Основи релейного захисту та автоматики 3 page

Найменший струм І_д, при якому виконується умова, називають “струмом дії” реле І_д. Відношення якоря проходить по умові, що на відрізку [δ_max, δ_min] виконується умова:

(3.18)

Найбільший струм І_в, при якому виконується умова, називають “струмом відпускання” реле І_в. “Коефіцієнт відпускання” – відношення струму відпускання до струму дії.

(3.19)

Для реле максимальної дії: П_К зростає до П_К задане:

– струм дії рівний струму „спрацювання”

– струм відпускання рівний струму „повернення”

– коефіцієнт відпускання рівний коефіцієнту „повернення” (k_П<1)

Дія реле мінімальної дії: П_К спадає до П_К задане:

– струм дії рівний струму „повернення”

– струм відпускання рівний струму „спрацювання”

– коефіцієнт відпускання рівний коефіцієнту „повернення” (k_П>1).

Принцип дії реле змінного типу. Час спрацювання реле.

Електромагнітна сила реле:

. (3.20)

Для реле змінного струму, нехтуючи насиченням

, тому

(3.21)

Одними із основних характеристик реле є:

час спрацювання t_с.р.;

час повернення t_п.р. – це інтервал часу від досягнення параметрами, що контролюються (U,I), своїх заданих значень спрацювання (повернення) до моменту завершення спрацювання (повернення).

1) Якщо час спрацювання реле не залежить від величини П_к, то реле з “незалежною характеристикою витримки

часу”.

2)У противному випадку – реле з “залежною характеристикою витримки часу”.

3) Є змішаний тип реле із “обмеженою характеристикою витримки часу”.

Час спрацювання електромагнітного реле має дві складові:

t_с.р. = t_н + t_д, де

t_н - час від подачі імпульсу управління на реле до початку руху якоря;

t_д - час руху якоря до завершення спрацювання реле.

t_с.р. = 0,02÷0,1 сек

t_н - характеризується електромагнітним перехідним процесом в обмотці реле

t_н ≡i_у = I_уст∙e^–t/T (3.22)

Постійна часу індуктивної обмотки реле –

де L – індукція обмотки;

R – активний опір.

Регулювати І складову можна:

а) вмикаючи в коло дросель (зміна L)

б) вмикаючи в коло конденсатор (зміна ємності)

в) мідна втулка на сердечнику t_ср = 0,1÷0,5 сек (реле з магнітним демпферуванням)

Реле, що регулюють ІІ складову t_д –реле з механічним демпферуванням, оскільки t_д характеризується механічним перехідним процесом в реле:

1) реле із сповільненим рухом якоря

2) реле з годинниковим механізмом

Для сповільнення руху якоря застосовують:

– підвищення інерційності рухомих частин;

– збільшення повітряного проміжку δ;

– рідинні та повітряні демпфери (опір рухові якоря – збільшення тертя);

– проміжні механізми.

3.9 Електромагнітні вимірювальні реле

Електромагнітні, як і інші, вимірювальні реле в залежності від їх вмикання в захисну вітку, поділяються на первинні та вторинні. По способу впливу на вимикач об’єкта, який знаходиться під захистом, розрізняють вимірювальні реле прямої і непрямої дії.

Первинні реле прямої дії. Ці реле вмикаються безпосередньо до головної електричної вітки і безпосередньо впливають на механічний виконавчий пристрій вимикача. У зв’язку з цим вони не вимагають ні первинних вимірювальних перетворювачів, ні джерел оперативного струму.

У сучасній практиці захисти із первинним реле прямої дії знаходять застосування в установках напругою до 1000 В. Такі реле називаються розподільниками. Вони вбудовуються в автоматичні вимикачі (автомати).

Вторинні реле струму та напруги прямої дії. Вітчизняна промисловість випускає різні модифікації вторинних реле струму КА (типів РТМ, РТВ) і реле напруги KV (типу РН, РНВ) прямої дії з якорем, що втягується. Вони відрізняються деякими конструктивними деталями і параметрами. Реле встановлюється безпосередньо в приводи вимикачів (типів ППМ-10, ПП-67, ППК-63, ПРБА). Їхні обмотки вмикаються у вітку через первинні вимірювальні перетворювачі. Це дає можливість розширити область використання реле і частково виключати недоліки, властиві первинним реле.

За допомогою вторинних реле прямої дії можна виконувати захист в установках напругою до 35 кВ.

Вторинні реле струму і напруги непрямої дії. Вторинні реле непрямої дії одержали в даний час велике поширення завдяки наступним перевагам: ці реле виготовляють для вмикання у вітку через первинні вимірювальні перетворювачі, тому їхні параметри не залежать від параметрів елемента, що захищається; при цьому вони можуть бути виконані досить чуттєвими з незначними відхиленнями і відносно малим споживанням потужності при спрацюванні; їхнє настроювання може проводитися без відмикання елемента системи електропостачання; реле можна встановлювати в будь-якому зручному для роботи й експлуатації пристрою місці; вони дозволяють створити логічну частину схеми і виконати в разі потреби релейний захист і автоматику будь-якої складності.

Разом з тим, ці реле мають недоліки, властиві електромеханічним системам: значні споживання потужності, порівняно великі розміри, недостатня надійність через наявність рухливої системи та контактів. Крім того, реле можна використовувати тільки при наявності джерел оперативного струму.

3.10 Електромагнітні логічні реле

Реле часу. Ці реле є логічними реле з нормованим часом спрацювання. Вони призначенні для створення витримок часу при передачі сигналів до інших реле логічної частини пристроїв релейного захисту, автоматики і телемеханіки. У залежності від оперативного струму розрізняють реле часу постійного і змінного струму.

Реле часу постійного струму використовує електромагнітну систему з якорем, що втягується. Витримка часу створюється годинниковим механізмом.

Реле часу змінного струму використовуються в основному трьох різновидів. Одним з них є реле часу з годинниковим механізмом і електромагнітним приводом робочої пружини в момент пуску реле. Основним недоліком цього реле є значна споживана потужність, а також можливість відмови в спрацюванні, оскільки при короткому замиканні напруга оперативного змінного струму може виявитися меншою за напругу спрацювання. Обмотка іншого різновиду реле часу змінного струму в нормальних умовах знаходиться під напругою, а якір – у притягнутому стані. При зниженні чи зникненні напруги якір реле відпадає, при цьому пускається загальмований годинниковий механізм і через заданий проміжок часу реле спрацьовує. Недоліком реле є можливість помилкового пуску через значне зниження напруги. Тому переважне поширення одержали реле із синхронним мікроелектродвигуном типів РВМ-12 і РВМ-13. Ці реле вмикаються безпосередньо у вітку первинних вимірювальних перетворювачів струму.

Проміжні реле. Для виконання проміжних реле звичайно використовують електромагнітну систему з поворотним якорем. Проміжні реле виконують з однією чи декількома обмотками, що можуть вмикатися на повну напругу джерела оперативного струму (обмотки напруги) чи послідовно з обмоткою якого-небудь реле апарата (обмотки струму). Проміжні реле виконуються з мінімальним споживанням потужності обмотками напруги для того, щоб полегшити умови роботи контактів у їхній вітці, а також (що особливо важливо для реле змінного струму) знизити потужність джерела оперативного струму. Проміжні реле з обмотками напруги повинні надійно спрацювати при напругах U_р=0,7U_ном.

Потужність, яку споживають обмотки струму проміжного реле, визначається з умови обмеження спаду напруги на ній не більше 5-10% від номінальної напруги джерела оперативного струму. Це необхідно для надійної дії реле апарата, послідовно з обмоткою якого ввімкнена обмотка струму проміжного реле.

Електромагнітні реле з герметизованими магніто керуючими контактами (герконові реле). Значним недоліком електромеханічних реле, у тому числі і проміжних, є наявність відкритих ненадійних контактів, які піддаються впливу навколишнього середовища, а також відносно великий час спрацювання через значну масу рухливого якоря. Спроба послабити ці недоліки привела до створення герконових реле.

Конструктивні особливості герконових реле забезпечують високу надійність комутації, тривалий термін служби, малі розміри.

Крокові розподільники. У пристроях автоматики і телемеханіки для перемикання декількох незалежних електричних віток, знаходження потрібної вітки і для розподілу сигналів при їхній передачі застосовуються крокові розподільники. Вони містять привід, що дискретно переміщує щітки по нерухомих контактах.

Крокові розподільники можуть робити кілька десятків перемикань у секунду. Доцільним вважається не більше десяти циклів у секунду. Як і в проміжних реле, контактна система крокового розподільника недосконала. Очевидно, на основі герметизованих контактів можна створити більш надійний пристрій.

Вказівне реле. Для одержання інформації спрацювання, повернення, дії чи відпускання різних апаратів у схемах захисту й автоматики служать вказівне реле з послідовним і паралельним вмиканням обмоток. Їхні обмотки вмикаються послідовно з обмотками чи реле інших апаратів, дія яких контролюється.

3.11 Індукційні вимірювальні реле

Електромеханічні реле з постійним магнітом розділяють на магнітоелектричні і поляризовані реле. Як ті, так і інші мають мале споживання потужності і є високочутливим і швидкодіючим реле; завдяки постійному магніту вони реагують на напрямок постійного струму в обмотці. У зв’язку з цим дані реле застосовуються, наприклад, як реагуючі елементи (нуль-індикаторів) напівпровідникових схем порівняння.

Поляризовані реле. Поляризованими називаються електромагнітні реле, на рухливу систему яких діють два незалежних магнітних потоки, робочий та поляризований. Перший створюється постійним струмом, що проходить по обмотці реле, другий – у більшості випадків постійним магнітом.

Магнітоелектричні реле. Дія магнітоелектричного реле грунтується на взаємодії магнітного поля постійного магніту і струму в обмотці, розташованої на рухливій рамці.

Як і в поляризованому реле, сила має лінійну залежність від струму в обмотці. Зі зміною напрямку постійного струму, змінюється напрямок сили, тобто реле має спрямованість дії. Наявність поля постійного магніту забезпечує дуже високу чутливість реле.

Принцип дії індукційних реле:

Принцип дії індукційних реле оснований на принципі дії індуктивних електричних машин (n фаз, зсунутих у просторі і n струмів, зсунутих по фазі).

Два магнітні потоки зсунуті у просторі, виникають за рахунок к.з. кільця К. На диск діють такі моменти:

М_об = k₁∙Ф₁∙Ф₂∙sinφ = k₂∙I_p² k₁,k₂ – коефіцієнти пропорційності

М_т + М_І + М_п + М_г = М_Σ

М_т – момент тертя (малий і ним нехтують)

М_г – гальмівний момент від пересікання потоків φ₁ і φ₂ диском

М_п – момент протидії пружини

М_І – момент інерції – пропорційний прискоренню.

Для роботи необхідно, щоб

М_об ≥ М_Σ j_min –за рахунок тонкого алюмінієвого диску малого діаметру.

3.12 Вимірювальні трансформатори струму ТА

Рисунок 3.12 - Трансформатори ТА. Рисунок 3.13 - Схема заміщення ТА

Призначення: для ізоляції струмових кіл вимірювальних приладів, реле та ін. від високовольтної мережі. Вторинна обмотка розрахована на І_2ном=1А, 5А (іноді 2А, 2,5А).

Маркування зажимів: Л₁ і Л₂ – довільно, а U₁ – так, щоб миттєвий і₂ був направлений від U₁ до U₂ при миттєвому і₁ – від Л₁ до Л₂.

– коефіцієнт трансформації ТА.

Із схеми заміщення випливає

У ідеального ТА І_m прямує до 0, тобто І₂=І'₁ (точне відображення первинного струму). Очевидно, що І_­m залежить від Zн: Іm спрямовано на min, коли Z_н прямує до 0 (режим КЗ трансформатора), то похибка – min.

Якщо Z_н зростає, то похибка трансформатора росте.

Якщо Z_н прямує до нескінченності (режим Х.Х.), то І₂=0 прямує до І_m=І'₁, прямує до Ф, зростає, магнітопровід насичується, тоді появляється на зажимах U₁, U₂ несинусоїдна ЕРС, максимальне миттєве значення якої досягає 30-50 кВ:

Висновок: 1) Нормальний режим роботи ТА – режим КЗ вторинної обмотки.

2) Забороняється режим ХХ трансформатора з точки зору ТБ. Гранична кратність k_гр, коли e рівна 10%,

– кратність ТА

Рисунок 3.14 –Залежність вторинного струму ТА від кратності первинного.

3) Похиба ТА нe залежить від k. Похибка , де І₁ – діюче значення, Т – період струму. Складова класу точності повинна бути {£ 5%, £ 10%}.

3.13 Вимірювальні трансформатори напруги ТV

Рисунок 3.15 – Трансформатори напруги ТV

Схема заміщення і призначення – аналітичні ТА.

Вторинна обмотка розрахована на номінальну напругу U_2ном=100 В.

– коефіцієнт трансформації ТV,

де Е₁=4,44f×W1×Ф, Е₂=4,44f×W₂×Ф - е.р.с. обмоток.

Нормальний режим ТV – це режим близький до ХХ (похибка – min), тут І₂=0; І₁=Іm прямує до Е₁»U₁, a k_U=U₁/U₂.

Похибка трансформатора зростає при зменшенні Z_н – І2 збільшується.

Класифікується 4 класи точності: 0.2; 0.5; 1; 3 відповідно до f_U.

Маркування: А - початок первинної обмотки, Х - кінець первинної обмотки; а - початок вторинної обмотки, х - кінець вторинної обмотки.

Схеми з'єднань ТV.

1) Вмикання однофазного тансформатора:

Рисунок 3.16 –Схема вмикання однофазного трансформатора напруги.

Первинна обмотка ввімкнена на будь-яку міжфазну напругу (наприклад Uвс).

2) Вмикання двох однофазних ТV в схему відкритого трикутника.

Рисунок 3.17 –Схема вмикання двох трансформаторів напруги.

а) реле 1, 2, 3 – вмикає на довільну міжфазну напругу.

б) реле 4, 5, 6 – вмикає в зірку з ізольованою нейтраллю.

(одинакові – це найбільш розповсюджена схема, але її не можна застосовувати, коли необхідно мати фазну напругу по відношенню до землі).

Рисунок 3.18 –Схема вмикання трьох трансформаторів напруги.

а) реле 1, 2, 3 – вмикає на довільну міжфазну напругу.

б) реле 4, 5, 6 – вмикає в зірку з ізольованою нейтраллю,

в) реле 7, 8, 9 – вмикає в схему зірки із заземленою нейтраллю.

Для цієї схеми необхідно застосовувати 3 однофазних TV або 1 трифазний п'ятистержневий трансформатор (броньований).

Застосовувати трьохстержневий трансформатор не можна, бо при КЗ (несиметричних) – виникають струми нульової послідовності, які будуть замикатися через обмотки TV на землю і викличуть сильний нагрів TV.

Схема з'єднання TV у фільтр напруги нульової послідовності.

Рисунок 3.19 – Схема з’єднання TV у фільтр напруги нульової послідовності.

Первинні обмотки TV з'єднуються в зірку із заземленою нейтраллю, вторинні – в розімкнутий трикутник, до якого вмикають реле:

(3.23)

При симетрії фаз U₀»(3-4)B Æ прямує до U_p=Æ.

При асиметрії КЗ появляється U₀ і напруга Up зростає (100В).

Як правило, TV виконують із двома вторинними обмотками НТНМ: одну обмотку використовують в схемі з'єднання зіркою, а другу – розімкнутого трикутника.

Рисунок 3.20 –Схеми з’єднань обмоток трансформатора напруги.

ІІа - (вмикається реле по схемах, зображених на рисунку 6).

ІІб - (використовується для схеми, зображеної на рисунку 7).

Вимоги до ТА:

1. Забезпечувати точну роботу вимірювальних органів струмових і дистанційних захистів і не допускати диференційних захистів при КЗ поза захищеною зоною, коли похибка не перевищує 10%.

2. Забезпечити надійне замикання контактів ЕМ реле струму, опору і напрямку потужності при КЗ на початку захищеної зони.

3. Не допускати КЗ на початку зони підвищення напруги на виводах ТА.

Тобто перевід ТА вмикає: перевірка 10-ї певної похибки (e£10%) при максимальному значенні струму КЗ через захист (f_розр £ f_доп) і розрахункове визначення напруги на виводах вторинної обмоки ТА при тому ж значенні струму КЗ (U_2max £ U_2доб).

3.14 Фільтри струмів зворотньої послідовності

Рисунок 3.21 –Схема фільтра струмів зворотньої послідовності.

Використовуємо два трансформатори струму ТА 1,2 з розщепленими обмотками.

На І обмотці ТА-1 подається ( _с- _А), на І обмотці ТА-2 подається ( _в- _с).

Міжфазні струми використовуються тому, що вони не містять складових нульової послідовності.

Вихідний опір Z₁ підбираємо так, щоб співпадало по . Очевидно, що Z₁=R₁.

Вихідний опір Z₂ підбираємо так, щоб випереджав на 60° (проти годинникової стрілки).

Рисунок 3.22 –Векторна діаграма струмів при симетричних КЗ і в нормальному режимі роботи.

Рисунок 3.23 –Векторна діаграма струмів при несиметричному КЗ

Якщо на фільтр подати пряму послідовність струмів (нормальний симетричний режим, чи режим трифазного КЗ), то (є маленька напруга небалансу).

Якщо виникає несиметричне КЗ, то на фільтр попадають струми зворотньої послідовності рівні , то можна подавати напругу на реле.

2. Фільтри струмів нульової послідовності:

а) трьохтрансформаторний фільтр.

Рисунок 3.24 –Схема трьохтрансформаторного фільтра.

Згідно методу симетричних складових при ввімкнені схеми на реле подається струм , де І _А+ І _В+ І _С=3 І ₀, І _НБа+ І _НБв+ І _НБс= І _нб звідси І _нб=40¸80 мА.

б) однотрансформаторний фільтр (спеціального типу)

а) кругла форма - для кабелів;

б) прямокутна форма - для шин.

Рисунок 3.25 –Фільтр струму нульової послідовності.

М – тороїдальний магнітопровід,

W _2­ – вторинна обмотка,

К – трифазний кабель (первинна обмотка).

В нормальному режимі чи при дво- і трифазних КЗ магнітний потік в магнітопроводі відсутній і Е₂=0, то І₂ »0. Струм небалансу є меншим, ніж в трьохтрансформаторному фільтрі І_нб »8¸10 мА, зумовлений несиметрією розміщення проводів кабеля.

При замиканні на землю з’являються струми нульової послідовності і появляється потік Ф, тоді І₂ зростає, якщо робота реле І_{нб однотр.} << І_{нб 3тр.}

Недолік – спеціальне виконання фільтра.

3.15 Фільтр напруги зворотньої послідовності

Рисунок 3.26 –Схема фільтра напруг зворотньої послідовності.

Фільтри: активно-індуктивні, активно ємнісні, змішані.

Фабрикант – фільтр вмикається на міжфазні напруги, які не містять складових нульової послідовності.

Активно-ємнісний фільтр U₀.

Фільтр має два плеча: а - ввімкнений на U_ав;

б - ввімкнений на U_вс.

Рисунок 3.27 –Векторна діаграма напруг при симетричному КЗ і в нормальному режимі роботи.

Опори Х_а, R_a, X_c i R_c підбирають так, щоб Umn=0 (точки m і n суміщаються).

Умова: регулювання R_a i R_c що випливає з трикутника: . Z_ф – реле, виміряємо зі сторони вторинних при закороченні первинних зажимів (m I n).

Рисунок 3.28 –Векторна діаграма напруг при несиметричному КЗ

Якщо на схему подати напруги зворотньої послідовності (несиметричне КЗ), між точками m i n виникає напруга

.

Тобто: – пропорційна напрузі зворотньої послідовності.

m_x – називається відношенням неробочого ходу.

Недолік – фільтр порушує роботу при відхиленні частоти (бо , ).

4 ДИСТАНЦІЙНИЙ ЗАХИСТ

4.1 Призначення, принцип дії і основні органи захисту

Призначення і принцип дії. В схемах електропостачання залежно від режиму роботи і виду короткого замикання змінюються струми пошкодження. Тому чутливість струмових і струмових направлених захистів, зони дії відсічень не залишаються постійними. В мінімальному режимі роботи системи електропостачання вони можуть виявитися недостатніми. В складних мережах максимальний струмовий направлений захист не завжди відповідає вимогам селективності і швидкодії. У зв'язку з цим бажано мати захист, характеристична величина якого не залежить від режиму роботи системи електропостачання, а час дії захисту визначається тільки відстанню від місця її установки до місця короткого замикання. Таким захистом є дистанційний захист. Він реагує на відношення напруги до струму в місці установки захисту. Це відношення називається опором Z p на затисках реле захисту. При відповідному ввімкненні реле цей опір пропорційний відстані від місця установки захисту до місця короткого замикання і не залежить від режиму роботи системи електропостачання. У вимірювальних органах захисту використовують розглянуті вище вимірювальні реле опору.

Дистанційний захист, як і струмовий, звичайно виконується триступінчато з відносною селективністю. Параметрами кожного ступеня є довжина зони, що захищається, і час спрацювання. По характеристиках витримок часу її перша, друга і третя ступені аналогічні відповідним ступеням струмового захисту. Це ілюструється графіками (рисунок 4.1, а). Захист А1 має характеристику 1, захист А2 — характеристику 2, захист A3 — характеристику 3. При пошкодженні в точці К ₁ приходять в дію захисту А1 і А2, але пошкодження відмикає найближчий до нього захист А2, оскільки вона має меншу витримку часу. Якщо пошкодження виникає в точці К ₂, то воно відмикається найближчим до нього захистом A3.

На лініях з двостороннім живленням дистанційний захист виконується направлено, а витримки часу відповідних ступенів захисту вибираються, як і в струмовому направленому захисті, за зустрічно-ступінчатим принципом (рисунок 4.1, б). Селективну дію можуть забезпечувати також дистанційні захисти з безперервно залежними (рисунок 4.2, а) і комбінованими (рисунок 4.2, б) характеристиками. Звичайно застосовуються захисти з ступінчастими характеристиками.

Рисунок 4.1 – Ступінчасті характеристики витримки часу дистанційного захисту

Основні органи захисту. Функціональна схема дистанційного направленого триступінчатого захисту показана на рисунок 4.3, а. Кожний ступінь захисту містить вимірювальний орган. Біля першої і другої ступенів, ненаправлені або направлені реле опору, знаходяться дистанційні органи KZ1I і KZ2II. Вимірювальний орган третього ступеня – реле KAIII (KZIII) – являється одночасно пусковим органом всього захисту. Він спрацьовує при пошкодженні в будь-якій зоні і здійснює пуск захисту (наприклад, замикає коло оперативного струму). Пусковим органом дистанційного захисту можуть бути або максимальні реле струму (КАІІІ), або мінімальні реле опору (KZIII). Вони повинні мати високу чутливість, не діяти при максимальному навантаженні і по можливості не діяти при гойданнях. Іноді пусковий орган повинен володіти вибірковістю дії, тобто вибирати пошкоджені фази.