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

Подождите немного. Документ загружается.

1.4 Классификация защит

По выполняемым функциям защиты подразделяются:

― на основные – защиты, которые срабатывают с наименьшим временем и

реагируют на повреждения вдоль всей зоны защищаемой электроустановки или ее

части и ни при каких обстоятельствах не срабатывают при повреждении на смеж-

ном участке;

― резервные ― защиты, которые реагируют при повреждении на

всей за-

щищаемой электроустановке и дублируют основную защиту (ближнее резервиро-

вание), а также способны срабатывать при повреждении на смежном участке и

дублируют основную защиту смежного участка (дальнее резервирование).

По избирательности классифицируются:

― на защиты с абсолютной селективностью, у которых зона действия не за-

висит от режима работы системы и определяется местами

установки трансформа-

торов тока (продольные дифференциальные защиты);

― защиты с относительной селективностью, у которых зона действия изме-

няется и зависит от режима работы системы (отсечка, максимальная токовая за-

щита, дистанционная и др.);

― иногда, для быстроты срабатывания, чтобы не повредилось оборудование

от больших токов КЗ, могут использоваться неселективные защиты.

По

временным характеристикам защиты подразделяются:

― на защиты с независимой характеристикой (ступенчатой), время срабаты-

вания которых не зависит от величины тока;

― защиты с зависимой или времязависимой характеристикой (плавной),

время срабатывания которых зависит от величины тока;

― защиты с комбинированной характеристикой (ступенчато-плавной).

По методам воздействия на выключатель различаются следующие токовые

защиты

― с первичным реле тока прямого действия. У этих защит первичный ток

электроустановки проходит по обмотке реле, а его якорь воздействует на расце-

питель выключателя;

― с вторичным реле тока прямого действия. У этих защит вторичный ток

трансформатора тока проходит по обмотке реле, а его якорь воздействует на рас-

цепитель

выключателя;

― с вторичным реле тока косвенного действия. У этих защит вторичный ток

трансформатора тока проходит по обмотке реле, а его якорь замыкает контакты, и

собирается цепь для воздействия на катушку отключения выключателя.

1.5 Структура устройства РЗ

В связи с отсутствием надежных и дешевых протяженных каналов связи ис-

торически сложилось, что

устройства РЗ проектируются и устанавливаются на

каждом объекте автономно. Чтобы повысить надежность устройств РЗ, они вы-

полняются многоступенчатыми. Причем каждая последующая ступень более чув-

ствительна, имеет большее время срабатывания и резервирует предыдущие.

Рассмотрим универсальную структурную схему многоступенчатой защиты на

примере токовой, изображенной на рисунке 1.2, где KA1, KA2, KA3 и KA4 – то-

ковые измерительные органы (реле тока); KT1, KT2, KT3 и KT4 – органы задерж-

ки (реле времени); KH1, KH2, KH3 и KH4 – индикаторы срабатывания ступеней

(указательные реле), TA1– измерительный трансформатор тока; Q1 – выключа-

тель; К1 – точка КЗ в конце защищаемого объекта. В общем случае РЗ имеет че-

тыре ступени, чаще две или три, в зависимости от ответственности защищаемого

объекта и чувствительности ступеней защит.

Рисунок 1.2. Структурная схема многоступенчатой РЗ

Логическая формула [1] такой многоступенчатой защиты

III

DIDIDIDIy

↑↑↑↑

+++= , (1.1)

где y – выходной сигнал защиты; I – сигнал от токовых измерительных органов

защиты; D – оператор временной задержки; I, II, III, IV – верхние индексы, обо-

значающие номер ступени; 1, 2, 3, 4 – нижние индексы, соответствующие им па-

раметры срабатывания.

Первую ступень токовой защиты обычно называют отсечкой без выдержки

времени. Она отстраивается от максимального внешнего тока I

К1,МАХ

КЗ, т.е. в

точке К1:

MAX,1КОТС

З,С

IkI ≥ , (1.2)

где k

ОТС

― коэффициент отстройки.

Для этой ступени время срабатывания принимается равным t

I,А

С,З

≈

0,05 с.

Вторая ступень токовой защиты – отсечка с выдержкой времени. Эта сту-

пень обычно используется на электроустановках: а) для защиты питающего при-

соединения секции шин; б) для защиты радиальной сети. Для второго случая ток

срабатывания второй ступени отстраивается от тока срабатывания I

С,З,СМЕЖ

пер-

вой ступени смежной линии:

СМЕЖ,З,СОТС

З,С

IkI ≥ , (1.3)

Время срабатывания второй ступени принимается равным t

I,А

С,З

= 0,5 c.

Третью ступень токовой защиты обычно называют максимальной токовой

защитой, она отстраивается от тока нагрузки I

НОМ,НАГР

, и ток ее срабатывания рас-

считывается по выражению:

НАГР,НОМ

CЗПОТС

III

З,С

I ≥ , (1.4)

где k

СЗП

– коэффициент самозапуска нагрузки; k

– коэффициент возврата реле.

Время срабатывания третьей ступени отстраивается от времени срабатыва-

ния t

III

С,З,СМЕЖ

аналогичной ступени смежного присоединения:

ttt

III

СМЕЖ,З,С

III

З,С

+≥ , (1.5)

где

t – ступень селективности (время запаса отстройки).

Четвертая ступень токовой защиты – защита от перегрузки. Она в основном

используется для защиты двигателей или трансформаторов, также отстраивается

от тока нагрузки I

НОМ,НАГР

, и ток ее срабатывания определяется формулой:

НАГР,НОМ

ОТС

З,С

I ≥

. (1.6)

Время ее срабатывания отстраивается от времени срабатывания t

III

С,З

третьей

ступени:

ttt

III

З,С

+≥ . (1.7)

По аналогичному принципу строятся другие защиты, например, дистанцион-

ные.

1.6 Каналы связи устройств РЗА

В релейной защите традиционно используются проводные каналы связи.

Сигналы тока и напряжения (от трансформаторов тока и напряжения), сигналы о

состояниях выключателя, реле и др. передаются по специальном контрольному

кабелю.

В 30-е годы прошлого столетия стали

использовать высоковольтные провода

ЛЭП в качестве каналов связи РЗА и других технологических сигналов, модули-

руемых частотой – 3…500 кГц. По таким высокочастотным каналам организо-

вана телефонная диспетчерская связь.

В 80-е годы прошлого столетия в высоковольтные провода ЛЭП стали вклю-

чать оптические волокна. В настоящий момент использование оптоволоконных

каналов ― это одно из самых перспективных направлений, так как стоимость

оптического волокна невысока.

Попытки использования радиоэфира делались также в начале 20-х годов

прошлого столетия, однако применяться этот канал связи стал в

конце столетия.

Широкое применение радиоканал пока не нашел, вероятно, из-за низкой надеж-

ности и дополнительных затрат на оплату выделенной частоты.

1.7 Источники оперативного тока

Оперативный ток – питание катушек управления коммутационных аппара-

тов, устройств РЗА и сигнализации.

Оперативный постоянный ток используется на всех крупных электрических

станциях и межсистемных подстанциях. Его

источником являются регулярно за-

ряжаемые аккумуляторные батареи напряжением 110 или 220 В (на небольших

подстанциях используется 24 и 48 В).

Оперативный переменный ток используется в основном на небольших под-

станциях. Источником служат трансформатор собственных нужд, трансформато-

ры напряжения и тока. Надежность переменного тока ниже, чем аккумуляторных

батарей, поэтому обычно используются комбинированные источники питания.

Напряжения источников

оперативного переменного тока: 100 В (вторичные цепи

трансформаторов напряжения), 110, 127 или 220 В. Для повышения надежности

используют также энергию предварительно заряженного конденсатора.

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение релейной защиты?

2. Какие требования предъявляют к релейной защите?

3. Классификация устройств релейной защиты.

4. Какова структура устройств релейной защиты?

5. Какие каналы связи используются в релейной

защите?

6. Что используется в качестве источников питания для устройств релейной

защиты?

ЛЕКЦИЯ 2

2.1 Измерительные преобразователи тока и напряжения

Для получения информации о токе и напряжении в качестве датчиков в элек-

троэнергетике широко используются измерительные трансформаторы тока (ТТ) и

напряжения (ТН).

Основное назначение ТТ (ТН): 1) привести к стандартной величине ток –

5 А, 1 А (напряжение – 100 В , 100/√3 В); 2) обеспечить гальваническую развязку

между первичной и

вторичной цепью.

Классификация измерительных преобразователей тока по принципам дейст-

вия:

― традиционные (электромагнитные) трансформаторы тока – одноступенча-

тые и каскадные;

― трансреакторы – электромагнитные преобразователи тока в напряжение;

― дискретные трансформаторы тока;

- активные (на операционных усилителях) трансформаторы тока;

― оптикоэлектронные трансформаторы тока;

― герконы;

― преобразователи Холла;

― магнитодиоды, магнитотранзисторы, магниторезисторы;

― шунты, парраллельные резисторы;

― катушка Роговского;

― встроенные индукционные преобразователи (воздушные трансформаторы

тока).

Классификация измерительных преобразователей напряжения по принципам

действия:

― традиционные (электромагнитные) трансформаторы напряжения - одно-

ступенчатые и каскадные;

― емкостные делители напряжения;

― резистивные делители напряжения;

― комбинированные схемы делителей напряжения и электромагнитных

трансформаторов;

― активные (на операционных усилителях) трансформаторы напряжения;

― дискретные трансформаторы напряжения;

― антенные датчики электрического поля.

В электроэнергетике для получения информации о параметрах тока и напря-

жения обычно используются традиционные измерительные трансформаторы тока

и напряжения.

Необходимо помнить, что ТТ ― это источник тока, внутреннее сопротивле-

ние идеального ТТ равно бесконечности; а ТН ― источник напряжения, внутрен-

нее сопротивление идеального ТН равно нулю.

2.2 Конструкция трансформатора тока

ТТ состоит из магнитопровода (рис. 2.1), который набирается из пластин хо-

лоднокатанной или горячекатанной электротехнической стали, толщиной 0,3…0,5

мм. В последнее время стали изготавливать магнитопроводы из аморфного желе-

за, благодаря чему уменьшились потери на намагничивание. На магнитопровод

наматывается первичная обмотка w1, одна w2 или нескольких вторичных обмо-

ток.

Рисунок 2.1. Конструкция ТТ

Обмотки изготавливаются из электротехнической медной или алюминиевой

проволоки. Клеммы обмотки w1 ― Л1 и Л2 подключаются к линии, клеммы об-

мотки w2 ― И1 и И2 ― к измерительным приборам и реле. Обычно количество

витков w2 больше, чем w1.

ТТ имеет обычно два магнитопровода и две вторичные

обмотки. Одна об-

мотка обозначается числом 0,5 – указывает погрешность данного ТТ и использу-

ется для измерительных приборов и средств учета. Вторая обмотка обозначается

буквой Р – она предназначена для подключения устройств РЗ и А и имеет допус-

тимую погрешность 10%.

2.3 Принцип действия

Ток линии I1 протекает по первичной обмотке w1 и создает

в магнитопрово-

де магнитный поток Ф1. Этот поток Ф1 проходит сквозь обмотку w2 и наводит в

ней ЭДС E2. Поскольку вторичные цепи ТТ всегда замкнуты на нагрузку или на-

коротко (одно из условий работы трансформатора), то по вторичной цепи проте-

кает ток I2. Этот ток наводит в магнитопроводе магнитный поток

Ф2, который

направлен противоположно потоку Ф1. Результирующий поток

Ф0 = Ф1 ― Ф2, (2.1)

направленный как и Ф1, наводит в обмотке w1 противо-ЭДС Е1. Чем больше на-

грузка ТТ, тем больше Е1.

Как известно, МДС обмотки равна F = I

⋅

w , поэтому, согласно формуле (2.1),

Рисунок 2.2. Характеристика магнито-

провода ТТ

F0 = F1 – F2 = I1 w1 – I2 w2, (2.2)

где I1, I2 – токи первичной w1 и вторичной w2 обмоток, F0 – МДС намагничива-

ния трансформатора.

Записав F0 = I0

⋅

w1, и подставив в формулу (2.2), получим

⋅

w1 – I0

⋅

w1 = I2

⋅

w2, (2.3)

откуда нетрудно вывести:

0I1I

−

= , (2.4)

где k

― коэффициент трансформации ТТ.

Из формулы (2.4) очевидно, что коэффициент трансформации ТТ зависит от

I0, который в свою очередь зависит от сопротивления нагрузки (чем больше со-

противление нагрузки, тем больше насыщен магнитопровод ТТ, тем больше по-

грешность, тем меньше k

ТТ

). Можно также сделать следующий вывод: наиболее

благоприятный режим работы ТТ ― закороченная вторичная обмотка, так как при

этом размагничивающий Ф2 максимален, а намагничивающий Ф0 минимален.

При размыкании вторичной обмотки результирующий магнитный поток Ф0 ста-

нет равным Ф1 и магнитопровод войдет в насыщение. На выводах вторичной об-

мотки увеличится

напряжение, которое может достичь нескольких киловольт,

магнитопровод трансформатора нагреется. Это опасно для персонала, обслужи-

вающего вторичные цепи, и для оборудования. В таком режиме возможен пробой

изоляции вторичных цепей, поэтому один из выводов во вторичных схемах обяза-

тельно заземляется.

2.4 Построение векторной диаграммы ТТ

Для построения векторной

диаграммы ТТ необходимо иметь

следующие

данные [3]:

1. Число витков обмоток w1 и w2,

активное и реактивное сопротивление

вторичной обмотки r

и x

[Ом].

2. Нагрузка r

2НАГ

, x

2НАГ

(учтено

суммарное сопротивление всех

проводов и приборов) [Ом].

3. Средняя длина магнитного пути

[м], расчетное поперечное сечение

магнитопровода S

[м

4. Материал магнитопровода, его

свойства и характеристики: Fуд=f(B)

― удельная МДС как функция от

индукции, ψ=f(B) - угол потерь в

зависимости от индукции.

Построение векторной диаграммы начинают с параметра, который можно

измерить,– вторичного тока I2. Зная его, по известным данным (п. 1 и 2) вычисля-

ем ЭДС E2 на вторичной обмотке w2

и угол

между E2 и током I2:

()

(

)

)rr(

)хх(

arctg

ххrrIIE

НАГ2ОБМ2

НАГ2ОБМ2222

+++==

. (2.5)

Чертим E2 с рассчитанной длинной под углом

к току I2. ЭДС E2 отстает от

магнитного потока Ф0, который ее создает, на 90° ― восстанавливаем направле-

ние Ф0.

Рисунок 2.3. Векторная диаграмма ТТ

С направлением магнитного потока Ф0 совпадает магнитная индукция B

MAX

которая определяется по выражению:

MAX

Sf44,4

= , (2.6)

где f ― частота, f = 50 Гц. По рассчитанной магнитной индукции B

MAX

из графи-

ка, изображенного на рис. 2.2, находим МДС F

УД

― удельную МДС намагничи-

вания, приходящуюся на 1 м длины магнитного пути магнитопровода [А/м], и

угол потерь

[град]. Рассчитаем абсолютное значение полной МДС намагничи-

вания:

MУД0

lFF

(2.7)

и отложим его под углом опережения ―

к B

MAX

. Этот угол характеризует от-

ношение активной составляющей F

ОА

МДС намагничивания F

в магнитопрово-

де к реактивной составляющей F

ОР

. Геометрическим сложением F

и F

найдем

вектор МДС обмотки w1 и определим величину первичного тока ТТ, совпадаю-

щего по направлению с F

⋅

. (2.8)

2.5 Погрешности трансформатора тока

Для устройств РЗ расчетной величиной является погрешность ТТ не более

10%. Часто для проверки РЗА учитываются следующие виды погрешностей.

Максимальное значение токовой погрешности, измеряемое в [%]:

100

IkI

1T2

⋅

−

, (2.9)

где k

– коэффициент трансформации ТТ, I

и I

– первичный и вторичный токи

ТТ (рис. 2.3).

При близких коротких замыканиях ток КЗ может достигать кратностей – до

(30…50)⋅I

ном

(редко до 100⋅I

ном

), тогда ТТ насыщается и вторичный ток несину-

соидален [4] (рис. 2.4).

Погрешность такого режима необхо-

димо учитывать интегральным пока-

зателем, которым является полная

погрешность, измеряемая в [%]:

()

∫

−=

1T2

dtiki

100

, (2.10)

где T – период промышленной часто-

ты, i

и i

– мгновенные значения

первичного и вторичного токов ТТ

(рис. 2.4).

Угловая погрешность – угол

между векторами I

и I

(рис. 2.3),

измеряемый в [град] или [мин].

2.6 Компенсация погрешности ТТ осуществляется несколькими способами:

спрямление кривой намагничивания; подмагничивание магнитопровода; создание

нулевого потока; перераспределение потоков рассеяния.

2.7 Активный ТТ

С развитием электронной тех-

ники широко стали использоваться

интегральные операционные уси-

лители (ОУ), которые являются ба-

зовыми элементами аналоговой

техники. ОУ имеют высокий

коэф-

фициент усиления (до 10

), высокое

входное (до 10

Ом) сопротивление,

малое выходное (до 10

-2

Ом) сопро-

тивление. Это позволило создать

(рис. 2.5) малогабаритный ТТ, в ко-

тором при точной настройке с по-

мощью ОУ - DA создается нулевой

поток и подается в ТА через обмотку w

ОС

. Этот нулевой поток полностью ком-

пенсирует ток намагничивания ТА. Во время трансформации в магнитопроводе

ТА отсутствует магнитный поток, следовательно, отсутствует погрешность.

Рисунок 2.4. Диаграмма токов

насыщенного ТТ

Рисунок 2.5. Схема активного ТТ

Принцип работы активного ТТ: на инвертирующий вход ОУ подаётся сиг-

нал от обмотки w2. Выход ОУ подключен к обмотке обратной связи (ОС) w

ОС

Сигнал в противофазе трансформиру-

ется в магнитопровод (рис. 2.6).

Результирующий поток

рез

= Ф

- Ф

Wос

≈ 0. Таким образом, за

счет внешнего питания ОУ не расхо-

дуется энергия на перемагничивание

ТТ.

Недостатком такого ТТ является

небольшой динамический диапазон.

2.8 Схемы соединений ТТ

Схема соединения ТТ в «полную

звезду» (рис. 2.7) обычно использует-

ся в сетях с заземленной нейтралью с

U≥110 кВ. В сетях с изолированной

нейтралью

U≤35 кВ такая схема при-

меняется редко – на ответственных

электроустановках (например, защита

шин). Коэффициент такой схемы

СХ

=1 (отношение тока, протекаемого

через реле, к току, протекаемому че-

рез вторичную обмотку ТТ). В реле

КА4 протекает утроенный ток нуле-

вой последовательности. Это нетруд-

но доказать, согласно методу симмет-

ричных составляющих токи фаз рав-

ны:

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

++=

0A2A

1AC

0A2A1A

0A2A1AA

IIaIaI

IIII

&&&&

. (2.11)

В реле КА4 токи фаз А, В и С

складываются. В результате суммы по

составляющим прямой и обратной по-

следовательности становятся равными

нулю, так как

01aa

=++ , (2.12)

а результирующий ток, протекающий

через реле КА4, равен 3I

А0

. Обычно в

индексе обозначение фазы А опуска-

ется и записывается 3I

Рисунок 2.6. Диаграмма сигналов

активного ТТ

Рисунок 2.7. Схема соединения

ТТ в «полную звезду»