Б.В. Соколов Релейная защита и автоматика систем электроснабжения

1

ВВЕДЕНИЕ

Система электроснабжения (СЭС) является сложным производственным объектом, все элементы которого участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями которого являются: быстротечность явлений и большая вероятность повреждений аварийного характера (коротких замыканий) в электрических установках.

Надежное и экономичное функционирование СЭС возможно только при автоматическом управлении. С этой целью используется комплекс автоматических устройств, среди которых первостепенное значение имеют устройства релейной защиты и автоматики (РЗ и А).

Рост потребления электроэнергии и усложнение систем электроснабжения требуют постоянного совершенствования этих устройств. В настоящее время широко применяются простейшие средства защиты, а так же релейные (токовые) средства защиты и устройства автоматизации. Наблюдается явная тенденция в создании автоматизированных систем управления на основе использования полупроводниковых и цифровых универсальных комплектов защит и специализированных электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Комплекс устройств автоматического управления включает в себя устройства релейной защиты и автоматизации. Устройства РЗ действуют при повреждении электрических установок или нарушении их режима работы. Они предназначены для быстрого выявления и отключения поврежденного элемента СЭС, т.е. для предотвращения развития аварии и уменьшения размеров повреждения при коротком замыкании (КЗ). Эти устройства также обеспечивают выявление ненормальных режимов работы элементов СЭС, вызванных перегрузкой оборудования или внешними КЗ, возникшими в других элементах СЭС. В этом случае РЗ действует на разгрузку или на отключение поврежденного элемента.

Для восстановления нормального режима в СЭС предусматриваются устройства автоматизации: устройство автоматического повторного включения (УАПВ), устройство автоматического включения резерва (УАВР), устройство автоматической частотной разгрузки (УАЧР).

Целью изучения дисциплины является формирование базовых знаний по принципам построения и работы устройств релейной защиты и автоматики ЛЭП, силовых трансформаторов и электрических двигателей и обеспечения надежного функционирования системы электро-

2

снабжения (СЭС).

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

-классификацию, принцип действия и особенности конструкции элементов, на основе которых выполняются существующие и перспективные устройства РЗ и А;

-распределение токов и напряжений в элементах СЭС при различных видах КЗ;

-принципы действия и особенности построения дифференциальных и направленных защит, а также защит от замыкания на землю;

-принципы построения защит основных элементов СЭС.

В результате изучения дисциплины студент должен уметь:

-производить регулировку (настройку, проверку) типовых защит

иустройств автоматики;

-анализировать схемы сложных защит и обоснованно применять их на практике;

-проектировать различные типы защит и автоматики для основных элементов СЭС.

В процессе изучения дисциплины студенты выполняют лабораторные работы и курсовой проект.

Цель лабораторных работ – изучение принципа работы основных защит, применяемых в устройствах РЗ, и получение практических навыков по исследованию основных параметров устройств автоматики.

Лабораторные работы выполняются по следующим темам: токовая отсечка, максимальная токовая защита, устройство автоматического повторного включения (АПВ), устройство автоматического включения резерва (АВР), защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью.

Тема курсового проекта: «Релейная защита типовых элементов СЭС».

Задание на курсовое проектирование: разработать релейную защиту и автоматику основных элементов СЭС (силового трансформатора, линии электропередачи и асинхронного двигателя).

Содержание курсового проекта.

1. Расчет токов КЗ в типовых точках.

2. Выбор типов защит и расчет их уставок, проверка чувствительности защит.

3. Построение принципиальных схем защит и диаграммы выдержек времени.

3

4. Расчет и построение схем устройств автоматики.

Курсовой проект представляется на листах формата А1 и сопровождается пояснительной запиской в объеме 20…30 страниц рукописного текста формата А4.

Задание для выполнения курсового проекта приведено в отдельной методической разработке [22].

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Основная литература

1.Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1991. – 496 с.

2.Чернобровов Н.В. Релейная защита энергетических систем: Учеб. для техн. / Н.В. Чернобровов, В.А. Семенов. – М.: Энергоатомиз-

дат, 1998. – 800 с.

Дополнительная литература

3.Андреев В.А. Релейная защита, автоматика и телемеханика в системах электроснабжения: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1985. – 391 с.

4.Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.

5.Чернобровов Н.В. Релейная защита: Учеб. для техн. – М.: Энер-

гия, 1974. – 680 с.

6.Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 520 с.

7.Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматических распределительных сетей. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 296 с.

8.Шабад М.А. Защита трансформаторов 10 кВ. – М.: Энергоатом-

издат, 1989. – 144 с.

9.Шабад М.А. Максимальная токовая защита. – Л.: Энергоатом-

издат, 1991. – 96 с.

10.Овчинников В.В. Реле РНТ в схемах дифференциальных защит. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 88 с.

11.Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 112 с.

12.Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания

4

и выбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева. – М.: НЦ ЭНАС, 2001. – 152 с.

13.Беркович М.А. Автоматика энергосистем: Учеб. для техн./ М.А. Беркович, В.А. Гладышев, В.А. Семенов. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.

14.Александров К.К. Электрические чертежи и схемы. / К.К.Александров, Е.Г. Кузьмина. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с.

15.Реле защиты. / В.С. Алексеев, Г.П. Варганов, Б.И. Панфилов, Р.З. Розендлюм. – М.: Энергия, 1976. – 464 с.

16.Реле тока: Метод. указания к лабораторной работе / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2003. – 18 с.

17.Индукционные измерительные реле: Метод. указания к лабораторной работе / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 1999. – 24 с.

18.Реле направления мощности: Метод. указания к лабораторной работе / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2001. – 28 с.

19.Неклепаев В.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справ. материалы для курсового и дипломного проектирования. В.Н. Неклепаев, И.П. Крючков. / – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.

20.Справ. по проектированию электроснабжения / Под ред.

Ю.Г. Барыбина. – М.: ЭАИ, 1990. – 576 с.

21.Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. / В.И. Корогодский, С.Л. Кутеков, Л.Б. Панерко. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 298 с.

22.Релейная защита и автоматизация СЭС: Метод. указания и задания к курсовому проекту / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2004. – 15 с.

23.Релейная защита понижающих трансформаторов: Метод. указания к курсовому проекту / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2004. – 18 с.

24.Релейная защита линий электропередачи в сети с изолированной нейтралью: Метод. указания к курсовому проекту / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2004. – 17 с.

25.Релейная защита электродвигателей напряжением свыше 1000 В: Метод. указания к курсовому проекту / Сост.: Б.В. Соколов. – Кемерово: КузГТУ, 2004. – 21 с.

5

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

РАЗДЕЛ 1. Релейная защита и автоматизация ЛЭП

ТЕМА 1. Характеристика токов и напряжений в ненормальных и аварийных режимах работы распределительных сетей

Распределение токов и напряжений по линии при различных видах КЗ. Векторные диаграммы токов и напряжений в месте установки защиты при различных видах КЗ. Остаточное напряжение на шинах.

[2, с. 17-25].

Методические указания

При изучении этой темы следует рассмотреть распределение токов и напряжений в трех сечениях линии: в точке КЗ, в промежуточной точке ЛЭП и на шине генератора (источника питания). Этот анализ необходимо сделать для основных видов КЗ: трехфазного, двухфазного и однофазного. Отдельно следует рассмотреть диаграммы токов и напряжений для сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю.

Особое внимание следует уделить определению остаточного напряжения на шине генератора.

Контрольные вопросы

1.Виды повреждений в сетях с глухо заземленной и с изолированной нейтралью.

2.Векторные диаграммы токов и напряжений в точке КЗ и на шине установки защиты при различных видах КЗ (трехфазном, двухфазном и однофазном).

3.Остаточное напряжение на шине (в месте установки защиты) при различных видах КЗ.

4.Особенности распределения токов при однофазных КЗ в сети с заземленной нейтралью и однофазном замыкании в сети с изолированной нейтралью.

6

ТЕМА 2. Дифференциальная токовая защита

Виды дифференциальных токовых защит. Назначение и принцип действия продольной дифференциальной токовой защиты. Ток небаланса. Принципы и особенности выполнения продольной дифференциальной токовой защиты. Область применения. Расчет параметров, особенности реализации. Поперечные дифференциальные токовые и токовые направленные защиты. Особенности построения и расчета. Способы повышения чувствительности дифференциальных защит. Особенности построения защит РНТ и ДЗТ. [1, с. 243-247], [2, с. 318-335].

Методические указания

Дифференциальные токовые защиты являются быстродействующими и применяются в качестве основных. Их подразделяют на продольные и поперечные.

Принцип действия продольной ДЗ основан на сравнении величины и фазы тока одноименных фаз на концах защищаемой линии (элемента). На практике широко применяется ДЗ с циркулирующими токами, в которой реле подключается параллельно вторичным обмоткам измерительных трансформаторов тока, соединенным между собой при помощи соединительных проводов.

При изучении этой темы следует уяснить принцип работы ДЗ, ток небаланса ДЗ и расчет тока срабатывания защиты. Особое внимание следует уделить работе насыщающегося трансформатора тока, а также назначению и способам включения уравнительных и тормозной обмоток.

При изучении поперечных ДЗ следует уяснить распределение токов при изменении положения точки КЗ, причину и параметры «мертвой зоны» и зоны каскадного действия защит, а также чувствительность ДЗ, ее достоинства и недостатки, функциональную схему и область применения.

Контрольные вопросы

1.Принцип действия продольной ДЗ.

2.Структурная схема дифференциальной отсечки.

3.Ток небаланса ДЗ и пути его уменьшения.

4.Способы повышения чувствительности ДЗ.

7

5.Причины появления «мертвой зоны» поперечной ДЗ.

6.Порядок расчета параметров ДЗ.

7.Особенности выполнения ДЗ.

8.Достоинства и недостатки ДЗ.

ТЕМА 3. Защиты от замыканий на землю

Защита от КЗ на землю в сети с большим током замыкания на землю. Максимальная токовая защита нулевой последовательности. Принцип действия и схема построения защиты. Ток небаланса. Расчет уставок. Токовые направленные защиты нулевой последовательности. Защиты от замыканий на землю в сети с малыми токами замыкания на землю. Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю. Особенности построения защит от ОЗЗ. [1, с. 207-212], [2, с. 226-278].

Методические указания

Для защиты линий с заземленной нейтралью (110 кВ) от КЗ на землю используют отдельный комплект защиты. Реле подключают к фильтру токов нулевой последовательности. В остальном схема аналогична схемам токовых защит от междуфазных КЗ.

Вобщем случае защиту выполняют ступенчатой. Ток срабатывания МТЗ нулевой последовательности отстраивают от тока небаланса в нормальном режиме. Время действия защиты выбирают по ступенчатому принципу.

Принцип действия и порядок расчета отсечек нулевой последовательности такой же, как и отсечек, реагирующих на полные токи фаз.

Всетях с изолированной нейтралью (6, 10, 35 кВ) замыкание одной фазы на землю не вызывает короткого замыкания, так как в этом случае ЭДС поврежденной фазы не шунтируется накоротко, а только закорачивается емкость этой фазы. Возникающий при этом в месте повреждения ток замыкается через емкость проводов «неповрежденных» фаз относительно земли и имеет небольшую величину (несколько десятков ампер). Поэтому снижения напряжения в сети не происходит.

При изучении этой темы следует уяснить векторные диаграммы токов и напряжений в нормальном и ненормальных режимах работы сети.

Вкачестве защит замыканий на землю применяют токовые защиты, реагирующие на ток нулевой последовательности. В качестве

8

фильтра тока нулевой последовательности применяют специальный трансформатор тока нулевой последовательности особой конструкции («бублик»). В нем ток нулевой последовательности получается в результате суммирования магнитных потоков первичного тока трех фаз.

Для обеспечения селективности защиты в разветвленных сетях используют направленные защиты нулевой последовательности.

Контрольные вопросы

1. Принципы работы токовой защиты нулевой последовательности

(НП).

ТЕМА 4. Дистанционные защиты

Назначение и принцип действия защиты. Состав и назначение элементов схемы защиты. Характеристики срабатывания дистанционных защит. Принципы выполнения реле сопротивления. Выбор уставок дистанционной защиты и область ее применения. Полупроводниковые дистанционные защиты. [1, с. 230-236], [2, с. 361-365].

Методические указания

Дистанционной называют токовую защиту, выдержка времени которой автоматически изменяется по мере изменения расстояния (дистанции) от места установки защиты до точки КЗ. В качестве меры дистанции в них используют величину сопротивления на зажимах дистанционного измерительного органа (реле сопротивления). В нормальном режиме это сопротивление имеет максимальную величину. По мере приближения точки КЗ к месту установки защиты (из-за снижения напряжения на шине и увеличение тока в реле) он уменьшается. Время срабатывания защиты может уменьшаться плавно либо дискретно (ступенчато).

Реле сопротивления подключают к измерительным трансформаторам тока и напряжения (ТА, ТV) так, чтобы сопротивление реле было пропорционально расстоянию до точки КЗ и не зависело от вида КЗ.

Для этого в защитах, реагирующих на многофазные КЗ, реле сопротивления включают на линейные напряжения и разности фазных токов, одноименные с напряжением.

На практике широко применяют ступенчатые дистанционные за-

9

щиты. Они аналогичны токовым направленным защитам и отличаются от них реагирующим органом. Обычно плечо зон и ступеней выдержек времени не превышает трех.

Выбор уставок дистанционных защит сводится к определению сопротивления срабатывания каждой из трех ступеней защиты.

Контрольные вопросы

1.Принцип действия дистанционной защиты.

2.Структурная схема дистанционной защиты.

3.Принципы выполнения реле сопротивления и характеристики их срабатывания.

4.Пусковые органы дистанционной защиты.

5.Выбор уставок дистанционных защит.

ТЕМА 5. Устройства автоматики

Автоматическое повторное включение, требования ПУЭ, назначение и принцип работы. Параметры УАПВ для линий с односторонним питанием. Согласование работы устройств РЗ и АПВ. Особенность АПВ линий с двухсторонним питанием. АПВ трансформаторов и шин подстанций.

Автоматическое включение резервного питания. Назначение и принцип работы. Требования ПУЭ. Типовые схемы УАВР на переменном и постоянном токе для ЛЭП, трансформаторов, секционных выключателей и электродвигателей. Согласование действия АВР с РЗ и другими видами автоматики. Расчет уставок [1, с. 266-277, 280-287].

Методические указания

Электроснабжение потребителей, потерявших питание, можно восстановить автоматическим подключением их к другому источнику питания с помощью устройства АВР.

Эти устройства должны удовлетворять множеству требований, которые положены в основу принципов их выполнения. При изучении данной темы следует четко уяснить основные требования, предъявляемые к устройствам АВР, логику (последовательность) их работы и порядок выбора уставок срабатывания.

Применение устройств АПВ способствует повышению надежно-