Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем

Учебно-методическое пособие

Для направления подготовки 140400.62 Электроэнергетика и электротехника

Профиль подготовки Электроснабжение

 

 

 

 

Орел 2014 год

 

 

Рекомендовано к изданию кафедрой «Электроснабжение» Орловского государственного аграрного университета

Рецензент:

Виноградов В.А., заведующий кафедрой «Электроснабжение» Орловского государственного аграрного университета

 

Волчков Ю.Д.

Релейная защита иавтоматизация электроэнергетических систем

:

Учебно-методическое пособие.

 

Учебно - методическое пособие предназначено для студентов специальности 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и соответствует учебной программе по дисциплине «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем». Пособие состоит из подробной программы курса с краткими комментариями на все разделы программы, дается ссылка на конкретную учебную литературу и другие источники знаний в области релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения. В пособии приведены исходные данные для выполнения контрольных заданий с примерами конкретных расчетов. Приведены необходимые справочные данные по вопросам электроэнергетики, типовые схемные исполнения. Предназначено для студентов всех форм обучения.

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение 4

2. Общие вопросы релейной защиты и автоматики 6

2.1. Основные понятия о релейной защите и автоматике 6

2.2. Измерительные преобразователи синусоидальных

напряжений и токов 7

2.3. Измерительные и логические органы релейной защиты. Реле 10

3. Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения 11

3.1. Защита плавкими предохранителями и автоматами 11

3.2. Токовые защиты 12

3.2.1. Максимальная токовая защита 12

3.2.2. Токовые отсечки 13

3.2.3. Токовая направленная защита 14

3.3. Защита от замыканий на землю в сетях с глухозаземленной

нейтралью 15

3.4. Защита от замыканий на землю в сетях с изолированной

нейтралью 17

3.5. Дистанционная защита 18

3.6. Дифференциальные токовые защиты 20

4. Релейная защита и автоматика элементов СЭС 21

4.1. Защита и автоматика синхронных генераторов 21

4.2. Защита и автоматика трансформаторов 23

4.3. Защита и автоматика электродвигателей. Защита и автоматика

специальных электроустановок систем электроснабжения 24

5. Устройства системной автоматики 26

6. Список лабораторных работ 28

7. Вопросы выносимые на экзамен 28

8. Контрольные задания 32

8.1. Общие указания 32

8.2. Контрольная работа №1

8.3. Контрольная работа №2 38

Приложение I. Пример расчета МТЗ ЛЭП 10 кВ 40

Приложение II. Релейная защита силовых трансформаторов 59

Приложение III. Пример расчета защиты высоковольтного

асинхронного двигателя 82

Приложение IV. Контрольные вопросы 86

 

Введение

Надежность энергоснабжения потребителей невозможно обеспечить без автоматического управления элементами системы электроснабжения и их защиты от аварийных и ненормальных режимов.

Системы электроснабжения (СЭС) являются сложными производственными объектами, элементы которых участвуют в едином производственном процессе, особенностью которого является быстротечность явлений, включая и повреждения аварийного характера. Поэтому надежная и экономичная работа систем электроснабжения возможна только при автоматическом управлении ими. Для этих целей используется комплекс автоматических устройств, среди которых первостепенное значение имеют устройства релейной защиты и электросетевой автоматики. Рост потребления электроэнергии и усложнение систем электроснабжения требуют постоянного совершенствования этих устройств. Сегодня этот процесс идет по пути более широкого использования микропроцессорной и цифровой техники. На базе микропроцессорных комплексов разрабатываются интегрированные системы управления электрическими станциями и подстанциями, где все функции релейной защиты, автоматики и оперативного управления совмещены, предусматривается фиксация параметров в действии релейной защиты доаварийного и аварийного режимов и передачи их на расстоянии.

Одновременно широко применяются и простейшие средства защиты и автоматики: предохранители, автоматы, магнитные пускатели, электротепловые элементы. Надежно работают простые токовые защиты на базе электромеханических реле, устройства автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резервного питания (АВР) и автоматической частотной разгрузки (АЧР).

В соответствии с учебной программой дисциплины пособие включает три основные раздела. В первом предлагается изучить общие вопросы подхода по применению релейной защиты и требования к ней, вопросы аварийных и ненормальных режимов, возникающих в СЭС, устройство и конструкцию реле, работающих на электромагнитном и индукционном принципе (механические реле), полупроводниковые реле, реле на интегральных микросхемах, цифровые реле, параметры, характеризующие работу измерительных и вспомогательных реле. Во втором разделе изучаются виды защит, их схемное исполнение, определение параметров срабатывания и селективности, применение источников оперативного тока. В третьем - вопросы релейной защиты и автоматики оборудования СЭС и потребителей электроэнергии.

Методическое пособие составлено так, чтобы оказать помощь студентам при изучении теории, выполнения лабораторных работ и контрольных заданий. После каждой темы помещены вопросы для самопроверки. Представлены контрольные вопросы из экзаменационных билетов, вопросы для проверки остаточных знаний.

Пособие имеет приложение, где размещен справочный материал для выполнения контрольных работ, представлены примеры расчета защит элементов СЭС.

Изучив вышеназванный курс, студенты должны усвоить теоретические вопросы, научиться читать и составлять схемы различных устройств релейной защиты и автоматики, понимать принцип их действия, определять параметры срабатывания и селективной работы.

Методическое пособие составлено в соответствии с учебной программой дисциплины «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Литература

Основная:

1.Кривенков В.В., Новелла В.Н. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. – М.: Изд. Дом «Додэка», 2008.- 438 с.

2.Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем: учебное пособие. Под ред. Ершова Ю.А..-С-Пб.: ЛАНЬ, 2012 (ЭБС)

3.Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная релейная защита и автоматика электроэнергетических систем. Изд. МЭИ, 2008, 199 с.

4.Андреев В.А. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения. – М.: Высш. школа, 2008.- 563 с.

Дополнительная:

1.Шабад М.А. Расчёты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. –СПб.: Энергоатомиздат, 2006.- 295 с.

2.Басс Э.И. Релейная защита электроэнергетических систем: учебное пособие. Под ред. А.Ф. Дьякова М.: Изд. МЭИ, 2006. -296 с.

3.Соловьев А.Л., Шабад М.А. Релейная защита городских электрических сетей 6 и 10 кВ. СПб.: Политехника, 2007.-175 с.

4.Реле защиты / В.С. Алексеев и др.– М.: Энергоатомиздат, 2000.– 387 с.

5.Темкина Р.В., Ломов С.С. Измерительные органы микропрцессорных терминалов релейной защиты.- М.: Изд. Дом «Додэка», 2006.- 233 с.

6.Комплектное микропроцессорное устройства релейной защиты и автоматики 10 (6) кВ SPACOM. Техническое описание. – Чебоксары: АВВ-Реле, 2007. – 59 с.

7.Шабад М.А. Защита трансформаторов распределительных сетей. – СПб.: Энергоатомиздат, 2001. – 286 с.

8.Коваленский И.В. Релейная защита двигателей напряжением выше 1000 В. – М.: Энергоатомиздат, 1999. – 374 с.

9.Микропроцессорные защиты НТЦ «Радиус - Автоматика». – М.: Радиус, 2008. -174 с.

10.Цифровые токовые защиты электрических линий, электрических аппаратов и высоковольтных электродвигателей НПО «Механотроника». СПб.: Механотроника.2009 - 240 с.

11.Сайты: Сириус Челябинск http://sirius-chel.ru

НТЦ «Механотроника» http://www.mtra.ru

АББ Реле-Чебоксары http://www.promportal.ru/userinfo147

ЗАО «РАДИУС Автоматика» и ООО «НПФ» РАДИУС» http://www.rza.ru/production.htm

 

2. Общие вопросы релейной защиты и автоматики

Основные понятия о релейной защите и автоматике

Виды повреждений и ненормальных режимов работы элементов систем электроснабжения. Назначение релейной защиты (РЗ) и электросетевой автоматики. Основные требования, предъявляемые к релейной защите. Элементная база защит, реле и их разновидности. Способы изображения и включения реле. Способы воздействия защиты на выключатель. Основные принципы построения защит. Структурная схема релейных защит.

Оперативный ток. Оперативный постоянный ток. Оперативный переменный ток. Схемы источников оперативного тока. Блоки питания. [1, 2, 3, 4]

Методические указания

Анализ рабочих и аварийных режимов дает возможность правильно выбрать, рассчитать и оценить поведение релейной защиты и автоматики элементов электрической системы. Необходимо знать виды повреждений и ненормальных режимов, возникающих в элементах системы, уметь строить векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах повреждений, устанавливать закономерность изменения различных электрических параметров режима в зависимости от вида и места короткого замыкания (к.з.), а так же от режима работы системы; разобраться с основными отличиями аварийных режимов в сетях с заземленными и изолированными нейтралями.

Следует твердо усвоить требования, предъявляемые к релейной защите, а так же возможные последствия при невыполнении их.

В настоящее время при выполнении релейной защиты и автоматики систем электроснабжения широкое применение находят различные источники оперативного тока. Надо знать эти источники, уметь применять их. Кроме того, следует иметь представление об источниках оперативного тока для полупроводниковых и цифровых защит.

Вопросы для самопроверки

1. Какие виды повреждений и ненормальных режимов могут возникнуть в электрических сетях?

2. Каковы функции релейной защиты и основные требования, предъявляемые к ней?

3. Каковы основные принципы построения защит, их структурное содержание?

4. Какие источники оперативного тока Вы знаете? Какова область их применения?

5. В чем заключаются достоинства и недостатки источников постоянного и переменного оперативного токов?

6. Какие требования предъявляют к источникам оперативного тока для полупроводниковых и цифровых защит?

Методические указания

Основное требование к ТТ – это более точная передача информации измерительным органам релейной защиты о величине и фазе тока, протекающего в первичной цепи защищаемого объекта при различных эксплуатационных режимах.

ТТ, работающие на линейной части характеристики намагничивания, могут являться источниками оперативного тока: при к.з. ток резко возрастает и мощность ТТ P₂=I₂·U₂ становится достаточной для питания цепи оперативного тока.

Следует понять физическую природу возникновения погрешностей в ТТ и способы уменьшения их. Точность работы ТТ характеризуется полной токовой погрешностью ε. Нагрузка ТТ выбирается так, чтобы ε не превышала 10% при заданной вторичной нагрузке и предельной кратности (k₁₀) ТТ. Под предельной кратностью понимают отношение максимального первичного тока к.з., протекающего через ТТ, к номинальному току ТТ. Основным недостатком кривых предельной кратности является их пригодность только для оценки погрешностей в установившемся режиме работы ТТ.

Следует знать, что расчетная нагрузка на ТТ зависит от схемы соединения ТТ, вида к.з., сочетания поврежденных фаз.

Основное назначение ТН состоит в том, чтобы к измерительным органам релейной защиты подводилась точная информация о величине и фазе напряжения в месте установки защиты. С этой точки зрения ТН должны работать с погрешностью, не превышающей некоторой допустимой величины.

Следует знать схемы соединения обмоток ТН и их назначение. Необходимо представлять для чего осуществляется контроль за исправностью вторичных цепей ТН.

В ряде случаев при отсутствии ТН применяют ёмкостные делители напряжения. Надо ознакомиться с принципом их действия и со способами отбора напряжения.

В электрических сетях широко применяются защиты, реагирующие на отдельные симметричные составляющие токов или напряжений – обратной и нулевой последовательности. Поэтому нужно представлять, как происходит их выделение из несимметричной системы трехфазных токов или напряжений, изучив устройство фильтров токов и напряжений обратной и нулевой последовательности: ZI₂; ZU₂; ZI₀; ZU₀.

При изучении преобразователей синусоидального тока в напряжение TAL (промежуточный трансформатор тока – трансреактор) и промежуточных трансформаторов напряжения TVL следует знать конструкцию магнитопровода, величину вторичной нагрузки, зависимость выходного напряжения от входных тока и напряжения. Рассмотреть способы экранирования от высокочастотных помех, согласования выходного напряжения с входным напряжением измерительного органа (ИО) реле, исключение гальванической связи.

Как конструктивно устроены магнитные датчики. Их преимущества и недостатки. Катушка Роговского, датчики Холла.

Изучить устройство и работу ОУ и их параметры по входу и выходу, передаточную характеристику. Оценить возможности применения ОУ в устройствах релейной защиты и автоматики (усилитель, компаратор, пороговый элемент с положительной обратной связью, формирователи модуля).

Разобраться в устройстве и работе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Изучить три основные логические функции и элементную базу для их реализации. Логические функции оперируют с двоичными переменными, которые могут принимать только два значения: 0 или 1. На основе простых логических функций И, ИЛИ, НЕ строят более сложные функции. Уяснить их устройство и работу. Графическое изображение логических элементов. Цифровая логика. Схемы, выполняющие операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и функциональные схемы (триггеры, счетчики шифраторы, дешифраторы и др.)

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение измерительных трансформаторов?

2. Как маркируются выводы обмоток измерительных трансформаторов?

3. Чем обусловлены погрешности трансформаторов и каким образом можно уменьшить их величину?

4. Что понимается под номинальным и витковым коэффициентами ТТ и в чем отличие между ними?

5. Как выбрать ТТ для питания релейной защиты?

6. Каковы достоинства и недостатки схем соединения ТТ?

7. Почему не допустим холостой ход для ТТ?

8. Как определить расчетную нагрузку на ТТ?

9. Какие схемы соединения ТН применяются в релейной защите?

10. Для чего применяется контроль исправности цепей напряжения и как он осуществляется?

11. Как проверить ТТ по кривым предельной кратности?

12. Как можно получить симметричные составляющие тока или напряжения различной последовательности?

13. Как выглядит осциллограмма вторичного тока ТТ при глубоком насыщении

(активная нагрузка)?

14. Почему ток во вторичной обмотке ТТ не зависит от нагрузки и в каких пределах это справедливо?

15. Какие схемы соединения ТТ непригодны для защиты трансформаторов со схемами соединения Y/Δ и Y/Y с заземленной нейтралью?

16. Как устроены и работают фильтры тока и напряжения нулевой последовательности (ФТНП и ФННП)?

17. Как устроены согласующие преобразователи тока и напряжения?

18. Как работают компаратор, пороговый элемент, триггер Шмидта?

19. Какие требования предъявляются к АЦП в схемах РЗ?

20. Какие логические функции реализуются в схемах РЗ?

Методические указания

Изучая данную тему, следует обратить внимание на принцип действия и конструктивные особенности наиболее часто применяемых реле. Нужно хорошо знать характеристики основных типов реле и способы регулирования их параметров.

В последние годы все чаще применяют полупроводниковые реле, разрабатываются устройства защиты и автоматики на основе интегральных микросхем. Следует разобраться с основными достоинствами и недостатками полупроводниковых реле на интегральных микросхемах.

Для оптимального построения логической части защит целесообразно привлечение методов теории релейных устройств. Основными элементарными логическими операциями являются дизъюнкция (ИЛИ), конъюнкция (И) и инверсия (НЕ). Эти операции дают возможность реализации любой более сложной функции. Следует разобраться с основными понятиями алгебры логики, а также со способами выполнения логических элементов. В этом разделе еще раз стоит вернуться к цифровым микросхемам, выполняющим логические функции, и к функциональным схемам (триггеры, счетчики АЦП, ЦАП, шифраторы, дешифраторы и др.)

Вопросы для самопроверки

1. Каков принцип действия электромагнитного и индукционного реле?

2. Что такое коэффициент возврата реле, от чего он зависит и как можно регулировать его величину?

3. Чем отличаются характеристики срабатывания реле тока РТ-40 и РТ-80?

4. Из-за чего наблюдается вибрация подвижной системы электромагнитных реле при питании их обмоток переменным током и как она устраняется?

5. Каково назначение промежуточных и указательных реле?

6. Чем определяется время срабатывания и возврата промежуточных реле и каким образом можно воздействовать на этот параметр?

7. Какова конструкция реле переменного тока типов РП-340 и РВМ?

8. Каков принцип действия поляризованного реле, магнитоэлектри­ческого реле? Почему они реагируют на направление тока в обмотке?

9. Чем объясняется зависимость времени срабатывания индукционного реле типа РТ-80 от тока в его обмотке?

10. Как изменяется вращающий момент в реле направления мощности при изменении угла сдвига фаз между подведенными к нему током и напряжением?

11. Каков принцип действия реле с магнитоуправляемыми контактами, каковы его основные достоинства?

12. Как можно сравнить две электрические величины по модулю?

13. Какие способы выполнения логических элементов Вы знаете?

14. Статические реле тока, напряжения, мощности, устройство и работа (РСТ, РСН, PCM, РВО)

15. Для выполнения каких органов РЗ используются аналоговые ИМС, а для каких – цифровые?

16. Преимущества РЗ, выполненных на базе ИМС, по сравнению с электромеханическими реле.

17. Особенности цифровых реле и их настройка. Структурная схема цифровых (программных) защит. Требования к АЦП.

Методические указания

Предохранитель (автомат) совмещает одновременно функции выключателя и релейной защиты. Основными характеристиками его являются: номинальный ток плавкой вставки I_ВСном; номинальный ток предохранителя I_ПРном; предельный ток отключения предохранителя I_ПРоткл; защитная (времятоковая) характеристика предохранителя. При выборе предохранителя следует исходить из условия его надежной работы в аварийных и нормальных режимах, а плавкая вставка не должна перегорать при кратковременных перегрузках защищаемого объекта. Известно, что для селективной работы предохранителей необходимо выбирать плавкие вставки с номинальными токами, отличающимися по шкале, или совмещать защитные характеристики. Недостатки предохранителя (нестабильность защитной характеристики, невозможность в ряде случаев выполнить защиту от перегрузки и др.) ограничивают область его применения.

Автоматы снабжаются специальным устройством релейной защиты – расцепителем, которое в зависимости от типа автомата выполняется в виде токовой отсечки или максимальной токовой защиты. При малых токах автомат отключается с выдержкой времени, а при больших – мгновенно. Защитные устройства автомата (расцепители) позволяют выполнить токовую защиту без ТТ и без оперативного тока. По сравнению с предохранителями автоматы имеют более устойчивые защитные характеристики и производят одновременно отключение всех трех фаз защищаемого элемента. Кроме того, они являются аппаратами многократного действия, что позволяет с их помощью выполнять схемы сетевой автоматики.

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение предохранителя и автомата?

2. Почему не удается всюду успешно применить предохранители и автоматы для защиты от к.з.?

3. Как выбираются предохранители и автоматы?

4. Как обеспечивается селективная работа предохранителей или автоматов?

5. Какое назначение имеет механизм свободного расцепления?

6. Как обеспечивается необходимая выдержка времени срабатывания автомата?

Токовые защиты

3.2.1. Максимальная токовая защита

Назначение и принцип действия максимальной токовой защиты (МТЗ). Схемы исполнения защит. Расчет тока срабатывания защиты (I_ср). Определение коэффициента чувствительности (k_ч) в зависимости от схемы соединения ТТ и обмоток реле при к.з. в зоне основного и резервного действий защиты.

Селективная работа максимальных токовых защит. Определение времени срабатывания защит, ступень селективности Δ t.

Оценка и область применения МТЗ. [1, 2, 3, 4, 5]

Методические указания

Одним из признаков возникновения к.з. является увеличение тока в цепи по сравнению с максимальным током нагрузки. Этот признак положен в основу работы защит, называемых токовыми. Они делятся на максимальные токовые защиты и токовые отсечки. Основное отличие между этими защитами заключается в способе обеспечения селективности. Селективность действия МТЗ обеспечивается с помощью выдержки времени. Выдержка времени срабатывания МТЗ t_ср выбирается по так называемому ступенчатому принципу, используя ступень селективности Δ t. Защита приходит в действие, если ток в защищенном элементе превышает ее ток срабатывания. МТЗ не должна срабатывать при самозапуске электродвигателей после ликвидации внешнего к.з. или после АПВ защищаемой линии. В то же время она должна надежно работать при к.з. не только на своем участке (зона основного действия), но и на соседнем (зона резервного действия) при отказе защиты или выключателя этого участка. Чувствительность МТЗ характеризуется коэффициентом чувствительности (k_ч), определяемым как отношение минимального тока в реле при металлическом к.з. в конце защищаемой зоны к току срабатывания реле. Нужно уметь оценить k_ч различных схем защиты при различных видах к.з. до и за силовым трансформатором с соединением обмоток Y/Δ и Y/Y с заземленной нейтралью.

Следует обратить особое внимание на особенности расчета МТЗ с дешунтированием катушек отключения выключателей, обусловленные различными требованиями к ТТ при работе в режимах до и после срабатывания дешунтирующих реле. Необходимо знать достоинства и недостатки МТЗ. Цифровые защиты и их исполнение.

Вопросы для самопроверки

1. Из каких органов состоит МТЗ, какова функциональная схема защиты?

2. Как выбираются ток срабатывания и время срабатывания МТЗ?

3. Как определить k_ч защиты при к.з. на защищаемом и резервируемом участках?

4. Каким образом обеспечивается селективность действия МТЗ с зависимыми характеристиками?

5. Как работает защита по схеме с дешунтированием катушек отключения выключателей?

6. Какова векторная диаграмма токов в месте установки защиты при двухфазном к.з. за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ, при однофазном к.з. за трансформатором с соединением обмоток Y/Y с заземленной нейтралью?

7. Каковы достоинства и недостатки МТЗ?

8. Особенность МТЗ с пуском по напряжению.

9. Особенности МТЗ с магнитными датчиками.

10. Цифровые токовые защиты, выпускаемые предприятиями России.

3.2.2. Токовые отсечки

Назначение и принцип действия. Выбор тока срабатывания мгновенной отсечки. Неселективные отсечки. Отсечки на линиях с двусторонним питанием. Отсечка с выдержкой времени. Токовая ступенчатая защита, область ее применения. [1, 2, 3, 4]

Методические указания

Для обеспечения селективности мгновенной токовой отсечки (ТО) ее ток срабатывания выбирается больше максимального тока, проходящего по защищаемой линии при к.з. в конце линии. Определение тока срабатывания защиты производят, исходя из действующего значения периодической слагающей начального тока трехфазного к.з. (для времени t=0). Поэтому нужно учитывать влияние на работу защиты апериодической слагающей в первичном токе. Зона действия ТО определяется графически при построении зависимости тока к.з. от длины линии I_к.з.=f(l_ЛЭП). Поскольку ТО имеет мертвую зону, она не может быть основной защитой.

Однако в некоторых случаях отсечка линий может являться основной защитой, например, при защите в схеме "блок ЛЭП – трансформатор", где в зону защиты входит вся ЛЭП и первичная сторона силового трансформатора при к.з. за трансформатором.

ТО могут быть использованы и на линиях с двусторонним питанием. Комплекты защиты устанавливаются с обеих сторон защищаемой линии. Ток срабатывания защиты этих комплектов выбирается одинаковым, равным максимальному току внешнего к.з., а также максимального уравнительного тока при качаниях в системе.

Основное назначение отсечки с выдержкой времени - защита зоны, в которую входит конец защищаемого участка и шины приемной подстанции. Для предотвращения срабатывания при КЗ на смежном элементе зона и время действия отсечки с выдержкой времени согласуются с зоной и временем действия мгновенной отсечки смежного элемента.

Если на линии установить мгновенную ТО, отсечку с выдержкой времени и МТЗ, то получим трехступенчатую токовую защиту. Нужно знать выбор параметров срабатывания и уметь оценить чувствительность каждой из ступеней защиты. Цифровые защиты и их исполнение.

Вопросы для самопроверки

1. Как обеспечивается селективность действия мгновенной ТО?

2. С какой целью применяются неселективные ТО?

3. Как выбираются параметры срабатывания отсечки с выдержкой времени и какова зона их действия?

4. Как выбирается ток срабатывания ТО на линиях с двусторонним питанием?

5. Каковы недостатки ТО и как они устраняются в трехступенчатой токовой защите?

6. Почему при расчете тока срабатывания как мгновенной ТО, так и ТО с выдержкой времени не учитывается k_воз?

7. Как выбираются параметры срабатывания всех ступеней трехступен­чатой токовой защиты, как проверяется их чувствительность?

 

3.2.3. Токовая направленная защита

Максимальная токовая направленная защита: схемное исполнение, расчет и принцип действия. 90° схема включения реле направления мощности на междуфазные напряжения и токи фаз. Токовые направленные отсечки. Селективная работа направленных защит. Область применения токовой направленной защиты. [1, 2, 3, 4]

Методические указания

Токовой направленной называют защиту, реагирующую на значение тока и направление мощности к.з. в месте ее установки. Рассматриваемая защита представляет собой токовую защиту, дополненную реле направления мощности. Она применяется в сложных сетях – сетях с двусторонним питанием, а также в кольцевых сетях с одним источником питания. Комплекты защиты устанавливаются с обеих сторон защищаемой линии и приходят в действие, если мощность к.з. для каждого из комплектов направлена от шин в защищаемую линию, а ток превышает ток срабатывания. Выдержка времени максимальных токовых направленных защит выбираются по встречно-ступенчатому принципу. При выборе тока срабатывания защиты в общем случае учитываются те же основные условия, что и для МТЗ. Однако имеются особенности в выборе тока срабатывания при использовании защиты в кольцевых сетях, а также в сети с глухозаземленной нейтралью, с которыми следует разобраться.

Под схемой включения реле направления мощности понимается определенное сочетание фаз тока и напряжения, подводимых к его обмоткам. Наибольшее распространение получила 90° схема включения реле. Для выявления свойств схемы необходимо уметь анализировать работу реле направления мощности при различных видах к.з.

Выполнение направленной отсечки дает возможность при выборе ее тока срабатывания учитывать только ток внешнего к.з. в направлении действия ее реле мощности. В этом основное отличие направленной отсечки от ненаправленной.

Недостатком направленных токовых защит является наличие мертвой зоны, определяемой минимальным напряжением при трехфазном к.з. вблизи места установки защиты.

Вопросы для самопроверки

1. Каков принцип действия токовой направленной защиты?

2. Чем отличается выбор тока срабатывания направленных защит (МТЗ и ТО) от ненаправленных?

3. В каких точках кольцевой сети с одним источником питания, а также сети с двусторонним питанием можно отказаться от установки реле направления мощности?

4. Как рассчитать выдержки времени направленных защит?

5. Чем обусловлено наличие мертвой зоны токовых направленных защит, как она рассчитывается, при каких видах к.з. возникает?

Методические указания

С глухозаземленными нейтралями работают сети напряжением 110кВ и выше. Для защиты линий этих сетей от к.з. на землю оказывается более целесообразным использовать отдельный комплект реле. Реле тока защиты подключается к фильтру токов нулевой последовательности. Следовательно, защита реагирует только на к.з., сопровождающиеся токами нулевой последовательности. В остальном схема защиты аналогична рассматри­ваемым выше схемам МТЗ и ТО от междуфазных к.з.

В общем случае защита выполняется ступенчатой. Ток срабатывания МТЗ нулевой последовательности отстраивается от тока небаланса I_нб в нормальном режиме, если выдержки времени t₀, рассматриваемой защиты, больше времени действия t_мф защит от междуфазных к.з., установленных на следующем участке. Если t₀ < t_мф, то защиту нужно отстраивать от I_нб при трехфазном к.з. в начале следующего участка. Наличие I_нб в симметричных режимах обусловлено неравенством токов намагничивания ТТ. Время действия защиты выбирается по ступенчатому принципу Δ t, Δ t – ступень селективности. При этом обычно получается t₀ < t_мф.

Принцип действия и условия настройки отсечек нулевой последова­тельности практически такие же, как и отсечек, реагирующих на полные токи фаз.

В сетях с двумя и более заземленными нейтралями, расположенными в разных точках сети, применяются направленные защиты. К органу направления мощности подводятся 3U₀ и 3I₀. Ток срабатывания мгновенных отсечек, установленных на параллельных линиях, необходимо выбирать с учетом наличия взаимоиндукции.

Направленные защиты нулевой последовательности не имеют мертвой зоны по напряжению, так как 3U₀ максимально в месте к.з. и равно нулю в заземленной нейтрали трансформаторов. Цифровые защиты и их исполнение.

Вопросы для самопроверки

1. На каком принципе работает токовая защита нулевой последовательности?

2. Как влияют на распределение 3I₀ схемы соединения обмоток и режимы работы нейтралей силовых трансформаторов?

3. В каких случаях применяются направленные токовые защиты нулевой последовательности?

4. Почему реле направления мощности нулевой последовательности не имеет мертвой зоны?

5. Как выбираются параметры срабатывания трехступенчатой токовой защиты (направленной) нулевой последовательности и как проверяется чувствительность различных ступеней защиты?

6. Каковы преимущества рассматриваемой защиты по сравнению с токовой защитой от междуфазных к.з.?

7. Какова область применения токовой защиты нулевой последовательности?

8. Как рассчитать ток 3I₀ при различных к.з. на землю?

9. Как определить 3I₀ в месте установки защиты при к.з. на землю в удаленной точке?

Методические указания

В сетях с изолированной нейтралью замыкания одной фазы на землю не вызывает к.з., так как в этом случае ЭДС поврежденной фазы не шунтируется накоротко, а только закорачивается емкостью (фаза – земля) этой фазы. Возникающий при этом в месте повреждения ток замыкается через емкость проводов "здоровых" фаз относительно земли и имеет небольшую величину (до нескольких десятков ампер). Поэтому снижения напряжения в сети не происходит. Однако фазное напряжение "здоровых" фаз относительно земли повышается до междуфазного. Линейные напряжения остаются неизменными. Чтобы все это усвоить и представить наглядно, нужно разобраться в векторных диаграммах токов и напряжений в нормальном и ненормальном режимах.

Однофазное замыкание на землю не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Поэтому в отличие от к.з. замыкания на землю не требуют немедленной ликвидации. Однако этот вид повреждения создает перенапряжение, что представляет опасность с точки зрения нарушения изоляции "здоровых" фаз и возможность перехода однофазного замыкания в междуфазное к.з. Защиту от рассматриваемых повреждений принято выполнять с действием на сигнал.

Известна общая селективная сигнализация замыкания на землю в сети без указания поврежденного участка, реагирующая на появление (3U₀). В качестве селективных защит от замыканий на землю, указывающих поврежденный участок, применяются токовые, реагирующие на 3I₀. Для выполнения защиты в качестве фильтра нулевой последовательности используется специальный ТТ нулевой последовательности (ТТНП) особой конструкции. В таком однотрансформаторном фильтре, выполняемом с помощью ТТНП, ток 3I₀ получается магнитным суммированием от первичных токов трех фаз.

Нужно усвоить, что ток 3I₀ в поврежденном присоединении (фидере) отличается от тока 3I₀ в неповрежденных фидерах абсолютным значением и направлением.

Если собственные емкостные токи нулевой последовательности отдельных присоединений соизмеримы с полным емкостным током сети, то токовая защита неприменима. В этом случае используются направленные защиты. В качестве подведенных к реле направления мощности величин используются 3U₀ и 3I₀. Нужно хорошо усвоить выбор параметров рассматриваемых защит, проверку чувствительности и размещение комплектов защиты, как для радиальных сетей, так и для кольцевых.

Иногда используются защиты, реагирующие на токи неустановивше­гося режима, а также на высшие гармонические в токе нулевой последовательности.

В компенсированных сетях результирующий ток 3I₀ поврежденного участка содержит больше гармоник, чем ток в неповрежденных присоединениях. Именно на этом различии основаны защиты в таких сетях.

В последнее время нашел применение способ защиты с наложенным током частотой более 50 Гц. Цифровые защиты и их исполнение.

 

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается основная особенность защиты сетей с изолированной нейтралью?

2. Постройте векторные диаграммы токов и напряжений в нормальном режиме и при замыканиях на землю.

3. Какие принципы действия защит от замыканий на землю Вы знаете?

4. Какими недостатками обладают трехтрансформаторные ф