Измерительные и логические органы релейной защиты. Реле.

Принципы конструктивного исполнения реле. Классификация электрических реле. Электромеханические системы. Электромагнитные реле, принципы их действия, параметры срабатывания и возврата, способы их регулирования. Измерительные электромагнитные реле тока и напряжения. Вспомогательные электромагнитные реле: времени, промежуточные, указательные. Их характеристики.

Поляризованные реле, реле с магнитоуправляющими контактами (герконы).

Индукционные реле, принцип действия. Индукционное реле тока. Конструктивное исполнение сложных индукционных реле – реле мощности и реле сопротивления. Характеристики, регулирование параметров срабатывания.

Полупроводниковая и микропроцессорная элементная база.

Полупроводниковые элементы: диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры и измерительные органы релейной защиты на их базе.

Аналоговые микросхемы в релейной защите. Типовые функциональные элементы, выполняемые на операционных усилителях (ОУ).

Измерительные реле на основе аналоговых интегральных микросхем с одной и двумя входными электрическими величинами.

Органы логики на интегральных микросхемах.

Цифровые органы защиты на основе микропроцессорной элементной базы. Требования, предъявляемые к ним в устройствах РЗ. [1, 2, 3, 4, 9]

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.

Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения

Защита плавкими предохранителями и автоматами

Назначение предохранителей, автоматов. Их характеристики. Выбор предохранителей и автоматов для выполнения чувствительной и селективно действующей защиты. Области их применения. [1, 2, 4]

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?