Размещено на http://www.allbest.ru/

16

1. Назначение, устройство и общие характеристики релейной защиты

1.1 Общие понятия

В системах электроснабжения возникают различные повреждения, под которыми подразумеваются короткие замыкания (КЗ) всевозможных видов (однофазные, междуфазные, витковые и т.д.) и ненормальные режимы.

Повреждения возникают вследствие дефектов, старения и загрязнения изоляции, обрыва и схлёстывания проводов и т.д. Электрическая дуга в месте КЗ способна вызывать пережоги, оплавления и разрушения электрооборудования, отжиг контактных проводов. Разрушения оказываются тем значительнее, чем больше ток в дуге и время её существования. Чтобы КЗ не вызвало большого ущерба, повреждённое электрооборудование необходимо как можно быстрее отключить.

К ненормальным режимам относят, прежде всего, перегрузки. Этот режим характеризуется протеканием по неповреждённому оборудованию токов, превышающих длительно допустимое значение.

Перегрузки опасны чрезмерным повышением температуры токоведущих частей, а вследствие этого быстрым старением изоляции оборудования. Снижение или увеличение напряжения относительно предельных нормативных значений и качания в энергосистеме также являются проявлениями ненормальных режимов.

Ненормальные режимы, как и КЗ, могут явиться причиной аварий. Чем быстрее отключится участок электрической системы, на котором произошло КЗ или возник ненормальный режим, тем меньше возможностей для возникновения и развития аварий. За доли секунды необходимо выявить такой участок и отключить как можно меньшую часть электрической системы, чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение максимально возможного числа потребителей.

Отключение производится высоковольтными выключателями, привод которых снабжён специальным механизмом.

Автоматические устройства, служащие для выявления КЗ и ненормальных режимов и воздействующие в необходимых случаях на механизм отключения выключателя или на сигнал, называют релейной защитой (РЗ).

Итак: релейная защита - это область автоматики, предназначенная для распознавания и локализации повреждений и ненормальных режимов в электрических сетях и системах.

Сам термин «релейная защита» произошёл от слова relay (реле). Реле - это коммутатор, переключатель электрической цепи, чаще всего электромеханического исполнения. Именно этим словом и назвали устройство, сочетающее в себе катушку и контакты.

В последнее время РЗ выполняются в виде микропроцессорных программируемых терминалов.

Первые электрические сети защищались от коротких замыканий при помощи предохранителей, которые можно считать первым поколением защитных устройств. Главным элементом предохранителя является плавкая вставка, рассчитанная на определённый ток.

При достижении тока, опасного для сети или нагрузки, плавкая вставка плавится и прерывает цепь.

Предохранитель имеет следующие недостатки:

- неточность (размытость) значения тока плавления плавкой вставки;

- невозможность применения автоматического повторного включения (АПВ), что существенно ухудшает качество защиты сети.

Реле свободно от недостатков, присущих предохранителям. Исполнение РЗ при помощи реле можно считать вторым поколением релейной защиты.

Настоящую революцию не только в РЗ, но и вообще во всей автоматике произвело изобретение транзистора (1948г.). Появилась возможность конструировать электронные схемы с применением полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, тиристоров и.д. Появились так называемые электронные схемы РЗ. В железнодорожных устройствах РЗ широкое распространение получили схемы на транзисторах для защиты контактной сети. Внедрение аналоговых микросхем составило четвёртое поколение РЗ.На основе аналоговых микросхем построены защиты ЭПЗ-1626, ШДЭ-2801, ПДЭ-2802, ПДЭ-2003 и др.

Развитие микропроцессорной (цифровой) электроники вызвало к жизни появление цифровых релейных защитНа основе микропроцессоров строятся программируемые защиты, которые и составляют последнее, пятое поколение РЗ. Такие РЗ имеют много дополнительных функций, удобны в эксплуатации, осуществляют самодиагностирование. Однако не лишены недостатков, основной из которых - слабая помехоустойчивость.

Итак, подведём итог вышесказанному. В своём развитии РЗ прошла пять этапов:

- защиты при помощи предохранителей;

- защиты с использованием электромеханических реле;

- защиты на основе дискретных полупроводниковых элементов;

- защиты на основе аналоговых электронных микросхем;

- микропроцессорные защиты.

По назначению релейные защиты делятся на основные и резервные. Основные РЗ обеспечивают отключение повреждений в пределах защищаемого объекта. Резервные РЗ резервируют основную РЗ в случае отказа или вывода из работы основной.

По способу обеспечения селективности РЗ делятся на РЗ с абсолютной селективностью (зона действия не выходит за пределы объекта) и РЗ с относительной селективностью (зона действия выходит за пределы объекта).

По принципу действия измерительных органов (реле): тока, напряжения, сопротивления, направления мощности, частоты и т.д.

По элементной базе: электромеханические, электронные, микропроцессорные.

При этом релейная защита делится на следующие основные виды:

- токовые (токовые отсечки, максимальные токовые, максимальные токовые направленные, дифференциальные);

- потенциальные (по напряжению);

- дистанционные;

- частотные.

1.2 Схемы релейной защиты

Схемы бывают трёх видов: принципиальные, структурные и монтажные.

На принципиальной схеме указаны все связи между элементами РЗ. Сами элементы изображены согласно ЕСКД с применением условных кодов обозначения элементов.

Например, все реле (коммутаторы) помечены буквой К: токовые - КА , напряжения - КV , времени - КТ .

На электрических схемах, например, электромеханическое реле с одной катушкой можно изобразить двумя способами (рис.1.1).

Трансформаторы тока также имеют две формы изображения (рис.1.2).

Структурные схемы дают общее представление о работе РЗ. Структурная схема изображается укрупнёнными блоками, объединяющими в себе множество функциональных элементов, выполняющих одну конкретную функцию. Блоки изображаются прямоугольниками с обозначением тех функций, которые они выполняют. Структурные схемы нужны для общего ознакомления с работой конкретной РЗ.

Наконец, монтажные схемы - это схемы топологически расположенных относительно друг друга элементов РЗ на конкретной панели. Существуют ещё так называемые функциональные схемы - среднее между принципиальной и структурной схемами. Это усложнённая структурная схема с более подробной расшифровкой некоторых функциональных блоков.

На рис.1.3. изображена обобщенная структурная схема любой РЗ, независимо от того, какая элементная база в ней используется. Все защиты, от электромеханических до микропроцессорных, имеют измерительную, логическую, и выходную части.

Измерительная часть (ИЧ) постоянно следит за состоянием сети посредством тех параметров, на которые реагирует и срабатывает данная РЗ (ток, напряжение, сопротивление и т.д.).

Если измеряемый параметр выходит за пределы выставленной уставки, то ИЧ посылает сигнал в логическую часть (ЛЧ).

Рис.1.3 Структурная схема релейной защиты

Здесь: ТА-трансформатор тока;

TV-трансформатор напряжения;

П-подстанция;

Q-выключатель;

ИЧ-измерительная часть;

ЛЧ-логическая часть;

ИП-источник питания;

ВЧ-выходная (исполнительная часть).

Выходная часть, получив сигнал от ЛЧ, усиливает его до значения, достаточного для приведения в действие привода выключателя. Выходная часть или выходной орган (ВО) защит выполняются на различной элементной базе. Источник питания (ИП) осуществляет питание элементов ЛЧ и ВЧ, цепей дистанционного управления выключателем и других средств управления. В качестве источника постоянного оперативного тока питания могут служить как аккумуляторные батареи, так и предварительно заряженные статические конденсаторы. В некоторых случаях может применяться выпрямленный постоянный ток.

В качестве переменного оперативного тока служат источники переменного тока: трансформаторы собственных нужд (ТСН), трансформаторы тока (ТТ), трансформаторы напряжения (ТН).

Постоянный оперативный ток используются только на подстанциях с первичным напряжением 110-220кВ.

Для менее ответственных подстанций применяется переменный оперативный ток. Питание переменным оперативным током проще, т.к. не требует сложной коммутационной сети и больших затрат на помещение и специальное обслуживание аккумуляторных батарей.

2. Требования, предъявляемые к релейной защите

Ранее было отмечено, что РЗ реагирует как на повреждения, так и на ненормальные режимы. Требования к защитам, реагирующих на повреждения, и требования к защитам, реагирующим на ненормальные режимы, несколько отличаются и поэтому они рассматриваются раздельно.

2.1 Требования к защитам, реагирующим на повреждения

Повреждения вызывают появление значительных аварийных токов и понижение напряжения, что приводит к разрушению или нарушению нормальной работы оборудования.

К таким защитам предъявляются следующие основные требования:

- надёжность;

- селективность (избирательность);

- чувствительность;

- быстродействие;

- устойчивость функционирования;

Надёжность. Надёжность устройств РЗ зависит от многих факторов, основные из которых следующие:

-резервирование;

- сложность схемы;

- надёжность комплектующих элементов;

- уровень эксплуатации.

Рассмотрим несколько подробней вопросы резервирования РЗ. Как и любая автоматика, РЗ должна быть зарезервирована, т.е. предполагается возникновение ситуаций, когда РЗ или сам выключатель на каком- либо присоединении может отказать. В этом случае функцию отключения берёт на себя резервная защита.

При этом резервная защита может быть ближней (ближнее резервирование) и дальней (дальнее резервирование).

При ближнем резервировании защита установлена на этом же выключателе (подстанции). Дальнее резервирование осуществляется защитами смежных участков.

Итак, ближнее резервирование - это когда защита резервируется другими (дополнительными) защитами, установленными на том же выключателе. Допустим, отказала основная защита (она, как правило, самая быстрая), выключатель отключается от резервной защиты. К системе ближнего резервирования можно отнести также устройство резервирования отказа выключателя (УРОВ). При отказе выключателя повреждённого участка все его защиты действуют через УРОВ на отключение выключателей смежных элементов, через которые питается место КЗ.

Но если отказал сам выключатель (не оборудованный УРОВ) и все защиты, установленные на этом выключателе, не могут его отключить, то вступает в действие дальнее резервирование, когда КЗ отключается не ближними выключателем, а следующим по линии распространения тока КЗ. Естественно, что этот выключатель отключается своими защитами и с боМльшим временем.

Преимуществом дальнего резервирования является его высокая надёжность, а недостатком - большое время действия из-за условий селективности. Чем проще схема, надёжней элементы, выше уровень эксплуатации (уровень подготовки персонала, дисциплина выполнения регламентов проверки, самодиагностика, помехоустойчивость и т.д.) РЗ, тем она надёжней в работе.

Для иллюстрации рассмотрим схему сети на рис.1.4.

Рис.1.4 Схема, поясняющая принципы резервирования.

Здесь каждый участок сети имеет свою защиту.

Поскольку гипотетически предполагается упрощенная ситуация, когда на выключателе имеется всего одна защита, то резервирование может быть только дальним. Защита РЗ1 защищает свой основной участок и резервирует защиту РЗ2 и выключатель Q2. На основном и на резервируемом участках чувствительность защиты РЗ1 должна быть достаточной как в минимальном режиме системы, так и при коротком замыкании через переходное сопротивление, т.е. для самого неблагоприятного для обнаружения КЗ режима.

Селективность - это свойство защиты, которое позволяет отключать только повреждённый участок выключателями, ближайшими к месту повреждения. То-есть РЗ выбирает для отключения именно те выключатели, которые локализуют место повреждения в оптимальном для сети сочетании.

Это положение можно пояснить на схеме рис.1.5. В случае короткого замыкания в точке К1 должен отключиться выключатель Q9. Исчезнет напряжение подстанции П3, на подстанциях П1 и П2 напряжение сохранится. Все потребители, питающиеся от шин этих подстанций, останутся в работе. Такие отключения КЗ считаются селективными. Если бы отключились выключатели Q3 и Q4,то это было бы неселективным отключением.

В случае КЗ в точке К2 должны отключиться, отвечая требованиям селективности, выключатели Q3 и Q6. При таком отключении сеть практически не пострадает, так как на шинах всех подстанций останется напряжение. Правда, при этом несколько перегрузится линия W2. Но следует учесть, что эта линия должна быть рассчитана именно на такой режим работы.

Рис.1.5 Схема, поясняющая принцип селективности

Итак, селективность - это самое важное требование к РЗ и оно должно соблюдаться, хотя в целях быстроты отключения КЗ иногда идут на неселективные отключения в сочетании устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Чувствительность - это свойство защиты распознавать повреждения, т.е. определять повреждения и отличать их от ненормальных режимов.

Например, если рассматривать токовые защиты, то у них существует проблема отличия тока перегрузки от тока КЗ, т.к. бывают режимы, при которых ток КЗ соизмерим с током перегрузки. В этом случае трудно сделать защиту чувствительной и приходится её усложнять.

Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом чувствительности, выражение для которого для каждой защиты может быть своё, причём этот коэффициент должен быть выдержан как для основной зоны, так и для резервной:

К_ч=I_k.min / I_cp.з,(1)

где I_k.min - минимальное значение тока короткого замыкания,

I_ср.з - ток срабатывания защиты.

Защита срабатывает при К_Ч >1.

Требования к чувствительности РЗ для разных защищаемых объектов приведены в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ).

Быстродействие. Требование быстродействия РЗ порождается простой и понятной причиной: процесс короткого замыкания не должен длиться долго. Чем дольше он длится, тем сильнее разрушается оборудование устройств электроснабжения. Процесс КЗ должен быть прерван с максимально возможной быстротой. Объём разрушений зависит от двух факторов: от величины тока КЗ и от времени его протекания.

Величина тока КЗ зависит от уровня напряжения. Поэтому электроустановки высокого напряжения должны отключаться быстрее, чем низковольтные. Кроме разрушений в месте повреждения существует ещё множество причин, требующих быстроты отключения. В частности, быстродействие защиты предотвращает тяжёлые системные аварии, когда мощные короткие замыкания приводят к глубоким посадкам напряжения на шинах электрических станций и узловых подстанций, что грозит потерей устойчивости на магистральных линиях с большими перетоками мощности.

Что касается железнодорожных устройств, то вся железнодорожная энергетика преследует конечный результат - запитать контактную сеть, где, (как и везде, а может быть и чаще) происходят короткие замыкания.

Именно здесь, на контактной сети, к быстродействию релейной защиты предъявляются жёсткие требования. Почему? Потому, что контактная сеть как постоянного, так и переменного тока рассчитывается с небольшим запасом. Объясняется это, во-первых, тем, что контактный провод выполняется из дорогостоящих медных сплавов, во-вторых, требованием лёгкости всей контактной подвески во избежание провесов. В условиях механического взаимодействия локомотива и контактного провода провесы нежелательны.

Поскольку запас мал, то и длительность протекания тока КЗ должна быть максимально ограничена, иначе произойдёт отжиг и разрыв контактного провода.

На фидерах контактной сети используются быстродействующие выключатели (как на постоянном, так и на переменном токе).

Существует некоторый приблизительный критерий для обеих систем электроснабжения: если суммарное время срабатывания РЗ и выключателя не превышает 140мсек., то отжига не произойдёт.

На эту величину в основном и ориентируются при конструировании релейной защиты контактной сети.

2.2 Требование к РЗ в ненормальных режимах

Ненормальные режимы приводят к отклонениям напряжения, тока и частоты от допустимых значений, что нарушает нормальную работу потребителей и оборудования. релейная защита предохранитель

РЗ в ненормальных режимах также должна отвечать требованиям селективности, чувствительности и надёжности. Быстродействия от них, как правило, не требуется, причём защита может быть настроена как на отключение, так и на сигнал. Отключение должно производиться только тогда, когда возникает опасность повреждения оборудования. Обычно устранение ненормальных режимов производится дежурным персоналом, если при этом соблюдается допустимое время сосуществование ненормального режима. В этом случае защита выполняется с действием только на сигнал.

Размещено на Allbest.ru