По принципу действия электромеханических реле

Основы релейной защиты

В сетях промышленных предприятий для защиты линий, трансформаторов, двигателей и преобразовательных агрегатов применяют релейную защиту (основной вид электрической автоматики), которая призвана ограничить или полностью устранить в системе электроснабжения возможные нарушения нормального режима работы.

Требования к релейной защите, основные понятия и определения

Аварийные режимы, в системах электроснабжения промышленных предприятий, могут вызывать повреждения оборудования и нарушения синхронизма работы генераторов электростанций. Для предотвращения последствий и развития нештатных (аварийных) ситуаций используют совокупность автоматических устройств, которые объединяют под общим названием релейная защита (РЗ).

Устройства РЗ состоят из отдельных функциональных элементов, связанных между собой общей схемой (рис. 1) и предназначенных для решения стоящих перед ними задач.

Рис. 1. Структура РЗ.

Входной (воздействующей) величиной для РЗ является электрический параметр, определяемый типом релейной защиты. Так, например, для максимально токовых защит, таким параметром является ток ( ), проходящий через защищаемый элемент электроэнергетической системы (ЭЭС). Если величина превысит установленное значение ( ), то происходит срабатывание пускового органа РЗ. Выходной сигнал с этого блока ( ) поступает на логическую часть защиты (например, реле времени). При срабатывании логической части защиты вырабатывается сигнал , поступающий на исполнительную часть защиты, выполняющую функцию усилительного органа (например, промежуточное реле).

При реализации более сложных видов защит, в качестве входных параметров могут использоваться несколько воздействующих величин.

Релейная защита должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Селективность (избирательность) – способность РЗ отключать только защищаемый элемент ЭЭС, несмотря на то, что ток КЗ протекает и по другим неповреждённым элементам.

2. Быстродействие – способность с минимально допустимым временем производить отключение повреждённого участка.

3. Надёжность – способность защиты безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна срабатывать ложно в режимах, при которых действие данной РЗ не предусмотрено.

4. Чувствительность – способность РЗ реагировать на те отклонения от нормального режима, которые возникают в результате повреждения. Например. На рис. 2 изображён участок ЭЭС с установленными токовыми защитами РЗ1 и РЗ2, которые отличают нормальный режим от режима КЗ по возрастанию тока.

Рис.2. Схема участка ЭЭС и размещение токовых защит.

РЗ1 служит для защиты линии АВ, а РЗ2 – ВС. Однако в случае возникновения на шине С (в точке К2) КЗ и отказе защиты РЗ2 ликвидация повреждения должна осуществлять РЗ1, т.е. РЗ1 должна «чувствовать» КЗ в конце смежной линии, чтобы она смогла выполнить функции резервирования РЗ2.

Для токовой защиты ток срабатывания защиты - наименьший первичный ток, при котором приходит в действие пусковой орган защиты. должен быть меньше . Для защит от междуфазных КЗ чувствительность проверяется по наименьшему току для двухфазного КЗ:

, (1)

где .

Коэффициент чувствительности ( ) защиты характеризует отношение величины контролируемого параметра в режиме КЗ к величине порога срабатывания защиты, т.е. определяет, во сколько раз минимальный ток КЗ больше :

. (2)

для основных защит (для К1 РЗ1 является основной, см. рис. 2). для резервной защиты (для К2 РЗ1 является резервной).

В качестве измерительных преобразователей (датчиков) для РЗ используют трансформаторы тока и напряжения. В устройствах релейной защиты обмотки трансформаторов тока (ТА) и реле соединяются по определённым схемам. Поведение реле, при этом, зависит от характера распределения тока по обмоткам реле при различных видах КЗ. При выполнении максимальных токовых защит (МТЗ) и токовых отсечек (ТО) используют следующие схемы:

1. Трёхфазная трёхлинейная схема полной звезды для защит сетей с глухозаземлённой нейтралью от всех видов КЗ (рис. 3а).

2. Двухфазная двухрелейная (трёхлинейная) в схемах в качестве защиты от междуфазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью (рис. 3б).

3. Двухфазная однорелейная схема в качестве защиты от междуфазных КЗ для неответственных потребителей (рис. 3в).

4. Фильтр токов нулевой последовательности для выполнения защит от замыканий на землю в сети с глухозаземлённой нейтралью (рис. 3г).

а)	б)	в)	г)

Рис. 3. Схемы соединения ТА и обмоток реле:

а – трёхфазная трёхлинейная схема полной звезды; б – двухфазная двухрелейная; в - двухфазная однорелейная; г – фильтр токов нулевой последовательности.

Для питания цепей релейной защиты, автоматики и измерения обмотки трансформаторов напряжения (TU) соединяют по определённым схемам. Выбор схемы зависит от того, какое напряжение необходимо получить – фазное, линейное или напряжение нулевой последовательности (рис. 4).

Рис. 4. Схемы соединения TU.

Классификация РЗ

По элементной базе

Варианты построения РЗ.

1. На микропроцессорной базе. Современное развитие РЗ основано на использовании микроконтроллеров и ЭВМ, которые позволяют осуществлять реализацию арифметико-логического преобразования информации о состоянии ЭЭС с помощью аналитических выражений.

Важным достоинством использования электронных вычислительных машин является возможность выполнения защиты любой сложности с применением автоматического тестового контроля. Недостатком является относительно низкая надёжность и сложность аппаратуры.

2. На полупроводниковой базе. Полупроводниковые диоды и триоды стали основой создания релейной защиты и автоматики второго поколения. Использование полупроводниковой элементной базы в устройствах релейной защиты и автоматики позволяет повысить их быстродействие, уменьшить массу и габаритные размеры. Наиболее существенный недостаток полупроводников - зависимость их параметра от температуры.

3. На простейших устройствах, использующие электромеханические и электротепловые элементы (электромеханические реле).

По физической величине

Токовые; напряжения; мощности; сопротивления; частоты; времени; фазовые.

По времени действия

- безинерционные, время действия колеблется на уровне тысячных долей секунды.

- быстродействующие, время действия порядка двух периодов

электрического тока частотой 50Гц (до 0,05с).

- обыкновенные, время действия находится в пределах от 0,05 до 0,25с.

- замедленного действия, время действия таких реле превышает 0,25с.

По роду оперативного тока

На постоянном и переменном токе.

По назначению

1. Устройства автоматического управления. Использование противоаварийной автоматики; устройств автоматического включения резерва, автоматического повторного включения, автоматической частотной разгрузки.

2. Устройства автоматического регулирования. Использование автоматических синхронизаторов позволяет полностью автоматизировать регулирование возбуждения синхронных машин, а также включение их в параллельную работу, что позволяет (при резерве активной мощности) поддерживать баланс мощности в системах электроснабжения при аварийных ситуациях.

3. Автоматизированные системы управления. Наличие устройств п.1 и 2 позволяет осуществлять управление ЭЭС и обеспечивать экономичность нормальных режимов её работы.

По типу

- Основная защита. Она предназначена для действия при КЗ в пределах всего защищаемого элемента со временем, меньшим, чем у других защит.

- Резервная защита, которая работает вместо основной защиты в случае её отказа или вывода из работы.

По виду защит

1. Токовые защиты. Содержат три ступени, являются относительно селективными и могут осуществлять как ближнее, так и дальнее резервирование. Быстродействующая первая ступень защиты – токовая отсечка без выдержки времени – имеет только измерительный орган, а вторая и третья ступени – токовая отсечка с выдержкой времени и максимальная токовая защита – содержат два органа: измерительный и выдержкой времени. Вторую ступень выполняют с независимой от тока выдержкой времени, а третью – с независимой и зависимой. Функции измерительного органа выполняют реле тока, входящие в измерительную часть схемы. Они реагируют на повреждения или нарушения нормального режима работы и вводят в действие орган выдержки времени. Для повышения чувствительности защиты иногда используют комбинированный измерительный орган, в котором наряду с реле тока имеются реле напряжения.

В схемах токовых защит имеются также вспомогательные реле. Вместе с реле времени они образуют логическую часть схемы. Промежуточные реле облегчают работу контактов основных органов защиты и, вводя некоторое замедление, предотвращает действие токовой отсечки без выдержки времени при работе трубчатых разрядников. Указательное реле позволяет контролировать срабатывание защиты.

2. Токовые направленные защиты.Для селективного действия в сетях с двусторонним питанием токовая защита дополняется измерительным органом направления мощности. Такая защита называется токовой направленной. Данный тип защиты обычно выполняется трёхступенчатой с относительной селективностью. В отличие от токовой защиты токовая направленная реагирует не только на абсолютное значение тока в защищаемом элементе, но и на его фазу относительно напряжения на шинах у места установки защиты, т.е. действует в зависимости от направления мощности при КЗ. Селективное действие защиты обеспечивается соответствующим включением органа направления мощности и выбором выдержки времени.

3. Дистанционные защиты. В схемах электроснабжения в зависимости от режима работы и вида короткого замыкания изменяются токи повреждения, поэтому чувствительность токовых и токовых направленных защит, зоны действия отсечек не остаются постоянными. В минимальном режиме работы системы электроснабжения они могут оказаться недостаточными. В сложных сетях максимальная токовая направленная защита не всегда удовлетворяет требованиям селективности и быстродействия. В связи с этим желательно иметь защиту, характеристическая величина которой не зависит от режима работы системы электроснабжения, а время действия защиты определяется только расстоянием от места её установки до места короткого замыкания. Такой защитой является дистанционная защита. Она реагирует на отношение напряжения к току в месте установки защиты. Это отношение называется сопротивлением на зажимах реле защиты. При соответствующем включении реле это сопротивление пропорционально расстоянию от места установки защиты до места КЗ и не зависит от режима работы системы электроснабжения.

Дистанционная защита обычно выполняется трёхступенчатой с относительной селективностью. Параметрами каждой ступени является длина защищаемой зоны и время срабатывания. По характеристикам выдержек времени её первая, вторая и третья ступени аналогичны соответствующим ступеням токовой защиты.

4. Дифференциальные токовые защиты. Для защиты элементов электрических установок широко используется дифференциальный принцип (сравнение токов), на котором осуществляются продольные (в начале и конце защищаемой зоны) и поперечные (сравнение токов в параллельных ветвях защищаемого участка сети) дифференциальные защиты с абсолютной селективностью.

Максимальные токовые защиты

Принцип действия основан на то, что при возникновении КЗ ток увеличивается и начинает превышать ток нагрузочного режима. Селективность действия при этом достигается выбором выдержек времени.

В пределах каждого элемента МТЗ устанавливается как можно ближе к источнику питания.

Схемы МТЗ классифицируются по ряду признаков:

1. способу питания оперативных цепей (МТЗ на постоянном или переменном токе);

2. способу воздействия на привод выключателя – прямого или косвенного действия;

3. характеру зависимости выдержки времени от тока – защиты с независимой и зависимой выдержкой времени;

4. способу соединения обмоток ТА и обмоток реле;

5. назначению – защиты от КЗ и защиты от перегрузок током.

В качестве пусковых органов (ПО) МТЗ используют токовые реле.

Расчёт параметров МТЗ

Для того чтобы защита работала при КЗ и не работала в нормальных режимах необходимо определять ток срабатывания защиты - .

- это наименьший первичный ток, необходимый для действия ПО защиты. При этом необходимо обеспечить несрабатывание МТЗ при максимальных токах ( ) и пусковых токов ( ) нагрузки. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

1. - пусковые органы защит не должны приходить в действие при максимальном рабочем токе нагрузки;

2. Пусковые органы защиты, пришедшие в действие при внешнем КЗ, должны вернуться в исходное состояние после его отключения и снижения до . Для выполнения этого условия ток возврата защиты (это наибольший первичный ток, при котором ПО возвращаются в исходное состояние) должен удовлетворять требованию , где - коэффициент самозапуска двигательной нагрузки, учитывает возрастание тока при самозапуске двигателей, которые тормозятся при снижении напряжения при внешних коротких замыканиях, .

Токи и связаны коэффициентом возврата :

, (3)

где , для МТЗ .

Следовательно, при выполнении условия 2 всегда выполняется условие 1, поэтому выражение для определения можно получить следующим образом:

, (4)

где - коэффициент надёжности, учитывает погрешность в определении , .

. (5)

Зная величину , можно определить - ток срабатывания реле, как ток , пересчитанный на вторичную обмотку ТА , где - коэффициент схемы, зависящий от схемы соединения ТА и обмоток реле и равный отношению тока в реле ко вторичному току ТА; - коэффициент трансформации ТА. По рассчитанному значению определяют - ток уставки. Участи токовых реле регулируется плавно (реле РТ-40), у других - ступенчато (реле РТ-80), при этом округление до производится в большую сторону.

Схемы МТЗ

Рассмотрим работу максимальной токовой защиты построенной по трёхфазной, трёхлинейной схеме, с независимой выдержкой времени на постоянном оперативном токе (рис. 5).

а)	б)

Рис. 5. Схема МТЗ на постоянном оперативном токе:

а – цепь переменного тока; б – цепи постоянного тока.

При появлении КЗ, например трёхфазного тока, ток в реле КА1, КА2, КА3 и они срабатывают, при этом их контакты замыкаются. По обмотке реле времени (КТ) протекает ток и, с установленным на нём , замыкается контакт КТ, который обеспечивает питание на катушку указательного реле (КН) и промежуточного (KL). Контакты реле KL, замыкая свои контакты в цепи катушки отключения (УАТ) выключателя, что приводит к отключению силового выключателя Q.

Сигнальное реле КН своими контактами сигнализирует о срабатывании защиты.

Направленные МТЗ

В сетях с двухсторонним питанием с помощью обычных МТЗ не удаётся обеспечить селективность защит, т.к. в одном случае (замыкание в точке К1, см. рис. 8) требуется выполнение неравенства , а в другом случае (замыкание в точке К2), наоборот, .

Рис. 8. Принцип действия направленной МТЗ.

При коротком замыкании точка КЗ делит схему на две части. Следовательно, потоки мощности короткого замыкания от источников, и проходящие через соответствующие последовательности цепи защит, будут встречно направлены. Отличить место возникновения КЗ можно, если контролировать направление мощности КЗ ( ), такую функцию реализует реле направления мощности. Время действия должно согласовываться между собой у защит, работающих от тока КЗ одного источника, и увеличение времени происходит по мере приближения от потребителя к тому источнику, от которого работает данная защита. График согласования приведён на рисунке 9.

Рис. 9. График согласования защит.

Согласно временной диаграмме (рис. 9) между собой согласуются защиты 1, 3, 5 и 2, 4, 6: ; ; ; .

Величина определяется, как для обычных МТЗ

. (11)

Правила определения коэффициента чувствительности остаются прежними.

Токовые отсечки

Токовые отсечки (ТО) являются разновидностью токовой защиты. Используются в качестве первых ступеней токовых защит.

ТО мгновенного действия

Рис. 12. Принцип действия ТО без выдержки времени.

Характер изменения в зависимости от , где - расстояние до точки КЗ, приведён на рис. 12.

. (13)

Ток выбирают таким образом, чтобы защита отключала КЗ на своей линии и не отключала на соседней, т.е.: , где - максимальное значение при КЗ в начале следующей ЛЭП.

, (14)

где .

В расчётах всегда используют максимальное значение тока КЗ ( ), т.к. если расчёт будет произведён по меньшему значению тока КЗ (например, ), то возможно неселективное действие ТО при КЗ на последующей линии.

Точка М, в которой , делит линию Л1 на две части: где - зона работы защиты и, где - «мёртвая зона» и защита не работает. Наличие «мёртвой зоны» является недостатком ТО. Величина такой зоны может быть определена следующим образом:

; (15)

; (16)

; (17)

или

. (18)

Допустимо применение ТО, если её зона охватывает более 20 % от длины линии.

Для защиты части линии, не попавшей в зону ТО, применяют ещё одну ТО с выдержкой времени, которая выступает в качестве второй зоны токовой защиты.

Рис. 13. График согласования ТО с выдержкой времени.

Ток выбирают с учётом охвата всей защищаемой линии. Для этого ток срабатывания согласуют с током срабатывания мгновенной ТО следующей линии (Л2):

; (19)

, (20)

где .

также согласуется с временем :

, (21)

где (с).

График согласования приведён на рис. 13.

Схема ТО без выдержки времени аналогична схеме МТЗ без реле времени. Схема ТО с выдержкой времени такая, как и схема МТЗ.

Дифференциальные защиты

Очень часто по соображениям сохранения устойчивости, снижения возможных последствий КЗ требуется отключать оборудование без выдержки времени при КЗ в любой точке данного электрооборудования.

МТЗ и токовые отсечки отключение КЗ без выдержки времени не выполняют, что связано с их принципами действия и особенностями. Одним из видов защит, позволяющих выполнять отключение без выдержки времени при КЗ в любой точке защищаемого элемента являются дифференциальные защиты. Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величин и фаз токов в начале и конце защищаемого элемента.

Дифференциальные защиты делятся на продольные и поперечные. В продольных дифзащитах токи сравниваются по концам защищаемого элемента (линии, трансформатора и др.), а в поперечных дифзащитах токи сравниваются в параллельных ветвях защищаемого элемента (параллельных линиях, параллельных ветвях обмотки статора генератора).

Токовая погрешность ТА

В реальных системах для реальных ТА и при внешних КЗ и нормальных режимах. С учётом токовой погрешности , тогда

, (24)

где - токи намагничивания ТА.

При условии, что , по реле протекает ток

, (25)

называемый током небаланса.

Для того чтобы защита не работала при внешних КЗ, . При определении учитывают следующие условия:

1. , где . Это первое условие, по которому рассчитывается дифзащит. Ток определяется по максимальному току, протекающему через защиту при внешнем КЗ, когда трёхфазное КЗ возникает в конце линии;

2. . Это условие отстройки от броска тока намагничивания при включении (силовых трансформаторов) и отстройки от обрыва соединительных проводов защиты.

В расчёте из условий 1 и 2 выбирают наибольшее значение и его принимают за окончательное значение .

От величины зависит чувствительность защиты. Основные причины существования и способы его снижения.

Наличие обусловлено:

1. неидентичностью ТА;

2. резко возрастает в первый момент КЗ, когда состоит из периодической ( ) и апериодической ( ) составляющих. Ток быстро затухает и не отражает истинной картины КЗ. Но влияет на увеличение ТА, что увеличивает погрешность ТА;

3. на увеличение оказывает влияние остаточное намагничивание сердечников ТА.

Для снижения необходимо:

1) подбирать ТА с идентичными характеристиками намагничивания;

2) ТА должны иметь зону насыщения при большом значении (такому требованию удовлетворяют ТА класса D);

3) для выравнивания необходимо выравнивать нагрузки вторичных обмоток ТА , а также уменьшать величину либо ограничивать вторичную ЭДС ТА путём увеличения ;

4) производить отстройку от , возникающего в первый момент КЗ (при ).

Один из способов отстройки состоит в замедлении действия защиты на время, в течение которого снижается практически до нуля, но это увеличивает время действия защиты.

Отстройка от в настоящее время производится с помощью специальных реле с быстронасыщающимися трансформаторами, а также реле, основанных на времяимпульсном принципе (реле ДЗТ-21).

Реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) - это реле РНТ-565 и реле ДЗТ-11, которое имеет дополнительно к БНТ ещё тормозные обмотки.

В БНТ отстройка от осуществляется за счёт выполнения сердечника БНТ из специальной стали с широкой петлей гистерезиса.

Т.к. изменяется незначительно ( ), в период времени с, то и изменение магнитного потока ( ) будет незначительным. За тоже время ток изменяет своё значение от максимального до минимального значения, следовательно, изменение потока тоже будет максимально возможным. ЭДС во вторичной обмотке ТА определяется как и, следовательно, зависит от изменения , поэтому ток во вторичной обмотке БНТ зависит от .

Ток практически полностью тратится на насыщение стали и не трансформируется (упрощённо эффект отсекания апериодической составляющей тока объясняется тем, что , медленно изменяясь во времени, напоминает собой постоянный ток) во вторичную обмотку БНТ.

Применение БНТ позволяет при расчёте учитывать не полное значение , а лишь его периодическое значение. Это приводит к снижению , а значит, к увеличению защиты.

Ещё один способ увеличения дифзащит состоит в использовании магнитного торможения. Тормозная обмотка ( ) реле включается таким образом, чтобы (момент тормозной обмотки) создавался больше (момент рабочей обмотки) при внешних КЗ (рис.

Рис. 16. Подключение реле с торможением и поведение защиты при внешних КЗ.

При внешних КЗ и отсюда за счёт подбора числа витков и ; - ток в тормозной обмотке, - ток в рабочей обмотке, в случае внешнего КЗ .

При КЗ в зоне защиты , а , т.е. и что приводит к срабатыванию реле (рис. 17).

Рис. 17. Подключение реле с торможением и поведение защиты при КЗ в зоне защиты.

Применение торможения позволяет снизить , поскольку его можно не отстраивать от при внешних КЗ.

Основы релейной защиты

В сетях промышленных предприятий для защиты линий, трансформаторов, двигателей и преобразовательных агрегатов применяют релейную защиту (основной вид электрической автоматики), которая призвана ограничить или полностью устранить в системе электроснабжения возможные нарушения нормального режима работы.

Требования к релейной защите, основные понятия и определения

Аварийные режимы, в системах электроснабжения промышленных предприятий, могут вызывать повреждения оборудования и нарушения синхронизма работы генераторов электростанций. Для предотвращения последствий и развития нештатных (аварийных) ситуаций используют совокупность автоматических устройств, которые объединяют под общим названием релейная защита (РЗ).

Устройства РЗ состоят из отдельных функциональных элементов, связанных между собой общей схемой (рис. 1) и предназначенных для решения стоящих перед ними задач.

Рис. 1. Структура РЗ.

Входной (воздействующей) величиной для РЗ является электрический параметр, определяемый типом релейной защиты. Так, например, для максимально токовых защит, таким параметром является ток ( ), проходящий через защищаемый элемент электроэнергетической системы (ЭЭС). Если величина превысит установленное значение ( ), то происходит срабатывание пускового органа РЗ. Выходной сигнал с этого блока ( ) поступает на логическую часть защиты (например, реле времени). При срабатывании логической части защиты вырабатывается сигнал , поступающий на исполнительную часть защиты, выполняющую функцию усилительного органа (например, промежуточное реле).

При реализации более сложных видов защит, в качестве входных параметров могут использоваться несколько воздействующих величин.

Релейная защита должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Селективность (избирательность) – способность РЗ отключать только защищаемый элемент ЭЭС, несмотря на то, что ток КЗ протекает и по другим неповреждённым элементам.

2. Быстродействие – способность с минимально допустимым временем производить отключение повреждённого участка.

3. Надёжность – способность защиты безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна срабатывать ложно в режимах, при которых действие данной РЗ не предусмотрено.

4. Чувствительность – способность РЗ реагировать на те отклонения от нормального режима, которые возникают в результате повреждения. Например. На рис. 2 изображён участок ЭЭС с установленными токовыми защитами РЗ1 и РЗ2, которые отличают нормальный режим от режима КЗ по возрастанию тока.

Рис.2. Схема участка ЭЭС и размещение токовых защит.

РЗ1 служит для защиты линии АВ, а РЗ2 – ВС. Однако в случае возникновения на шине С (в точке К2) КЗ и отказе защиты РЗ2 ликвидация повреждения должна осуществлять РЗ1, т.е. РЗ1 должна «чувствовать» КЗ в конце смежной линии, чтобы она смогла выполнить функции резервирования РЗ2.

Для токовой защиты ток срабатывания защиты - наименьший первичный ток, при котором приходит в действие пусковой орган защиты. должен быть меньше . Для защит от междуфазных КЗ чувствительность проверяется по наименьшему току для двухфазного КЗ:

, (1)

где .

Коэффициент чувствительности ( ) защиты характеризует отношение величины контролируемого параметра в режиме КЗ к величине порога срабатывания защиты, т.е. определяет, во сколько раз минимальный ток КЗ больше :

. (2)

для основных защит (для К1 РЗ1 является основной, см. рис. 2). для резервной защиты (для К2 РЗ1 является резер