Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

НА ЧЕРНОБРОВОЕ ЕА.СЕМЕНОВ

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

УДК 621.316.925

ББК 31.27-05

4-49

Рецензенты: Т. М. Пояркова, доктор техн. наук Я. С. Гельфанд

Книга вышла при финансовой поддержке АО Мосэнерго

Чернобровое Н. В., Семенов В. А.

4-49 Релейная защита энергетических систем: Учеб. по-

собие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998. -

800 с: ил.

13ВЫ 5-283-010031-7

Даны основы техники релейной защиты (РЗ). Рассмотрены конст-

руктивные особенности реле и устройств защиты, находящихся в

эксплуатации, а также выпускаемых отечественной промышлен-

ностью на интегральных микросхемах. Даны пояснения к выполне-

нию РЗ линий, генераторов, трансформаторов, автотрансформаторов,

сборных шин и электродвигателей.

Для студентов средних V специальных учебных заведений электро-

энергетических специальностей, может быть полезна студентам ву-

зов,

а также может использоваться инженерами и техниками, зани-

мающимися эксплуатацией, монтажом и проектированием РЗ элект-

роэнергетических систем.

„ БИБЛИОТЕКА »

15ВЫ 5-283-010031-7 || Квфеооы ТОЗ ЧГУ ®Н

Авт

°Р

1998

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга предназначена служить учебным посо-

бием по специальному курсу релейной защиты электроэнер-

гетических систем для студентов средних специальных учеб-

ных заведений энергетического профиля.

Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию

повреждений и ненормальных режимов в электрической части

энергосистем и является важнейшей системой, обеспечива-

ющей их надежную работу.

В современных условиях значение релейной защиты особен-

но возрастает в связи с продолжающимся ростом мощностей

электростанций, ростом напряжений электрических сетей,

объединением энергетических систем в единую (ЕЭС). Происхо-

дит перевод релейной защиты на новую микроэлектронную тех-

нологию.

Авторы книги ставили перед собой задачу дать теоретиче-

ские основы техники современной релейной защиты. В процес-

се изложения рассматриваются требования, предъявляемые

к устройствам релейной защиты (УРЗ), принципы построения

схем релейной защиты, особенности их работы и выбор пара-

метров.

В книге дан раздел, посвященный элементам УРЗ на инте-

гральных микросхемах (ИМС), на базе которых отечественная

промышленность выпускает современную релейную аппарату-

ру. Однако учитывая, что на территории Российской Федера-

ции и в странах СНГ в значительной степени Спорядка 90%)

еще используются УРЗ на электромеханической базе, посте-

пенно заменяемой современной аппаратурой, этим устройствам

авторы считали необходимым уделить соответствующее вни-

мание.

Поскольку принципиальные схемы устройств релейной за-

щиты на ИМС сложны, изучение этих устройств ведется с ис-

пользованием функциональных и структурных схем.

В книге нашли отражение современные релейные защиты,

которые созданы и успешно эксплуатируются на линиях элект-

ропередачи ПО, 220 кВ и сверхвысокого напряжения (СВН),

крупных генераторах, трансформаторах и энергоблоках, а также

защиты со сложными характеристиками, позволяющие опти-

мально решать очень сложную задачу - надежную отстройку

защиты от нагрузки и качаний при сохранении достаточной

чувствительности при коротких замыканиях.

Совершенствуются способы резервирования отказов защит

и выключателей. Наряду с дальним резервированием и специ-

альными устройствами при отказе выключателей (УРОВ) для

шин подстанций СВН, генераторов и трансформаторов большой

мощности применяется дублирование, а для линий электропе-

редачи СВН даже троирование основных быстродействующих

защит. Благодаря этому обеспечивается высокая надежность

защиты наиболее ответственных энергообъектов даже при вы-

воде одной из основных защит в проверку.

В основных и распределительных электрических сетях на-

чалось внедрение в эксплуатацию микропроцессорных защит.

На базе микропроцессорных комплексов разрабатываются ин-

тегрированные системы управления подстанциями, в которых

все функции (релейной защиты, автоматики и оперативного

управления) реализуются с помощью типовых наборов микро-

процессорной техники.

Средства вычислительной техники, включая персональные

ЭВМ, эффективно используются для расчета уставок, что су-

щественно повышает производительность труда специалистов

по релейной защите.

Авторы считают, что дальнейшее совершенствование релей-

ной защиты пойдет по пути более широкого использования

микропроцессорной и цифровой техники, преимуществом ко-

торой являются возможности фиксации параметров, опреде-

ляющих поведение релейной защиты доаварийного и аварий-

ного режимов, а также возможности передачи их на расстояние.

Авторы приносят глубокую признательность рецензентам

Я.

С. Гельфанду и Т. М. Поярковой за ценные замечания, а так-

же за большую помощь в работе по подготовке к изданию

окончательной редакции книги.

Все замечания и предложения по книге авторы просят на-

правлять по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая наб., д. 10, Энер-

гоатомиздат.

А вторы

Глава первая

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

В электрической части энергосистем могут возникать по-

вреждения и ненормальные режимы работы электрооборудо-

вания электростанций (ЭС) и подстанций (ПС) линий электро-

передачи (ЛЭП) и электроустановок потребителей электро-

энергии.

Повреждения вызывают появление значительных аварий-

ных токов и сопровождаются глубоким понижением напряже-

ния на шинах ЭС и ПС. Ток повреждения выделяет большое ко-

личество теплоты, которое вызывает сильное разрушение в

месте повреждения (точка К) и опасное нагревание проводов

неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток про-

ходит (рис. 1.1).

Понижение напряжения нарушает нормальную работу по-

требителей электроэнергии и устойчивость параллельной рабо-

ты ЭС энергосистемы (ЭЭС).

Ненормальные режимы обычно приводят к отклоне-

нию напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При

понижении частоты и напряжения создается опасность наруше-

ния нормальной работы потребителей и устойчивости ЭЭС, а

повышение напряжения и тока угрожает повреждением обору-

дования и ЛЭП.

Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обес-

печения нормальной работы неповрежденной части ЭЭС необ-

ходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреж-

дения от неповрежденной части ЭЭС.

Опасные последствия ненормальных режимов также можно

предотвратить, если своевременно принять меры к их устра-

нению (например, снизить ток или напряжение при их увели-

чении), а при необходимости отключить оборудование, ока-

завшееся в недопустимом для него режиме.

ЭСА

1ЮпЪ 1н

и0к6

зс6

ТА

„

уу* ^да

« д д д

©-о-

-о-ОСк>

-сь—о-

-снЗО-о н>©

/и

•

{1кх */кя

'"«

ЮкВ

Рис. 1.1. Схема участка энергосистемы

Выявление и отключение повреждений следует производить

очень быстро - в большинстве случаев в течение сотых и деся-

тых долей секунды, что может быть обеспечено только сред-

ствами автоматики. В связи с этим возникла необходимость

в создании и применении автоматических устройств, защища-

ющих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий поврежде-

ний и ненормальных режимов. Первоначально в качестве по-

добной автоматики (защиты) применялись плавкие предохра-

нители. Впоследствии были созданы защитные устройства,

выполняемые при помощи электрических автоматов-реле.

Такой способ защиты получил название релейной за-

щиты.

Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль

за состоянием всех элементов ЭЭС и реагирует на возникнове-

ние повреждений и ненормальных режимов. При возникновении

повреждений РЗ должна выявить поврежденный участок (на-

пример, на рис. 1.1 трансформатор ТС) и отключить его

от

ЭЭС,

воздействуя на специальные силовые выключатели

<2,

пред-

назначенные для размыкания

токов

повреждения.

При возникновении ненормальных режимов РЗ

также

должна

выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо

отключать

оборудование, если возникла опасность его повреж-

дения, либо производить автоматические операции, необходи-

мые для восстановления нормального режима, либо осуще-

ствлять сигнализацию оперативному персоналу, который дол-

жен принимать меры к ликвидации ненормальности.

Релейная защита является основным видом электрической

автоматики, без которой невозможна нормальная

работа

энер-

госистем. Она тесно связана с другими видами электрической

автоматики, предназначенной для предотвращения развития

аварийных нарушений и быстрого восстановления нормально-

го режима работы ЭЭС и электроснабжения потребителей:

автоматического повторного включения (АПВ), автоматиче-

ского включения резервных источников питания (АВР), авто-

матической частотной разгрузки (АЧР) и др.

1Л. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

Большинство повреждений в ЭЭС приводит к коротким за-

мыканиям (КЗ) фаз между собой или на землю (рис. 1.2). В об-

мотках электрических машин и трансформаторов могут также

возникать КЗ между витками одной фазы. Основными при-

чинами повреждений являются: нарушения изоляции токове-

дущих частей, вызванные ее старением, перенапряжениями,

механическими повреждениями; повреждения проводов и

опор ЛЭП, вызванные их неудовлетворительным состоянием,

гололедом, ураганным ветром, "пляской проводов" и другими

причинами; ошибки персонала при операциях (отключение

разъединителей под нагрузкой или включение их на ошибоч-

но оставленное заземление и др.) [17].

Рис.

1.2. Виды повреждений в электрических установках:

а, б, в, г

—

трехфазное, двухфазное, однофазное и двухфазное КЗ на землю;

д, е

—

замыкания одной и двух фаз на землю в сети с изолированной нейтралью

Рис.

1.3. Влияние понижения напряжения при КЗ:

—

на работу потребителей; б

—

на устойчивость параллельной работы энер-

госистемы; в

—

осциллограмма тока и напряжения при асинхронном режиме

При КЗ в контуре накоротко замкнутой ЭДС Е источника пи-

тания (генератора) возникает большой ток /

. Короткие замыка-

ния подразделяются на трехфазные К*

, двухфазные К^

, одно-

фазные на землю К

' и двухфазные на землю К*

1,1)

(рис. 1.2).

Во время КЗ вследствие увеличения тока возрастает паде-

ние напряжения в элементах энергосистемы, что приводит к

понижению напряжения во всех точках сети. При металличе-

ском КЗ напряжение в точке К равно нулю (рис. 1.3, а). Снижен-

ное значение напряжения в любой точке сети можно опреде-

лять по выражению: 11

= /к^к.

Происходящие при КЗ увеличение тока и снижение напря-

жения приводят к ряду тяжелых последствий:

а) ток КЗ /

выделяет в активном сопротивлении цепи К,

по которой он проходит в течение времени I, теплоту, опреде-

ляемую по закону Джоуля-Ленца:

к1^К1.

В месте поврежде-

ния теплота, выделяемая током, и пламя электрической дуги

производят большие разрушения, размеры которых тем боль-

ше,

чем больше ток /

и время I. Проходя по неповрежденному

оборудованию, ток КЗ нагревает его выше допустимого преде-

ла, что может вызвать повреждение изоляции и токоведущих

частей;

б) при протекании больших токов КЗ усиливаются электро-

динамические взаимодействия между проводниками, сопро-

вождающиеся значительными механическими напряжениями;

в) понижение напряжения при КЗ нарушает работу потреби-

телей: синхронных и асинхронных электродвигателей, освети-

тельных установок и других электроприемников (рис.

1.3,6);

г) снижение напряжения может сопровождаться нару-

шением устойчивости параллельной работы ге-

нераторов, что приводит к распаду энергосистемы и прекра-

щению электроснабжения части или всех потребителей.

Особым видом повреждения являются замыкания на землю

одной фазы в

сети

с изолированной нейтралью или заземлен-

ной через большое сопротивление дугогасящего реактора (ДТР)

или большое активное сопротивление. На рис. 1.2, д видно, что

замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью не

вызывает КЗ, так как ЭДС Е

поврежденной фазы не шунти-

руется появившимся соединением с землей. Возникающий

при этом в месте повреждения ток /

замыкается через емкость

С проводов неповрежденных фаз (В и С) сети относительно зем-

ли и имеет поэтому, как правило, небольшое значение. Между-

фазные напряжения при этом виде повреждения остаются не-

изменными (см. гл. 9). Благодаря этому однофазное замыкание

на землю в сетях с изолированной нейтралью не отражается на

работе потребителей и не нарушает синхронной работы генера-

торов. Однако этот вид повреждения вызывает перенапряже-

ния в сети, что представляет опасность с точки зрения возмож-

ности нарушения изоляции относительно земли двух неповреж-

денных фаз (В и С) и перехода однофазного замыкания на зем-

лю в междуфазное КЗ или двойное замыкание на землю.

1.3. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИИ ПРИ КЗ

Назначение и условия построения векторных диаграмм. Для

уяснений условий работы реле удобно использовать векторные

диаграммы подведенных к ним напряжений и токов. За основу

построения векторных диаграмм приняты следующие исходные

положения: для упрощения рассматривается начальный мо-

мент КЗ на ЛЭП с односторонним питанием при отсутствии

нагрузки (рис. 1.3, а); для получения действительных углов

сдвига фаз между токами и напряжениями учитывается паде-

ние напряжения не только в индуктивном, но и в активном со-

противлении Д цепи КЗ; электрическая система, питающая ме-

сто КЗ, заменяется одним эквивалентным генератором с фаз-

ными ЭДС Е

, Е

, представляющими симметричную и урав-

новешенную

систему векторов, относительно которых строят-

ся векторы токов и напряжений [11, 18].

Для упрощения построения диаграмм обычно рассматрива-

ются металлические КЗ, при которых переходное сопротивле-

ние в месте замыкания К

- 0. За положительное направление

токов принимается их направление от источника питания к ме-

сту повреждения, соответственно положительными считаются

ЭДС и падения напряжения, направления которых совпадают

с направлением положительного тока.

Векторная диаграмма при трехфазном КЗ. На рис. 1.4, а пока-

зана ЛЭП, на которой возникло металлическое замыкание

трех фаз в точке К. Построение векторной диаграммы

(рис.

1.4, б) начинается с фазных ЭДС Е

, Е

. Под действи-

ем фазных ЭДС в каждой фазе возникает ток КЗ:

/(3) =

г (1Л)

где Еф - фазная ЭДС системы; 2

, #

, Х

; 2

ЛК

, К

лк

, Х

лк

- со-

противления системы и поврежденного участка ЛЭП

(рис.

1.4, а).

Токи 1

Ак

= /дк = /^ = 7

имеют сдвиг по фазе относительно

соответствующих ЭДС:

лк

<Рс = агс*е-г—~ •

"с +

л.к

Уравновешенной называется система векторов, геометрическая сумма ко-

торых равна нулю.

1П