Измерительные преобразователи синусоидальных напряжений и токов
А. И. Маркевич
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Учебно-методическое пособие
Псков
Издательство ПГУ
УДК 681.5
ББК 31.27-05
М26
Рекомендовано к изданию кафедрой «Электроэнергетика» Псковского государственного университета
Рецензент:
Кулешов В.П., ведущий специалист отдела РЗ Филиала АОА «МРСК Северо-Запада» «Псковэнерго»
Маркевич, А.И.
М26 Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения :
Учебно-методическое пособие. – Псков : Издательство ПсковГУ.
2012.-138 с.
Учебно - методическое пособие предназначено для студентов специальности 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и соответствует учебной программе по дисциплине «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения». Пособие состоит из подробной программы курса с краткими комментариями на все разделы программы, дается ссылка на конкретную учебную литературу и другие источники знаний в области релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения. В пособии приведены исходные данные для выполнения контрольной и курсовой работ с примерами конкретных расчетов. Приведены необходимые справочные данные по вопросам электроэнергетики, типовые схемные исполнения. Включены контрольные вопросы для самопроверки знаний. Представлен перечень сокращений, используемых в литературе и инструкциях при эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики.
Предназначено для студентов всех форм обучения.
УДК 681.5
ББК 31.27-05
© Маркевич А.И., 2012
© Псковский государственный университет, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение 4
2. Общие вопросы релейной защиты и автоматики 6
2.1. Основные понятия о релейной защите и автоматике 6
2.2. Измерительные преобразователи синусоидальных
напряжений и токов 7
2.3. Измерительные и логические органы релейной защиты. Реле 10
3. Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения 11
3.1. Защита плавкими предохранителями и автоматами 11
3.2. Токовые защиты 12
3.2.1. Максимальная токовая защита 12
3.2.2. Токовые отсечки 13
3.2.3. Токовая направленная защита 14
3.3. Защита от замыканий на землю в сетях с глухозаземленной
нейтралью 15
3.4. Защита от замыканий на землю в сетях с изолированной
нейтралью 17
3.5. Дистанционная защита 18
3.6. Дифференциальные токовые защиты 20
4. Релейная защита и автоматика элементов СЭС 21
4.1. Защита и автоматика синхронных генераторов 21
4.2. Защита и автоматика трансформаторов 23
4.3. Защита и автоматика электродвигателей. Защита и автоматика
специальных электроустановок систем электроснабжения 24
5. Устройства системной автоматики 26
6. Список лабораторных работ 28
7. Вопросы выносимые на экзамен 28
8. Контрольные задания 32
8.1. Общие указания 32
8.2. Контрольная работа 35
8.3. Задание на курсовую работу 38
Приложение I. Примерный расчет МТЗ ЛЭП 10 кВ 40
Приложение II. Релейная защита силовых трансформаторов 62
Приложение III. Цифровые защиты 85
Приложение IV. Пример расчета защиты высоковольтного
асинхронного двигателя 99
Приложение V.Справочные данные по силовому электро-
оборудованию 103
Приложение VI. Векторные диаграммы токов при различных видах
коротких замыканий для измерительной части
дифференциальной защиты 110
Приложение VII. Контрольные вопросы 112
Приложение VIII. Перечень сокращений, используемых в
инструкциях по эксплуатации устройств релейной защиты
и автоматики 120
Введение
Надежность энергоснабжения потребителей невозможно обеспечить без автоматического управления элементами системы электроснабжения и их защиты от аварийных и ненормальных режимов.
Системы электроснабжения (СЭС) являются сложными производственными объектами, элементы которых участвуют в едином производственном процессе, особенностью которого является быстротечность явлений, включая и повреждения аварийного характера. Поэтому надежная и экономичная работа систем электроснабжения возможна только при автоматическом управлении ими. Для этих целей используется комплекс автоматических устройств, среди которых первостепенное значение имеют устройства релейной защиты и электросетевой автоматики. Рост потребления электроэнергии и усложнение систем электроснабжения требуют постоянного совершенствования этих устройств. Сегодня этот процесс идет по пути более широкого использования микропроцессорной и цифровой техники. На базе микропроцессорных комплексов разрабатываются интегрированные системы управления электрическими станциями и подстанциями, где все функции релейной защиты, автоматики и оперативного управления совмещены, предусматривается фиксация параметров в действии релейной защиты доаварийного и аварийного режимов и передачи их на расстоянии.
Одновременно широко применяются и простейшие средства защиты и автоматики: предохранители, автоматы, магнитные пускатели, электротепловые элементы. Надежно работают простые токовые защиты на базе электромеханических реле, устройства автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резервного питания (АВР) и автоматической частотной разгрузки (АЧР).
В соответствии с учебной программой курса пособие включает три основные раздела. В первом предлагается изучить общие вопросы подхода по применению релейной защиты и требования к ней, вопросы аварийных и ненормальных режимов, возникающих в СЭС, устройство и конструкцию реле, работающих на электромагнитном и индукционном принципе (механические реле), полупроводниковые реле, реле на интегральных микросхемах, цифровые реле, параметры, характеризующие работу измерительных и вспомогательных реле. Во втором разделе изучаются виды защит, их схемное исполнение, определение параметров срабатывания и селективности, применение источников оперативного тока. В третьем - вопросы релейной защиты и автоматики оборудования СЭС и потребителей электроэнергии.
Методическое пособие составлено так, чтобы оказать помощь студентам при изучении теории, выполнения лабораторных работ, контрольных заданий и курсовой работы. После каждой темы помещены вопросы для самопроверки. Представлены контрольные вопросы из экзаменационных билетов, вопросы для проверки остаточных знаний.
Пособие имеет приложение, где размещен справочный материал для выполнения контрольной и курсовой работ «Релейная защита и автоматика силового трансформатора», представлены примеры расчета защит элементов СЭС. Приведен перечень сокращений используемых в инструкциях по эксплуатации устройств РЗ и автоматики.
Изучив вышеназванный курс, студенты должны усвоить теоретические вопросы, научиться читать и составлять схемы различных устройств релейной защиты и автоматики, понимать принцип их действия, определять параметры срабатывания и селективной работы.
Методическое пособие составлено в соответствии с учебной программой «Релейная защита и автоматика СЭС» по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».
Литература
Основная:
1. Андреев В.А. Релейная защита, автоматика в системах электроснабжения. – М.: Высшая школа, 2006.
2. Кривенков В.В., Новелла В.Н. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. – М.: Энергоиздат, 1981.
3. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита. – М.: Энергоатомиздат, 1998.
4. Беркович М.А., Молчанов В.Л., Семенов В.А. Основы техники релейной защиты. – М.: Энергоиздат, 1984.
5. Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электрических систем. – М.: Энергоатомиздат, 1986.
6. Беркович М.А., Комаров А.Н., Семенов В.А. Основы автоматики энергосистем. – М.: Энергоиздат, 1992.
7. Барзам А.Б. Системная автоматика. – М.: Энергоатомиздат, 1989.
8. Правила устройства электроустановок, 2006.
Дополнительная:
1. Гуревич В.И. Микропроцессорные реле защиты. Устройства, проблемы, перспективы. – М.: Инфра – Инженерия, 2011.
2. Ванин В.К., Павлов Г.М. Релейная защита на элементах аналоговой вычислительной техники. – Л., 1983.
3. Циглер Г. Цифровая дистанционная защита: принципы и применение. – М.: Энергоатомиздат, 2005.
4. Маркевич А.И., Иванов А.А. Прибор на определение повреждения изоляции в сетях 6-35кВ. – Электрические станции №8, 1998.
5. Булычев А.В. и др. Аналоговая и цифровая микроэлектроника для средств релейной защиты. Учебное пособие. – СПбГТУ, 1998.
6. Маркевич А.И., Иванов В.А. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения. Статические реле. – Псков, 2001.
7. Маркевич А.И., Соловьев Н.С. Проектные расчеты по электроснабжению промышленных предприятий и релейной защите. – Псков, 2001.
8. Дьяков А.Ф., Поляков В.В. Основы проектирования релейной защиты электроэнергетических систем. – М.: МЭН, 2000.
9. Шмурьев В.Я. Цифровые реле. Учебное пособие. – Санкт-Петербург, 1998.
10. А.с. 398885 СССР. Полупроводниковое фазоизмерительное устройство / А.И. Маркевич / Открытия. Изобретения. 1973. №38.
11. А.с. 1005239 СССР. Устройство для защиты обмоток возбуждения синхронного генератора / А.И. Маркевич, А.А. Иванов / Открытия. Изобретения. 1983. №10.
12. А.с. 388332 СССР. Датчик фазы / А.И. Маркевич / Открытия. Изобретения. 1973. №28.
13. Справочник по проектированию электроснабжения. Под ред. В.И. Круповича. – М.: Энергия. 1980.
14. Сайты: Сириус Челябинск http://sirius-chel.ru
НТЦ «Механотроника» http://www.mtra.ru
АББ Реле-Чебоксары http://www.promportal.ru/userinfo147
ЗАО « РАДИУС Автоматика» и ООО «НПФ» РАДИУС» http://www.rza.ru/production.htm
2. Общие вопросы релейной защиты и автоматики
Основные понятия о релейной защите и автоматике
Виды повреждений и ненормальных режимов работы элементов систем электроснабжения. Назначение релейной защиты (РЗ) и электросетевой автоматики. Основные требования, предъявляемые к релейной защите. Элементная база защит, реле и их разновидности. Способы изображения и включения реле. Способы воздействия защиты на выключатель. Основные принципы построения защит. Структурная схема релейных защит.
Оперативный ток. Оперативный постоянный ток. Оперативный переменный ток. Схемы источников оперативного тока. Блоки питания. [1, 2, 3, 4]
Методические указания
Анализ рабочих и аварийных режимов дает возможность правильно выбрать, рассчитать и оценить поведение релейной защиты и автоматики элементов электрической системы. Необходимо знать виды повреждений и ненормальных режимов, возникающих в элементах системы, уметь строить векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах повреждений, устанавливать закономерность изменения различных электрических параметров режима в зависимости от вида и места короткого замыкания (к.з.), а так же от режима работы системы; разобраться с основными отличиями аварийных режимов в сетях с заземленными и изолированными нейтралями.
Следует твердо усвоить требования, предъявляемые к релейной защите, а так же возможные последствия при невыполнении их.
В настоящее время при выполнении релейной защиты и автоматики систем электроснабжения широкое применение находят различные источники оперативного тока. Надо знать эти источники, уметь применять их. Кроме того, следует иметь представление об источниках оперативного тока для полупроводниковых и цифровых защит.
Вопросы для самопроверки
1. Какие виды повреждений и ненормальных режимов могут возникнуть в электрических сетях?
2. Каковы функции релейной защиты и основные требования, предъявляемые к ней?
3. Каковы основные принципы построения защит, их структурное содержание?
4. Какие источники оперативного тока Вы знаете? Какова область их применения?
5. В чем заключаются достоинства и недостатки источников постоянного и переменного оперативного токов?
6. Какие требования предъявляют к источникам оперативного тока для полупроводниковых и цифровых защит?
Измерительные преобразователи синусоидальных напряжений и токов
Условия работы трансформаторов тока (ТТ), маркировка концов обмоток, векторные диаграммы. Требования к точности работы ТТ. Предельная кратность и кривые предельной кратности. Работа ТТ при глубоких насыщениях сердечников. Мощности, отдаваемые ТТ.
Схемы соединений ТТ и цепей тока реле, коэффициент схемы. Построение векторных диаграмм токов, определение величины токов, протекающих во вторичных цепях при различных схемах соединений ТТ и различных видах к.з. Определение расчетной нагрузки на ТТ. Фильтры симметричных составляющих токов: фильтры тока обратной последовательности (ФТОП) и фильтры тока нулевой последовательности (ФТНП).
Условия работы трансформаторов напряжения (ТН). Схемы соединений обмоток ТН и реле. Защита цепей ТН. Ёмкостные делители. Фильтры симметричных составляющих напряжений: фильтры напряжения обратной последовательности (ФНОП) и фильтры напряжения нулевой последовательности (ФННП).
Согласующие преобразователи синусоидальных токов и напряжений для подключения цифровых реле и реле на интегральных микросхемах (ИМС). Схемное исполнение, меры по электромагнитной совместимости. Магнитные датчики, катушка Роговского.
Аналоговые интегральные микросхемы для релейной защиты и автоматики. Операционные усилители (ОУ). Схемы включения операционных усилителей, используемых в устройствах РЗ: усилители, компараторы, пороговые элементы, элементы с положительной обратной связью, формирователи модуля, аналого-цифровые преобразователи, фильтры.
Элементы логической и исполнительной части релейной защиты. Логические элементы ИЛИ, И, НЕ; логические схемы на одном комбинированном элементе (И-НЕ или ИЛИ-НЕ). Логика на интегральных микросхемах. [1, 2, 3, 4, 9, 12, 16]
Методические указания
Основное требование к ТТ – это более точная передача информации измерительным органам релейной защиты о величине и фазе тока, протекающего в первичной цепи защищаемого объекта при различных эксплуатационных режимах.
ТТ, работающие на линейной части характеристики намагничивания, могут являться источниками оперативного тока: при к.з. ток резко возрастает и мощность ТТ P2=I2·U2 становится достаточной для питания цепи оперативного тока.
Следует понять физическую природу возникновения погрешностей в ТТ и способы уменьшения их. Точность работы ТТ характеризуется полной токовой погрешностью ε. Нагрузка ТТ выбирается так, чтобы ε не превышала 10% при заданной вторичной нагрузке и предельной кратности (k10) ТТ. Под предельной кратностью понимают отношение максимального первичного тока к.з., протекающего через ТТ, к номинальному току ТТ. Основным недостатком кривых предельной кратности является их пригодность только для оценки погрешностей в установившемся режиме работы ТТ.
Следует знать, что расчетная нагрузка на ТТ зависит от схемы соединения ТТ, вида к.з., сочетания поврежденных фаз.
Основное назначение ТН состоит в том, чтобы к измерительным органам релейной защиты подводилась точная информация о величине и фазе напряжения в месте установки защиты. С этой точки зрения ТН должны работать с погрешностью, не превышающей некоторой допустимой величины.
Следует знать схемы соединения обмоток ТН и их назначение. Необходимо представлять для чего осуществляется контроль за исправностью вторичных цепей ТН.
В ряде случаев при отсутствии ТН применяют ёмкостные делители напряжения. Надо ознакомиться с принципом их действия и со способами отбора напряжения.
В электрических сетях широко применяются защиты, реагирующие на отдельные симметричные составляющие токов или напряжений – обратной и нулевой последовательности. Поэтому нужно представлять, как происходит их выделение из несимметричной системы трехфазных токов или напряжений, изучив устройство фильтров токов и напряжений обратной и нулевой последовательности: ZI2; ZU2; ZI0; ZU0.
При изучении преобразователей синусоидального тока в напряжение TAL (промежуточный трансформатор тока – трансреактор) и промежуточных трансформаторов напряжения TVL следует знать конструкцию магнитопровода, величину вторичной нагрузки, зависимость выходного напряжения от входных тока и напряжения. Рассмотреть способы экранирования от высокочастотных помех, согласования выходного напряжения с входным напряжением измерительного органа (ИО) реле, исключение гальванической связи.
Как конструктивно устроены магнитные датчики. Их преимущества и недостатки. Катушка Роговского, датчики Холла.
Изучить устройство и работу ОУ и их параметры по входу и выходу, передаточную характеристику. Оценить возможности применения ОУ в устройствах релейной защиты и автоматики (усилитель, компаратор, пороговый элемент с положительной обратной связью, формирователи модуля).
Разобраться в устройстве и работе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Изучить три основные логические функции и элементную базу для их реализации. Логические функции оперируют с двоичными переменными, которые могут принимать только два значения: 0 или 1. На основе простых логических функций И, ИЛИ, НЕ строят более сложные функции. Уяснить их устройство и работу. Графическое изображение логических элементов. Цифровая логика. Схемы, выполняющие операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и функциональные схемы (триггеры, счетчики шифраторы, дешифраторы и др.)
Вопросы для самопроверки
1. Каково назначение измерительных трансформаторов?
2. Как маркируются выводы обмоток измерительных трансформаторов?
3. Чем обусловлены погрешности трансформаторов и каким образом можно уменьшить их величину?
4. Что понимается под номинальным и витковым коэффициентами ТТ и в чем отличие между ними?
5. Как выбрать ТТ для питания релейной защиты?
6. Каковы достоинства и недостатки схем соединения ТТ?
7. Почему не допустим холостой ход для ТТ?
8. Как определить расчетную нагрузку на ТТ?
9. Какие схемы соединения ТН применяются в релейной защите?
10. Для чего применяется контроль исправности цепей напряжения и как он осуществляется?
11. Как проверить ТТ по кривым предельной кратности?
12. Как можно получить симметричные составляющие тока или напряжения различной последовательности?
13. Как выглядит осциллограмма вторичного тока ТТ при глубоком насыщении
( активная нагрузка)?
14. Почему ток во вторичной обмотке ТТ не зависит от нагрузки и в каких пределах это справедливо?
15. Какие схемы соединения ТТ непригодны для защиты трансформаторов со схемами соединения Y/Δ и Y/Y с заземленной нейтралью?
16. Как устроены и работают фильтры тока и напряжения нулевой последовательности (ФТНП и ФННП)?
17. Как устроены согласующие преобразователи тока и напряжения?
18. Как работают компаратор, пороговый элемент, триггер Шмидта?
19. Какие требования предъявляются к АЦП в схемах РЗ?
20. Какие логические функции реализуются в схемах РЗ?