в соответствии с ГОСТ обычно понимают автоматически действующий аппарат, предназначенный при заданном значении воздействующей величины, характеризующей определенные внешние явления, производить скачкообразное изменение в электрических цепях управления или сигнализации. Реле, применяемые для осуществления защит, обычно имеют электрические воздействующие величины и называются электрическими. В соответствии с ГОСТ электрические реле имеют пять основных функциональных частей: воспринимающую, преобразующую, сравнивающую, исполнительную и замедляющую. В реле, реагирующих более чем на одну величину, может иметься несколько однотипных частей.

Кроме перечисленных реле могут иметь и дополнительные функциональные части, например задающие, в которых производятся определенные настройки.

Существует много способов классификации реле. Они для электроустановок могут быть, например, классифицированы как: электромеханические — с подвижными элементами и статические — без подвижных элементов; максимальные и минимальные — срабатывающие при увеличении или соответственно уменьшении воздействующей величины; тока, напряжения, направления мощности, измерительные и логические и т. Д.

Первоначально реле выполнялись электромеханическими. В дальнейшем все большее применение получают статические реле (преимущественно полупроводниковые). В настоящее время релейная защита начинает выполняться с использованием микропроцессорной техники; при этом основными элементами защиты являются уже не реле, а микропроцессоры — управляемые интегральные микросхемы с программами, закладываемыми в их запоминающее устройство

Способы выполнения защит весьма разнообразны. Однако все они обычно строятся на электрических принципах, выполняются в большинстве случаев автономными устройствами и имеют в общем случае две главные части – измерительную и логическую.

Измерительная часть, включающая измерительные органы, непрерывно контролирует состояние защищаемого объекта и определяет условия срабатывания в соответствии со значениями входных воздействующих величин. Логическая часть, включающая логические органы, формирует управляющие воздействия в зависимости от комбинации и последовательности поступления на нее сигналов от измерительной части. Обычно логическая часть действует на выключатели не непосредственно, а через исполнительный орган. Измерительная часть, как правило, получает информацию о токах и напряжениях в месте включения защиты через первичные измерительные преобразователи – трансформаторы тока и напряжения.

Для продольных защит их измерительные или логические части получают информацию также с другой стороны защищаемого элемента, с другой электроустановки по вспомогательным проводам или специальным каналам связи. Для поперечных защит основные части защиты получают информацию от других элементов, присоединенных к общим шинам, по вспомогательным проводам в пределах общей для них электроустановки.

Раздел I

Контролируемой величины

Токовыми называются защиты с относительной селективностью, реагирующие на ток, проходящий по защищаемому элементу. Токовыми направленными называются защиты также с относительной селективностью, реагирующие на ток и направление (знак) мощности КЗ в месте их включения. Таким образом, вторая защита отличается от первой наличием дополнительного ИО, называемого органом направления мощности (ОНМ). Токовые защиты могут использоваться на любых элементах электроэнергетических систем (линиях, двигателях, трансформаторах и т. Д.), токовые направленные — на линиях, трансформаторах и в других случаях. В некоторых случаях, например на линиях, обе разновидности защит применяются одновременно, но на разных сторонах защищаемого элемента. В данной главе рассматривается их работа применительно к защитам линий.

Защиты могут срабатывать при превышении током в месте их включения заранее установленного значения (максимальные защиты). В общем случае они выполняются со ступенчатыми, плавными (зависимыми) или комбинированными характеристиками выдержки времени

Типичными являются защиты со ступенчатыми характеристиками. Током срабатывания защиты или ее отдельных ступеней обычно называется минимальный ток в фазах линии, при котором защита (ее ступень) может срабатывать.

Действие токовой защиты рассматривается в первую очередь на примере ее применения для радиальной сети с односторонним питанием. Устройства защиты включаются только со стороны питания всех элементов и могут действовать на отключение своих выключателей.

Максимальные токовые защиты

.Током срабатывания защиты обычно называется минимальный ток в фазах линии, при котором защита может срабатывать. Током срабатывания ИО тока называется минимальный ток в ИО, при котором он срабатывает. При обычно применяемых органах тока, питаемых от вторичных обмоток ТА эти токи различны.

Током возврата защиты называется максимальный ток в фазах линии, при котором защита возвращается в исходное состояние, а током возврата ИО тока — максимальный ток в ИО, при котором он возвращается в исходное состояние.

Выдержки времени защит. Они выбираются по ступенчатому принципу, согласно которому должны быть больше максимальной выдержки времени предыдущих защит на ступень. Выбор выдержек времени всегда должен начинаться с защит элементов сети, наиболее удаленных от источника питания. В общем случае эти защиты уже имеют выдержки времени, обеспечивающие их селективность несрабатывания при КЗ в питаемых от подстанции потребителях. Выдержка времени последующей защиты выбирается больше максимальной выдержки времени защит подстанции.

Ток срабатывания. Он всегда должен быть больше максимального рабочего тока в защищаемой линии. Однако, как правило, определяется более тяжелыми условиями.

Для сравнительной оценки чувствительности схемы включения органов тока при различных видах КЗ иногда используется относительный коэффициент чувствительности. Он определяется при искусственном предположении равенства первичных токов при всех учитываемых видах КЗ.

Оценка и области применения защиты. Основным преимуществом защиты является ее простота, особенно при использовании реле тока с ограниченно-зависимыми характеристиками, работающими на оперативном переменном токе. Она широко применяется в распределительных сетях и для защиты токоприемников (например, двигателей). Для последних она выполняется без выдержки времени. В сетях она дополняется токовой отсечкой, часто встраиваемой в реле тока с выдержкой времени для ускорения отключения наиболее тяжелых для системы КЗ, возникающих вблизи места включения защиты.

Максимальные токовые направленные защиты

Они выбираются согласно встречно-ступенчатому принципу, по которому все защиты цепочки линий разделяются по направленности действия на две группы, в каждой из которых выдержки времени устанавливаются уже, как у ненаправленных защит, по ступенчатому принципу.

Ток срабатывания. Ток срабатывания выбирается вне зависимости от направления прохождения через нее (от шин или к шинам) мощности нагрузки. Последняя, как и мощность КЗ, обычно имеет активно-индуктивный характер.

Оценка и область применения защиты. Максимальные токовые направленные защиты обычно в сочетании с ненаправленными обеспечивают селективность несрабатывания в сети, состоящей из цепочки одиночных линий с двусторонним питанием, и в простой кольцевой сети с односторонним питанием. Нетрудно показать, что эта селективность может быть также обеспечена в сетях в виде цепочек одиночных линий с любым числом источников питания и в кольцевой сети с диагональными линиями.

Чувствительность защит для линий с двусторонним питанием при учете возможных аварийных перегрузок может быть совершенно недостаточной. Приходится также иметь в виду возможность излишних срабатываний при качаниях. Лучше дело обстоит в сетях с одним источником питания, в которых непредусмотренные аварийные перегрузки могут и не появляться; в них также не возникает вопроса отстройки от качаний.

Значительно лучшие показатели имеют токовые направленные защиты нулевой последовательности. Данные же защиты находят применение преимущественно в кольцевых сетях с одной точкой питания напряжением до 35 кВ в случае, если их выдержки времени оказываются допустимыми.

Раздел II

Раздел III

Защита линий 6-10 кВ

По линиям 6—10 кВ может осуществляться питание городских, промышленных и сельскохозяйственных потребителей. Они бывают кабельные (преимущественно в промышленных и городских сетях) и воздушные (преимущественно в сельскохозяйственных сетях) и образуют сети различной конфигурации, понижающие трансформаторы которых часто имеют небольшую мощность и защищаются от КЗ предохранителями. В нормальных режимах линии обычно работают как радиальные с односторонним питанием; поэтому для защиты от КЗ, как правило, оказывается достаточной токовая релейная защита. Для обеспечения бесперебойного питания потребителей предусматривается ряд мероприятий. К ним в первую очередь относятся следующие: осуществление резервного питания по другой линии, питаемой от той же подстанции или другого синхронно работающего источника, с помощью АВР или специального сетевого резервирования, часто используемого в существующих сельскохозяйственных сетях; применение АПВ поврежденной линии, которое эффективно в воздушных сетях и малоэффективно в кабельных; выполнение защит с возможно малыми временами срабатывания или без выдержки времени, последнее считается обязательным на нереактивированных линиях, на шинах подстанции при питании по линиям синхронных двигателей и других потребителей, не допускающих затяжки в ликвидации КЗ; в связи с этим допускается неселективная работа защиты линии в сочетании с АВР и АПВ, исправляющими по возможности допущенные излишние срабатывания.

На линиях обычно используется единственная защита, которая должна осуществлять и дальнее резервирование.

Сети 6—10 кВ имеют нейтрали изолированные или заземленные через дугогасящие реакторы. Поэтому защиты от КЗ должны учитывать только многофазные повреждения.

Защита линий 20-35 кВ

Сети 20 и 35 кВ работают с теми же режимами заземления нейтралей, что и сети 6—10 кВ. Поэтому защиты линий 20 и 35 кВ должны реагировать на аналогичные виды повреждений. Защиты от КЗ выполняются двухфазными.

Для одиночных линий с односторонним питанием стремятся применять более простые токовые ступенчатые защиты. Допускается при наличии у линии нескольких последовательных участков для обеспечения быстрого отключения тяжелых повреждений выполнять первые ступени защит неселективными, исправляя их излишние срабатывания устройствами поочередного АПВ.

Сети 20 и 35 кВ часто имеют кольцевую конфигурацию, параллельные цепи, в них возможно наличие двух источников питания. В таких сетях применение только токовых ступенчатых направленных защит часто невозможно или неэффективно. В этих случаях используются дистанционные, обычно односистемные, защиты с ИО полного сопротивления. Для одиночных цепей используются единственные защиты, осуществляющие и дальнее резервирование. Дополнительно на параллельных цепях предусматриваются поперечные дифференциальные токовые направленные защиты. При направленных защитах дополнительно устанавливаются токовые ненаправленные отсечки от многофазных КЗ.

Защита линий 110-220 кВ

Сети, как правило, работают с глухозаземленными нейтралями. Поэтому защиты выполняются как от многофазных, так и от однофазных КЗ. Сети часто имеют сложную конфигурацию, несколько источников питания. Поэтому для защиты от многофазных КЗ (включая часто применяются дистанционные ступенчатые защиты с разными характеристиками) органов сопротивления, снабжаемые блокировками от качаний и нарушений вторичных цепей TV.

Раздел IV

Противоаварийной автоматики

Раздел V

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Основные положения. 3

Раздел I.Принцип действия защит, фиксирующих отклонение

контролируемой величины. 6

Раздел II. Принцип действия защит, основанных на сравнении контролируемых величин. 10

Раздел III. Особенности защиты основного электрооборудования электроэнергетических систем. 17

Раздел IV. АВР, АПВ и АЧР как первые ступени противоаварийной автоматики. 23

Раздел V. Технологическая автоматика в электроэнергетических системах. Включение синхронных генераторов на параллельную

работу. 33

Список используемых источников38

Учебное издание

Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем

Учебное пособие

Составители: Сафронов Руслан Игоревич

Солопова Ирина Михайловна

Корректор Р.П. Ломакина

Компьютерный набор и верстка Л.В. Арбузовой

Издательство Курской государственной

сельскохозяйственной академии

305021, г. Курск, ул. К. Маркса, д. 70

Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем

Учебное пособие

Курск

Издательство Курской государственной

сельскохозяйственной академии

Печатается по решению методического

совета ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА»

Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем:

Рецензент:

Коняев Н.В., к.т.н., доцент

Варавин В.И., к.т.н., доцент

Ó ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», 2012

УДК 621.31(075)

ББК 31.2я 7

Р36

Введение

Основные положения

Впервые реле было разработано и построено русским ученым П. Л. Шиллингом в 1830—1832 гг.

Раздел I

12 3 Следующая ⇒