Основи релейного захисту та автоматики 1 page

Костишин В.С.

ОСНОВИ РЕЛЕЙНОГО ЗАХИСТУ ТА АВТОМАТИКИ

Конспект лекцій

Для студентів спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”

МІНІСТЕРСВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу

Кафедра електропостачання та електрообладнання

Федорів М.Й.,

Костишин В.С.

ОСНОВИ РЕЛЕЙНОГО ЗАХИСТУ ТА АВТОМАТИКИ

Конспект лекцій

Для студентів спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”

Рекомендовано навчально-методичним об’єднанням спеціальності „Електротехнічні системи електроспоживання”

Івано-Франківськ

МВ 0207855 – 127 6 - 2003

Федорів М.Й., Костишин В.С. Основи релейного захисту та автоматики: Конспект лекцій.-Івано-Франківськ, 2003.-142 с.

Конспект лекцій складений у відповідності з навчальним планом і програмою курсу „Релейний захист і автоматика” і призначений для всіх форм навчання спеціальності „Електричні системи електроспоживання”.

Рецензент канд. техн. наук, доцент кафедри елктропостачання та електрообладнання ІФНТУНГ І.Д. Галущак

Голова навчально-методичного

об’єднання спеціальності

„Електротехнічні системи

електроспоживання” М.І.Михайлів

Завідувач кафедри

електропостачання та

електрообладнання М.І.Михайлів

Член експертно-рецензійної

комісії університету В.А.Ожоган

Нормоконтролер О.В.Гургула

Коректор Н.Ф.Будуйкевич

Дане видання – власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.

МВ 0207855 – 127 6 - 2003

Федорів М.Й., Костишин В.С. Основи релейного захист та автоматики: Конспект лекцій.-Івано-Франківськ, 2003.-142 с.

Конспект лекцій складений у відповідності з навчальним планом і програмою курсу „Релейний захист і автоматика” і призначений для всіх форм навчання спеціальності „Електричні системи електроспоживання”.

Рецензент канд. техн. наук, доцент кафедри електропостачання та електрообладнання ІФНТУНГ І.Д. Галущак

Дане видання – власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.

ЗМІСТ

ВСТУП........................................................................................7

1. ПРИЗНАЧЕННЯ РЕЛЕЙНОГО ЗАХИСТУ, АВТОМАТИКИ І ТЕЛЕМЕХАНІКИ В СИСТЕМАХ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ.........................................................8

2 ЗАХИСТ ЛІНІЙ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ...................................13

2.1 Призначення і виконання захисту мережі
напругою до 1000 В....................................................................13

2.2 Вибір плавких запобіжників.......................................14

2.3 Чутливість і селективність плавких запобіжників....17

3 РЕЛЕЙНИЙ ЗАХИСТ ЛІНІЙ З ОДНОСТОРОННІМ ЖИВЛЕННЯМ В ЕЛЕКТРИЧЧНИХ МЕРЕЖАХ НАПРУГОЮ ВИЩЕ 1000 В......................................................19

3.1 Захист і автоматика ЛЕП.............................................19

3.2 Основні органи струмового захисту...........................19

3.3 Схема з’єднання вимірювальних трансформаторів струму і кіл струму вторинних вимірювальних органів..........20

3.4 Перша ступінь струмового захисту – струмова відсічка без витримки часу.........................................................24

3.5 Друга ступінь струмового захисту – струмова відсічка з витримкою часу..........................................................26

3.6 Третя ступінь струмового захисту – максимальний струмовий захист.........................................................................27

3.7 Особливості МСЗ на оперативному змінному
струмі............................................................................................28

3.8 Принцип дії та конструкції електромагнітних
реле................................................................................................29

3.9 Електромагнітні вимірювальні реле...........................34

3.10 Електромагнітні логічні реле....................................35

3.11 Індукційні вимірювальні реле...................................37

3.12 Вимірювальні трансформатори струму ТА.............38

3.13 Вимірювальні трансформатори напруги ТV...........40

3.14 Фільтри струмів зворотньої послідовності..............44

3.15 Фільтр напруги зворотньої послідовності...............48

4 ДИСТАНЦІЙНИЙ ЗАХИСТ...................................................50

4.1 Призначення, принцип дії і основні органи захисту..........................................................................................50

4.2 Вибір напруги і струму дистанційних органів..........54

4.3 Схеми ввімкнення дистанційних органів..................55

4.4 Вибір параметрів спрацювання дистанційного захисту..........................................................................................56

5 ДИФЕРЕНЦІЙНИЙ СТРУМОВИЙ ЗИХИСТ.......................61

5.1 Призначення і види диференційного захисту...........61

5.2 Принцип дії повздовжнього диференційного струмового захисту......................................................................61

5.3 Струм небалансу в реле диференційного захисту з циркулюючими струмами...........................................................62

5.4 Способи підвищення чутливості диференційного захисту..........................................................................................63

5.5 Повздовжній диференційний захист ліній і її особливості...................................................................................67

5.6 Поперечний диференційний струмовий захист........69

5.7 Поперечний диференційний струмовий направлений захист............................................................................................71

5.8 Пускові органи поперечного диференційного струмового направленого захисту.............................................75

5.9 Виконання і область використовування поперечних диференційних струмових направлених захистів....................79

5.10 Балансний захист........................................................80

6 АВТОМАТИЧНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ЗБУДЖЕННЯ СИНХРОННИХ МАШИН..........................................................81

6.1 Принципи дії пристроїв автоматичного регулювання збудження генератора.................................................................81

6.2 Регулювання напруги і реактивної потужності в системах електропостачання пристроями автоматичного регулювання збудження..............................................................89

6.3 Автоматичні регулятори збудження..........................91

6.4 Синхронізація генераторів..........................................95

7 ЗАХИСТ ТРАНСФОРМАТОРІВ ТА АВТОТРАНСФОРМАТОРІВ...................................................100

7.1 Види пошкоджень і ненормальних режимів роботи трансформаторів........................................................................100

7.2 Захист плавкими запобіжниками...........................100

7.3 Струмовий захист трансформатора від коротких замикань.....................................................................................102

7.4 Струмові захисти від надструмів зовнішніх коротких замикань і пере навантажень...................................106

7.5 Газовий захист..........................................................107

7.6 Диференційний струмовий захист трансформаторів і особливості їх виконання.......................................................107

7.7 Схеми і область використання диференційних захистів трансформаторів.........................................................110

7.8 Пристої протиаварійної автоматики трансформаторів........................................................................112

7.9 Автоматичні пристрої керування режимами роботи трансформаторів........................................................................112

8 ЗАХИСТ І АВТОМАТИКА ШИН І СТРУМОПРОВОДІВ................................................................114

8.1 Захист шин..................................................................114

8.2 Пристрої автоматики.................................................119

8.3 Захист і автоматика струмопроводу.........................120

9 ЗАХИСТ ОКРЕМИХ ЕЛЕМЕНТІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПРИСТРОЇВ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ДВИГУНІВ.....................122

9.1 Види пошкоджень і ненормальних режимів роботи електродвигунів.........................................................................122

9.2 Захист і автоматика електродвигунів
напругою до 1000 В...................................................................122

9.3 Захист і автоматика електродвигунів напругою вище 1000 В..........................................................................................125

10 АВТОМАТИЧНЕ ВВІМКНЕННЯ РЕЗЕРВУ ЖИВЛЕННЯ..............................................................................129

10.1 Вимоги до пристроїв АВР.....................................129

10.2 Способи пуску і розрахунок параметрів ПАВР..130

10.3 Схеми пристроїв автоматичного ввімкнення резерву........................................................................................132

11 АВТОМАТИЧНЕ ПОВТОРНЕ ВВІМКНЕННЯ................134

11.1 Схеми пристроїв автоматичного повторного ввімкнення..................................................................................134

11.2 Пристрої АПВ на змінному оперативному струмі..........................................................................................134

11.3 Пристрої АПВ на випрямленому оперативному струмі..........................................................................................134

12 АВТОМАТИЧНЕ ЧАСТОТНЕ РОЗВАНТАЖЕННЯ.......137

12.1 Вибір параметрів і принципи роботи виконання пристроїв автоматичного частотного розвантаження............137

12.2 Сумісна дія автоматичних пристроїв частотного розвантаження, повторного вмикання та вмикання резерву.139

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ..................................142

ВСТУП

Нормальна робота сучасних енергетичних систем неможливе без широкої автоматизації. Автоматичні пристрої забезпечують безперервну роботу енергосистем, що сприяє підвищенню якості електроенергії і надійності електропостачання споживачів.

Основна особливість електроенергетики – одночасність і взаємозв’язок виробництва, трансформації, передачі та споживання електричної енергії. Порушення нормального функціонування любої із ланок технологічного процесу приводить до погіршення роботи елементів, або розвалу системи.

Друга особливість – це складність енергосистеми, велика ймовірність аварій (КЗ, обривів).

Третя особливість – перехідні процеси, що виникають при порушенні нормального режиму, протікають так швидко, що оперативний персонал (люди) на ЕС чи ЕПСТ не встигає втрутитися (прийняти рішення і внести управляючі дії) в хід аварії, що обумовлює необхідність автоматичного (без людини) управління в ЕС.

Одним з найбільш відповідальних видів автоматики є релейний захист, без якого взагалі неможлива робота електричних систем. У випадках пошкоджень або небезпечних ненормальних умов роботи елемента захист повинен відключити його, діючи на вимикач, або на сигнал.

Ефективна робота електричних систем забезпечується також застосуванням інших автоматичних пристроїв, наприклад, АЧР – автоматичного частотного розвантаження, АВР – автоматичного повторного вмикання, АЧР – автоматичного вводу резерву, пристрої форсування збудження синхроннних машин і т.д.

1 Призначення релейного захисту, автоматики і телемеханіки в системах електропостачання

При проектуванні та експлуатації будь-якої електроенергетичної системи необхідно врахувати можливість виникнення в них пошкоджень і ненормальних режимів роботи. Електричні машини і апарати, ЛЕП і інші частини електричних установок і електричних мереж постійно знаходяться під напругою і обтікаються струмом, який викликає їх нагрів. Найпоширенішими і в той же час найбільш небезпечними видами пошкоджень є короткі замикання (КЗ). Одним з видів ненормального режиму роботи є перевантаження, коли в елементі СЕП виникають струми, які перевищують довготривало-допустимі для нього значення. Температура струмоведучих частин при цьому підвищується, самі вони можуть деформуватись, а їх ізоляція прискорено зношується, або навіть виходить з ладу.

Пошкодження і ненормальні режими роботи можуть привести до виникнення в системі аварій, під якими розуміють вимушене порушення нормальної роботи всієї системи або її частини, яке супроводжується недовідпуском енергії споживачам, недопустимим зменшенням її якості або поломкою основного обладнання.

Короткі замикання виникають із-за пробою або перекриття ізоляції, обриву провідників, помилкових дій персоналу та з інших причин.

В більшості випадків в місці КЗ виникає дуга з високою температурою, яка приводить до виходу з ладу струмоведучих частин, ізоляторів і електричних апаратів. При КЗ до місця підходять великі струми, які вимірюються тисячами ампер, які перегрівають непошкоджені струмоведучі частини і можуть викликати додаткові пошкодження, тобто аварії. Одночасно в мережі проходить глибоке пониження напруги, що може привести до зупинки ЕД і порушення паралельної роботи генераторів.

Перераховані особливості ЕС диктують необхідність розробки спеціальної захисної апаратури ЕС.

Класифікація захисної апаратури:

1. Релейний захист.

2. Засоби автоматики.

3. Телемеханіка.

Релейний захист складається з пускової і логічної частини.

Пускові органи, які в різних книгах називаються головними, контролюючими, вимірювальними, регулюючими безпосередньо контролюють стан і режим роботи захисного обладнання і реагують на виникнення КЗ і порушення нормального режиму роботи. Пускові органи виконуються з допомогою реле струму, напруги, потужності та ін.

Логічна частина – представляє собою схему, яка запускається пусковими органами, і співставляючи послідовність і тривалість їх дії, проводить відмикання вимикачів.

Функціонування РЗ – це особливий вид управління, направленого на відвернення або локалізацію аварії. Ціль релейного захисту – забезпечення безаварійності об’єкта захисту (ОЗ) шляхом його відмикання.

1) Основний елемент РЗ – реле – комутаційний пристрій, призначений для створення стрибкоподібних змін параметрів, які управляються (ПУ) в мережі при заданих значеннях параметрів реле, що контролюються (ПК).

Результат спрацювання реле:

– Вимкнення (однофазне КЗ в системі з глухозаземленою нейтраллю);

– Сигнал (однофазне КЗ в системі з ізольованою нейтраллю).

Рисунок 1.1 – Графік результату спрацювання реле

В якості П _к вибирається напруга, струм, частота, або їх комбінація. Різновидністю реле одноразової дії струмового типу є „плавка вставка”.

Класифікація реле:

а) по напряму зміни П_к:

максимального значення (спрацювання при зростанні П_к до П_к задане); мінімального значення (спрацювання при спаданні П_к до П_к задане);

б) по способу ввімкнення в мережу:

первинні (вмикаються безпосередньо в силову мережу);

вторинні (через первинні вимірювальні пристрої – трансфор­матор струму і напруги);

в) по способу дії на комутуючий пристрій:

прямої дії (прямий механічний зв’язок з вимикачем комутаційного пристрою); непрямої дії (зв’язок через електромагнітний вимикач).

Електричні реле мають 5 основних функціональних частин: сприймаючу (1), перетворюючу (2), порівнюючу (3), виконуючу (4), гальмуючу (5), (6) задаючий елемент, в якому проводяться настройки (наладка).

Необхідно відмітити, що з розвитком техніки РЗ його елементна база змінюється. В даний час використовується мікропроцесорна техніка, при чому основні елементи захисту уже не реле, а мікропроцесори – керовані цифрові інтегральні мікросхеми з програмами, закладеними в запам’ятовуючий пристрій.

Рисунок 1.2 – Схематичне зображення електричного реле

Засоби автоматики.

Класифікація засобів автоматики:

а) по області дії:

– технологічна (локальна дія на режим окремої енергоустановки);

– системна (дія впливає на режим системи в цілому);

б) по функціональному призначенню:

– нормального режиму (АРУП, АРН);

– аварійного режиму:

– АВР – автоматичне вмикання резерву;

– АПВ – автоматичне повторне вмикання (ЛЕП, ТР, шин);

– АЧР – автоматичне частотне розвантаження для підвищення частоти;

– АРЗ – автоматичне регулювання збудження СГ для регулювання напруги;

– РПН – регулювання напруги (трансформатора) під навантаженням;

– ИРМ – регулювання Q дискретне (КБ) і неперервне синхронні компенсатори, синхронні двигуни, синхронні генератори;

– ПА протиаварійна автоматика.

Додатково:

– ПАС – пристрій автоматичної синхронізації СГ;

– АРУ – автоматичне регулювання частоти і активної потужності СГ.

Телемеханіка.

Телемеханіка виконує операції з інформацією, зв’язані з віддаллю між диспетчерським пунктом ДП і об’єктом управління ОУ.

Має наступні системи:

ТВ – телевимірювання

ТР – телерегулювання

Рисунок 1.3 – Принцип дії телемеханіки

1.2 Вимоги до пристроїв РЗ, автоматики та телемеханіки.

1) Селективність – здатність РЗ визначати (дія на сигнал) чи вимикати (дія на вимикання) тільки пошкоджений елемент.

Селективність буває:

– Абсолютна;

– відносна (резервна).

Рисунок 1.4 – Схема мережі з пристроями релейного захисту

2) Чутливість – здатність РЗ реагувати на мінімальні відхилення параметрів від номінального режиму (протиріччя з селективністю)

Коефіцієнт чутливості – відношення аварійного значення параметра режиму до установленого значення спрацювання.

3) Швидкодія – (особливо при КЗ) – здатність швидко реагувати на виникнення аварійного режиму.

а) Вимикання аварійного участку t_відкл. = t_РЗ + t_{вимикача};

t_РЗ = 0,1¸0,2 сек

t_вим = 0,06¸0,15 сек

б) АРЗ СГ і СД (тиристорні); АПВ і АВР.

4) Надійність – здатність РЗ і А виконувати свої функції на протязі заданого періоду експлуатації.

5) Достовірність – інформації (спотворення сигналів при передачі).

ВСТУП

Нормальна робота сучасних енергетичних систем неможливе без широкої автоматизації. Автоматичні пристрої забезпечують безперервну роботу енергосистем, що сприяє підвищенню якості електроенергії і надійності електропостачання споживачів.

Основна особливість електроенергетики – одночасність і взаємозв’язок виробництва, трансформації, передачі та споживання електричної енергії. Порушення нормального функціонування любої із ланок технологічного процесу приводить до погіршення роботи елементів, або розвалу системи.

Друга особливість – це складність енергосистеми, велика ймовірність аварій (КЗ, обривів).

Третя особливість – перехідні процеси, що виникають при порушенні нормального режиму, протікають так швидко, що оперативний персонал (люди) на ЕС чи ЕПСТ не встигає втрутитися (прийняти рішення і внести управляючі дії) в хід аварії, що обумовлює необхідність автоматичного (без людини) управління в ЕС.

Одним з найбільш відповідальних видів автоматики є релейний захист, без якого взагалі неможлива робота електричних систем. У випадках пошкоджень або небезпечних ненормальних умов роботи елемента захист повинен відключити його, діючи на вимикач, або на сигнал.

Ефективна робота електричних систем забезпечується також застосуванням інших автоматичних пристроїв, наприклад, АЧР – автоматичного частотного розвантаження, АВР – автоматичного повторного вмикання, АЧР – автоматичного вводу резерву, пристрої форсування збудження синхроннних машин і т.д.

1 Призначення релейного захисту, автоматики і телемеханіки в системах електропостачання

При проектуванні та експлуатації будь-якої електроенергетичної системи необхідно врахувати можливість виникнення в них пошкоджень і ненормальних режимів роботи. Електричні машини і апарати, ЛЕП і інші частини електричних установок і електричних мереж постійно знаходяться під напругою і обтікаються струмом, який викликає їх нагрів. Найпоширенішими і в той же час найбільш небезпечними видами пошкоджень є короткі замикання (КЗ). Одним з видів ненормального режиму роботи є перевантаження, коли в елементі СЕП виникають струми, які перевищують довготривало-допустимі для нього значення. Температура струмоведучих частин при цьому підвищується, самі вони можуть деформуватись, а їх ізоляція прискорено зношується, або навіть виходить з ладу.

Пошкодження і ненормальні режими роботи можуть привести до виникнення в системі аварій, під якими розуміють вимушене порушення нормальної роботи всієї системи або її частини, яке супроводжується недовідпуском енергії споживачам, недопустимим зменшенням її якості або поломкою основного обладнання.

Короткі замикання виникають із-за пробою або перекриття ізоляції, обриву провідників, помилкових дій персоналу та з інших причин.

В більшості випадків в місці КЗ виникає дуга з високою температурою, яка приводить до виходу з ладу струмоведучих частин, ізоляторів і електричних апаратів. При КЗ до місця підходять великі струми, які вимірюються тисячами ампер, які перегрівають непошкоджені струмоведучі частини і можуть викликати додаткові пошкодження, тобто аварії. Одночасно в мережі проходить глибоке пониження напруги, що може привести до зупинки ЕД і порушення паралельної роботи генераторів.

Перераховані особливості ЕС диктують необхідність розробки спеціальної захисної апаратури ЕС.

Класифікація захисної апаратури:

1. Релейний захист.

2. Засоби автоматики.

3. Телемеханіка.

Релейний захист складається з пускової і логічної частини.

Пускові органи, які в різних книгах називаються головними, контролюючими, вимірювальними, регулюючими безпосередньо контролюють стан і режим роботи захисного обладнання і реагують на виникнення КЗ і порушення нормального режиму роботи. Пускові органи виконуються з допомогою реле струму, напруги, потужності та ін.

Логічна частина – представляє собою схему, яка запускається пусковими органами, і співставляючи послідовність і тривалість їх дії, проводить відмикання вимикачів.

Функціонування РЗ – це особливий вид управління, направленого на відвернення або локалізацію аварії. Ціль релейного захисту – забезпечення безаварійності об’єкта захисту (ОЗ) шляхом його відмикання.

1) Основний елемент РЗ – реле – комутаційний пристрій, призначений для створення стрибкоподібних змін параметрів, які управляються (ПУ) в мережі при заданих значеннях параметрів реле, що контролюються (ПК).

Результат спрацювання реле:

– Вимкнення (однофазне КЗ в системі з глухозаземленою нейтраллю);

– Сигнал (однофазне КЗ в системі з ізольованою нейтраллю).

Рисунок 1.1 – Графік результату спрацювання реле

В якості П _к вибирається напруга, струм, частота, або їх комбінація. Різновидністю реле одноразової дії струмового типу є „плавка вставка”.

Класифікація реле:

а) по напряму зміни П_к:

максимального значення (спрацювання при зростанні П_к до П_к задане); мінімального значення (спрацювання при спаданні П_к до П_к задане);

б) по способу ввімкнення в мережу:

первинні (вмикаються безпосередньо в силову мережу);

вторинні (через первинні вимірювальні пристрої – трансфор­матор струму і напруги);

в) по способу дії на комутуючий пристрій:

прямої дії (прямий механічний зв’язок з вимикачем комутаційного пристрою); непрямої дії (зв’язок через електромагнітний вимикач).

Електричні реле мають 5 основних функціональних частин: сприймаючу (1), перетворюючу (2), порівнюючу (3), виконуючу (4), гальмуючу (5), (6) задаючий елемент, в якому проводяться настройки (наладка).

Необхідно відмітити, що з розвитком техніки РЗ його елементна база змінюється. В даний час використовується мікропроцесорна техніка, при чому основні елементи захисту уже не реле, а мікропроцесори – керовані цифрові інтегральні мікросхеми з програмами, закладеними в запам’ятовуючий пристрій.

Рисунок 1.2 – Схематичне зображення електричного реле

Засоби автоматики.

Класифікація засобів автоматики:

а) по області дії:

– технологічна (локальна дія на режим окремої енергоустановки);

– системна (дія впливає на режим системи в цілому);

б) по функціональному призначенню:

– нормального режиму (АРУП, АРН);

– аварійного режиму:

– АВР – автоматичне вмикання резерву;

– АПВ – автоматичне повторне вмикання (ЛЕП, ТР, шин);

– АЧР – автоматичне частотне розвантаження для підвищення частоти;

– АРЗ – автоматичне регулювання збудження СГ для регулювання напруги;

– РПН – регулювання напруги (трансформатора) під навантаженням;

– ИРМ – регулювання Q дискретне (КБ) і неперервне синхронні компенсатори, синхронні двигуни, синхронні генератори;

– ПА протиаварійна автоматика.

Додатково:

– ПАС – пристрій автоматичної синхронізації СГ;

– АРУ – автоматичне регулювання частоти і активної потужності СГ.

Телемеханіка.

Телемеханіка виконує операції з інформацією, зв’язані з віддаллю між диспетчерським пунктом ДП і об’єктом управління ОУ.

Має наступні системи:

ТВ – телевимірювання

ТР – телерегулювання

Рисунок 1.3 – Принцип дії телемеханіки

1.2 Вимоги до пристроїв РЗ, автоматики та телемеханіки.

4) Селективність – здатність РЗ визначати (дія на сигнал) чи вимикати (дія на вимикання) тільки пошкоджений елемент.

Селективність буває:

– Абсолютна;

– відносна (резервна).

Рисунок 1.4 – Схема мережі з пристроями релейного захисту

5) Чутливість – здатність РЗ реагувати на мінімальні відхилення параметрів від номінального режиму (протиріччя з селективністю)

Коефіцієнт чутливості – відношення аварійного значення параметра режиму до установленого значення спрацювання.

6) Швидкодія – (особливо при КЗ) – здатність швидко реагувати на виникнення аварійного режиму.