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

Подождите немного. Документ загружается.

дить в действие при качаниях и отключать защищаемые ими

элементы. Такие хаотичные отключения разделяют ЭЭС на

изолированные участки с дефицитом или избытком генери-

руемой мощности, что может привести к частичному или пол-

ному нарушению электроснабжения питающихся от ЭЭС по-

требителей. Поэтому необходимы меры, исключающие хаотич-

ное действие РЗ при возникновении качаний.

Асинхронный режим. К ненормальным режимам относится

также работа синхронного генератора без возбуждения [на-

пример, при отключении автомата гашения поля (АГП)]. При

работе в асинхронном режиме увеличивается частота враще-

ния генератора и возникает пульсация тока статора. Для гене-

раторов некоторых типов длительная работа в асинхронном

режиме не допускается, а для других допускается лишь при

уменьшенном значении активной мощности. В отдельных

случаях потеря возбуждения, не представляя опасности для

самого генератора, может послужить причиной резкого сни-

жения напряжения, угрожающего нарушением устойчивости

параллельной работы. В этом случае генератор, оставшийся

без возбуждения, должен быть немедленно отключен от сети.

1.5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

К УСТРОЙСТВАМ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Требования к РЗ от повреждений и к РЗ, реагирующей на

ненормальные режимы, имеют некоторые различия, поэтому

они рассматриваются раздельно

[1,10].

Требования к защите от повреждений. Защита от поврежде-

ний должна удовлетворять четырем основным требованиям:

действовать селективно, быстро, обладать необходимой чув-

ствительностью к повреждениям и надежно выполнять свои

функции.

Селективность. Селективностью, или избиратель-

ностью, РЗ называется ее способность отключать только по-

врежденный участок сети. Так, при КЗ в точке К1 (рис. 1.11)

РЗ должна отключать поврежденную ЛЭП выключателем (Э2,

ближайшим к месту повреждения. При таком действии РЗ

электроснабжение всех потребителей, кроме питавшихся от

поврежденной ЛЭП, сохраняется. В случае КЗ в точке К2

при селективном действии РЗ должна отключаться повреж-

денная ЛЭП

У71,

а ЛЭП

№2

оставаться в работе. При этом все

А в Рис. 1.11. Селективное отключение

аС

и"

г КЗ в сети

йд

^1,Х в* IV, аз -П-*-а-|—-

(~)—•—Р

# о- 7* *>< I

кг

а?

потребители сохраняют питание. Селективность РЗ является

обязательным требованием, отступление от него допускает-

ся только для обеспечения быстродействия, когда неселек-

тивное отключение не влечет за собой опасных последствий.

Быстрота действия. Отключение КЗ должно произво-

диться с возможно большей быстротой для ограничения разме-

ров разрушения в месте повреждения, обеспечения термиче-

ской стойкости оборудования, кабельных и воздушных ЛЭП,

повышения эффективности АПВ ЛЭП и сборных шин, умень-

шения влияния снижения напряжения на работу потребите-

лей и сохранения устойчивости параллельной работы генера-

торов электростанций.

Допустимое время отключения КЗ по условию сохранения

устойчивости зависит от длительности и глубины снижения

напряжения, характеризуемой значением остаточного напря-

жения на шинах ЭС и узловых ПС, связывающих электростан-

ции с ЭЭС. Чем меньше остаточное напряжение, тем вероят-

нее нарушение устойчивости и, следовательно, тем быстрее

нужно отключать КЗ. Наиболее тяжелыми по условиям

устойчивости являются трехфазные КЗ и двухфазные КЗ на

землю в сети с глухозаземленной нейтралью (см. рис. 1.2, а и г).

Для сохранения устойчивости энергосистем требуется весь-

ма малое время отключения КЗ. На ЛЭП 750-1150 кВ между-

фазные КЗ необходимо отключать через 0,06-0,08 с после их

возникновения, на ЛЭП 330-500 кВ - за 0,1-0,12 с, на ЛЭП

110-220 кВ-за 0,15-0,3 с.

В качестве приближенного критерия необходимости приме-

нения быстродействующих РЗ Правила устройства электро-

установок (ПУЭ) [1] рекомендуют определять остаточное на-

пряжение на шинах ЭС и узловых ПС при трехфазных КЗ в

конце защищаемого участка. Если остаточное напряжение

получается ниже 60% номинального, то для сохранения устой-

чивости следует обеспечить быстрое отключение поврежде-

ний, т. е. применять быстродействующую РЗ.

эс

\Щ с Щз

€ЬгЯ

(основной)

участок

Р31

(резер дируемый)

участок

Р31

3-й

участок

Р31

Рис.

1.12. Зоны действия РЗ

Приведенное выше полное время отключения КЗ

скла-

дывается из времени действия РЗ (

и выключателя

разры-

вающего ток КЗ *

ок

= ((

+ *

Для уменьшения времени отключения КЗ необходимо уско-

рять действие как РЗ, так и выключателей. Выключатели

220-750 кВ действуют с

= 0,04 ч- 0,06 с. Наиболее быстродей-

ствующие РЗ, применяемые в отечественных энергосистемах,

действуют с (

= 0,02

-ь

0,04 с.

В распределительных сетях 6-35 кВ, удаленных от основных

ЭС,

допускается отключение КЗ с временем 1,5-3 с. Однако

и в этих сетях следует стремиться к уменьшению времени

действия РЗ.

Селективные быстродействующие РЗ сложны и дороги.

В целях упрощения допускают применение простых быстро-

действующих РЗ, не обеспечивая необходимой селективно-

сти.

При этом для исправления неселективности использу-

ют АПВ, быстро включающее обратно неселективно отключив-

шийся участок при КЗ за его пределами.

Чувствительность. РЗ должна обладать достаточной

чувствительностью при возникновении КЗ в пределах зоны ее

действия. Так, например, Р31 (рис. 1.12) должна отключать по-

вреждения на участке АВ (первом - основном), защищаемом

Р31,

и, кроме того, иметь достаточную чувствительность для

действия при КЗ на следующем (втором - резервируемом)

участке ВС, защищаемом Р32. Последняя функция Р31 назы-

вается дальним резервированием. Такое резервирова-

ние необходимо для отключения КЗ в том случае, если РЗ

второго участка (Р32) или выключатель (^2 не подействуют

из-за неисправности. Таким образом, РЗ, предназначенные

для дальнего резервирования, должны быть чувствительны и

к КЗ в конце следующего участка (ВС, рис.

1.12).

Чувствительность РЗ должна быть достаточной во всех, в

том числе и в минимальных, режимах ЭЭС. Подобным режи-

, ш

«/

IV/ :

;

1У

.: Ш

\нз

аз

~п

№

: П1 * I

Рис.

1.13. Неселективное отключение КЗ в случае отказа РЗ

мом электростанции А (рис. 1.12) будет вывод из работы одно-

го или нескольких генераторов.

Таким образом, чувствительность РЗ должна

быть

достаточ-

ной для надежного действия ее при КЗ в конце установленной

для нее зоны в минимальном режиме энергосистемы и при

замыканиях через переходное сопротивление К

. Требования

к чувствительности РЗ для разных защищаемых объектов при-

ведены в ПУЭ.

Надежность. Требование надежности состоит в том, что

РЗ должна безотказно

работать

при повреждении в пределах

установленной для нее зоны и не должна

работать

неправиль-

но,

когда

работа

ее не предусматривается. Отказ в работе или

неправильное действие РЗ приводят к дополнительному на-

рушению электропитания потребителей, а иногда к авариям

системного значения. Например, при КЗ в точке К1 (рис. 1.13)

и отказе Р31 сработает РЗЗ, в результате чего дополнительно

отключатся подстанции II и III, а при неправильной работе

Р34 в нормальном режиме отключится ЛЭП

\\>4,

и потребители

подстанций 1-1У потеряют питание.

Надежность устройств РЗ обеспечивается простотой их схем,

уменьшением в них количества элементов, реле, контактных

соединений, простотой и надежностью применяемых конструк-

ций и схем, реле, полупроводниковых элементов, качеством

изготовления вспомогательной аппаратуры и монтажных ма-

териалов, качеством самого монтажа и контактных соедине-

ний, а также периодической проверкой исправности РЗ в про-

цессе эксплуатации. Важное значение для надежности РЗ

имеет автоматический и тестовый контроль за ее исправностью.

Общие принципы выполнения РЗ элементов энергосистемы

регламентируются ПУЭ [1], Руководящими указаниями по

релейной защите

[2-8].

Требования к РЗ от ненормальных режимов. Эти РЗ также

должны обладать селективностью, чувствительностью и надеж-

ностью. Быстроты действия от них, как правило, не требуется.

Отключение оборудования при ненормальном режиме должно

производиться только тогда, когда создается опасность его

повреждения. Если устранение ненормальных режимов может

произвести дежурный персонал с соблюдением *.

доп>

РЗ от не-

нормальных режимов может выполняться с действием только

на сигнал.

1.6. СТРУКТУРНЫЕ ЧАСТИ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЗ

Каждое устройство РЗ должно обнаружить повреждение и

дать команду на отключение силового выключателя. Оно имеет

три структурные части (рис. 1.14): измерительную (реагиру-

ющую), логическую (оперативную), управляющую (исполни-

тельную).

Измерительная часть (ИЧ) (рис. 1.14) осуществляет непре-

рывный контроль за состоянием защищаемого объекта и, реа-

гируя на появление в нем повреждения (или ненормального

режима), срабатывает и выдает дискретные сигналы на вход

логической части (ЛЧ), приводящие ее в действие.

В качестве контролируемых величин (входных сигналов)

служит в зависимости от вида РЗ ток или (и) напряжение за-

щищаемого объекта. Эти величины в установках с рабочим

напряжением выше 1000 В подводятся к измерительной части

защиты через измерительные трансформаторы тока ТА и на-

пряжения ТУ.

Логическая часть (ЛЧ) воспринимает дискретные сигналы

ИЧ, производит с помощью логических элементов (реле) по

заданной программе логические операции и подает выходной

сигнал о срабатывании РЗ на управляющую часть (УЧ).

Рис. 1.14. Структурная схема релейной

защиты

Управляющая (исполнительная)

часть

(УЧ) служит для уси-

ления сигнала ЛЧ до значения, необходимого для отключения

выключателя и приведения в действие других устройств, по-

скольку сигналы ЛЧ (особенно при выполнении ее на полупро-

водниковых элементах) обычно имеют недостаточную мощ-

ность, и для размножения сигнала ЛЧ.

Источник питания (ИП). Для приведения в действие элемен-

тов ЛЧ и УЧ, подачи команды на отключение выключателей,

а также для питания полупроводниковых элементов ИЧ и

ЛЧ предусматривается специальный источник стабильного

напряжения.

Элементные базы. В практике современного релестроения

используются три типа элементных баз:

электромеханическая, которая может использовать-

ся для осуществления всех функциональных частей и органов

РЗ в виде электромеханических реле;

полупроводниковая, которая может использоваться

для осуществления всех функциональных частей и органов

РЗ в виде полупроводниковых элементов, аналоговых и циф-

ровых микросхем;

микропроцессорная, которая может использоваться

для осуществления измерительной и логической частей РЗ

на базе микроЭВМ или многопроцессорных систем, основным

элементом которых являются микропроцессоры.

Основные элементы РЗ. Устройство РЗ состоит из реле,

соединенных между собой по определенной схеме.

Реле, условно показанное на рис. 1.15, а, представляет со-

бой автоматически действующий аппарат, реагирующий на

изменение подводимой к его входу электрической величины X

(тока, напряжения или их функций). При определенном зна-

чении входной величины X, называемой параметром срабаты-

вания Х

ср

, реле приходит в действие - срабатывает. При этом

на его выходе скачком появляется выходной сигнал (обычно

в виде напряжения или тока), воздействующий на подключен-

ную к выходным зажимам реле цепь управления каким-либо

устройством, например другим реле или приводом силового

выключателя.

В технике РЗ длительное время применяются реле с комму-

тирующими контактами - электромеханические, имеющие

подвижные части. В последние годы широкое распространение

получают более совершенные реле - бесконтактные, статиче-

г*

Фьш,!^)

Реле

у,

г*

'и

•

—

\ 1

-11 1.

*м Х„

ЗУ I

'Ли*

П I

При Х=0

1их

Х(и

)

г)

Рис.

1.15. К пояснению принципа действия РЗ:

—

структурная схема реле; б

—

принцип дей-

ствия РЗ с электромеханическим реле; в

—

прин-

цип действия РЗ со статическими реле; г, д —

проходная характеристика реле

ские без подвижных частей, выполняемые на полупроводнико-

вых элементах. У первых при срабатывании подвижная систе-

ма приходит в действие, контакты К замыкаются (рис. 1.15, б)

и подают на управляемую ими цепь напряжение 11

от специ-

ального источника питания (ИП). Под действием этого напря-

жения в управляемой цепи возникает ток 1

. У вторых (бес-

контактных) реле при срабатывании на выходе реле возника-

ет сигнал в виде напряжения

вых

вызывающий появление

тока в управляющей цепи (рис. 1.15,

в).

На рис. 1.15, г приведе-

на характерная для обоих видов реле зависимость выходного

сигнала У от входного X: У = /(X), которая называется про-

ходной характеристикой. Входной сигнал, при котором

реле срабатывает, обозначен Х

ср

Если после срабатывания реле X начнет уменьшаться (пунк-

тирная линия на рис. 1.15, г), то до некоторого значения Х

в-р

остается неизменным. Но как только X станет равным Х

вр

выходной сигнал скачком снижается до начального уровня

, и реле возвращается в исходное состояние. Значение

в р

называется величиной возврата реле.

Скачкообразное изменение выходного сигнала в реле

называют дискретным, а проходную характеристику - ре-

лейной. Входной сигнал X может быть непрерывным

(рис.

1.14,6)

или дискретным (рис. 1.14, г). Автоматы любой

конструкции, имеющие релейную проходную характеристику,

относятся к классу реле.

Виды реле. Элементы ИЧ. Измерительная часть состоит из

измерительных реле (ИР), называемых также измери-

тельными органами РЗ (ИО). На вход ИО непрерывно по-

дается один, два или несколько входных сигналов в виде тока

или напряжения (1

и (/

) защищаемого объекта, дающие ин-

формацию о его состоянии. Измерительный орган срабатыва-

ет, если входные сигналы фиксируют появление повреждения.

Условие срабатывания ИО записывается в виде уравнения

^вых

/Ц» Ц>)- Проходная характеристика ИО имеет релейный

характер (рис. 1.15,

е).

Выходной сигнал имеет два дискретных

значения, соответствующих действию и недействию ИО.

В качестве ИО применяются реле тока, напряжения, сопро-

тивления и др. Измерительные реле, действующие при возрас-

тании величины, на которую они реагируют (например, тока),

называются максимальными, а при снижении этой вели-

чины -минимальными.

По способу включения на ток и напряжение сети измери-

тельные реле делятся на вторичные - включаемые на ток

/ и напряжение I/ защищаемого участка через измерительные

трансформаторы тока ТА и напряжения ТУ (рис. 1.16, а, б), и

первичные - включаемые непосредственно на первичные

токи и напряжения (рис. 1.16, в, г).

Вторичные реле имеют существенные преимущества по

сравнению с первичными - они изолированы с помощью изме-

рительных трансформаторов от высокого напряжения, распо-

лагаются в удобном для обслуживания месте на безопасном

расстоянии от оборудования высокого напряжения, могут вы-

полняться стандартными на одни и те же номинальные токи

5 или 1 А и номинальное напряжение 100 В вторичных обмоток

измерительных трансформаторов, независимо от напряжения

и тока первичной цепи защищаемого объекта.

Элементы ЛЧ. Логическая часть состоит из типовых эле- ->

ментов (реле) различного назначения: органов логики (ОЛ),

выполняющих типовые логические операции; элементов време-

ни (ЭВ) или органов времени (ОВ), создающих выдержки вре-

кл

а)

А-

в-

КА

б) б)

Рис.

1.16. Схемы включения реле:

а, б

—

вторичных; в, г

—

первичных

мени; органов памяти (ОП), продлевающих действие кратко-

временного сигнала; сигнальных органов (СО), подающих сиг-

налы о действии РЗ или ее отдельных органов. По характеру

выполняемых функций эти реле называются логическими или

вспомогательными (в отличие от ИО, которые считаются ос-

новными).

Элементы исполнительной части. В контактных схемах

функции усиления выходных сигналов и размножения сигна-

лов выполняются промежуточными электромеханическими

реле с контактами, способными замыкать цепь тока до 5-10 А

электромагнитов отключения (ЭО) выключателей или других

устройств. В бесконтактных схемах эти функции выполняют-

ся с помощью промежуточных реле или посредством тиристор-

ных схем управления.

1.7. ВИДЫ УСТРОЙСТВ РЗ

Все РЗ делятся на основные и резервные. Основны-

ми называются РЗ, обеспечивающие отключение поврежде-

ний в пределах защищаемого элемента с требуемыми быст-

ротой и чувствительностью. Резервными называются РЗ, осу-

ществляющие резервирование основной РЗ в случае ее отказа

или вывода из работы и защиту следующего участка в случае

отказа его РЗ или выключателя.

По способу обеспечения селективности дей-

ствия РЗ подразделяются на два вида. Имеются РЗ, зона дей-

ствия которых не выходит за пределы защищаемого объек-

та. Они выполняются без выдержки времени и называются

РЗ с абсолютной селективностью. Другая группа РЗ

действует при КЗ как на защищаемом элементе, так и за его

пределами. Их селективность обеспечивается подбором вы-

держек времени. Такие РЗ называют защитами с относи-

тельной селективностью.

По принципу действия измерительных органов, определя-

ющих факт возникновения КЗ и место его нахождения, разли-

чают группы РЗ, реагирующие на следующие факторы: увели-

чение тока, уменьшение сопротивления, появление разности

токов по концам защищаемого участка, изменение фаз тока

относительно напряжения.

1.8. ИЗОБРАЖЕНИЕ СХЕМ РЗ НА ЧЕРТЕЖАХ

Схемы устройств РЗ изображают на чертежах в виде принци-

пиальных, структурных, функциональных и монтажных.

Принципиальная схема дает представление о принци-

пах действия комплекта РЗ, не отражая его монтажного ис-

полнения. На схеме показываются все реле и элементы, вхо-

дящие в комплект, со всеми связывающими их электрически-

ми цепями. Контакты реле показываются на схемах в поло-

жении, соответствующем отсутствию тока в обмотках реле.

Реле разных типов обозначаются латинскими буквами по меж-

дународному стандарту, принятому в единой системе кон-

структорской документации (ЕСКД).

Принципиальные схемы РЗ обычно изображаются в виде

двух-трех схем: отдельно ИЧ и ЛЧ, УЧ цепи и сигнализация.

Микросхемы показываются в принятом для них условном изо-

бражении без внутренних соединений.

Структурные схемы изображают основные части (блоки),

из которых состоит рассматриваемое устройство, определяют

взаимосвязь частей с указанием последовательности их дей-

ствия. Блоки изображаются прямоугольниками с обозначением,

поясняющим их назначение. Входящие в состав частей органы

реле и элементы не показываются. Функциональные

схемы детальнее, чем на структурных схемах, показывают,

из каких функциональных органов и элементов состоит устрой-

ство РЗ или его отдельная структурная часть.

Монтажные схемы предназначаются для выполнения

монтажа устройства из элементов, входящих в его состав, или

показывают, как такой монтаж уже осуществлен заводом-из-

готовителем.