Булычев А.В., Наволочный А.А. Методические указания - Релейная защита электрических систем. Примеры и задачи с решениями

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

А.В. Булычев, А.А. Наволочный, Н.Д. Поздеев

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ С РЕШЕНИЯМИ

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

в качестве учебного пособия

Вологда

2007

УДК 621.316.925

ББК 31.27-053

Б 90

Рецензенты:

Никитин А.А., начальник службы РЗиА

ОАО «Вологдаэнерго»

Авдонин С.И., канд. техн. наук.,

зам. директора учебного центра «Энергетик»

Булычев А.В., Наволочный А.А., Поздеев Н.Д.

Б 90 Релейная защита электрических систем. Примеры и задачи с

решениями: учебное пособие. – Вологда, ВоГТУ, 2007. – 154 с.

Кратко изложены

основы теории защит, используемых в электрических

сетях напряжением 6 – 35 кВ. Рассмотрены токовые защиты,

устанавливаемые на линиях электропередачи и трансформаторах.

Представлены задачи с решениями и примеры построения защит.

Пособие основано на изданном в 2006 году учебном пособии «Релейная

защита и автоматика систем электроснабжения. Примеры и задачи с

решениями» тех же авторов. Исправлены замеченные неточности

, ошибки;

добавлены материалы по микропроцессорным средствам релейной защиты.

Предназначено для подготовки специалистов, обучающихся по

специальности «140211 – электроснабжение», и бакалавров по направлению

«140200 – электроэнергетика».

УДК 621.316.925

ББК 31.27-053

ВВЕДЕНИЕ

Электрические системы, в соответствии с их назначением, большую

часть времени обеспечивают потребителей качественной электрической энер-

гией. Но какими бы надежными не были энергосистемы, в них неизбежно

возникают повреждения и ненормальные режимы, которые, в свою очередь,

могут приводить к возникновению аварий [1].

При возникновении повреждения или нежелательного режима управле-

ние энергосистемами

должно осуществляться по особым алгоритмам. Это не-

обходимо, чтобы и в экстремальных условиях все же обеспечить нормальное

электроснабжение хотя бы части потребителей, предотвратить развитие ава-

рии и снизить возможные объемы разрушения поврежденного электрообору-

дования. Для реализации этих особых алгоритмов управления электрически-

ми системами используются средства противоаварийной автоматики, основу

которых составляют средства

релейной защиты [1-4].

Постановка и решение аналитических и числовых задач является одним

из наиболее эффективных и общепринятых методов обучения. Процесс обу-

чения при этом становится активным, творческим и привлекательным для

участников. Это способствует более глубокому усвоению теории, позволяет

сконцентрировать внимание на ее ключевых положениях. Приведенные здесь

примеры и решения конкретных задач

несомненно послужат полезным до-

полнением к теоретическому учебному материалу. Мы искренне надеемся,

что подробно рассмотренный пример построения системы релейной защиты

электрической сети 10 – 35 кВ позволит получить читателям ясное и целост-

ное представление о процессе проектирования средств релейной защиты.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ обычно связаны с относительно небольшими от-

клонениями величин напряжения, тока и (или) частоты от допустимых значений

[2]. К ненормальным режимам относят перегрузки, однофазные замыкания на

землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, а также пони-

жение уровня масла в расширителе масляного трансформатора [3].

ОВРЕЖДЕНИЯ чаще всего сопровождаются значительным увеличением

тока в элементах энергосистемы и глубоким понижением напряжения. Наи-

более частыми и опасными повреждениями являются короткие замыкания.

ВАРИИ – это нарушения работы электроэнергетической системы или её

части, сопровождающиеся недоотпуском электроэнергии потребителям или

недопустимым ухудшением её качества, разрушением основного оборудова-

ния, возникновением угрозы здоровью и жизни людей. Ненормальные режи-

мы создают возможность возникновения повреждений, а вовремя не выяв-

ленные повреждения могут приводить к возникновению аварий.

ЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА – это комплекс автоматических устройств, предна-

значенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от сети

повреждённых элементов этой сети в аварийных ситуациях с целью обеспе-

чения нормальной работы исправной части этой сети.

1.1. Основные свойства релейной защиты

ЕЛЕКТИВНОСТЬ – это свойство релейной защиты, характеризующее

её способность выявлять и отделять от электрической сети только повреж-

дённые элементы. Другими словами, селективность – это избирательность

действия.

Средства релейной защиты могут обладать абсолютной или относи-

тельной селективностью.

ЫСТРОДЕЙСТВИЕ – это свойство релейной защиты, характеризующее

скорость выявления и отделения от сети повреждённых элементов. Быстро-

действие показывает, насколько быстро средства релейной защиты реагируют

на возникновение тех или иных видов повреждений.

Показателем быстродействия является время срабатывания защиты –

это интервал времени от момента возникновения повреждения до момента

отделения от сети повреждённого элемента. Наиболее

быстродействующие

защиты имеют время срабатывания

СЗ

0,04 0,10 сt

÷ . Медленные защиты

могут иметь время срабатывания до нескольких секунд.

Следует отметить, что не во всех случаях от релейной защиты требуется

высокое быстродействие. При возникновении одного из ненормальных режимов

обычно достаточно дать предупредительный сигнал дежурному персоналу. На

энергообъектах без постоянного дежурного персонала производится отключение

неисправного оборудования, но обязательно с выдержкой времени [3].

УВСТВИТЕЛЬНОСТЬ – это свойство, характеризующее способность ре-

лейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для неё зоны

действия в минимальном режиме работы энергосистемы. Другими словами,

защита должна чувствовать те виды повреждений и (или) ненормальных ре-

жимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой

энергосистемы.

Показателем чувствительности выступает т.н. коэффициент

чувстви-

тельности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание

контролируемой величины) определяется как отношение минимально воз-

можного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому поврежде-

нию, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).

Например, коэффициент чувствительности максимальной токовой за-

щиты линии электропередачи, работающей в режиме с глухозаземлённой

нейтралью,

(1)

К MIN

СЗ

где

(1)

К MIN

I – значение тока однофазного короткого замыкания при повреж-

дении в конце защищаемой линии в минимальном режиме работы энергосис-

темы;

СЗ

– ток срабатывания защиты.

В ряде случаев контролируется также чувствительность к повреждени-

ям на соседнем (предыдущем по отношению к источнику) защищаемом объ-

екте (т.е. в режиме дальнего резервирования).

АДЁЖНОСТЬ – это свойство, характеризующее способность релейной

защиты действовать правильно и безотказно при всех видах повреждений и

ненормальных режимов, для действия при которых данная защита предназна-

чена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких поврежде-

ниях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной за-

щиты не предусмотрено и

должна действовать другая защита [3].

Показателями надёжности выступают время безотказной работы и ин-

тенсивность отказов – количество отказов за единицу времени.

Так как неправильно действующая защита может сама служить причи-

ной возникновения аварий, её надёжность должна быть обеспечена в доста-

точной мере. Например, для защит линий электропередач предельно допус-

тимым считается один отказ

за десять лет работы, а для защит генераторов –

один отказ за сто лет.

1.2. Основные виды повреждений, которые выявляют

средства релейной защиты

Наиболее тяжёлыми видами повреждений любой энергосистемы явля-

ются короткие замыкания (КЗ). Самыми тяжёлыми и разрушительными из

них являются

ТРЁХФАЗНЫЕ КЗ (рис. 1.1, а). При расчёте токов КЗ, как правило,

вводят определённые допущения. Так, обычно не учитывают переходное со-

противление в месте КЗ и активную составляющую внутреннего сопротивле-

ния генератора, а сопротивления всех трёх фаз считают одинаковыми. С учё-

том допущений трёхфазное КЗ является симметричным, т.е.

ABCФ

EEE===;

ABC

II==. Ток трёхфазного КЗ:

)xx(r

IIII

ЛГЛ

CBA

(3)

=====



где

– внутреннее индуктивное сопротивление генератора (активным

обычно пренебрегают);

r и

– соответственно активное и индуктивное

сопротивления линии.

Рис. 1.1

Ток каждой фазы отстаёт от создающей его ЭДС на угол

ГЛ

arctg

ϕ=

(рис. 1.1, б). Для линий 110 кВ этот угол составляет 60÷78°;

для линий 750 кВ – 86÷88° [3].

Меньшую опасность с точки зрения устойчивости параллельной работы

генераторов представляют

ДВУХФАЗНЫЕ КЗ (рис. 1.2, а). При таком КЗ ток в

неповреждённой фазе практически отсутствует (

≈

), а в повреждённых

фазах токи равны по величине (

−



, рис. 1.2, б). Ток двухфазного КЗ:

.866,0

)(

(3)

ЛГ

(2)

xxr

III

⋅≈=

====



Рис. 1.2

Ток ОДНОФАЗНЫХ КЗ в сети с глухозаземлённой нейтралью (рис. 1.3)

следует находить с учётом сопротивления цепи заземления (

ЗЗ З

zrjx=+⋅



)()(

ЗЛГ

(1)

xxxrr

++++



Рис. 1.3

В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью однофазные

замыкания короткими не являются (т.к. не закорачивают источник питания) и

обычно не требуют быстрого отключения (рис. 1.4, а). Такой

НЕНОРМАЛЬНЫЙ режим работы указанной сети (сети с малым током замыка-

ния на землю) называют

ОДНОФАЗНЫМ ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ (ОЗЗ).

В месте замыкания протекает ёмкостный ток



, обусловленный рас-

пределёнными ёмкостями фазных проводников сети относительно земли. При

расчёте величины этого тока обычно пренебрегают активными и реактивны-

ми сопротивлениями генератора и линии, поскольку они значительно меньше

ёмкостного сопротивления сети. Ток замыкания на землю равен геометриче-

ской сумме токов в фазах A и B (



соответственно) и противополо-

жен им по фазе (рис. 1.4,

б):

()

A0 B0

З CA CB

ωω

III

jC jC

⎛⎞

⎜⎟

=− + =−

⎜⎟

⎝⎠





где



– напряжения неповреждённых фаз A и B относительно земли

(фактически это линейные напряжения



);

– ре-

активные сопротивления изоляции фаз A и B.

Рис. 1.4

Учитывая (см. рис. 1.4, б), что

AC BC C

3UU E+=−



, а также считая ёмко-

сти фаз относительно земли одинаковыми (

ABC

CCCC

==):

(

)

З AC BC C

ω 3 ω

jCU U jCE=− + =

 

или

CfUCUI

ФФЗ

π6ω3

= ,

где

U – фазное напряжение сети.

Основные неблагоприятные факторы при ОЗЗ – повышение напряжений

неповреждённых фаз относительно земли до линейных и сравнительно не-

большой ёмкостный ток в месте замыкания на землю – способствуют возник-

новению других, более тяжёлых видов замыканий.

Реже возможны и другие, более сложные виды замыканий, представ-

ляющие собой различные сочетания рассмотренных выше:

ТРЁХФАЗНОЕ КЗ НА

ЗЕМЛЮ

(рис. 1.5, а), ДВУХФАЗНОЕ КЗ НА ЗЕМЛЮ (рис. 1.5, б), ДВОЙНОЕ КЗ НА

ЗЕМЛЮ

(рис. 1.5, в) [1]. Перечисленные замыкания могут иметь место как в

сетях с глухозаземлённой нейтралью, так и в сетях с изолированной (компен-

сированной) нейтралью.

Рис. 1.5

2. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ

Подавляющее большинство повреждений в электрических системах со-

провождаются повышением тока, поэтому именно ток целесообразно исполь-

зовать в качестве входного сигнала для средств релейной защиты.

Защиты, которые оценивают состояние защищаемого объекта по току,

называют токовыми. Токовые защиты начинают действовать при выходе зна-

чения контролируемого тока за установленные границы. Эти границы, зада-

ваемые

тем или иным способом на чувствительных элементах защиты, при-

нято называть уставками.

Действующее значение тока в месте установки защиты, при котором

защита начинает действовать, называют током срабатывания защиты. Дейст-

вующее значение тока в месте установки защиты, при котором защита воз-

вращается в исходное состояние, называют током возврата защиты. Отноше-

ние

тока возврата защиты к току её срабатывания называют коэффициентом

возврата.

Как правило, чувствительные к току элементы – токовые реле – вклю-

чаются в защищаемую сеть за трансформаторами тока (ТТ), в этом случае ток

срабатывания реле (уставка)

СР

и ток срабатывания защиты

СЗ

связаны

следующим соотношением:

СХ

СР СЗ

ТТ

⋅ ,

где

ТТ

k – коэффициент трансформации трансформатора тока;

СХ

k – коэффи-

циент схемы, показывающий во сколько раз ток в обмотке реле больше, чем

ток во вторичной обмотке ТТ. Значение коэффициента схемы определяется

схемой соединения вторичных обмоток ТТ и катушек реле.

Токовые защиты должны устанавливаться на защищаемом участке

электрической сети со стороны источника питания. Если электрическая сеть

включает в себя несколько источников, то защиты на контролируемом объек-

те следует устанавливать со стороны каждого источника питания

, а сами за-

щиты в этом случае должны обладать направленностью действия.

Наиболее часто защиты реагируют на повышение тока и поэтому назы-

ваются максимальными токовыми защитами.

Существует два вида максимальных токовых защит: токовые отсечки и

максимальные токовые защиты с выдержкой времени срабатывания.

2.1. Токовые отсечки

ТОКОВЫЕ ОТСЕЧКИ – это быстродействующие токовые защиты макси-

мального типа, селективность действия которых обеспечивается за счёт огра-

ничения зоны действия (т.е. выбором только токовой уставки). В сетях с од-

носторонним питанием токовые отсечки устанавливаются в начале защищае-

мого участка со стороны источника питания.

Поскольку токи КЗ зависят от удалённости места повреждения от

ис-

точника питания, то можно подобрать такое значение тока срабатывания от-

сечки, при котором в зону её действия будет входить только контролируемый

объект. Так, ток срабатывания токовой отсечки ТО1 (рис. 2.1) должен быть

Рис. 2.1