Защита и автоматика электродвигателей. Защита и автоматика специальных электроустановок систем электроснабжения

Виды повреждений и ненормальных режимов работы электродвигателей. Типы защит двигателей и устройств их автоматики. Особенности защиты и автоматики синхронных двигателей высокого напряжения. Цифровая защита электродвигателей. Защита и автоматика выпрямительных установок, трансформаторов дуговых электропечных установок, конденсаторных установок. Защита и автоматика сборных шин и токопроводов. [1, 2, 3, 5, 9, 10]

Методические указания

При изучении этой темы надо ознакомиться с видами повреждений и ненормальных режимов работы асинхронных и синхронных электродвигателей, а также с характером изменения токов при самозапуске электродвигателей и восстановлении напряжения. Необходимо усвоить принцип выполнения защит электродвигателей до 1 кВ и свыше 1 кВ и выбор их уставок; внимательно разобраться в явлениях, происходящих при пуске и самозапуске двигателей, выбор уставок токовых отсечек, устанавливаемых на электродвигателях. Необходимо знать роль защиты минимального напряжения и защиты от перегрузок у электродвигателей. Возможность возникновения технологической перегрузки, способной вызывать повреждение двигателя, учитывать при решении вопроса о применении токовой защиты от перегрузки и включении ее с действием на сигнал, отключение или разгрузку механизма. Вращающий момент электродвигателя и момент сопротивления механизма.

Надо знать основные виды автоматики, применяемые на двигателях и их назначение. Важно понять особенности режима работы печных, преобразовательных и конденсаторных установок. Надо знать виды защиты и автоматики, применяемые на этих установках. Надо понимать, каким образом поддерживают постоянство напряжения у потребителей электроэнергии. Нужно знать типы защиты и автоматики, устанавливаемые на шинах и токопроводах, уметь рассчитать их уставки.

Вопросы для самопроверки

1. Как учитывается пусковой ток двигателя при выборе тока срабатывания защиты от многофазных к.з.?

2. В каких случаях и как выполняется релейная защита двигателя от перегрузки?

3. В каких случаях и как выполняется у электродвигателей защита минимального напряжения?

4. Как предотвращается неправильное действие защиты минимального напряжения при перегорании предохранителей?

5. В каких случаях токовая отсечка выполняется с двумя реле? Чувствительность защиты.

6. Какие меры принимаются в установках собственного расхода для обеспечения самозапуска?

7. По какому принципу можно осуществить защиту синхронного электродвигателя от несинхронного режима?

8. В каких случаях предусматривается АПВ электродвигателей?

9. Какие виды защиты и автоматики предусматриваются на преобразовательных и печных установках?

10. Как выполняют защиту батареи статических конденсаторов?

11. Как осуществляется автоматическое отключение батареи конденсаторов по режиму?

12. Какие защиты принимаются на шинах и токопроводах?

13. Как осуществляется АПВ шин?

14. Цифровые защиты электродвигателей.

Устройства системной автоматики

Назначение автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР). Требования к этим устройствам и расчет их параметров. Схемы АВР и АПВ. АВР на подстанциях с синхронными двигателями или синхронными компенсаторами. Особенности АПВ на линиях с двусторонним питанием, АПВ ОС и АПВ УС. Реле контроля синхронизма РКС. Исправление действия неселективной отсечки при помо­щи АПВ. Защита и автоматика электрических сетей напряжением до 1 кВ.

Назначение и основные принципы выполнения автоматической частотной разгрузки (АЧР). Расчет параметров срабатывания устройства АЧР. Реле частоты. [1, 6, 7, 8]

Методические указания

Устройство АВР. Электроснабжение потребителей, потерявших питание, можно восстановить автоматическим подключением их к другому источнику питания с помощью устройства АВР. Многолетний опыт эксплуатации показал высокую эффективность раздельной работы элементов сети в сочетании с устройствами АВР, успешность действия которых по статистическим данным составляет 90% и более.

Существует большое разнообразие устройств АВР. Однако все они должны удовлетворять требованиям, которые положены в основу принципов выполнения устройств АВР. Следует твердо уяснить основные требования, предъявляемые к устройствам АВР и на его предложенной схеме уметь показать, как реализуются эти требования. Надо знать, как выбираются уставки АВР. Кроме того, следует разобраться с особенностями выполнения схем АВР на подстанциях с синхронными двигателями или синхронными компенсаторами.

Действие АВР должно согласовываться с действием других устройств автоматики.

В этом разделе изучить особенности повреждений (к.з.) и выполнение защит сетей напряжением до 1 кВ. Как осуществляется выбор предохранителей, воздушных автоматов. Чувствительность и селективность расцепителей воздушных автоматов. Защита от однофазных к.з. Устройство и работа защитного отключения. Устройство автоматического включения резерва.

Устройство АПВ. Большинство к.з., возникающих в процессе эксплуатации на линиях, имеет неустойчивый характер, т.е. после отключения линий защитой они самоустраняются. Вероятность самоустранения к.з. после снятия напряжения с линии будет тем выше, чем быстрее срабатывает релейная защита. Хотя заранее неизвестно самоустранилось к.з. или нет, линию включают повторно. Эту операцию выполняет АПВ, к которому предъявляются следующие требования: минимально возможное время срабатывания, обеспечение автоматического возврата схемы в исходное положение с заданной выдержкой времени, заданная кратность действия, возможность ускорения защиты после АПВ. В схеме предусмотрен автоматический запрет АПВ на случай, если по каким-либо причинам недопустимо повторное включение выключателя.

Схемы АПВ выполняются на постоянном и переменном оперативном токе. На линиях 6-10 кВ наибольшее распространение получили механические и электрические АПВ выключателей, имеющих пружинные приводы. На линиях более высокого напряжения применяются схемы с реле типов РПВ-58, РПВ-258 и РПВ-358. Надо знать принцип работы устройств, обеспечивающих однократное или двукратное повторное включения. Необходимо уяснить работу устройств АПВ на линиях с односторонним питанием и разобраться в их особенностях на линии с двусторонним питанием, что такое напряжение биения. Надо помнить, что основная задача АПВ на этих линиях – не допускать действие АПВ без контроля синхронизма. Изучить устройство и работу реле контроля синхронизма. Как работает АВР с ожиданием синхронизма и с улавливанием синхронизма.

Устройство АЧР. Устройство АЧР работает при дефиците генерирующей мощности в энергосистеме для предотвращения аварийного понижения частоты. Нужно знать, что такое лавина частоты, как ведут себя разные потребители при понижении частоты; как это отражается на технологии производства и для чего применяется это устройство автоматики. Необходимо учитывать требования, предъявляемые к устройствам АЧР, и расчет их параметров. В системе электроснабжения промышленных предприятий и сельского хозяйства может быть применена местная разгрузка. Надо понять, для чего это делается, по какой схеме и при каких отклонениях параметров режима электропередачи. Применяются две основные категории АЧР (I и II), имеющие разные уставки срабатывания по частоте и разное быстродействие. Нужно знать принцип действия реле частоты, как осуществляется схема АЧР, как обеспечивается автоматическое повторное включение отключающихся приемников (ЧАПВ).

Вопросы для самопроверки

1. Какие требования предъявляются к устройствам АВР?

2. Какие факторы надо учитывать при выборе уставок реле напряжения и времени устройства АВР? Выполнение пусковых органов минималь­ного напряжения (ПОН) и частоты.

3. Как влияет длительность перерыва питания на самозапуск электродвигателя?

4. Как осуществляется АВР линии, питающейся от двух источников?

5. В чем заключается целесообразность применения АПВ?

6. Какие требования предъявляются к устройствам АПВ?

7. В каких случаях применяется ускорение защиты до и после АПВ? Как это выполняется практически?

8. Каковы условия допустимости несинхронного АПВ?

9. В чем особенность схем АПВ на линиях с двусторонним питанием?

10. Как достигается однократность действия АПВ?

11. Каково назначение АЧР? Что такое регулирующий эффект нагрузки?

12. Укажите основные принципы действия АЧР?

13. Почему недопустима работа энергосистемы при частоте ниже 47 - 48 Гц?

14. Для чего применяется несколько очередей АЧР?

15. Каковы причины, приводящие к снижению частоты в энергосистеме?

16. Как определить величину мощности, отключаемой одной очередью устройства АЧР?

17. Что такое лавина частоты и напряжения и как протекают эти процессы?

Список лабораторных работ

1. Исследование схем соединения трансформаторов тока и токовых реле в трехфазных сетях.

2. Исследование электромагнитных реле тока, напряжения и времени.

3. Исследование реле индукционного принципа действия.

4. Исследование реле на полупроводниковой и микропроцессорной элементной базе.

5. Исследование МТЗ и ТО линии с односторонним питанием.

6. Исследование защит от замыканий на землю.

7. Исследование дифференциальной защиты силового трансформатора с реле типа ДЗТ-11.

8. Исследование дифференциальной защиты силового трансформатора с реле РНТ-565, ДЗТ-21, РСТ-15.

9. Исследование защиты асинхронного двигателя.

10. Исследование механического трехфазного АПВ линии с односторонним питанием.

11. Исследование реле повторного включения.

12. Исследование электрического трехфазного АПВ линии с односторонним питанием.

13. Исследование устройств АВР секционного выключателя.

14. Исследование устройств АВР трансформаторов.

15. Исследование схем АЧР.

Вопросы, выносимые на экзамен

1. Назначение релейной защиты (РЗ). Виды повреждений и ненормальные режи­мы в системах электроснабжения.

2. 3х-фазные КЗ, 2х-фазные КЗ, однофазные КЗ. Напряжение и токи в петле КЗ. Распределение напряжений от точки КЗ до источника. Векторные диаграммы напряжений и токов при КЗ.

3. Требования, предъявляемые к РЗ.

4. Реле и их классификация.

5. Электромагнитные реле. Принцип действия и особенности в работе.

6. Поляризованные реле. Герконы.

7. Токовое реле РТ-40. Реле прямого действия РТМ. Реле напряжения РН-50.

8. Вспомогательное реле: промежуточные, указательные, реле времени.

9. Индукционное реле тока РТ-80: устройство, работа, характеристики.

10. Интегральные микросхемы и их применение в релейных защитах (операцион­ные усилители, компараторы, пороговые элементы, триггер Шмитта, и др.)

11. Устройство, работа реле на интегральных микросхемах (РСТ-11,РМ-11)

12. Принцип построения сложных реле на полупроводниковых элементах со срав­нением абсолютных величин U₁ и U₂.

13. Построение реле на сравнении фаз мгновенных значений двух величин U₁ и U₂.

14. Устройство и работа реле мощности на сравнении двух электрических вели­чин: блок-схема реле, суммирующие устройство, схемы сравнения.

15. Устройство и работа цифровых реле.

16. Трансформаторы тока: устройство, работа.

17. Схемы соединения трансформаторов тока и их свойства.

18. Токовые фильтры: фильтр тока нулевой последовательности.

19. Фильтр тока обратной последовательности.

20. Магнитные датчики тока.

21. Трансформаторы напряжения: устройство, работа.

22. Схемы соединения трансформаторов напряжения.

23. Фильтры: ФНОП; устройство, работа; ФННП, устройство, работа.

24. Источники оперативного тока; постоянный оперативный ток.

25. Источники переменного оперативного тока.

26. Зарядное конденсаторное устройство.

27. Максимальная токовая защита (МТЗ); назначение; схемное исполнение МТЗ.

28. Настройки МТЗ: определение I_ср.МТЗ и выдержки времени (t_ср.МТЗ)

29. Схемы МТЗ с дешунтированием катушки отключения. МТЗ нулевой последо­вательности.

30. Токовая отсечка; принцип действия, настройка, применение.

31. Замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью. Компенсация ёмко­стных токов.

32. Схема замещения для токов нулевой последовательности при замыкании на землю. Токораспределение токов нулевой последовательности в реальной элек­трической сети 6-35 кВ.

33. Устройство контроля изоляции; защита ЧСЗ-М; ЗЗП

34. Максимальная направленная токовая защита (МНЗ); назначение, схемное ис­полнение.

35. Настройка МНЗ; ток срабатывания (I_ср.МТЗ), время срабатывания (t_ср.МТЗ).

36. Индукционное реле мощности; устройство, работа, характеристики.

37. Недостатки МНЗ; схемы подключения реле мощности.

38. Продольная дифференциальная защита; устройство, работа; выбор тока сраба­тывания дифференциальной защиты (I_ср.ДЗ). Ток небаланса I_нб.

39. Поперечная дифференциальная защита; применение.

40. Поперечная направленная дифференциальная токовая защита.

41. Дистанционная защита; принцип действия, защита с трехступенчатой характери­стикой срабатывания, схемное исполнение.

42. Полупроводниковые реле полного сопротивления с круговой характеристикой.

43. Высокочастотные каналы по ЛЭП; назначение, устройство.

44. Дифференциально-фазная высокочастотная защита; устройство, работа.

45. Программные защиты. Устройство, работа.

46. Аварийные и ненормальные режимы работы силовых трансформаторов.

47. Требования ПУЭ по защите силовых трансформаторов.

48. Дифференциальная защита трансформаторов и ее особенности в настройке.

49. Устройство и работа реле РНТ-560, ДЗТ-11, РСТ-15.

50. Расчет дифференциальных защит трансформаторов: определения I_ср, W_ур, k_ч. Роль тормозной обмотки W_Т. Бросок тока намагничивания и его особенности, где они используются.

51. Газовая защита трансформатора; устройство, работа. Конструкции газовых реле. Требования к монтажу.

52. Назначение и устройство РПН. Автоматизация РПН.

53. Причины появления тока небаланса I_нб и меры по их ограничению в дифференци­альных защитах силовых трансформаторов.

54. Распределение токов в обмотках трансформатора с соединением обмоток Y/Δ при двухфазном к.з. на стороне НН (Δ).

55. Защита трансформатора от перегрузок и внешних к.з.

56. Защита трансформатора без выключателя на высокой стороне.

57. Цифровые защиты трансформаторов: устройство, работа

58. Аварийные и ненормальные режимы работы синхронных генераторов (СГ). Тре­бования ПУЭ по защите СГ. Внешняя характеристика и векторная диаграмма СГ.

59. Защита от междуфазных к.з. в обмотках статора. Продольные дифференциальные защиты, на­стройка.

60. Защита от замыканий обмотки статора на корпус (землю). Устройство и работа ТННП с подмагничиванием.

61. Защита от сквозных токов к.з.

62. Особенности в защите обмоток возбуждения турбогенераторов и гидрогенерато­ров. Схемное исполнение защит.

63. Цифровая защита СГ: устройство, работа

64. Автоматическое регулирование возбуждения СГ. Назначение и требования к АРВ.

65. Простое компаундирование полным током статора как вид АРВ. Схемное испол­нение, работа. Внешняя характеристика СГ при различных cosγ.

66. Фазовое компаундирование как вид АРВ. Схемное исполнение и работа.

67. Трансформатор фазового компаундирования (ТФК), устройство, работа. Коррек­ция напряжения.

68. Релейная форсировка СГ.

69. Автоматическое гашение поля (АГП) генератора, требования к АГП.

70. Защита от потери возбуждения. Асинхронный режим работы СГ. Защита.

71. Асинхронные двигатели (АД). Вращающий момент электродвигателей и момент сопротивления механизма, их характеристики. Пуск электродвигателей; аварийные и ненормальные режимы.

72. Защита АД до 1000 В от к.з. на базе магнитного пускателя, на базе контактора. Настройка защит.

73. Защита АД от перегрузок, обрыва фаз, понижения напряжения. Схемное исполне­ние.

74. Защита АД, выше 1000 В. Требования ПУЭ.

75. Защита АД выше 1000 В от междуфазных к.з. Схемное исполнение, настройка.

76. Защита АД от замыканий на корпус (землю).

77. Защита двигателей постоянного тока.

78. Цифровая защита двигателей: устройство, работа.

79. Характеристика режима сети 6-35 кВ при замыкании фазы на землю. Схемное за­мещение, векторные диаграммы.

80. Схема замещения для токов нулевой последовательности. Токораспределение то­ков нулевой последовательности в распределительных сетях 6-35 кВ.

81. Фильтры токов нулевой последовательности (ФТНП); фильтры напряжения нуле­вой последовательности. Требования при установке.

82. Схемы защит от замыкания на землю: а) Токовая защита нулевой последовательности. Схемное исполнение, настройка, недостатки. Реле нулевой последовательности РТЗ-51;

б) Направленные защиты нулевой последовательности. Схемное исполнение. Защита типа ЗЗП-1М. Импульсное реле направления мощности;

в) Защиты, реагирующие на высшие гармоники тока замыкания. Схемы устройства УСЗ-2/2, УСЗ-ЗМ, их работа;

г) Схемы, реагирующие на токи переходного режима (i-разрядный и i-зарядный); схема распределения переходных токов (i-разрядный и i-зарядный) при замыкании; знаки волн тока, напряжения, мгновенной мощности при замыкании на землю. Схемное ис­полнение РЗ.

83. Максимальные токовые защиты от к.з. в сети с глухозаземленной нейтралью. Распределение токов нулевой последовательности при однофазном к.з.

84. Ненаправленная МТЗ нулевой последовательности. Устройство, работа, настрой­ка.

85. Направленная токовая защита нулевой последовательности. Устройство, работа, настройка.

86. Виды всех возможных защит применяемых от повреждений и ненормальных ре­жимов ЛЭП. Их краткая характеристика и настройка.

87. Цифровая защита ЛЭП: устройство, работа.

88. Высокочастотные каналы воздушных ЛЭП. Дифференциально-фазовая высокочас­тотная защита: устройство, работа.

89. Защита сборных шин.

90. Роль и требования к АПВ. Классификация.

91. Схема и работа механического однократного АПВ.

92. Схема и работа электрического однократного АПВ.

93. Работа АПВ на межсистемных ЛЭП. Уравнительные токи. Напряжение бие­ния. Реле контроля синхронизма.

94. АПВ с ожиданием синхронизма. Устройство, работа.

95. АПВ с улавливанием синхронизма. Устройство, работа.

96. Ключи управления.

97. Назначение и роль АЧР; баланс мощностей в энергосистеме. Регулирующий эффект нагрузки. Очереди АЧР.

98. Реле частоты РЧ-1; устройство, работа.

99. Назначение АВР. Холодный и горячий резерв. АВР источников, ЛЭП, транс­форматоров, секционных шин. Пусковые органы АВР. Схемы.

8. Контрольные задания

Общие указания

Выполнение контрольных работ поможет глубже усвоить теоретический материал курса и приобрести необходимые навыки в решении практических задач в области релейной защиты. Студенты выполняют две контрольные работы. Очной формы обучения – контрольную №1 в 7 семестре, вовремя практических занятий. Контрольную №2 – в 8 семестре. Студенты заочной формы обучения выполняют контрольные задания на 4 и, соотвествено, 5 курсах. Исходные данные для всех вариантов приведены в табл. №1 и однолинейной электрической схеме на рис. 1. и рис. 2.

Для выполнения контрольных работ необходимо использовать рекомендуемую литературу, приведенную в задании и примеры расчета защит в приложениях. При выборе типа защит нужно, прежде всего, понять сущность физических процессов, происходящих в элементах сети при аварийных режимах, изучить схемное исполнение защит и их работу, разобраться в распределении токов в схемах соединения ТТ и реле при различных видах к.з. Освоить порядок расчета параметров срабатывания защит и проверить их на чувствительность. При выполнении контрольной работы №1 нужно рассчитать релейную защиту ЛЭП - 10 кВ., во второй работе – релейную защиту и автоматику силового трансформатора.

Схемы защит следует вычертить в разнесённом виде с обязательным соблюдением ГОСТа на обозначения в чертежах.

Таблица 1

Исходные данные для выполнения контрольных работ

Варианты	Мощность КЗ системы	Номиналь-ная мощность	Данные по потребителям	Данные по автоматике
Трансформа-торы Т1, Т2	Двигатели М1, М2	Н1 (Н2)	Н3 (Н4)	Длина линии
Наг-руз-ка	Уставки защиты	Наг-руз-ка	Уставки защиты
SКЗ	SН	РД	SНΣ	tсз	Iсз	SНΣ	tсз	Iсз	Л3Л4	Л1Л2	АВР	АПВ
МВА	МВА	МВт	МВА	С	кА	МВА	С	кА	км	км	–	–
		6,3	1,0	1,0	0,8	0,21	2,5	1,2	0,32	3,0		Q1	–
			1,25	2,0	1,0	0,30	4,0	1,0	0,35	1,0		–	Н1
			1,6	3,0	0,8	0,42	8,0	1,6	0,4	2,5		Q2	–
			2,0	4,0	0,5	0,50	11,0	1,0	0,56	5,0		–	Н3
			1,25	1,5	0,7	0,30	3,0	0,9	0,35	2,0		Q1	–
			1,0	3,0	0,8	0,35	5,0	1,0	0,5	4,0		–	Н1
			1,6	1,5	0,5	0,25	7,0	1,2	0,6	3,0		Q2	–
			2,6	3,5	0,6	0,45	12,0	1,4	0,7	2,0		–	Н3
		6,3	1,6	0,5	0,7	0,14	2,8	1,3	0,41	5,0		Q1	–
			2,0	1,3	0,9	0,21	4,2	2,0	0,58	2,5		–	Н1
			1,25	1,5	0,8	0,20	7,7	1,4	0,65	3,0		Q2	–
			1,6	5,0	0,5	0,60	15,0	1,6	0,9	1,6		–	Н3
			2,5	4,0	0,6	0,55	17,0	1,0	1,0	2,0		Q1	–
			1,25	3,5	0,7	0,50	13,0	1,2	0,9	3,5		–	Н1
			2,5	2,5	0,9	0,40	7,0	1,6	1,0	1,8		Q2	–
			1,6	2,1	0,5	0,41	4,5	2,0	0,9	1,6		–	Н2
		6,3	1,25	1,7	0,6	0,35	2,0	1,5	0,5	2,0		Q1	–
		6,3	1,0	1,0	0,7	0,25	3,2	1,8	0,6	1,3		–	Н3
			1,0	2,0	0,8	0,30	4,8	2,0	0,8	2,0		Q2	–
			1,25	3,0	1,0	0,40	3,8	1,5	0,8	3,0		–	Н1
			1,6	3,5	0,9	0,43	6,2	2,0	1,0	4,0		Q1	–
			1,25	3,0	0,8	0,43	7,5	1,0	1,0	5,0		–	Н2
			2,0	6,0	0,7	0,75	10,0	1,2	0,9	1,5		Q2	–
			2,5	4,5	0,6	0,60	11,0	1,4	0,9	2,0		–	Н3
		6,3	0,8	0,8	0,5	0,20	4,1	1,6	0,7	2,5		Q1	–
			1,0	1,2	0,6	0,20	3,5	1,8	38,0	3,0		–	Н1
			1,25	1,5	0,7	0,25	6,0	2,0	1,2	2,7		Q2	–
Продолжение таблицы 1
			1,6	2,5	0,8	0,40	4,2	1,9	0,8	2,2		–	Н2
			2,0	1,0	0,9	0,20	9,0	1,7	1,1	1,8		Q1	–
			0,8	1,5	1,0	0,29	3,0	1,5	0,6	1,5		–	Н3
			2,5	1,8	0,9	0,30	7,5	1,3	1,0	3,0		Q2	–
			1,6	3,0	0,8	0,40	15,5	1,1	1,1	4,0		–	Н1
			2,0	5,0	0,7	0,70	12,0	1,5	0,9	3,5		Q1	–
			1,0	3,0	0,6	0,50	6,0	2,0	1,0	4,5		–	Н2
			2,5	1,5	0,5	0,30	7,1	1,0	1,2	2,5		Q2	–
			1,25	2,0	0,5	0,30	5,0	1,0	0,9	1,5		–	Н3
			1,6	0,8	0,8	0,15	5,1	1,5	0,7	1,2		Q1	–
			3,2	7,0	0,6	0,80	14,0	2,0	1,0	2,8		–	Н1

 

Рис. 1. Исходная электрическая схема

Контрольная работа №1