Основи релейного захисту та автоматики 2 page

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.

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

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

2 ЗАХИСТ ЛІНІЙ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

2.1 Призначення і виконання захисту мережі напругою до 1000 В

Найпоширенішою електричною мережею напругою до 1000 В є чотирьохпровідна мережа з глухозаземленою нейтраллю. В такій мережі основними видами пошкодження є короткі замикання між фазами і окремих фаз на землю. Корпуси електродвигунів і іншого електроустаткування, приєднаного до чотирьохпровідної мережі, з'єднуються із заземленою нейтраллю. При цьому пошкодження ізоляції устаткування і замикання фази на корпус приводять до однофазного короткого замикання.

Електрична мережа напругою до 1000 В повинна мати швидкодійний захист від струмів короткого замикання, що забезпечує необхідну чутливість і по можливості селективне відмикання пошкодженої ділянки. Неселективне відмикання допустиме у випадках, коли це не приводить до аварій, важких порушень технологічного процесу, великих збитків або порушення нормального обслуговування населення.

Визначені також мережі, які разом із захистом від короткого замикання повинні мати захист від перевантаження. До таких мереж відносяться всі мережі усередині приміщень, виконані відкрито прокладеними незахищеними ізольованими дротами з горючою оболонкою. Захист від перевантаження необхідний для того, щоб запобігти перегріву провідників, який міг би привести до загорання ізоляції і пожежі. Захист від перевантаження повинні мати деякі освітлювальні і силові мережі усередині приміщень, виконані захищеними провідниками, провідниками, прокладеними в трубах, в будівельних конструкціях і інших, що не згорають. У вибухонебезпечних приміщеннях і вибухонебезпечних зовнішніх установках незалежно від умов технологічного процесу захист від перевантаження необхідний для всіх видів мереж.

Для захистів від коротких замикань і перевантажень впливовою величиною є струм, що проходить в місці їх вмикання. Тому такі захисти називаються струмовими. Найпростішим струмовим захистом є плавка вставка запобіжника. Разом з плавкими запобіжниками для виконання струмових захистів широко використовуються різні електричні реле. Струмові захисти володіють відносною селективністю. Залежно від способу забезпечення селективності вони діляться на максимальні струмові, струмові відсічки без витримки часу і струмові відсічки з витримкою часу. Біля перших селективність досягається шляхом введення уповільнення в дію захисту за ступінчастим принципом тим більшого, чим ближче до джерела живлення вона розташована, біля других – відповідним вибором струму, при якому відсічка спрацьовує. Струмова відсічка з витримкою часу використовує обидва способи забезпечення селективності. Встановлене на захисті уповільнення називається витримкою часу. Максимальні струмові захисти виконуються із залежними і з незалежними від значення впливової величини витримками часу. Плавкі запобіжники мають залежну від струму характеристику.

У даний час для захисту мереж напругою до 1000 В застосовуються плавкі запобіжники і автоматичні вимикачі, забезпечені пристроями струмового захисту. Причому перевага віддається запобіжникам, якщо немає необхідності в пристроях АПВ і АВР, не вимагається забезпечити більш швидке в порівнянні з плавкими запобіжниками відновлення живлення і вживання запобіжників, як захист від перевантаження, виявляється більш економічно ефективним.

2.2 Вибір плавких запобіжників

Плавкий запобіжник повинен захищати елемент електроустановки від струмів до КЗ, а також від тривалого перевантаження, якщо цього вимагає характер електричної мережі. При цьому надійна робота запобіжника забезпечується, якщо номінальний струм відмикання запобіжника І _{пр.відм} більший за максимальний розрахунковий струм КЗ І _{к max}, що проходить в елементі, який захищається, а номінальна напруга запобіжника U _пр.ном дорівнює номінальній напрузі мережі, в якій він встановлений. Плавка вставка запобіжника не повинна перегорати в нормальному режимі роботи і при короткочасних перевантаженнях елементу електроустановки, що захищається.

Плавкі запобіжники можуть застосовуватися в електричних мережах з різним характером навантаження. Навантаження може мати постійний характер без значного збільшення струму при її ввімкненні (освітлення, асинхронні двигуни з фазним ротором). Бувають і такі навантаження, характер яких викликає короткочасні перевантаження елементів, що захищаються плавкими запобіжниками. Короткочасні перевантаження можуть виникати в результаті пуску або самозапуску асинхронних електродвигунів з короткозамкнутим ротором, технологічних перевантажень механізмів і з інших причин; при цьому запобіжник перегорати не повинен. Проте завдяки короткочасному характеру перевантаження (5–10 с), представляється можливим номінальний струм плавкої вставки вибирати меншим за струм перевантаження І _пер. Співвідношення між струмом перевантаження і номінальним струмом плавкої вставки визначається коефіцієнтом перевантаження k _пер, встановленим на підставі тривалого досвіду експлуатації. При цьому враховуються умови пуску електродвигунів в мережі, що захищається. Розрізняють важкі умови пуску, коли проводяться часті пуски з великою тривалістю розгону (10 с і більше), і легкі умови пуску, коли проводяться рідкісні пуски з невеликою тривалістю розгону (до 10 с). Для важких умов пуску рекомендується коефіцієнт приймати рівним k _пер=1,6..2, а для легких умов пуску – рівним k _пер=2,5. У разі вживання запобіжника з плавкою вставкою з легкоплавкого матеріалу можна збільшити коефіцієнт k _пер. При цьому для важких умов пуску рекомендується приймати k _пер = 3,75,а для легких умов пуску режим короткочасного перевантаження не враховувати.

Якщо в мережі, що захищається запобіжниками, встановлені магнітні пускачі або контактори, то для вимикання їх відпускання через зниження напруги при коротких замиканнях плавка вставка запобіжника повинна перегоріти за час t _пр=0,1..0,2 с при пошкодженні в найвіддаленішій точці мережі. З аналізу захисних характеристик запобіжників виходить, що ця умова забезпечується при кратності струму короткого замикання І _к/ І _вс.ном=10..15.

Таким чином, при виборі запобіжника для захисту лінії мережі напругою U _c треба враховувати умови

U _пр.ном= U _с і І _{пр.відкл}≥ І _{к max} (2.1)

а його плавку вставку вибирати з врахуванням наступного:

І _вc.ном≥k_зап І _{роб mах} (перша умова);

І _вс.ном ≥І _пep / k_пep (друга умова);

І _вс.ном ≤І _{к min} / (10..15) (третя умова),

де І _{роб mах} – максимальний робочий струм, що проходить через запобіжник; k_зап=1,1..1,25 – коефіцієнт запасу.

Струм перевантаження І _пер приймається більшим з двох значень, розрахованих: для випадку пуску найпотужнішого електродвигуна і режиму нормальної роботи всієї решти споживачів, ввімкнених до лінії, що захищається, – по формулі:

(2.2)

для режиму запуску споживачів, що не відмикаються, якщо необхідно забезпечити самозапуск електродвигунів, – по формулі:

(2.3)

де – сума максимальних робочих струмів всіх споживачів, приєднаних до лінії, що захищається, без урахування електродвигуна з найбільшим пусковим струмом І _{пск mах}; – сума пускових струмів електродвигунів, що самозапускаються; п — число споживачів; m – число електродвигунів, що самозапускаються; k _c – коефіцієнт попиту, k _c<1.

Залежно від характеру навантаження і необхідності самозапуску номінальний струм плавкої вставки вибирають по першій або другій умові, приймають найближчим за шкалою стандартних струмів і перевіряють по третій умові за наявності в мережі, що захищається, магнітних пускачів або контакторів. Вибрані запобіжники повинні відповідати вимогам чутливості і по можливості діяти селективно.

2.3 Чутливість і селективність плавких запобіжників

До запобіжників, як і до інших пристроїв захисту, пред’являються наступні вимоги чутливості:

а) номінальний струм плавкої вставки повинен бути принаймні в три рази менше мінімального струму до КЗ в кінці ділянки І _{к min}, що захищається; в мережах напругою до 1000 В з глухозаземленою нейтраллю розрахунковим при визначенні І _{к min} є замикання між фазним і нульовим проводами. Струм КЗ:

(2.4)

де – фазна напруга мережі, В; – повний електричний опір трансформатора, що живить мережу, Ом;

–повний опір петлі фазний – нульовий провід лінії, Ом.

б) якщо запобіжник захищає мережу тільки від коротких замикань, то вимоги, висловлені в п. а), не обов'язкові за умови, що номінальний струм плавкої вставки не перевищує тривало допустимого струму І _{тр доп} для ділянки мережі, що захищається, більш ніж в три рази;

в) для мереж, що захищаються від перевантаження крім вимог, висловлених в п. а), повинні виконуватися вимоги І _{тр доп}≥ kІ _вс.ном; коефіцієнт k визначається типом ізоляції провідників і умовами їх експлуатації; для провідників з гумовою і аналогічною по теплових характеристиках ізоляцією, прокладених у вибухонебезпечних виробничих приміщеннях, k= 1,25, в приміщеннях невибухонебезпечних, k= 1, для кабелів з паперовою ізоляцією у всіх випадках k= 1.

Для виконання вимог, висловлених в п. в), часто збільшують переріз провідника, збільшуючи тим самим його тривало допустимий струм. Зменшувати номінальний струм плавкої вставки для отримання необхідного співвідношення між І _вс.ном і І _тр.доп не можна, оскільки це приводить до необгрунтованих відмикань лінії в нормальних режимах роботи. В деяких випадках завищення перерізів і додаткова витрата металу можуть виявитися такими значними, що економічно доцільним стане використання автоматичних вимикачів, більш дорогих і складніших, ніж запобіжники, але мають більш сприятливу (для захисту від перевантажень) захисну характеристику. Для цього можливе використання керованих запобіжників.

Таким чином, при використанні запобіжників необхідно прагнути зменшення номінального струму плавкої вставки. При цьому слід мати на увазі, що струм І _вс.ном, вибраний по другій умові очевидно має завищене значення. Практично струм короткочасного перевантаження І _пер виявляється меншим за розрахунковий, оскільки пуск і самозапуск електродвигуна відбувається при напругах менших від номінальних, а самозапуск, крім того, може починатися при деякому числі оборотів. Тому у кожному конкретному випадку слід визначати струм І _пер з урахуванням зниження напруги і режиму самозапуску. Необхідно також уточнити значення коефіцієнта k _пер. Доцільно користуватися не усередненими значеннями k _пер, а захисними характеристиками конкретних запобіжників.

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

3.1 Захист і автоматика ЛЕП

На електричних системах електропостачання – генераторах, трансформаторах, ЛЕП, ЕД застосовують струмові, струмові направлені, дистанційні, диференційні, а також максимальні і мінімальні струмові захисти.

Особливості елементу захисту впливають на схеми захисту і автоматики, на вибір їх параметрів, але принципи дії цих пристроїв залишаються незмінними.

ЛЕП як елемент СЕП дозволяє найбільш повно розглянути принципи дії і функції РЗіА, визначити вимоги до цих пристроїв, обґрунтувати загальний підхід до вибору їх параметрів.

3.2 Основні органи струмового захисту

Основні органи струмових захистів:

І. Перша ступінь захисту – струмова відсічка без витримки часу (має тільки вимірювальну частину захисту).

ІІ. Друга ступінь захисту – струмова відсічка з витримкою часу, незалежною від струму.

ІІІ. Максимальний струмовий захист – вимірювання частоти стуму і створення витримки часу

Максимальний струмовий захист і струмова відсічка з витримкою часу містять два органи: вимірювальний і витримки часу. Струмова відсічка без витримки часу має тільки вимірювальний орган. Функції вимірювального органу виконують реле струму КА, які входять у вимірювальну частину схеми. Вони реагують на пошкодження або порушення нормального режиму і вводять в дію орган витримки часу. Для підвищення чутливості захисту іноді використовують комбінований вимірювальний орган, в якому разом з реле струму є реле напруги KV. Як орган витримки часу можна використовувати окреме реле часу КТ. Разом з цим в одному реле струму можуть бути з'єднані обидва органи захисту.

Рисунок 3.1 – Схема МСЗ на постійному оперативному струмі

У схемах струмових захистів є також допоміжні реле, наприклад проміжні KL і вказівні КН. Разом з реле часу вони утворюють логічну частину схеми. Проміжне реле полегшує роботу контактів основних органів захисту і, вводячи деяке уповільнення, запобігає дії струмової відсічки без витримки часу при роботі трубчастих розрядників. Вказівне реле дозволяє контролювати спрацювання захисту. Як приклад на рисунку 3.1 приведена в однофазному зображенні принципова суміщена схема максимального струмового захисту на оперативному постійному струмі. Захист діє на електромагніт відмикання YAT приводу вимикача Q.

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

В залежності від призначення захисту і вимог до них використовуються такі схеми:

1) трифазна схема з’єднань в повну зірку;

2) двофазна двох- і трьохрелейна схема з’єднання в неповну зірку;

3) трифазна схема з’єднань TA в повний трикутник, а вимірювання в повну зірку;

4) двохфазна однорелейна схема з’єднання в неповний трикутник (на різницю струмів двох фаз);

У всіх схемах вимірювальні органи вмикаються на повні струми фаз:

, (3.1)

де І _Р струм в обмотках реле, І _2ф вторинний фазний струм.

, ,

1) Трифазна схема із з’єднанням TА і реле в повну зірку

Рисунок 3.2 – Трифазна схема із з’єднанням TА і реле в повну зірку

Провід, що з’єднує кутову точку трансформаторів і нульову точку обмоток реле називається нульовим (зворотнім). Захист реагує на всі види КЗ і має однакову чутливість.

(3.2)

При подвійних замиканнях на землю в мережах з ізольованою або заземленою через дугогасячий реактор нейтралями (якщо точка КЗ на різних суміжних вітках).

Можуть поділяти на відмикання при рівності, що не бажано.

2) Двофазна двох- і трьохрелейна схема з’єднання в неповну зірку

Реагує на всі види КЗ, де вимкнення КЗ на землю фази, де ТА відсутній.

(3.3)

при недостатній чутливості.

Рисунок 3.3 – Двофазна двохрелейна схема з’єднання в неповну зірку

Рисунок 3.4 – Двофазна трьохрелейна схема з’єднання в неповну зірку

3) Трифазна схема з’єднань TA в повний трикутник, а вимірювання в повну зірку.

(3.4)

; ;

Це ніби комбінований фільтр прямої і зворотної послідовності (нульова не проходить).

Рисунок 3.5 – Трифазна схема з’єднань TA в повний трикутник, а вимірювання в повну зірку

4) Двохфазна однорелейна схема з’єднання в неповний трикутник.

не реагує на КЗ фази

; ; АВ, ВС

Рисунок 3.6 – Двохфазна одно релейна схема з’єднання в неповний трикутник

В мережах з ізольованою і заземленою через дугогасильний реактор нейтраллю використовується схема неповної зірки або різниця струмів двох фаз.

В мережах з глухо заземленою нейтраллю необхідно вимикати КЗ на землю, тому використовується схема вмикання ТА і реле в повну зірку або неповна зірка плюс ФСНП.

Більш доцільно виконувати струмовий захист у вигляді двох компонентів від міжфазного КЗ і від КЗ на землю.

3.4 Перша ступінь струмового захисту – струмова відсічка без витримки часу

Селективна дія струмової відсічки без витримки часу досягається тим, що за її струм спрацювання приймається більший максимальний струм короткого замикання, що проходить через захист при пошкодженні ззовні елементу, що захищається. Дія захисту при короткому замиканні на ділянці, що захищається, забезпечується завдяки тому, що струм КЗ в мережі, а отже, і в захисті збільшується у міру наближення місця короткого замикання до джерела живлення (рисунок 3.8), причому криві зміни струму короткого замикання мають різну крутизну залежно від режиму роботи системи і вигляду КЗ (криві 1 і 2на рисунку 3.8, а відповідно для максимального і мінімального режимів).

(3.5)

(3.6)

Так як струмова відсічка без витримки часу при зовнішніх КЗ не спрацьовує, k_пов не враховується:

, (3.7)

де – мінімальний струм КЗ в місці встановлення захисту.

K_под = 1,2 - 1,3 РТ-40

1,5 - 1,6 РТ-80

1,8 - 2,0 РТМ

Рисунок 3.7 – Вибір струму спрацювання і визначення зони захисту струмової відсічки без витримки часу

Рисунок 3.8 – Вибір струму спрацювання і визначення зони захисту струмової відсічки без витримки часу

При недостатній чутливості точка КЗ переноситься за трансформатор.

(3.8)

3.5 Друга ступінь струмового захисту – струмова відсічка з витримкою часу

Основний недолік струмової відсічки без витримки часу полягає в тому, що вона захищає тільки частину лінії.

Рисунок 3.9 – Зони захисту і час дії струмового захисту зі ступінчастою характеристикою витримки часу

3.6 Третя ступінь струмового захисту – максимальний струмовий захист

Рисунок 3.10 – Розміщення струмових захистів

Селективність забезпечується в тому випадку, якщо час спрацювання t₁ захисту А1, розташованого біля джерела живлення, при КЗ на суміжній дільниці в зоні дії захисту А2 більша на ступінь селективності .

Витримка часу у максимального струмового захисту вибирається за ступінчастим принципом: починають вибір з найбільш віддаленого елементу і по мірі наближення до джерела живлення збільшують її таким чином, що захист наступної дільниці має витримку часу на ступінь селективності більшу, ніж та ж витримка часу попередньої дільниці.

(3.9)

При розрахунку параметрів (струму спрацювання і витримки часу) максимального струмового захисту з дешунтованим ЕВВ необхідно перевірити:

- надійність дії ЕМ відмикання після їх дешунтування;

- відсутність повернення після дешунтування ЕВ;

- комутаційну здатність перемикаючих контактів реле.

Надійна дія ЕМВ забезпечується, якщо струм спрацювання захисту перевищує деяке значення первинного струму І_1ео, при якому в ЕВ проходить струм, достатній для його дії

(3.10)

Умову (1) перевіряють наступним чином. При заданому струмі (спрацювання) ЕМ відмикання визначають вторинний струм, необхідний для його надійної дії.

(k_п=1,2...1,4)

Для запобігання повернення вимірювальних реле захисту після демонтування ЕВ, необхідно, щоб виконувалася умова

k_п=1,2

Можливість застосування схеми з дешунтованням за умовами роботи контактів

(3.11)

3.7 Особливості МСЗ на оперативному змінному струмі.

Джерелом оперативних кіл захисту являється ТА (схеми з дешунтуванням ЕМ відмикання вимикача). В такій системі ТА використовується не тільки як вимірювальний, але і для живлення електромагніту вимикача. Схема виконується так, що електромагніт відмикання YАТ підключається до ТА тільки при спрацюванні захисту.

Вимикач Q відмикається, якщо струм в електромагніті відмикання буде достатнім для його дії. Таким чином при розрахунку параметрів (струму спрацювання і витримки часу) МСЗ з дешунтуванням ЕМ відмиканням необхідно перевірити: надійність. дії ЕМ після дешунтування; відсутність повернення реле після дешунтування ЕМ; комутаційну здатність перемикаючих контактів реле.

Іс.з.³І1 є.о. - первинний струм ЕМВ.

Для вимкнення повернення вимірювальних реле захисту необхідно, щоб після дешунтування І2³kзапІв.р (kзап=1,2).

Роботу контактів перевіряємо по: Ік.мах/КІ£150 А.

3.8 Принцип дії та конструкції електромагнітних реле

Електромагнітні реле (е.м.р.) поділяються на: реле постійного струму та реле змінного струму. По типу конструкції реле поділяються на три групи:

а) е.м.р. з обертовим ходом якоря;

б) е.м.р. з поперечним ходом якоря;

в) е.м.р. плунжерного типу (якір, що втягується).

Дія е.м.р. базується на притяганні стального рухомого якоря до електромагніту, через обмотку якого W проходить струм І. При відсутності струму якір утримується у вихідному стані з допомогою протидіючої пружини (з зусиллям F_A) і при цьому контакти К розімкнуті.

При ввімкненні реле по обмотці W проходить струм І, що призводить до виникнення магнітного потоку Ф, який замикається через магнітопровід електромагніта, повітряний проміжок δ та якір. При цьому створюється електромагнітна сила F_e, яка притягує якір до електромагніту. Але є ще магнітні поля розсіювання Ф_рі.

Розглянемо розрахунок електромагнітної сили F_e для е.м.р. з поперечним ходом якоря (два повітряні проміжки).

Допущення:

1) нехтують активним опором магнітопроводу, враховуючи лише опір повітряного проміжку;

2) рахуємо повітряні проміжки δ₁ та δ₂ одинаковими і з поперечним перерізом S;

3) нехтуємо полями розсіювання;

4) нехтуємо силами тертя.

Схема заміщення е.м.р. буде:

R _δ – опір повітряного проміжку;

Ф – магнітний потік;

i· W – магніторушійна сила (i – струм, W – кількість витків обмотки).

За законом Ома для магнітного кола:

(3.12) Електромагнітна сила, що діє на якір через два повітряні проміжки січенням S буде:

(3.13) Але, з другого боку

і для малих повітряних проміжків (3.14) Отримаємо:

(3.15)

(3.16)

вираз для наближеного знаходження електромагнітної сили реле.

Висновки з даного рівняння:

1) електромагнітна сила F _e обернено пропорційна квадрату повітряного проміжку δ ² – гіпербола, для ефективної роботи реле δ необхідно зменшувати.

2) електромагнітне реле можна виконувати на постійному і змінному струмі, оскільки F _e=i², тобто не залежить від знаку.

Проаналізуємо перший висновок:

Рисунок 3.11 – Схема дії реле

Для дії реле необхідно, щоб на всьому шляху якоря (δ_max→δ_min) виконувалась умова:

(3.17)