Релейная защита электроустановок

Релейная защита осуществляет автоматическое отключение поврежденного элемента электрической системы, или выдает сигнал о ненормальном режиме. Релейная защита это совокупность электрических аппаратов, осуществляющих автоматический контроль за работоспособностью системы электроснабжения (СЭ).

Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль за состоянием всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить повреждённый участок и отключить его от СЭ, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения, или выдать сигнал о ненормальном режиме.

При возникновении ненормальных режимов РЗ также должна выявлять их и, в зависимости от характера нарушения, либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо производить автоматические операции, необходимые для восстановления нормального режима. Например, повторное включение после аварийного отключения с надеждой на самоустранение аварии, или подключение резервного питания), либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу. Релейная должна обладать быстродействием, селективностью - отключать только несправный участок, чувствительность- способностью - фиксировать отказ на его ранней стадии.

Основные элементы релейной защиты представлены на рис.1.31.

Измерительный орган 4 непрерывно контролирует состояние защищаемого элемента 1, используя сигналы от измерительных преобразователей (трансформаторов тока ТА и напряжения ТV). Логический орган 5 формирует заданный закон защиты и управляет исполнительным органом 6, который в свою очередь выдает управляющий сигнал на отключение выключателя защищаемого объекта. Кроме того, логический орган 5 выдает команду на срабатывание сигнального устройства 3, которое фиксирует срабатывание защиты. Для питания элементов релейной защиты используется источник оперативного тока 2.

В зависимости от напряжения, реле распределяются на: основные, непосредственно реагирующие на изменение контролируемой величины; промежуточные, управляемые другими реле и предназначенные для передачи команд, выдержки времени и т.п.; сигнальные (указательные), управляющие световыми и звуковыми сигналами и фиксирующие действия защиты.

По контролируемой величине реле бывают токовые, напряжения, мощности, частоты, сопротивления, а по характеру контроля - максимальные и минимальные, действующие соответственно, при увеличении или уменьшении контролируемой величины относительно заданного значения.

Рис.1.32

В радиальных сетях для защиты от к.з. используют токовые защиты - максимальные токовые (МТЗ) и отсечки токовые (ОТ), отключающие выключатель при превышении тока в сети наперед

На рис.1.32а показана линия с тремя трансформаторными подстанциями ТП, тремя комплектами защиты РЗ и тремя выключателями нагрузки. Разность времени срабатывания двух последовательно включенных комплектов МТЗ называют ступенью селективности 𝜟t. Величина 𝜟t зависит от быстродействия выключателя и точности релейных устройств, входящих в комплект защиты. В общем случае

𝜟t = t_ВЫКЛ. + t_ПОГР(+) + t_ПОГР(-) + t_ЗАП.,

где: t_ВЫКЛ - время отключения выключателя; t_ПОГР(+) - положительная погрешность выдержки времени защиты поврежденного участка, увеличивающая время ее срабатывания; t_ПОГР(-) - отрицательная погрешность выдержки времени защиты предыдущего участка, уменьшающая время ее срабатывания; t_ЗАП. - время запаса, принимаемое равным 0,1 с.

Существует три разновидности МТЗ: с независимой выдержкой времени, с зависимой выдержкой времени, с ограниченно зависимой выдержкой времени. В первом случае время срабатывания защиты не зависит от того, насколько ток к.з. превышает ток срабатывания защиты (кривая 1 на рис.1.32б), во втором - время срабатывания защиты уменьшается с увеличением тока к.з. (кривая 3). В третьем случае время срабатывания защиты зависит от тока к.з. только на начальном участке (кривая 2), при значительных токах к.з. время срабатывания защиты перестает зависеть от величины тока к.з..

Рис.1.33

На рис.1.33 приведена схема комплекта МТЗ с независимой выдержкой времени. Защита выполнена по схеме неполной звезды с использованием постоянного оперативного тока для питания вспомогательных релейных устройств. При к.з. в защищаемой зоне по сигналам от трансформаторов тока ТА1, ТА2, срабатывают реле тока КА1, КА2 или одно из них. Подается сигнал на реле времени КТ, которое по истечении заданной уставки времени замыкает свои контакты в цепи промежуточного реле КЕ, подающего напряжение на катушку отключения YQ, которая отключает выключатель Q. В схеме используется указательное реле КН, для индикации срабатывания защиты.

Положительные свойства МТЗ - простота схемы, надежность, невысокая стоимость, обеспечение селективности в радиальных сетях с односторонним питанием. Недостатки МТЗ - большое время отключения к.з. вблизи источника питания и низкая чувствительность в сильно нагруженных и разветвленных сетях.

Токовая отсечка обеспечивает селективность срабатывания за счет выбора соответствующих уставок тока, используя свойство тока к.з. уменьшаться по мере удаления места к.з. от источников питания.

Рис1.34

На рис.1.34 показана зависимость тока к.з. от расстояния ℓ. Настраивая комплекты токовой отсечки на токи срабатывания несколько превышающие значения максимальных токов к.з. в конце зоны защиты, получают селективно действующую защиту. Для селективной работы двух комплектов защиты (рис.1.34) при к.з. непосредственно за местом установки комплекта ОТ2 (точка К2) защита ОТ1 не должна запускаться. С этой целью ток срабатывания зашиты ОТ1 должен быть больше тока к.з. в точке К2. Причем уставка срабатывания защиты (I) комплекта ОТ1 должна выбираться с учетом технологического разброса параметров аппаратов защиты, чтобы обеспечить требуемую селективность. Вследствие чего этой защите присущи так называемые мертвые зоны (МЗ), т.е. участки линии, при возникновении к.з. на которых защита не срабатывает, однако токовая отсечка позволяет более быстро отключать аварийные участки, чем МТЗ. Таким образом, токовая отсечка по сравнению с МТЗ позволяет получить меньшие времена отключения при повреждении (до 0,5 с), но ей присущ недостаток - наличие "мертвых зон". Совместное использование токовых отсечек и максимальной токовой защиты создает эффективную защиту распределительных сетей.

Значительно лучшей селективностью и высоким быстродействием обладают дифференциальные защиты. Дифференциальные защиты бывают двух видов: продольная и поперечная.

Продольная дифференциальная защита. Продольные дифференциальные защиты применяют для одиночных линий электропередачи, для синхронных генераторов, силовых трансформаторов, а также для электродвигателей, а поперечные дифференциальные защиты - для параллельно работающих линий электропередач.

Рис.1.35

Рис.1.36

Для выполнения продольной дифференциальной защиты с обеих сторон защищаемого объекта (например, трансформатора на рис.1.35) устанавливают трансформаторы тока ТА1 и ТА2, вторичные обмотки которых соединяются последовательно. Участок линии, заключенный между трансформаторами тока ТА1 и ТА2, называется зоной действия защиты. Дифференциальная защита срабатывает на к.з. только в зоне действия защиты и не реагирует на к.з. вне зоны. Параллельно трансформаторам подключают токовое реле КА. Пусть к шине В1 подсоединен источник энергии, а к шине В2 приемники электрической энергии. Тогда ток (энергия) будет протекать от шины В1 к шине В2. Мощность, подводимая к трансформатору будет равна мощности снимаемой со вторичных обмоток, если пренебречь потерями в трансформаторе, которые малы. Токи, протекающие по вторичным обмоткам трансформаторов ТА, при соответствующем выборе их коэффициентов трансформации будут приблизительно равны (I₂₁=I₂₂). При нормальном режиме работы трансформатора через катушку токового реле КА протекает разность токов, I_РТ=I₂₁ –I₂₂ =I_НБ, где I_НБ - ток небаланса, который невелик.

При к.з. в зоне действия защиты, например, в точке К₁, изменится значение (или даже направление) тока I₁₂, а следовательно, и тока I₂₂ . Напряжение в точке к.з. близко к нулю, следовательно ток I₁₂ также будет близок к нулю, или, если среди нагрузки есть двигатели, то при к.з. они могут переходить в генераторный режим и подпитывать точку к.з., т.е. ток I₁₂ изменит свое направление. В то же время, в следствии к.з., ток I₁₁ увеличится. В результате ток небаланса реле КА резко возрастает, что приводит к его срабатыванию, подается питание на отключение выключателей Q1 и Q2 и происходит отключение поврежденного участка от шин. Аналогично будет работать защита, если к.з. произойдет внутри защищаемого объекта - трансформатора (генератора, двигателя).

При внешнем коротком замыкании, например в т. К₂, увеличатся токи во вторичных обмотках трансформаторов тока без изменения их направления. В этом случае ток небаланса несколько возрастет, но его величина будет недостаточной для срабатывания реле тока. С целью исключения ложного срабатывания защиты из-за тока небаланса, чувствительность токового реле специально загрубляют при увеличении тока нагрузки.

Дифференциальная защита является быстродействующей, ее время срабатывания определяется только временем срабатывания исполнительного реле, которое составляет несколько десятков мс.

Защита линий от однофазных коротких замыканий. Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью не являются режимом короткого замыкания. Однако такие однофазные замыкания приводят к изменению напряжения сети, нарушению работы однофазных приемников электроэнергии, появлению опасности поражения электрическим током людей, попавших в зону растекания тока (от точки замыкания). Такие замыкания составляют 70-80% всех видов к.з.

Защиту от однофазных замыканий на землю выполняют в виде устройства контроля изоляции с использованием, как правило, трансформаторов тока нулевой последовательности.

На стальном магнитопроводе (1) ТНП (рис.1.36), имеющим форму кольца или прямоугольника, намотана вторичная обмотка (2). Первичной обмоткой являются три фазных провода кабеля (3), токи которых создают в магнитопроводе результирующий магнитный поток Ф_РЕЗ, равный сумме потоков создаваемых каждой фазой Ф_РЕЗ= Ф_А+Ф_В+Ф_С. При нормальном режиме, трехфазном или двухфазном к.з. (без замыкания на землю) Ф_РЕЗ=0. Когда возникает замыкание какой-либо фазы на землю, появляются токи нулевой последовательности, при этом Ф_РЕЗ 0 и под действием этого потока во вторичной обмотке трансформатора возникнет ток, что приведёт к срабатывает токового реле КА и поврежденная линия отключается, или срабатывает предупредительная сигнализация. Уставку срабатывания реле КА выбирают с учетом токов утечки, обусловленных емкостной проводимостью кабеля.

Контрольные вопросы

1. Как обеспечивается селективность в МТЗ и токовой отсечке?

2. Почему дифференциальные защиты не срабатывают на внешние короткие замыкания?

3. В чем недостаток МТЗ и как он устраняется?