Билеты по предмету «Релейная защита»

Contents

1. Защиты генератора от асинхронных режимов 3

2. Автоматические регуляторы возбуждения сильного действия (АРВ СД) 15

3. Защиты силовых трансформаторов 24

Релейная защита трансформаторов мощностью 1000-4000 кВА (6 – 20 кВ) 27

Дифференциальная защита 35

Наличие токов небаланса в схеме дифференциальной защиты. Составляющие тока небаланса: 39

Дифференциальная токовая защита с промежуточными быстронасыщающимися трансформаторами тока 46

Дифференциальная токовая защита с магнитным торможением 47

Примеры 50

4. Защита сборных шин 52

Дифференциальная защита шин 54

Мероприятия по повышению надежности ДЗШ 56

Дополнительная информация из Чернобровова. 57

Контроль исправности токовых цепей 58

Пример: Шкаф ШЭ2607 065 [ЭКРА] 69

Расчёт параметров срабатывания ДЗШ 77

Неполная ДЗШ 83

Логическая защита шин (ЛЗШ) 86

Дуговая защита шин 91

5. Защиты двигателей 93

Защита от перегрузок 93

Защита при пуске двигателя и от заклинивания ротора 95

Защиты от однофазных замыканий на землю 96

Защита от обратной мощности 98

Защита от потери питания 98

Защиты от двойных замыканий на землю 100

Направленная токовая защиты от ОЗЗ 101

Защита СД напряжением выше 1000 В. Дополнительные условия: 101

Продольная дифференциальная токовая защита 102

Защита от потери питания 102

Защита от асинхронного режима (несинхронного включения) 102

Дифференциальная защита двигателя 107

Минимальная токовая защита (МинТЗ) 116

Защита от асинхронных режимов (ЗАР) 116

1. Защиты генератора от асинхронных режимов

При синусоидальных эдс генератора

𝑒_г(𝑡)=𝐸_𝑚г sin𝜔𝑡+𝛿_г

и энергосистемы

𝑒_с(𝑡)=𝐸_𝑚с sin𝜔𝑡+𝛿_с

при одинаковой частоте вращения, они отображаются векторами 𝐸1 и 𝐸2, сдвинутыми между собой на угол 𝛿.

Связь между ЭДС генератора и напряжением (ЭДС) системы наглядно показана на ВД:

Зависимость величины передаваемой мощности от угла между ЭДС генератора и системы показана на рисунке (угловая характеристика генератора):

Чем ниже сопротивление (выше проводимость) линии между Г и системой, тем меньше угол при одинаковых токах (и больше ток при одинаковых углах), тем большую мощность (при одном напряжении) можно передать через линию. Чем выше напряжение, тем выше угловая характеристика генератора (при тех же токе и угле напряжение выше), тем большую мощность можно передать через линию.

Угол нагрузки не должен достигать 90 градусов (почему – см. теорию по электромеханическим переходным процессам). Если он превысит 90 градусов, электромагнитный момент будет не тормозить, а разгонять ротор, увеличивая угол (при условии, что механический момент не меняется). Это будет происходить до завершения проворота и выхода на устойчивую часть характеристики. Полная характеристика выглядит так:

Если после проворота ситуация не изменится (ускоряющий момент на валу не уменьшится, амплитуда электромагнитного не увеличится), то тормозящий момент не удержит ротор в устойчивой части и начнётся новый проворот. Таким образом, ЭДС генератора (вращается вместе с ротором) и ЭДС системы будут вращаться с разными частотами (т.к. угол между ними изменяется и скорость изменения этого угла и есть разность частот).

𝑒_г(𝑡)=𝐸_𝑚гsin(𝜔_г𝑡+𝛿_г)

𝑒_с(𝑡)=𝐸_𝑚сsin(𝜔_с𝑡+𝛿_с)

Это состояние называется асинхронный ход.

Угол между ними будет изменяться Δ𝛿=(𝜔_г−𝜔_с)𝑡=𝜔_𝑠𝑡, где 𝜔_𝑠 – скольжение.

При возникновении скольжения создаётся асинхронный момент и генератор генерирует асинхронную мощность.

Синхронная составляющая мощности зависит от параметров машины, тока возбуждения, приложенного напряжения и угла 𝛿, а асинхронная – от параметров машины, приложенного напряжения, угла 𝛿 и скорости его изменения.

Рассмотрим режим с бесконечно малым скольжением, т.о. асинхронный момент мал и его можно не учитывать.

Пусть 𝑒_г(𝑡)=𝐸_𝑚гsin(𝜔_г𝑡) и 𝑒_с(𝑡)=𝐸_𝑚сsin(𝜔_с𝑡). Уравнительный ток в линии определится разностью ЭДС источников:

Δ𝑒(𝑡)=𝑒_г(𝑡) − 𝑒_с(𝑡) = 𝐸_𝑚гsin(𝜔_г𝑡) − 𝐸_𝑚сsin(𝜔_с𝑡)

Упростим (𝐸_𝑚г=𝐸_𝑚с):

или

Этот сигнал не является гармоническим.

При частоте скольжения меньше 1 Гц на отрезке времени 20 мс можно считать, что ЭДС постоянны и рассматривать Δ𝑒(𝑡) как гармонический сигнал со средней частотой 𝜔_ср и постоянной амплитудой. Тогда действующее значение уравнительного тока:

а активная мощность генератора тогда будет:

ВД и эпюры для случая δ=180°:

Напряжение в n-ой точке:

Точка Ц – центр электрических качаний – точка, напряжение в которой = 0 при угле между E_г и E_с = 180°. В случае синхронного вращения векторов E_г и E_с при угле 180°, напряжение в точке Ц =0 в любой момент времени.

Электрический центр качаний – точка электрической сети, характеризующаяся максимальным снижением напряжения при взаимных колебаниях или проворотах роторов генераторов электрически связанных частей энергосистемы, а также сменой знака мощности по линиям электропередачи, связывающим эти части между собой – по стандартам СО ЕЭС.

Чтобы защита от АХ была достаточно чувствительна, желательно устанавливать её ближе к предполагаемому центру качаний.

Точка Ц* - центр электрических качаний при отсутствии сопротивления системы (иногда сопротивлением системы пренебрегают, представляя её как ШБМ).

Защиты делятся на:

- защиты от асинхронного режима с потерей возбуждения;

- защиты от асинхронного хода без потери возбуждения.

Применение защиты от асинхронного хода без потери возбуждения не диктуется требованиями ПУЭ. Однако именно эта защита может предотвратить развитие крупных аварий, характеризующихся большими колебаниями активной и реактивной мощности.

Указанные защиты чаще всего реализуют на дистанционном принципе. Для анализа поведения годографа сопротивления целесообразно рассмотреть схему замещения.

Шины посередине – точка m, при условии, что между генератором и системой линии нет.

Для реализации защит от АХ на дистанционном принципе нужно построить годографы изменения вектора сопротивления (на реле сопротивления, установленном на шинах) при разных значениях q и δ. Точка N – номинальный режим.

Годограф 1

Из-за того, что ЭДС имеют разные направления, а с обеих сторон от шин течёт один ток, сопротивления направлены не противоположно друг другу, из-за этого отрезок АВ не проходит через начало координат. Из-за того, что сопротивления генератора и системы не равны, прямая CD (годограф сопротивления при q=1) не проходит через начало координат.

В более развёрнутом виде годографы представлены здесь:

Годограф 2

Допустим, что остальная энергосистема большая и устойчива. Тогда модуль ЭДС системы не меняется.

При асинхронном ходе без потери возбуждения угол δ меняется с частотой скольжения . Модуль ЭДС генератора изменяется, в связи с большими уравнительными токами (большой нагрузкой на генератор), но при АХ без потери возбуждения будем считать его постоянным. Таким образом, при АХ без потери возбуждения угол δ меняется, а q остаётся условно постоянной.

При АХ без потери возбуждения и при принятии допущений выше конец результирующего вектора сопротивления Z_р в месте установки защиты будет описывать окружность, радиус и положение центра которой будут зависеть от q. При q=1 окружность выродится в прямую.

При АР (асинх. режим) с потерей возбуждения величина q изменяется в связи с потерей возбуждения генератора. При этом, в зависимости от вида повреждения, ЭДС генератора может быть разной:

1. При повреждении обмотки возбуждения возбудителя возбуждение пропадает, обмотка возбуждения становится короткозамкнутой.

2. При повреждении (разрыве) обмотки возбуждения ток возуждения пропадает, ОВ остаётся разорванной – поток ОВ и взаимная индуктивность исчезают, остаётся собственная индуктивность генератора и взимная индуктивность с демпферной обмоткой при её наличии.

3. При ложном отключении АГП сопротивление ОВ увеличивается, ОВ остаётся замкнутой на дугогасительное сопротивление.

ЭДС генератора зависит от вида повреждения, величины скольжения и параметров генератора.

1. В случае повреждения ОВВ ЭДС снижается, но не пропадает полностью, генератор работает ка асинхронный, q<1.

2. В случае разрыва ОВ ЭДС генератора близко к 0, таким образом q=0.

3. В случае ложного отключения АГП ЭДС генератора меньше, чем в случае повреждения ОВВ, так как в ОВ введено сопротивление, q<1.

Зависимость характеристики сопротивления при q=const от величины скольжения представлена на рисунке:

При этом, угол δ также меняется в связи со снижением ЭДС генератора и снижением максимума угловой характеристики. При неизменной механической мощности от турбины, электрическая мощность становится меньше механической, тормозящий электрический момент становится меньше механического, угол растёт и наступает проворот.

В реальности при качаниях и выпадении генератора их синхронизма годографы сопротивлений имеют следующий вид:

а) Годографы сопротивлений при потере возбуждения генератором: кривая 3 – из недовозбуждённого состояния, кривая 4 – из номинального режима, кривая 5 – из перевозбуждённого состояния. Как видно, все из них представляют собой перекрученные 2 раза спирали, в которых изначально превалирующим фактором было снижение ЭДС генератора, поэтому годограф близок к дуге - годографу при уменьшении q и постоянном δ. А после, так как ЭДС установилось, превалирующим фактором стало увеличение δ, поэтому график близок к годографу при q<1 и изменении δ. Заметим, что из перевозбуждённого состояния генератор входит в АР гораздо дольше (в 7-9 раз), чем из недовозбуждённого.

б) Годограф при качаниях без выпадения генератора из синхронизма – кривая 6. Здесь видим, что график представляет собой дугу с уменьшающимся радиусом. Уменьшение радиуса говорит об увеличении угла δ. Максимальное значение угла δ (конец площадки ускорения, начало площадки торможения) достигается в момент 0,9 с, после чего радиус растёт, причём по другой траектории, с большим радиусом годографа.

в) Кривая 7 – годограф при выпадении генератора из синхронизма, АХ без потери возбуждения. Реактивное сопротивление при этом становится отрицательным, потому что сопротивление генератора отрицательным (направление мощности от генератора в систему принято за положительное), годограф представляет собой окружность с примерно постоянным радиусом. Это связано с тем, что ЭДС генератора не меняется, так как не изменилось возбуждение.

Задачей РЗ является различить АХ без потери возбуждения, АР с потерей возбуждения и качания между собой и в первом случае выдать сигнал на отключение выключателя, во втором – предупреждение, в третьем – не реагировать. Описание характеристик следует привязать к годографу 1 (на годографе 2 угол поворота CD другой), при этом учитывая что сопротивление генератора отрицательно (то есть, картинка переворачивается, снизу q<1, сверху q>1).

Заметим, что при качаниях годограф близок к дуге окружности с определённым радиусом (при этом эта дуга не заходит за кривую δ=90°), а при АР годограф представляет собой спираль. Исходя из этого, чтобы отличить качания от АР, характеристика первой ступени РЗ (на сигнал) должна быть в виде окружности с определённым радиусом.

При АХ годограф близок к окружности определённого радиуса, поэтому чтобы отличить АХ от качаний, нужно отличить окружность от дуги. Самый простой способ это сделать – отследить, пересекает ли годограф линию δ=90°. Для этого применяют эллиптическую характеристику, которая строится вокруг годографа при δ=90° и изменении q, при этом внутри эллипса находится точка q=∞ (т. к. при E_г = 0 q=∞, к этой точке сходятся спиралевидные годографы при АР). 2 ступень срабатывает, если годограф сопротивления пересекает характеристику в 2 точках («входит» внутрь эллипса и «выходит» из него) и не срабатывает, если годограф сопротивления пересекает характеристику в 1 точке (только «входит»).

Окружность 1 и эллипс 2 на координатных плоскостях выше – характеристики срабатывания защит на сигнал и на отключение.

Построение данной характеристики изображено ниже. Характеристика первой ступени представляет собой окружность, пересекающую мнимую ось в точках 0,5x_d’’ и x_d. Первая точка пересечения обусловлена тем, что сопротивление генератора не может быть ниже, чем 0,5x_d’’: x_р = 0,5x_d’’ только при условии, что ЭДС генератора и системы равны номинальному ЭДС генератора (ЭДС системы обычно меньше ЭДС генератора), угол между ними равен 180°, защита установлена на шинах после генератора. В этом случае .

Нижняя точка отделяет нормальные режимы от переходных, сопротивление генератора в переходных режимах меньше x_d.

Защита от асинхронного хода с использованием линзообразной характеристики и оси линзы (видимо, вторая ступень). Аналогична эллиптической характеристике.

Применяется на MICOM P342, P343, P344, P345