Лекции 1-4 по РЗиА_ЗО_2016

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИЗАЦИЯ
БЕЛОГЛАЗОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ,
к.т.н., доцент кафедры электрических станций (ЭлСт),
ФЭН, II-212 (кафедра)
Лекция 1-4
Всего часов: 102
Новосибирск, 2016 г.
СТРУКТУРА КУРСА
1. Лекционные занятия – 8 часов (4 лекции).
2. Практические занятия – 4 часа (2 занятия).
3. Защита контрольных работ – 4 часа (2 занятия).
4. Лабораторные работы – 8 часов (2 лаб. работы).
5. Контрольная работа (зачет).
Аттестация по дисциплине – ЭКЗАМЕН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
1. Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем
электроснабжения. – М.: Высшая школа, 1991.
2. Чернобровов Н. В. Релейная защита. – М.: Энергия,
1998.
3. Рожкова Л.Д, Карнеева Л.К, Чиркова Т.В.
Электрооборудование станций и подстанций, М.: Изд.
Центр «Академия», 2004 г.
4. Шаббад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики
распределительных сетей. – Л.: Энергоатомиздат, 1985.
1. Общие вопросы выполнения релейной защиты
1.1. Назначение релейной защиты
Повреждения: короткие замыкания, понижение напряжения.
Ненормальные режимы – отклонения напряжения, тока и частоты.
Развитие аварии может быть предотвращено быстрым отключением
поврежденного участка при помощи специальных автоматических устройств –
релейной защиты.
Назначение:
– выявление места КЗ и быстрое отключение поврежденного участка от
неповрежденной части;
– выявление нарушений нормального режима и подача
предупредительных сигналов или проведение операций, необходимых для
восстановления нормального режима.
1.2. Требования к релейной защите
1. Селективность – способность отключать только поврежденный участок сети
(основное условие для обеспечения надёжного электроснабжения
потребителей).
Все защиты делятся на 2 класса по селективности:
• защиты с относительной селективностью – селективность обеспечивается
выбором параметров срабатывания (токовые и дистанционные защиты);
• защиты с абсолютной селективностью – селективность обеспечивается
принципом действия – дифференциальные и дифференциально-фазные защиты.
1.2. Требования к релейной защите
2. Быстродействие – главное условие для сохранения устойчивости
параллельной работы генераторов. Уменьшается время снижения напряжения
у потребителей, повышается эффективность АПВ, уменьшается ущерб для
оборудования.
Номинальное напряжение, кВ
300...500
110...220
6...10
Время действия релейной
защиты, с
0,1...0,12
0,15...0,3
1,5...3
tоткл=tз+tв, где tз – время действия защиты, tв – время отключения
выключателя – 0,15...0,06 с.
1.2. Требования к релейной защите
3. Чувствительность – для реагирования на отклонения от нормального
режима.
Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при
КЗ в конце установленной зоны действия в минимальном режиме
системы.Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом
чувствительности kч
4. Надежность. Защита должна безотказно работать при КЗ в пределах
установленной для неё зоны и не должна ложно срабатывать в режимах, при
которых её работа не предусматривается.
1.3. Изображение схем релейной защиты
1.4. Элементы релейной защиты
Реле – автоматическое устройство, срабатывающее при определенном значении
воздействующей на него величины.
Органы РЗ:
– пусковые органы;
– логические органы.
Типы основных реле: тока; напряжения; сопротивления; мощности.
Реле бывают максимальными – действующие при возрастании контролируемой
величины, и минимальными – при снижении этой величины.
Специальные реле: частоты; тепловые.
Типы вспомогательных реле: времени; указательные (для сигнализации);
промежуточные (передающие действие основных защит на отключение
выключателей).
1.4. Элементы релейной защиты
Типы реле
Электрические – реагируют на электрические величины.
Механические – реагируют на неэлектрические величины: скорость истечения
жидкости или газа, уровень жидкости.
Тепловые – реагируют на количество выделенного тепла или изменение
температуры.
Электромагнитные реле тока и напряжения
Конструкции электромагнитных реле:
1) с втягивающимся якорем;
2) с поворотным якорем;
3) с поперечным движением якоря.
Ток срабатывания Iср – наименьший ток, при котором реле срабатывает, Iср –
это ток, при котором электромагнитная сила превосходит силу сопротивления
пружины, трения и массы.
Ток возврата – при уменьшении тока в обмотках реле происходит возврат
притянутого якоря в исходное положение под действием пружины.
Iвоз – наибольший ток в реле, при котором возвращается в начальное положение.
Коэффициент возврата: k воз 
I воз
I ср
Разновидности электромагнитных реле
1. Токовые реле (РТ-40, РТ-80)
2. Реле напряжения (Реле РН–55)
3. Промежуточные реле (РП)
4. Указательные реле (РУ–21, СЭ–2, ЭС–41)
5. Реле времени (ЭВ–100, ЭВ–200)
1.5. Принципы выполнения устройств релейной защиты
Различают два способа включения реле на ток и напряжение сети.
Первичные реле – включены непосредственно (рис.2).
Вторичные реле – через измерительные трансформаторы тока и
напряжения (рис.3).
Рис.2
Рис.3
Различают два способа воздействия защит на выключатель: прямой и
косвенный.
1.6. Источники оперативного тока
Оперативный ток – питает цепи дистанционного управления выключателями,
оперативные цепи релейной защиты, автоматики.
Основное требование к источникам оперативного тока – надежность.
При КЗ и ненормальных режимах напряжение источников оперативного тока и
их мощность должны иметь достаточную величину как для действия релейной
защиты, так и для отключения выключателей.
Постоянный оперативный ток
Источниками данного тока являются аккумуляторные батареи напряжением
110...220 В.
Переменный оперативный ток
Источниками служат измерительные трансформаторы тока и напряжения, а
также трансформаторы собственных нужд, подключаемые на ток и
напряжение самой сети.
2. Трансформаторы тока и схемы их соединений
2.1. Принцип действия
Если не учитывать потерь то:

I
I 1 1   I 2  2  I 2   I 1 1   1
2
nв
2
nв 
1
– витковый коэффициент
трансформации.
Рис. 4
I 1ном
nт 
I 2 ном
– номинальный коэффициент трансформации (в справочниках).
I2  
I1  I нам    I
nв
1  I нам 
I 2 2   I11  I нам 1 .
  
Ф2
Ф1
Фn
1
,
2
2.2. Уменьшение намагничивающего тока
Ток Iнам состоит из активной и реактивной составляющих.
Iа.нам – обусловлена активными потерями на гистерезис и от вихревых
токов в магнитопроводе трансформатора тока.
Iр.нам – создает магнитный поток, который индуктирует во вторичной
обмотке ЭДС Е2.
Для уменьшения Iа.нам магнитопровод выполняется из шихтованной стали.
При насыщении Iнам возрастает значительно быстрее, чем поток Фт, что
вызывает резкое увеличение погрешностей.
2.2. Уменьшение намагничивающего тока
Для ограничения погрешностей нужно уменьшить Фт:
ФтЕ2=I2(Z2+Zн).
Этого можно добиться двумя способами:
снизить ток I2 за счет подбора соответствующего коэффициента
трансформации (повысить nт для снижения кратности максимального
первичного тока;
уменьшить сопротивление нагрузки вторичной обмотки Zн .
2.3. Требования к точности трансформаторов тока,
питающих релейную защиту
Погрешность трансформаторов тока по току (I) не должна превышать 10%, а по
углу () – 7.
Эти требования обеспечиваются, если Iнам0,1I1.
Для каждого типа трансформаторов тока имеются определённые значения К1макс и
Zн, при которых погрешность  будет равна 10%. Поэтому исходными величинами
для оценки погрешности являются K1макс и Zн:
Zн=Zр+Zп, где Zп – сопротивление проводов, Zр – сопротивление реле.
Предельные значения К1макс и Zн из условия 10% погрешности дают заводы,
изготавливающие трансформаторы тока.
Класс точности
Выпускаются трансформаторы тока следующих классов точности: 0,5;1;3;10 (для
подсоединения к ним измерительных приборов) и Р (для релейной защиты).
2.4. Выбор трансформаторов тока
Тип трансформатора тока и его номинальный коэффициент трансформации
выбирают исходя из тока нагрузки, его рабочего напряжения и вида защиты.
Проверка сводится к определению действительной нагрузки Zн и сопоставлению
её с Zн.доп.
1. Необходимо знать I1.макс – ток короткого замыкания в максимальном режиме.
2. Вычисляют максимальную кратность первичного тока:
K10 м акс 
K a I1. расч
Ка = 1,2...2
I1.ном
=0,8...0,9
3. По заводским кривым К10=f(Zном) определяется Zн.доп для вычисленного значения
К10.
4. Определяется действительное сопротивление нагрузки Zн.
Если Zн>Zн.доп, то увеличивается nт или выбирается трансформатор тока у, которого
при данном К10 допускается большее значение Zн.доп, или принимаются меры к
уменьшению Zн.
2.5. Схемы соединений трансформаторов тока
2.5.1. Соединение трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду
Схема применяется для включения защиты от всех видов однофазных и
междуфазных КЗ. Для каждой схемы соединений можно определить отношение
тока в реле Iр к току в фазе Iф, это отношение называется коэффициентом схемы
k сх 
Iр
IФ
Для данной схемы kсх=1.
2.5. Схемы соединений трансформаторов тока
2.5.2. Соединение трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду
Схема неполной звезды реагирует не на все случаи однофазного КЗ и применяется
только для защиты от междуфазных КЗ в сетях с изолированными нейтралями.
Для данной схемы kсх=1.
2.5. Схемы соединений трансформаторов тока
2.5.3. Соединение трансформаторов тока в треугольник, а обмоток реле в звезду
Схема применяется в основном для дифференциальных защит трансформаторов и
дистанционных защит.
Для данной схемы
3
k сх

Iр
Iф

3I ф
Iф
 3
2.5. Схемы соединений трансформаторов тока
2.5.4. Включение реле на разность токов 2 – фаз (схема восьмерки)
Схема применяется для защиты от междуфазных КЗ, когда она обеспечивает
необходимую чувствительность и когда не требуется её действие за
трансформатором с соединением обмоток Y/ – 11.
Для данной схемы
k сх  3
2.5. Схемы соединений трансформаторов тока
2.5.5. Соединение трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности
Схема применяется в защитах от замыканий на землю.
3. Максимальная токовая защита с независимой
выдержкой времени
МТЗ – защита воздушных линий с односторонним питанием.
Выдержки времени защит подбираются по ступенчатому принципу и не зависят
от величины тока, протекающего по реле.
3.1. Трехфазная схема защиты на постоянном
оперативном токе
3.1. Трехфазная схема защиты на постоянном
оперативном токе
3.2. Выбор тока срабатывания МТЗ
Защита должна надежно срабатывать при повреждениях, но не должна
действовать при максимальных токах нагрузки и её кратковременных толчках
(например, запуск двигателей).
Два условия определения тока срабатывания защиты.
1. Токовые реле не должны приходить в действие от тока нагрузки:
Iс.з>Iн.макс,
где Iс.з – ток срабатывания защиты (наименьший первичный ток в фазе линии,
необходимый для действия защиты); Iн.макс – максимальный рабочий ток нагрузки.
2. Токовые реле, сработавшие при КЗ в сети, должны надёжно возвращаться в
исходное положение после отключения КЗ при оставшемся в защищаемой линии
рабочем токе (ток возврата реле должен быть больше тока нагрузки линии,
проходящего через защиту после отключения КЗ).
Iвоз>kзIн.макс
Увеличение Iн.макс, вызванное самозапуском двигателей, оценивается
коэффициентом запуска kсзп.
3.2. Выбор тока срабатывания МТЗ
.
Iвоз=kнkсзпIн.макс, где kн – коэффициент надежности, учитывающий возможную
погрешность в величине тока возврата реле, kн=1,1...1,2.
Ток срабатывания защиты находят из соотношения:
kвоз
I воз
k
 I с. з  н kсзп I н. м акс
I с. з
kвоз
Вторичный ток срабатывания реле находится с учетом коэффициентов
трансформации измерительных трансформаторов тока nт и схемы включения
реле kсх:
I с .р  k сх
I с .з
nт
3.3. Чувствительность защиты
.
I к .мин
kч 
I с .з
Значение kч для различных типов защит нормируется. В
основной зоне kч , как правило, равен 1,5; в зоне
резервирования допускается 1,2.
3.4. Выдержка времени защиты
.
Для обеспечения селективности выдержки времени МТЗ выбираются по
ступенчатому принципу.
Разница между временем действия защит двух смежных участков называется
ступенью времени (ступенью селективности):
t=t2–t1.
t1=0; t2=0,5с; t3=1с; t4=1,5с; t5=2с.
4. Токовые отсечки
.
Токовая отсечка – разновидность токовой защиты, позволяющая обеспечить
быстрое отключение КЗ.
Токовые отсечки (ТО) подразделяются на отсечки мгновенного действия
и отсечки с выдержкой времени (0,3...0,6 с).
4.1. Ток срабатывания отсечки
.
По условию селективности защита не должна работать за пределами
защищаемой линии.
IСЗ=kНIКЗмакс
где IК(В)макс – максимальный ток
КЗ в фазе линии при КЗ на шинах
подстанции В;
kН – коэффициент надежности,
1,2...1,3 – для отсечек ЛЭП с реле
типа РТ.
4.2. Время действия отсечки
.
При применении быстродействующих промежуточных реле (с временем
срабатывания 0,02 с) tТО=0,04...0,06.
В схемах с промежуточными реле в расчетах не учитывается апериодическая
составляющая тока, поскольку она затухает очень быстро, за 0,02...0,03 с.
4.3. Отсечки с выдержкой времени
.
tТО1=tТО2+t.
Практически tТО10,3...0,6
зависит от точности реле
времени,
IСЗ1=kНIСЗ2,
где
kН=1,1...1,2.
5. Оценка отсечек и область применения
.
Достоинства
1. Конструктивно простые защиты.
2. Высокое быстродействие.
Недостатки
1. Неполный охват зоной действия защищаемой линии.
2. Непостоянная зона действия (влияние сопротивления в месте
повреждения и режима системы).
Область применения: сети 6-35 кВ.
6. Токовая трехступенчатая защита
.
Совместное применение МТО, ТОВВ и МТЗ.
7. Токовая направленная защита
.
Направленной называется защита, действующая только при определенном
направлении мощности КЗ.
Применяется в сетях с двухсторонним питанием.
.
7.1. Принципы выполнения токовой
направленной защиты
1. Защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой
линии.
2. Выдержки времени на защитах, работающих при одном
направлении мощности, должны согласовываться между собой,
нарастая по направлению к источнику питания:
t2>t4>t6>t8;
t1<t3<t5<t7.
.
7.2. Принципиальная схема токовой
направленной защиты (направленной МТЗ)
.
7.3. Схемы включения реле направления
мощности
Требования к схемам включения
1. Реле должно включаться на такое напряжение, которое при близких КЗ
не снижается до нуля.
2. UP и IP, подводимые к реле, должны подбираться так, чтобы угол сдвига
между ними Р в условиях КЗ не достигал значений, при которых SP (SP=
UPIPsin(–Р)) на зажимах реле  0.
В современных схемах токовых направленных защит применяется
включение реле направления мощности по так называемой 90 схеме
(иногда - по 30 схеме).
90 схема
Реле
1
2
3
IP
IA
IB
IC
30 схема
UP
UBC
UCA
UAB
IP
IA
IB
IC
UP
UAC
UBA
UCB
.
7.4. Диаграмма токов и напряжений для 90
схемы
Название схемы условное – ее
именуют по углу Р между UP и IP в
симметричном трехфазном режиме
при условии, что угол сдвига фаз
между фазными током и напряжением
равен нулю (активная нагрузка).
7.5. Оценка применения 90 схемы
.
Достоинства
1. Знак момента реле при всех видах КЗ в рабочей зоне положителен, а вне зоны
– отрицателен.
2. Величина электромагнитного момента во всем диапазоне изменений угла P
остается достаточной для срабатывания реле.
3. Напряжение UP при симметричных КЗ имеет максимальное значение, что
обеспечивает минимальную величину мертвой зоны.
Недостатки
1. При очень близких КЗ реле не срабатывает, т.к. напряжение на шинах равно 0.
2. Возможность неправильной работы однофазных реле направления мощности
при КЗ за силовым трансформатором с соединением обмоток Y/. КЗ должно быть
через дугу с большим сопротивлением (на практике не зафиксировано)
7.6. Достоинства и недостатки ТНЗ
.
Достоинства
1. Обеспечивают селективную защиту сетей с двусторонним питанием.
2. Простой принцип действия.
3. Надежна в эксплуатации.
Недостатки
1. Большие выдержки времени.
2. Недостаточная чувствительность в сетях с большими нагрузками и небольшими
кратностями токов КЗ.
3. Мертвая зона при трехфазных КЗ.
4. Возможность неправильного выбора направления при нарушении цепей
напряжения, питающих реле направления мощности.
8. Дифференциальная защита линий
.
Дифференциальные защиты (ДЗ) обеспечивают мгновенное
отключение КЗ в любой точке защищаемого участка и не
действуют при КЗ за пределами зоны действия.
Дифференциальные защиты подразделяются на:
продольные – для защит как одинарных, так и параллельных линий;
поперечные – для защиты только параллельных линий.
.
8.1. Продольная дифференциальная защита
линий
На самом деле:
I1–I2=Iнб
8.2. Способы уменьшения токов небаланса
.
1. Применяются трансформаторы тока насыщающиеся при возможно
больших кратностях тока КЗ (трансформаторы тока класса Р).
2. Ограничение величины вторичной ЭДС:
EВ 
IK
Z В  Z Н 
nТ
Для этого уменьшают нагрузку ZН и увеличивают коэффициент
трансформации nТ.
3. Для выравнивания токов намагничивания II.нам и III.нам необходимо,
чтобы нагрузка трансформатора тока была равной ZН1= ZН2.
.
8.3. Преимущества и недостатки диф. защиты
линий
Продольная дифференциальная защита применяется на
коротких линиях 110 и 220 кВ – 10-15 км, где требуется
мгновенное отключение повреждений в пределах всей линии.
Достоинства:
- защита не реагирует на качания и перегрузки;
- действует без выдержки времени при КЗ в любой точке
линии.
Недостатки:
- высокая стоимость соединительного кабеля и его прокладки;
-возможность ложной работы при повреждении
соединительных проводов.
9. Дифференциальная защита трансформатора
.
9.1. Меры по выравниванию вторичных токов
.
Выравнивание вторичных токов в плечах защиты по фазе
осуществляется соединением в треугольник вторичных
обмоток трансформаторов тока, установленных на стороне
звезды силового трансформатора.
Выравнивание величин вторичных токов в плечах
дифференциальной защиты осуществляется подбором
коэффициентов трансформации nT1 и nT2 трансформаторов
тока и параметрами, специально для этой цели
установленных, промежуточных автотрансформаторов или
трансформаторов.
.
9.2. Токи небаланса при расчете диф. защиты
трансформатора
При внешних КЗ и нагрузке обеспечить полный баланс вторичных
токов, поступающих в реле не удается:
Iнб = I1 – I2
В общем случае ток небаланса можно разложить на ряд
составляющих:
Iнб = Iнб.ТА + Iнб.рег+ Iнб.ком+ Iнб.нам
Меры для предупреждения действия защиты от токов небаланса
Простейшее решение: IC.P. > Iнб – значительно ограничивает чувствительность защиты. Ток
небаланса стараются уменьшить. Так как основной составляющей является Iнб.ТА, главный путь
уменьшения тока небаланса – правильный подбор трансформаторов тока и их вторичной нагрузки.
Трансформаторы тока не должны насыщаться при максимальном значении тока сквозного КЗ.
Для исключения ложного действия защиты от токов небаланса применяют:
•дифференциальные реле, включенные через быстро насыщающиеся вспомогательные
трансформаторы (БНТ);
•дифференциальные реле с торможением.
.
8.3. Отстройка от броска тока намагничивания
(БТН)
Способы отстройки:
1. Использование БНТ (быстро
насыщающегося трансформатора). БНТ не
пропускает апериодический ток, который
составляет значительную часть тока
намагничивания.
2. Отстройка от тока намагничивания по
величине Iнам<IС.З.