Никитин К.И. Релейная защита систем электроснабжения. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Омск 2006

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образованию

«Омский государственный технический университет»

К.И. НИКИТИН

«РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Омск 2006

УДК 621.316.925(075)

ББК 31.27-05я73

Н62

Рецензенты:

В.В. Балль, зам.начальника службы РЗА

Регионального диспетчерского управления

энергосистемы Омской области

А.М. Сапельченко, канд. техн. наук, доцент кафедры

«Электроснабжение железнодорожного транспорта»

Омского государственного университета путей сообщения

Никитин К.И.

Н62 Релейная защита систем электроснабжения: Консп. лекций/ К.И. Никитин.

Омск: Изд

-во ОмГТУ, 2006. 116 с.

Изложены основные положения релейной защиты систем электроснабже-

ния. Рассмотрены принцип действия, расчет токов срабатывания, расчет уставок и

проверка чувствительности защит ЛЭП, трансформаторов, двигателей и шин в

плане дисциплины «Релейная защита систем электроснабжения». Приведены кон-

трольные вопросы.

Для студентов дистанционной, очной, вечерней и заочной форм обучения

специальности 140211 – Электроснабжение промышленных предприятий. Может

быть использован для пополнения своих знаний в области релейной защиты ин-

женерами и техниками, занимающимися эксплуатацией, монтажом, а также про-

ектированием электроэнергетических систем.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета.

УДК 621.316.925(075)

ББК 31.27-05я73

технический университет, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................6

ЛЕКЦИЯ 1 ........................................................................................................................7

1.1 История релейной защиты и автоматики ............................................................7

1.2 Назначение релейной защиты и автоматики ......................................................7

1.3 Требования, предъявляемые к свойствам релейной защиты (РЗ) ....................9

1.4 Классификация защит .........................................................................................10

1.5 Структура устройства РЗ ....................................................................................10

1.6 Каналы связи устройств РЗА..............................................................................12

1.7 Источники оперативного тока............................................................................13

ЛЕКЦИЯ 2 ......................................................................................................................14

2.1 Измерительные преобразователи тока и напряжения .....................................14

2.2 Конструкция трансформатора тока....................................................................14

2.3 Принцип действия ...............................................................................................15

2.4 Построение векторной диаграммы ТТ ..............................................................16

2.5 Погрешности трансформатора тока...................................................................17

2.7 Активный ТТ........................................................................................................18

2.8 Схемы соединений ТТ.........................................................................................19

2.9 Коэффициенты трансформации ТТ ...................................................................22

2.10 Конструкция трансформатора напряжения (ТН) ...........................................22

2.11 Емкостный ТН....................................................................................................23

ЛЕКЦИЯ 3 ......................................................................................................................25

3.1 Токовые защиты линий электропередачи .........................................................25

3.2 Первая ступень токовой защиты........................................................................25

3.3 Вторая ступень токовой защиты ........................................................................26

3.4 Третья ступень токовой защиты.........................................................................27

3.5 Карта селективности............................................................................................29

3.6 Токовые направленные защиты линий электропередачи................................30

3.7 Схемотехника токовых защит ............................................................................31

3.8 Токовые и токовые направленные защиты нулевой последовательности в

сетях с заземленной нейтралью................................................................................

3.9 Первая ступень токовой защиты нулевой последовательности .....................32

3.10 Вторая ступень токовой защиты нулевой последовательности ...................32

3.11 Третья ступень токовой защиты нулевой последовательности....................33

3.12 Схемотехника токовых защит нулевой последовательности .......................33

3.13 Токовые и токовые направленные защиты нулевой последовательности в

сетях с изолированной нейтралью ...........................................................................

ЛЕКЦИЯ 4 ......................................................................................................................38

4.1 Дистанционные защиты ЛЭП.............................................................................38

4.2 Характеристики срабатывания дистанционной защиты .................................38

4.3 Реализация реле сопротивления.........................................................................40

4.4 Первая ступень дистанционной защиты ...........................................................41

4.5 Вторая ступень дистанционной защиты ...........................................................41

4.6 Третья ступень дистанционной защиты............................................................43

4.7 Особенности работы дистанционной защиты ..................................................45

ЛЕКЦИЯ 5 ......................................................................................................................48

5.1 Поперечная дифференциальная защита ЛЭП...................................................48

5.2 Особенности работы поперечной дифференциальной защиты ЛЭП.............49

5.3 Направленная поперечная дифференциальная защита ЛЭП ..........................50

5.4 Продольная дифференциальная защита ЛЭП...................................................50

5.5 Продольная дифференциальная защита ЛЭП с реле на обоих концах и

проводным каналом...................................................................................................

5.6 Односистемная продольная дифференциальная защита ЛЭП с реле на обоих

концах и проводным каналом...................................................................................

5.7 Особенности работы продольных дифференциальных защит........................53

5.8 Продольная дифференциально-фазная высокочастотная защита ..................54

ЛЕКЦИЯ 6 ......................................................................................................................57

6.1 Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов................57

6.2 Токовая отсечка....................................................................................................57

6.3 Продольная дифференциальная защита ............................................................58

6.4 Максимальная токовая защита ...........................................................................61

6.5 Защита от перегрузки ..........................................................................................61

6.6 Газовая защита .....................................................................................................62

6.7 Специальная токовая защита нулевой последовательности с заземляющим

проводом .....................................................................................................................

6.8 Специальная токовая защита нулевой последовательности ...........................64

6.9 Схема защиты трансформатора..........................................................................64

ЛЕКЦИЯ 7 ......................................................................................................................67

7.1 Ненормальные режимы работы и повреждения электродвигателей..............67

7.2 Токовая отсечка....................................................................................................68

7.3 Продольная дифференциальная отсечка ...........................................................69

7.4 Защита от перегрузки ..........................................................................................70

7.5 Защита от понижения напряжения.....................................................................70

7.6 Защита от замыкания обмотки статора на корпус............................................71

7.7 Защита от эксцентриситета ротора электрической машины...........................72

7.8 Защита от разрыва стержня «беличьей клетки» ротора ..................................73

7.9 Схема защиты ЭД с продольной дифференциальной защитой ......................73

7.10 Защиты ЭД напряжением ниже 1000 В ...........................................................74

ЛЕКЦИЯ 8 ......................................................................................................................76

8.1 Токовая отсечка шин без выдержки времени ...................................................76

8.2 Дифференциальная защита шин.........................................................................76

8.3 Токовая отсечка шин с выдержкой времени.....................................................78

8.4 Максимальная токовая защита ...........................................................................80

8.5 Защита секционного выключателя.....................................................................81

8.6 Дуговая защита шин ............................................................................................81

8.6.1 Дуговая защита клапанного типа ................................................................82

8.6.2 Защита на фотоэлементах. ...........................................................................82

8.6.3 Оптическая логическая защита ...................................................................82

ЛЕКЦИЯ 9 ......................................................................................................................83

9.1 Микропроцессорные устройства РЗА................................................................83

9.2 Виды МП защит ...................................................................................................83

9.3 Особенности расчета уставок срабатывания МП.............................................84

9.4 Типовые схемы подключения МП защит различных электроустановок.........0

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ .....................................................................................91

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................................94

ПРИЛОЖЕНИЯ .............................................................................................................96

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Условные буквенные и графические обозначения основных

элементов РЗА................................................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Характеристики электромеханических реле .............................98

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Сравнительные характеристики базовых микропроцессорных

устройств релейной защиты и автоматики для сети с U = 6-35 кВ........................

112

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время электрическая энергия является самым универсальным

видом энергии. Удобство транспортировки, распределения и преобразования во

все известные человеку виды энергии делает ее (электрическую энергию) незаме-

нимой во всех отраслях промышленного и агрономического хозяйства. Электри-

ческие станции, сети и подстанции объединены в глобальные электроэнергетиче-

ские системы, в которых действуют законы

больших чисел. Высока вероятность

повреждений элементов и ненормальных режимов работы электроэнергетической

системы, которые могут привести в наихудшем случае к ее полному разделению и

остановкам всех ее энергоустановок. Поэтому повышенные требования предъяв-

ляются к надежности всех элементов системы, а также к резервированию и дуб-

лированию электроэнергетических установок, к возможности передачи электри-

ческой энергии на большие расстояния и др. В связи с вышесказанным релейная

защита и автоматика (РЗА) играет одну из ключевых ролей в безотказной работе

электроэнергетической системы. Автор надеется что краткий курс лекций «Ре-

лейная защита систем электроснабжения» окажет существенную помощь в освое-

нии данной дисциплины.

ЛЕКЦИЯ 1

1.1 История релейной защиты и автоматики

Слово реле происходит от французского relais – перекладные лошади, почто-

вая станция, где содержались сменные лошади. Вероятнее всего, это связано с

тем, что телеграф заменил конную почту, а ключевым элементом телеграфа явля-

лось в то время электромеханическое реле. Однако в качестве первого защитного

устройства электроустановок использовались

плавкие предохранители (с середи-

ны до конца ХIХ века). В начале ХХ столетия стали широко использоваться ин-

дукционные (1901 год, М.О. Доливо-Добровольский) и электромагнитные реле

[1], которые, совершенствуясь, отметили свое столетие в наше время.

В 1905―1908 годах разрабатывается дифференциальный токовый принцип за-

щит, 1910 год ознаменовал использование токовой направленной защиты,

в 1920

году разработали дистанционные защиты, в 20–30-х годах пытаются использовать

электронику для релейной защиты – на радиолампах разрабатываются высокочас-

тотные защиты. С 60-х годов начинают использоваться транзисторные и диодные

полупроводниковые элементы в устройствах РЗА, с середины 70-х годов разраба-

тываются устройства РЗА на интегральных цифровых и аналоговых элементах

малой степени интеграции, с

конца 80-х годов начинается эра микропроцессор-

ных устройств РЗА.

Выдающимися «релейщиками» можно назвать следующих ученых и просве-

тителей: Л.Е. Соловьев, И.А. Сыромятников, В.И. Иванов, Н.Ф. Марголин,

Г.И. Атабеков, А.М. Федосеев, В.Л. Фабрикант, А.Д. Дроздов, В.Е. Поляков,

В.А. Андреев, М.А.

Беркович, В.И. Новаш, Н.В. Чернобровов, В.А. Семенов,

М.А. Шабад, Н.И. Овчаренко, С.Л. Кужеков и многие другие.

С появлением новой элементной базы разрабатываются новые устройства

РЗА. В настоящее время широко используются микропроцессорные защиты и

продолжается совершенствование их технической реализации, а также, что наи-

более важно, принципов

действия. Микропроцессорные устройства способствова-

ли созданию защит со сложными алгоритмами действия, что на другой элемент-

ной базе было бы затруднительно создать с устойчивыми характеристиками. Не-

смотря на применение новой электронной базы, постоянно продолжается работа

по совершенствованию плавких предохранителей, благодаря чему они до сих пор

применяются в сетях с напряжением до 1

кВ и распределительных сетях напря-

жением 6, 10, 35 кВ.

1.2 Назначение релейной защиты и автоматики

Любая электроэнергетическая система представляет сложный объект с боль-

шим количеством различных связей между множеством ее элементов. Нарушение

какой-то связи или появление излишней вызывает повреждение или ненормаль-

ную работу этой системы.

Основное назначение РЗА заключается в том, чтобы

обеспечить защиту элек-

троустановок от повреждений и ненормальных режимов работы, которые могут

привести к распространению аварии. Чтобы исключить перерыв питания, необхо-

димо быстро отключить поврежденный элемент, восстановить электрическое пи-

тание потребителей, автоматически отключенных от источника питания в резуль-

тате возникшего в системе повреждения, поддерживать на заданном уровне пара-

метры качества электроэнергии, обеспечить пуск и остановку синхронных машин,

обеспечить отключение части потребителей при возникновении дефицита актив-

ной мощности в энергосистеме и многое другое

Перед РЗА стоит множество сложных задач. Рассмотрим фрагмент сети, изо-

браженной на рис. 1.1.

Рисунок 1.1. Фрагмент схемы системы электроснабжения

Несмотря на простоту электрической схемы (ГПП – главная понизительная

подстанция; РП – распределительная подстанция), в ней имеется большое количе-

ство устройств релейной защиты и автоматики, а именно: ДЗ – дифференциальная

защита (трансформатора, двигателя или генератора); МТЗ – максимальная токовая

защита; ЗП – защита от перегрузки; МТО – максимальная токовая отсвечка; ЗЗСК

– защита от замыканий статора на корпус; АПВ – автоматическое повторное

включение; АРKТ – автоматическое регулирование коэффициента трансформа-

тормации; АВР – автоматический ввод резерва; АЧР – автоматическая частотная

разгрузка; ЧАПВ – частотное автоматическое повторное включение; АСГ – авто-

матическая синхронизация генератора; АРВ – автоматическое регулирование воз-

буждения; АГП – автомат гашения поля; АСС – автоматическая синхронизация

синхронной машины.

Например, можно отметить, что межсистемный автотрансформатор связи

имеет до двадцати видов защит, а блок «генератор-трансформатор» более тридца-

ти. Некоторые основные виды устройств автоматики приведены на

рис. 1.1.

1.3 Требования, предъявляемые к свойствам релейной защиты (РЗ)

1. Селективность (избирательность) ― высшее свойство РЗ, обеспечиваю-

щее отключение при коротком замыкании (КЗ) только поврежденного элемента

системы с помощью выключателей [1]. Селективность не исключает срабатыва-

ние резервной защиты при повреждении на смежном участке и отказе на нем ос-

новной защиты. Иногда допускают

неселективное действие защит при исправле-

нии ее действия автоматикой. Оценка селективности защит производится с помо-

щью карты селективности.

2. Быстродействие – время срабатывания t

СЗ

защиты на отключающий ком-

мутационный аппарат при возникновении повреждения должно быть наимень-

шим. Очень часто для обеспечения селективности приходится искусственно уве-

личивать время срабатывания защиты, которое называется выдержкой времени.

Время отключения КЗ складывается из собственного времени работы защиты и

времени отключения коммутационного аппарата.

3. Чувствительность – способность защиты срабатывать при повреждении

зоне действия и минимальном режиме работы системы c необходимым запасом.

Чувствительность оценивается коэффициентом чувствительности k

и находится

как:

― отношение параметра КЗ в минимальном режиме работы системы к пара-

метру срабатывания (для защит максимального действия – токовая, напряжения

нулевой или обратной последовательности и др.);

― отношение параметра срабатывания к параметру КЗ в минимальном ре-

жиме работы системы (для защит минимального действия – напряжения, дистан-

ционная и др.).

4. Надежность – способность защиты безотказно срабатывать при возникно-

вении повреждения в зоне действия, не срабатывать при повреждении вне зоны

действия и не срабатывать при отсутствии повреждения. При рассмотрении во-

проса надежности конкретного устройства защиты необходимо учитывать не

только аппаратную надежность всех элементов устройства, но и надежность пра-

вильного расчета уставок, их

выставления, высококвалифицированного обслужи-

вания (поверка, ремонт, настройка и т.д.). К требованию надежности относятся

понятия: защитоспособность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность

[1], надежность функционирования, эффективность функционирования, устойчи-

вость функционирования [2], функциональная диагностика, тестовая диагностика

и т.д.