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

1.9. ИСТОЧНИКИ И СХЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА

Назначение и основные требования. Источники оператив-

ного тока осуществляют питание цепей дистанционного

управления выключателями, устройств РЗ, автоматики и дру-

гих средств управления.

Питание оперативных цепей управления, цепей РЗ и дру-

гих устройств, от которых зависит отключение поврежденных

элементов энергосистемы и ликвидация ненормальных режи-

мов,

должно отличаться особой надежностью. Поэтому глав-

ное требование, которому должен отвечать источник опе-

ративного тока, состоит в том, чтобы во время любых повреж-

дений и ненормальных режимов напряжение источника опе-

ративного тока и его мощность всегда имели достаточное зна-

чение как для безотказного действия устройств РЗ, автома-

тики, телемеханики и сигнализации, так и для надежного

отключения и включения соответствующих выключателей.

Для питания оперативных цепей применяются источники

постоянного и переменного тока.

Постоянный оперативный ток. В качестве источника по-

стоянного тока служат аккумуляторные батареи с номиналь-

ным напряжением 220-110 В; на небольших подстанциях иног-

да применяются батареи 48 В. От аккумуляторных батарей

осуществляется централизованное питание всех устройств

РЗ,

автоматики, цепей управления и сигнализации.

Аккумуляторная батарея СВ подключается к сборным ши-

нам (рис.

1.17),

от которых получают питание все потребители

постоянного тока. Аккумуляторные батареи обычно работают

в режиме постоянного подзаряда, что позволяет обеспечить

их непрерывную готовность к действию в полностью заряжен-

ном состоянии. Для этой цели на сборные шины параллельно

СВ включается постоянно работающее подзарядное устрой-

ство (ПУ). Первоначально подобные устройства выполнялись

в виде генератора постоянного тока, приводимого в действие

электродвигателем, получающим питание от сети перемен-

ного тока; в последнее время стали применяться полупровод-

никовые выпрямители.

Самым ответственным участком являются цепи РЗ и ав-

томатики, цепи управления силовыми выключателями и их

электромагнитов отключения (ЭО) - они получают питание от

шинок, называемых шинками управления

ШУ.

Вторым по зна-

чению участком являются цепи электромагнитов включения

31 *

к к ,1 и

ШУ

"ШПП [ПНШ «ШИШ [КПП] -ПП11П ШИШ

ШВ

[М!

I [] || | | | [(] ||

/-/ М М М М М

&±

шс

5Г

~Н

5Р

1^/

[] [] П []

/ГУ1]

Аварийное

освещение

Рис.

1.17. Принципиальная схема питания оперативных цепей РЗ, управления

и сигнализации оперативным постоянным током

(ЭВ) выключателей, питающиеся также от отдельных ши-

нок

ШВ.

Третьим по значению участком, менее ответственным,

является сигнализация, питающаяся от шинок

ШС.

Остальные

потребители постоянного тока (аварийное освещение, неко-

торые электродвигатели собственных нужд) образуют четвер-

тый участок, питающийся от отдельной шинной сборки или

непосредственно от сборных шин; шинки

ШУ,

ШВ, ШС по сооб-

ражениям надежности секционируются.

На ЭС и крупных узловых ПС главные сборные шины пита-

ния цепей управления для повышения надежности (при по-

вреждениях на главных шинах) выполняются в виде двух сек-

ций, каждая из которых получает питание от аккумулятор-

ной батареи через автоматические выключатели или предо-

хранители. Потребители, подключенные к шинкам

ШУ, ШВ,

ШС,

подразделяются на участки по территориальному принципу

(РУ 220, ПО кВ; щит управления и т. п.). Каждый такой учас-

кн

ЧР

50.

[] [] »

УАТ

Т^2

РЗ

5к\

У У

•-о--

К2

Рис.

1.19. Образование ложной цепи

на отключение выключателя при

замыканиях на землю в двух точках

сети постоянного тока

Рис.

1.18. Контроль исправности цепи отключения выключателя с помощью

реле КН

ток питается по кольцевой схеме не менее чем по двум ли-

ниям, отходящим от разных секций соответствующих шинок.

Все линии и подключенные к ним элементы должны иметь

надежную защиту от КЗ. Она выполняется предохранителя-

ми Г(2 или автоматическими выключателями. На главной пи-

тающей цепи и идущей от батареи СВ на сборные шины также

устанавливается автоматический выключатель 5Р или предо-

хранитель. Характеристики времени действия всех предохра-

нителей и автоматических выключателей должны согласовы-

ваться и обеспечивать селективность отключения повреж-

денного элемента при КЗ в сети постоянного тока. Ток сраба-

тывания защитных устройств отстраивается от максималь-

ного тока нагрузки и должен обеспечивать их действие при КЗ

в конце следующего резервируемого участка.

Для выявления неисправностей в сети постоянного тока

предусматриваются специальные устройства контроля. Напри-

мер,

исправность предохранителей, целостность цепи ЭО и

вспомогательных контактов выключателя 5<2 контролирует-

ся реле КН (рис.

1.18).

В сетях постоянного тока возможны замыкания на землю.

В случае замыканий на землю в двух точках К1 и К2 (рис. 1.19)

контакты РЗ шунтируются и в электромагните отключения

УАТ появляется ток, под действием которого выключатель

может ложно отключиться. Чтобы предупредить подобные от-

ключения, применяется контроль за появлением "земли"

на постоянном токе. Контроль осуществляется при помощи

вольтметров VI и У2 и сигнального реле КЬ, как показано на

рис.

1.17.

Аккумуляторные батареи являются самым надежным ис-

точником питания

устройств

РЗ, так как они готовы к действию

в любой момент времени с необходимым уровнем напряжения

и мощности независимо от состояния основной сети перемен-

ного тока. В то же время у аккумуляторных батарей имеются

и недостатки. Вследствие высокой надежности они устанавли-

ваются на всех ЭС и на ПС с напряжением ПО кВ и выше.

Они значительно дороже других источников оперативного

тока, для них требуются подзарядные установки, специальные

помещения, для их обслуживания необходим квалифициро-

ванный персонал. Из-за централизации питания создается

сложная, протяженная, дорогостоящая и требующая боль-

шого количества контрольного кабеля сеть постоянного тока.

В связи с этим на ПС в распределительных сетях 6, 10, 35,

а иногда и ПО кВ получили применение источники перемен-

ного оперативного тока.

Переменный оперативный ток. Для питания оперативных

цепей переменным током используется ток или напряжение

первичной сети. В качестве источника переменного оператив-

ного тока служат трансформаторы тока (ТТ), трансформаторы

напряжения (ТН) и трансформаторы собственных нужд (ТСН).

Трансформаторы тока (ТТ) являются надежным источником

питания оперативных цепей РЗ от КЗ. Вторичный ток ТТ при

КЗ резко возрастает, соответственно увеличиваются вторичные

напряжение и мощность ТТ, что и обеспечивает надежное пи-

тание оперативных цепей при КЗ. Однако при повреждениях

и ненормальных режимах, не сопровождающихся увеличением

тока на защищаемом присоединении, ток и мощность ТТ ока-

зываются недостаточными для действия логических элемен-

тов РЗ и срабатывания выключателей. По тем же причинам

ТТ нельзя использовать для дистанционного управления вы-

ключателями в нормальном режиме, а также при отсутствии

напряжения (и тока) на защищаемом объекте.

Трансформаторы напряжения (ТН) и собственных нужд

(ТСН),

подключенные к сети, питающей защищаемый объект,

непригодны для питания оперативных цепей РЗ от КЗ, так как

при КЗ напряжение в этой сети резко снижается. При повреж-

дениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся по-

нижениями напряжения в сети, ТН и ТСН могут использо-

ваться для питания РЗ от перегрузки и от замыканий на землю.

Принципы выполнения схем РЗ на переменном оперативном

токе рассмотрены в гл. 4. По сравнению с аккумуляторной ба-

тареей источники переменного оперативного тока имеют мень-

шую стоимость, требуют менее сложного обслуживания и не

нуждаются в специальном помещении.

Недостатком источников оперативного переменного тока

является ограниченная мощность, как правило, недостаточ-

ная для отключения выключателей в сетях напряжением вы-

ше 35 кВ с применяемыми в отечественной практике электро-

магнитными и пневматическими приводами.

Источники переменного оперативного тока получили широ-

кое распространение для питания токовых РЗ в сетях 6-35

и отчасти ПОкВ [9,12,19].

Особые требования к источникам оперативного тока предъ-

являются РЗ, выполняемыми на полупроводниковых элемен-

тах. Эти источники питания рассмотрены в гл. 2.

Вопросы для самопроверки

Чем определяется необходимость мгновенного отключе-

ния КЗ на линиях?

Какой вид КЗ и в какой точке сети является наиболее

опасным?

Отчего зависит значение остаточного напряжения на ши-

нах подстанции при КЗ на отходящей линии?

Как и почему изменяется угол (р при КЗ (<р

) относитель-

но угла при нормальном режиме (Ф

Нф

Составляющие каких последовательностей токов и на-

пряжений возникают при К

{3)

; К

(2)

; К

(1)

; К

(1,1)

6. От чего зависит время отключения повреждения на ли-

нии?

В чем опасность ложного действия защиты, а также отка-

за в действии защиты?

8. Какой источник оперативного тока является наиболее

надежным?

Глава вторая

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

И ЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

2.1.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ РЕЛЕ

Элементная база. В устройствах РЗ и электрической автома-

тики применяются реле, выполняемые на базе электромехани-

ческих конструкций, на полупроводниковых приборах, изго-

тавливаемые из отдельных диодов, транзисторов и вспомога-

тельных деталей (резисторов, конденсаторов, трансформа-

торов). В последнее время широкое распространение получи-

ли полупроводниковые реле, основанные на полупроводнико-

вых интегральных микросхемах [34].

Электромеханические реле и выполняемые на их основе

РЗ обладают большими габаритами, значительным потребле-

нием мощности, требуют тщательного и трудоемкого ухода за

состоянием подвижных частей и коммутационных контактов,

имеют ограниченные возможности в обеспечении повышенных

требований в части быстродействия и чувствительности.

В 60-х годах, когда в электронной технике получили широ-

кое применение полупроводниковые приборы, они стали

использоваться и в РЗ. Сначала появились реле, построенные

из отдельных (дискретных) полупроводниковых приборов,

соединяемых с помощью монтажных проводников. Такое ис-

полнение позволяло несколько уменьшить габариты и по-

требление мощности реле, повысить чувствительность и бы-

стродействие. Однако слабой стороной таких реле оказались

многочисленные и трудноконтролируемые пайки в соедини-

тельных цепях и большое число полупроводниковых элемен-

тов [16].

Новые возможности для совершенствования РЗ появились

в 70-х годах в связи с появлением ИМС, которые состоят из

большого числа транзисторов, диодов, резисторов, конденса-

торов, соединенных по типовым схемам. Все указанные эле-

менты и связи с ними выполняются в объеме и на поверхности

полупроводниковой пластины, называемой подлож-

кой, с помощью специальной интегральной технологии. Все

полупроводниковые компоненты, входящие в состав микросхе-

мы,

являются органической частью полупроводниковой плас-

тины и неотделимы от нее. Поэтому каждая ИМС является

самостоятельным неделимым элементом, выполняющим оп-

ределенную функцию. В микросхемах, используемых в устрой-

ствах РЗ, может находиться от нескольких десятков до 100 эле-

ментов и более, но несмотря на это размеры ИМС соизмеримы

с размером одного транзистора. Элементом реле становится

микросхема, что уменьшает число составных частей реле и

упрощает схему защиты.

Применение ИМС позволяет существенно сократить габа-

риты, массу, потребляемую мощность и повысить надеж-

ность РЗ. Интегральные микросхемы помещены в герметиче-

ский корпус и защищены от влияния внешней среды, что зна-

чительно повышает их надежность; успешно решается задача

по снижению габаритов, потребления и стоимости аппарату-

ры.

Построение реле на ИМС существенно упрощает и снижает

трудоемкость эксплуатационного обслуживания устройств

РЗ в целом. Открываются возможности улучшения всех пара-

метров реле и усовершенствования характеристик срабатыва-

ния. Отечественная промышленность серийно выпускает ре-

ле и РЗ на ИМС [42-44].

Перспективным направлением дальнейшего совершенство-

вания РЗ является их построение на базе микропроцессоров.

В нашей стране ведутся разработки и подготовка к производ-

ству РЗ на микропроцессорах.

Структурная схема измерительных органов и их классифи-

кация. При всем многообразии измерительных органов (ИО)

в их структуре имеются четыре функциональных части, общие

для всех разновидностей:

воспринимающая 1 - входная часть ИО (рис. 2.1), ко-

торая принимает поступающие от измерительных ТТ и ТН

защищаемого объекта сигналы (на рис. 2.1 показано реле,

реагирующее на два сигнала: ток I и напряжение Ы) и превра-

щает их в величины, пригодные для использования в данной

конструкции реле;

преобразующая 2 (формирующая), которая, получив сиг-

налы от воспринимающей части, преобразует их в сравнива-

емые величины;

сравнивающая 3, которая производит сравнение сформи-

рованных величин по абсолютному значению или фазе с за-

данной величиной или между собой и по результату сравнения

выдает сигнал о срабатывании или недействии реле;

исполнительная 4, которая усиливает выходной сигнал

и воздействует на управляемую цепь.

' "аЧг

Рис. 2.1. Структурная схема реле

У реле, работающих с выдержкой времени, имеется пятая

функциональная часть, осуществляющая замедление дей-

ствия реле.

Измерительные органы (реле), реагирующие на электриче-

ские величины, можно подразделить на три группы:

измерительные органы (ИО), реагирующие на одну электри-

ческую величину: ток или напряжение;

ИО,

реагирующие на две электрические величины: ток и

напряжение сети или два напряжения Щ и [/

ц>

каждое из ко-

торых является функцией тока и напряжения сети;

ИО,

реагирующие на три электрические величины или бо-

лее,

например: три тока и три напряжения сети или несколь-

ко напряжений, представляющих линейные функции токов

и напряжения сети.

К первой группе относятся ИО тока и напряжения. Ко вто-

рой принадлежат однофазные ИО мощности, сопротивления

и некоторые другие. К третьей относятся трехфазные реле

мощности, многофазные реле сопротивления и другие устрой-

ства.

В данной главе рассматриваются наиболее распространен-

ные принципы устройства основных типов электромеханиче-

ских реле и ИО, выполненных на интегральных микросхемах,

применяемые во всех видах защит.

Принципы действия и устройство ИО, предназначенные

для отдельных защит - дифференциальных, дистанционных

и других, рассматриваются в главах, посвященных этим за-

щитам.

2.2.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ

Отечественная промышленность изготовляет электроме-

ханические реле в основном на электромагнитном и индук-

ционном принципах.

Устройство и принцип действия электромагнитных реле.

Принцип действия электромагнитных реле основан на притя-

а)

Рис.

2.2. Типы электромагнитных реле:

—

с втягивающимся якорем; б

—

с поворотным якорем; в

—

с поперечным

движением якоря

жении стальной подвижной системы к электромагниту при

прохождении тока по его обмотке [15,22].

На рис. 2.2 представлены три основные разновидности кон-

струкций электромагнитных реле, содержащих: электромаг-

нит 1, состоящий из стального магнитопровода и обмотки;

стальную подвижную систему (якоря) 2, несущую подвижный

контакт 3; неподвижные контакты 4; противодействующую

пружину 5.

Проходящий по обмотке электромагнита ток /

создает

магнитодвижущую силу (МДС) и>

, под действием которой

возникает магнитный поток Ф

, замыкающийся через магни-

топровод электромагнита 1, воздушный зазор б и подвижную

систему 2. Якорь намагничивается, появляется электромагнит-

ная сила ^

, притягивающая якорь к полюсу электромагнита.

Если сила Р

преодолевает сопротивление пружины, то якорь

приходит в движение и своим подвижным контактом 3 замы-

кает неподвижные контакты реле 4. При прекращении или

уменьшении тока Т до значения, при котором сила Р

стано-

вится меньше силы Р

сопротивления пружины 5, якорь воз-

вращается в начальное положение, размыкая контакты 4.

При питании обмотки реле переменным током /

= /

$ти( под Ф подра-

зумевается мгновенное значение потока Ф( = Ф

мпи( или его действующее

значение.

Начальное и конечное положения якоря ограничиваются упо-

рами 6.

Силы и момент, действующие на подвижную систему реле.

Как известно [10], электромагнитная сила Р

, притяги-

вающая стальной якорь к электромагниту и вызывающая дви-

жение якоря, пропорциональна квадрату магнитного потока

Ф в воздушном зазоре:

= кФ^. (2.1)

Магнитный поток Ф и создающий его ток / связаны соот-

ношением

ф = В5 =

рЦ>р

, (2.2)

где 2?

- магнитное сопротивление пути

, по которому замы-

кается магнитный поток Ф; и> - количество витков обмотки

реле.

Магнитное сопротивление магнитопровода электромагни-

та #

состоит из сопротивления его стальной части 1?

и воз-

душного зазора б #

вз

*м =

Яв.э-

Подставив (2.2) в (2.1), получим

П = *'^Н

- <2.3)

У реле с поворотным якорем и с поперечным движением

якоря (рис. 2.2, б, в) электромагнитная сила Р

образует вра-

щающий момент

=Р

-ё

к'^11 = к"Р

, (2.4)

где

с1

- плечо силы р .

Из (2.3) и (2.4) следует, что сила притяжения .Г

и ее момент

пропорциональны квадрату тока

в обмотке реле и имеют,

Магнитное сопротивление Л

участков магнитной цепи Л

и Я

в 3

пропор-

ционально его длине / и обратно пропорционально сечению участка 5 и абсо-

лютной магнитной проницаемости ц

= цц

, т. е. К

= (/(ц

5).

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

Подождите немного. Документ загружается.