Lekcija_No_1

Лекция № 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

1.1.Назначение релейной защиты.

При эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы.

Электрооборудование (электрические машины и аппараты, кабельные и воздушные линии электропередач) и другие части электрических установок, как правило, находятся под напряжением и обтекаются электрическим током, вызывающим их нагрев. Поэтому, в процессе эксплуатации могут происходить нарушения нормальных режимов работы электроустановок и возникать повреждения, приводящие в большинстве случаев к коротким замыканиям (к.з.).

Короткие замыкания возникают из-за нарушений изоляции электроустановок, обрывов проводов, а также из-за ошибочных действий персонала (например, включения под напряжение заземлённого оборудования или отключения разъединителя под нагрузкой) и являются наиболее опасными видами повреждений.

В месте к.з. в большинстве случаев возникает электрическая дуга с высокой температурой, приводящая к большим разрушениям токоведущих частей и изоляторов электрооборудования. Большие токи к.з., измеряемые тысячами ампер, нагревают неповрежденные токоведущие части и могут вызвать дополнительные повреждения, т.е. развитие аварии. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что приводит к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов.

Кроме повреждений на электрооборудовании могут возникать такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью и др., при возникновении которых не требуется немедленно отключать оборудование от сети, так как в большинстве случаев эти явления не представляют опасности и могут самоустраняться.

Аварии и ненормальные режимы предотвращаются при помощи специальных автоматических устройств, получивших название релейная защита, которые действуют на отключение выключателей поврежденного участка сети или производят операции, необходимые для восстановления нормального режима, или действуют на предупредительный сигнал дежурному персоналу. В отдельных случаях при возникновении ненормального режима производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени. После отключения выключателей гаснет электрическая дуга к.з. и восстанавливается нормальное напряжение на неповрежденной части электроустановки или сети. Релейная защита выполняется при помощи специальных аппаратов - реле.

Из изложенного следует, что под устройством релейной защиты следует понимать реле или совокупность реле и вспомогательных элементов, которые должны в случаях повреждений или опасных ненормальных режимах работы элемента системы отключать его воздействием на выключатели или действовать на сигнал.

В соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ) все элементы электрической части энергосистем (генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, шины, электродвигатели) должны оснащаться устройствами релейной защиты (РЗ) предназначенными для:

− автоматического отключения повреждённого элемента от остальной, неповрежденной части электрической системы с помощью выключателей, а если повреждение непосредственно не нарушает работу электрической системы допускается действие РЗ только на сигнал;

− реагирования на опасные, ненормальные режимы работы элементов электрической системы при этом, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации электроустановки, РЗ должна действовать на сигнал или на отключение тех элементов системы оставление в работе которых может привести к возникновению повреждения.

Релейная защита (РЗ) является важнейшей частью автоматики энергосистем и тесно связана с другими устройствами электроавтоматики – устройствами автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузкой (АЧР) и др. устройствами системной автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы электроэнергетических систем.

Выводы:

1.Основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения к.з. и быстрое автоматическое отключение выключателей повреждённого участка сети.

2.Вторым назначением релейной защиты является выявление ненормальных режимов работы оборудования и выполнение необходимых операций по восстановлению нормального режима или подача сигнала дежурному персоналу для принятия мер по восстановлению нормального режима.

1.2.Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках.

Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким

замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания).

Причинами повреждений являются:

−нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

−повреждения проводов и опор линий электропередач из-за их неудовлетворительного состояния, гололёда, ветра и др. причин;

−ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.).

Основные виды повреждений в электроустановках приведены в таблице 1-1.

Таблица 1-1

Виды повреждений в электроустановках

Трёхфазные замыкания:

замыкания между тремя фазами К(3)

трёхфазные замыкания на землю К(1, 1, 1)

Двухфазные замыкания:

замыкания между двумя фазами К(2)

двухфазные замыкания на землю К(1. 1)

двойные замыкания на землю Ê(ÄÂ1.1)

U(A3)= U(B3) = UC(3)=0

U(A3B) = U(BC3) = UCA(3) =0

В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незна чительны по величине, поэтом у 3-х фазное к.з. представляет наи большую опасность и является расчётн ым режимом при определении максимального тока к.з.

одинак овые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В и С фазные токи:

I&A =0; I&B =−I&C.

Междуфазн ое напряжение между замкнувшимися фазами:

U& BC =0,

а фазные напряже ния замкн увшихся фаз:

представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное к.з.

Од нофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

Векторная диаграмма токов и напряжений в месте 1-фазного к.з. фазы С приведена на рис. 1-1,г.

В месте 1-фазного к.з. фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неп овреждённых фаз будут равным нулю:

Ток к.з. протекает только в замкнувшейся на землю фазе С

I(K1)=IC(1)

Напряжения неповреждён ных фаз (А и В) будут превышать э.д.с.

трансформаторов и кабельных линий много меньше, чем ёмкостное сопротивление сети ими можно пренебречь.

где:

ƒ– частота сети (50 Гц);

С– ёмкость одной фазы сети относительно земли.

Так как при замыкании на землю фазы "А" напряжения фаз "В" и "С" относительно земли равны по величине междуфазному

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства – дугогасящие катушки (ДГК), которые включаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землёй. В зависимости от настройки ДГК ток замыкания на землю можно уменьшить до нуля или до некоторой небольшой величины.

Поскольку токи замыкания на землю небольшие (обычно не более 5-30А), а все междуфазные напряжения остаются неизменными однофазное замыкание на землю непосредственной опасности для потребителей не представляет и защита от этого вида повреждения, как правило, должна действовать на сигнал. Следует иметь ввиду, что

повышенные в 3 фазные напряжения неповрежденных фаз относительно земли, могут привести к пробою их изоляции и к возникновению 2х фазного к.з. Поэтому дежурный персонал после

срабатывания сигнализации должен обнаружить место замыкания и вывести из работы поврежденный участок.

При к.з. вследствие увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети. Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к.з.

Увеличение тока и снижение напряжения, происходящие в результате к.з., приводят к ряду опасных последствий:

− ток к.з. Iк согласно закону Джоуля-Ленца выделяет в активном сопротивлении r цепи в течение времени t тепло, Q =KIê2 r t при этом происходят

большие разрушения в месте к.з., а также недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и проводов линий электропередач, что может вызвать повреждение их изоляции и токоведущих частей;

− понижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей, так как основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели момент вращения которых MД пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах MД=КU2. При глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Кроме того, из-за снижения напряжения при к.з. нормальная работа осветительных установок и компьютерной техники также нарушается.

− снижение напряжения при к.з. может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов и как следствие к развалу энергосистемы и прекращению питания всех её потребителей.

На рис. 1-3 приведены примеры влияния понижения напряжения при к.з. на работу потребителей и на энергосистему.

E& - э.д.с. источника питания, Zм – сопротивление от источника питания до точки М. На примере системы приведенной на рис. 1-3,б можно пояснить причины развала энергосистемы. При возникновении к.з. в точке К у шин электростанции А напряжение в месте к.з. станет равным нулю, в результате чего электрическая нагрузка генераторов электростанции А станет равным нулю и частота вращения турбин генераторов начнёт быстро увеличиваться т.к. в турбины поступает количество пара (или воды) соответствующей электрической нагрузке до аварийного режима, а регуляторы скорости турбины действуют медленно и не могут

предотвратить ускорения вращения турбин генераторов станции А.

В иных условиях находятся генераторы электростанции В, т.к. они удалены от точки К и поэтому напряжение на их шинах может быть близким к нормальному.

Так как генераторы электростанции А разгрузились, то вся нагрузка энергосистемы ляжет на генераторы электростанции В, которые могут при этом перегрузиться и уменьшить частоту вращения.

Таким образом, в результате к.з. скорость вращения генераторов электростанций А и В становится различной, что приводит к нарушению их синхронной работы.

Аварии с нарушением устойчивости системы по величине ущерба являются самыми тяжелыми.

К ненормальным режимам в электроустановках относятся опасные для электрооборудования или устойчивой работы энергосистемы режимы, связанные с отклонением от допустимых значений, значений величин тока, напряжения и частоты.

Наиболее характерные ненормальные режимы: перегрузка оборудования;

повышение напряжения; качания в системе.

Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения.

Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла, через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции оборудования превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению.

Характер зависимости допустимой длительности перегрузки от величины тока: t=ƒ (I) показан на рис. 1-4 и определяется конструкцией оборудования и типом используемых в оборудовании изоляционных материалов.

Рис. 1 4. Зависимость t=ƒ(I) допустимой длительности перегрузки от величины тока.

Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования.

Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения.

Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до опасных для его изоляции значений.

Опасное для изоляции оборудования повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой ёмкостной проводимостью.

При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать оборудование от сети.

Качания в системах – периодическое изменение ("качание") тока, напряжения, активной и реактивной мощности.

Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов. Ток во всех элементах сети, связывающих вышедшие из синхронизма генераторы, колеблется от нуля до максимального значения, во много раз превышающего нормальную величину. Напряжение падает от нормального до некоторого минимального значения, имеющего разную величину в каждой точке сети.

В точке "С" (рис. 1-3), называемой электрическим центром качаний напряжение снижается до нуля, а в остальных точках сети напряжение падает, но остаётся больше нуля, нарастая от центра качаний С к источникам питания А и В. Одновременно происходят качания активной и реактивной мощности.

Возрастание тока вызывает нагрев оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу потребителей системы.

Кроме перечисленных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты и системной автоматики.

Выводы:

1.В электроустановках могут возникать повреждения и ненормальные режимы.

2.Основные виды повреждений (к.з.):

3-х фазные к.з., 2-х фазные к.з., 1 фазные к.з., 2-х фазные к.з. на землю, замыкания на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью.

3.Наиболее характерные ненормальные режимы: перегрузка, повышение напряжения, качания в системе.

1.3.Требования, предъявляемые к релейной защите.

Релейная защита выполняется в виде автономных устройств, устанавливаемых на элементах энергосистемы. Устройства релейной защиты реагируют на к.з. и действуют на отключение выключателей защищаемых элементов.

Релейная защита должна срабатывать при повреждениях в защищаемой зоне (при внутренних повреждениях) и не должна срабатывать при повреждениях вне защищаемой зоны (при внешних повреждениях), а также при отсутствии повреждений.

При эксплуатации возможны следующие виды отказов в функционировании устройств релейной защиты:

−отказы срабатывания при требуемом срабатывании;

−излишние срабатывания при повреждениях в защищаемой зоне с требованием несрабатывания;

−ложные срабатывания при отсутствии повреждений в защищаемой зоне.

Основные требования к релейной защите от к.з.:

1.Быстродействие.

Быстрое отключение повреждённого оборудования или участка электроустановки уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповреждённой части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов. Поэтому для обеспечения надёжной работы генераторы, трансформаторы, линии электропередач и другие части электроэнергетических систем должны оснащаться быстродействующей релейной защитой.

Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время действия 0,02-0,1 с. Указанное быстродействие требуется в тех случаях, когда к.з. сопровождаются глубоким понижением напряжения. В тех случаях, когда напряжение в неповрежденной части составляет 60-70% нормального, допускается повышать время действия защиты до 0,2-2 с.

Защиты подразделяют на основные и резервные.

Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов к.з. в пределах всего защищаемого объекта со временем, срабатывания меньшим, чем у других установленных защит.

Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного объекта при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.

2. Селективность или избирательность.

Селективностью называется способность защиты отключать при к.з. только поврежденный участок сети ближайшими к месту к.з. выключателями.

Так, при к.з. в точке К1 (рис. 1-5) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита только на выключателе В1 и отключить этот выключатель. При этом остальная часть электрической установки останется в работе. Такое избирательное действие защиты называется селективным.

Рис.1 5. Схема поясняющая принцип селективности

релейной защиты.

Если же при к.з. в точке К1 раньше защиты выключателя В1 подействует защита выключателя В4 и отключит этот выключатель, то ликвидация аварии будет не правильной, так как кроме повреждённого электродвигателя Д1, останется без напряжения неповрежденный электродвигатель Д2. Такое действие защиты называется неселективным.

Таким образом, селективность – это свойство защиты, обеспечивающее отключение при к.з. только повреждённого элемента системы.

В соответствии со способами обеспечения селективности при внешних к.з. различают две группы защит: с абсолютной селективностью и с относительной селективностью.

Относительную селективность имеют защиты, на которые по принципу действия можно возложить функции резервных защит при к.з. на смежных элементах сети. С учётом этого такие защиты в общем случае должны выполняться с выдержками времени.

Абсолютную селективность имеют защиты, селективность которых при внешних к.з. обеспечивается их принципом действия, т.е. защита способна работать только при к.з. на защищаемом объекте. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются без выдержек времени.

3. Чувствительность.

Защита должна обладать такой чувствительностью в пределах установленной для неё зоны, чтобы обеспечивалось её действие в самом начале возникновения повреждения, чем сокращаются размеры повреждения оборудования в месте к.з.

Таким образом, чувствительность – это свойство защиты, обеспечивающее

выявление повреждения электрооборудования в самом начале его возникновения.

Чувствительность защиты должна также обеспечивать её действие при повреждениях на смежных участках сети. Так, например, если при повреждении в токе К1 (рис. 1-5) по какой-либо причине не отключается выключатель В1, то должна подействовать защита следующего к источнику питания выключателя В4 и отключить этот выключатель. Такое действие защиты называется дальним резервированием смежного или следующего участка.

Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при к.з. в конце установленной для неё зоны в минимальном режиме работы системы и при замыканиях через электрическую дугу.

Чувствительность защиты можно оценить коэффициентом чувствительности Кч. Для защит реагирующих на ток к.з.

безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых её работа не предусматривалась.