Релейная защита. Чернобровов Н.В. Релейная защита - файл n1.doc. Основные принятые сокращения

Название: Микропроцессорная автоматика и релейная защита электроэнергетических систем, 2-е издание
Издательство: ИД МЭИ
Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И.
ISBN: 978-5-383-00467-8
Год: 2010
Страниц: 336
Формат: pdf, djvu
Размер: 69,2 Мб
Язык: русский

О книге:
В книжке Микропроцессорная автоматика и релейная защита электроэнергетических систем рассказывается о электроэнергетических системах - методах функционирования, принципах действия. В ней приводятся структурные и многофункциональные схемы микропроцессорных устройств противоаварийной автоматики и релейной защиты самых современных русских разработок.

Предисловие
Введение
Глава первая. Измерительное преобразование режимных параметров в сигналы информации микропроцессорной автоматики и релейной защиты электрических систем
1.1. Назначение и виды измерительного преобразования
1.2. Программные измерительные преобразователи информационных параметров входных сигналов
1.3. Программные измерительные преобразователи активной и реактивной мощности
1.4. Программные фильтры симметричных составляющих
Вопросы для самопроверки
Глава вторая. Микропроцессорные автоматические синхронизаторы
2.1. Автоматические синхронизаторы синхронных генераторов
2.2. Микропроцессорный автоматический синхронизатор типа АС-М
2.3. Микропроцессорный автоматический синхронизатор типа «Спринт-М»
Вопросы для самопроверки
Глава третья. Микропроцессорные автоматические регуляторы возбуждения синхронных генераторов
3.1. Современное возбуждение генераторов
3.2. Общая функциональная схема автоматического регулирования возбуждеиия
3.3. Микропроцессорные автоматические регуляторы тиристорного возбуждения синхронных генераторов
3.4. Программные измерительные органы микропроцессорных регуляторов
3.5. Особенности микропроцессорного автоматического регулятора возбуждения КОСУР-Ц
3.6. Особенности цифрового управления тиристорами возбудителя
3.7. Алгоритм функционирования и структурная схема микропроцессорных регуляторов возбуждения
3.8. Адаптивные автоматические регуляторы возбуждения
Вопросы для самопроверки
Глава четвертая. Микропроцессорная автоматика управления возбуждением асинхронизированных генераторов
4.1. Особенности возбуждения и регулирования возбуждения асинхронизированного генератора
4.2. Алгоритм функционирования автоматического регулятора
4.3. Микропроцессорная автоматическая система управления возбуждением и мощностью асинхронизированного генератора
Вопросы для самопроверки
Глава пятая. Автоматическое регулирование частоты вращения и активной мощности синхронных генераторов
5.1. Особенности автоматического регулирования частоты и мощности
5.2. Микропроцессорные автоматические регуляторы частоты вращения и активной мощности
5.3. Микропроцессорная автоматическая система регулирования частоты и мощности турбогенераторов
Вопросы для самопроверки
Глава шестая. Автоматические регуляторы напряжения и реактивной мощности синхронных и статических компенсаторов
6.l. Особенности режимов работы синхронных и статических компенсаторов
6.2. Возбуждение современных синхронных компенсаторов
6.3. Автоматические регуляторы реактивной мощности синхронных компенсаторов
6.4. Автоматические регуляторы реактивной мощности статических компенсаторов
6.5. Микропроцессорное управление бесщеточным возбуждением мощных синхронных электродвигателей
Вопросы для самопроверки
Глава седьмая. Микропроцессорная релейная защита и автоматика собственных нужд электростанций и электрических сетей напряжением 6-35 кВ
7.1. Виды микропроцессорных устройств
7.2. Программные измерительные органы релейного действия
7.3. Микропроцессорные комплексы НТЦ «Механотроника»
7.4. Микропроцессорные терминалы ЗАО «РАДИУС Автоматика»
7.5. Терминалы «ИЦ «БРЕСЛЕР»
7.6. Особенности дистанционных защит и автоматического повторного включения линий напряжением 35 кВ
7.7. Автоматика частотной разгрузки и частотного повторного включения
7.8. Ускоренная автоматика включения резерва
Вопросы для самопроверки
Глава восьмая. Интегрированная микропроцессорная релейная защита и автоматика синхронных гeнераторов и трансформаторов
8.1. Виды и особенности
8.2. Микропроцессорная защита и автоматика синхронных генераторов и трансформаторов
8.3. Особенности интегрированной микропроцессорной защиты
8.4. Особенности микропроцессорной автоматики, интегрированной с защитой
8.5. Микропроцессорная защита и автоматика трансформаторов
8.б. Особенности микропроцессорной защиты и автоматики трансформаторов НТЦ «Механотроника»
8.7. Микропроцессорная защита трансформаторов «ИЦ «Бреслер»
8.8. Микропроцессорная защита и автоматика трансформаторов типа «Сириус»
8.9. Особенности микропроцессорной защиты и автоматики автотранформаторов высокого и сверхвысокого напряжений 000 НПП «ЭКРА»
Вопросы для самопроверки
Глава девятая. Микропроцессорная релейная защита линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений
9.1. Виды и особенности. Унифицированные терминалы
9.2. Микропроцессорная фильтровая направленная высокочастотная защита
9.3. Микропроцессорная дифференциально-фазная высокочастотная защита
9.4. Терминалы микропроцессорной дифференциально-фазной защиты
9.5. Микропроцессорная дистанционная и токовая направленная нулевой последовательности защиты линий электропередачи
Вопросы для самопроверки
Глава десятая. Микропроцессорная противоаварийная автоматика линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений
10.1. Виды микропроцессорной автоматики
10.2. Микропроцессорная автоматика повторного включения
10.3. Программная автоматика однофазного повторного включения
10.4. Микропроцессорное устройство контроля погасания электрической дуги и успешного включения отключенной фазы с одной стороны
10.5. Действие автоматики однофазного повторного включения
10.6. Микропроцессорная автоматика ограничений повышения напряжений
10.7. Микропроцессорные автоматические устройства определения мест повреждений линий электропередачи
10.8. Автоматический регистратор электромагнитных переходных процессов
Вопросы для самопроверки
Глава одиннадцатая. Микропроцессорная автоматика предотвращения нарушения устойчивости
11.1. Особенности микропроцессорной реализации автоматики дозирования и запоминания противоаварийных управляющих воздействий
11.2. Микропроцессорная панель автоматики предотвращения нарушения устойчивости
11.3. Микропроцессорный программно-технический комплекс автоматического дозирования и запоминания противоаварийных управляющих воздействий
11.4. Микропроцессорное устройство противоаварийной автоматики SМАRТ-ПА
11.5. Функционирование и развитие микропроцессорной автоматики предотвращения нарушения устойчивости
Вопросы для самопроверки
Глава двенадцатая. Микропроцессорная автоматика ликвидации асинхронного режима
12.1. Назначение и виды автоматических устройств
12.2. Электрические признаки асинхронного режима
12.3. Варианты микропроцессорной автоматики ликвидации асинхронного режима
12.4. Микропроцессорная автоматика 000 «АББ Автоматизация»
12.5. Микропроцессорная автоматика Дальневосточного государственного технического университета
12.6. Микропроцессорная автоматика ОАО «Институт «Энергосетьпроект»
Вопросы для самопроверки
Глава тринадцатая. Автоматизированные системы управления электрическими станциями и электроэнергетическими системами
13.1. Назначение и принципы реализации автоматизированного управления электростанциями
13.2. Микропроцессорная автоматизированная система управления гидроэлектростанциями
13.3. Микропроцессорная автоматизированная система управления тепловыми электростанциями
13.4. Техническая реализация автоматизированной системы управления электрической частью тепловых электростанций
13.5. Цифровая автоматическая система управления частотой и активной мощностью электроэнергетической системой
Вопросы для самопроверки
Список литературы

(Документ)

Никитин К.И. Релейная защита систем электроснабжения. Конспект лекций (Документ)

Якимчук Н.Н. Релейная защита и противоаварийная автоматика в сетях 220-110 кВ (Документ)

Рабочий проект ВЛ 10 кВ (пример) (Документ)

Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения (Документ)

Шабад М.А. Релейная защита и автоматика на электроподстанциях, питающих синхронные электродвигатели (Документ)

Стандарт ОАО СО ЕЭС. Релейная защита и автоматика. Взаимодействие субъектов электроэнергетики (Стандарт)

Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей (Документ)

n1.doc

Н. В. Чернобровов

Р Е Л Е Й Н А Я

З А Щ И Т А

ИЗДАНИЕ ПЯТОЕ,

ПЕРЕРАБОТАННОЕ

Допущено Министерством

Энергетики и электрификации СССР

В качестве учебного пособия

Для учащихся энергетических

И энергостроительных техникумов
«Э Н Е Р Г И Я» МОСКВА 1974
6П2.11

УДК 621.316..925 (075)

Чернобровов Н. В.

Ч-49 Релейная защита. Учебное пособие для техникумов.

Изд. 5-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1974. 680 с. С ил.
В книге рассмотрена релейная защита электрических сетей, оборудования электростанций и сборных шин распределительных устройств. Четвертое издание книги вышло в 1971 г.

Книга предназначена в качестве учебного пособия для учащихся энергетических техникумов и может быть использована студентами электротехнических и энергетических вузов, а также инженерами и техниками, занимающимися эксплуатацией, монтажом и проектированием релейной защиты электростанций и сетей.
30311-601

051(01)-74

75-74 6П2.11

Издательство «Энергия», 1974г.

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЯТОМУ ИЗДАНИЮ
Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и ненормальных режимов в электрической части энергосистем и является важнейшей автоматикой, обеспечивающей их надежную и устойчивую работу.

В современных энергетических системах значение релейной защиты особенно возрастает в связи с бурным ростом мощности энергосистем, объединением их в единые электрически связанные системы в пределах нескольких областей, всей страны, и даже нескольких государств.

Характерным для современных энергосистем является развитие сетей высокого и сверхвысокого напряжения, с помощью которых производится объединение энергетических систем и передача больших потоков электрической энергии от мощных электростанций к крупным центрам потребления.

В Советском Союзе на базе сетей 500 кВ создается Единая энергетическая система страны (ЕЭС), сооружаются мощные и протяженные передачи 500-750 кВ, а в недалеком будущем предполагается создание еще более мощных передач 1150 кВ переменного и 1500 кВ постоянного тока, строятся крупнейшие тепловые, гидравлические и атомные электростанции, увеличивается мощность энергетических блоков. Соответственно растет мощность электрических подстанций, усложняется конфигурация электрических сетей и повышается их нагрузка.

Рост нагрузок, увеличение протяженности линий электропередачи, ужесточение требований к устойчивости энергосистем осложняют условия работы релейной защиты и повышают требования к ее быстродействию, чувствительности и надежности. В связи с этим идет непрерывный процесс развития и совершенствования техники релейной защиты, направленный на создание все более совершенных защит, отвечающих требованиям современной энергетики.

Создаются и вводятся в эксплуатацию новые защиты для дальних электропередач сверхвысокого напряжения, для крупных генераторов, трансформаторов и энергетических блоков. Разрабатываются дистанционные защиты со сложными характеристиками, позволяющими получить оптимальное решение очень сложной задачи - надежной отстройки защиты от нагрузки и качаний при сохранении достаточной чувствительности при коротких замыканиях. Ищутся пути усовершенствования блокировок от качаний и от повреждений в цепях напряжения. Совершенствуются способы резервирования отказа защит и выключателей. Все более определенной становится тенденция отказа от электромеханических реле и переход на статические, бесконтактные системы.

Широкое распространение в связи с этим получает применение в устройствах релейной защиты полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров). Разрабатываются конструкции реле на магнитных элементах. Предпринимаются попытки использования контактных реле, более надежных, чем обычные электромеханические конструкции. К числу таких реле относятся герметичные магнитоуправляемые контакты (герконы), представляющие собой безъякорные реле (применяемые в вычислительной технике). Они отличаются большим быстродействием, надежностью и малыми размерами. Рассматривается возможность использования ЭЦВМ для выполнения функций релейной защиты.

Все более необходимым становится использование ЭЦВМ для расчета уставок защиты, поскольку такие расчеты в современных энергосистемах очень трудоемки и занимают много времени.

В связи с ростом токов короткого замыкания, вызванным увеличением генераторной мощности энергосистем, актуальное значение приобретают вопросы точности трансформации первичных токов, питающих измерительные органы релейной защиты. Для решения этой проблемы ведутся исследования поведения трансформаторов тока, изучаются возможности повышения их точности, разрабатываются пригодные для практики методы расчета погрешностей трансформаторов тока, ищутся новые более точные способы трансформации первичных токов.

При подготовке к переизданию книги автор стремился отразить новые разработки отечественной техники по перечисленным выше направлениям ее развития. В книгу вошли новые защиты и технические решения, уже нашедшие применение на практике или имеющие реальную перспективу применения. С учетом этого внесены изменения и дополнения в третью главу, посвященную трансформаторам тока, в главу пятнадцатую, излагающую принципы защиты генераторов, и в главу семнадцатую, касающуюся защиты блоков. В остальные главы внесены изменения и уточнения, направленные главным образом на улучшение изложения.

Автор приносит благодарность рецензенту книги Т. Н. Дородновой за ряд полезных замечаний. Все пожелания и замечания автор просит направлять по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая набережная, 10, Издательство «Энергия».

НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

В энергетических системах могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций и подстанций, их распределительных устройств, линий электропередачи и электроустановок потребителей электрической энергии.

Повреждения в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения в элементах энергосистемы.

Повышенный ток выделяет большое количество тепла, вызывающее разрушения в месте повреждения и опасный нагрев неповрежденных линий и оборудования, по которым этот ток проходит.

Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы генераторов и энергосистемы в целом.

Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению величин напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и линий электропередачи.

Таким образом, повреждения нарушают работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждений или расстройства работы энергосистемы.

Для обеспечения нормальной работы энергетической системы и потребителей электроэнергии необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной сети, восстанавливая таким путем нормальные условия их работы и прекращая разрушения в месте повреждения.

Опасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно обнаружить отклонение от нормального режима и принять меры к его устранению (например, снизить ток при его возрастании, понизить напряжение при его увеличении и т. д.).

В связи с этим возникает необходимость в создании и применении автоматических устройств, выполняющих указанные операции и защищающих систему и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов.

Первоначально в качестве подобной защиты применялись плавкие предохранители. Однако по мере роста мощности и напряжения электрических установок и усложнения их схем коммутации такой способ защиты стал недостаточным, в силу чего были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи специальных автоматов - реле, получившие название релейной защиты.

Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных энергетических систем. Она осуществляет непрерывный контроль за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов.

При возникновении повреждений защита выявляет и отключает от системы поврежденный участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения.

При возникновении ненормальных режимов защита выявляет их и в зависимости от характера нарушения производит операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подает сигнал дежурному персоналу.

В современных электрических системах релейная защита тесно связана с электрической автоматикой, предназначенной для быстрого автоматического восстановления нормального режима и питания потребителей.

К основным устройствам такой автоматики относятся: автоматы повторного включения (АПВ), автоматы включения резервных источников питания и оборудования (АВР) и автоматы частотной разгрузки (АЧР).

Рассмотрим более подробно основные виды повреждений и ненормальных режимов, возникающих в электрических установках, и их последствия.
1-2. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

Большинство повреждений в электрических системах приводит к коротким замыканиям фаз между собой или на землю (рис. 1-1). В обмотках электрических машин и трансформаторов, кроме коротких замыканий бывают замыкания между витками одной фазы.

Основными причинами повреждений являются:

1) нарушение изоляции токоведущих частей, вызванное ее старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

2) повреждение проводов и опор линий электропередач, вызванное их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, пляской проводов и другими причинами;

3) ошибки персонала при операциях (отключение разъединителей под нагрузкой, включение их на ошибочно оставленное заземление и т. д.).

Все повреждения являются следствием конструктивных недостатков или несовершенства оборудования, некачественного его изготовления, дефектов монтажа, ошибок при проектировании, неудовлетворительного или неправильного ухода за оборудованием, ненормальных режимов работы оборудования, работы оборудования в условиях, на которые оно не рассчитано. Поэтому повреждения нельзя считать неизбежными, но в то же время нельзя и не учитывать возможность их возникновения.
Короткие замыкания (к. з.) являются наиболее опасным и тяжелым видом повреждения. При к. з. э. д. с. Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генераторов, трансформаторов и линий (см. рис. 1-1, а - г и е).

Поэтому в контуре замкнутой накоротко э. д. с. возникает большой ток I к , называемый т о к о м к о р о т к о г о з а м ы к а н и я.

Короткие замыкания подразделяются на трехфазные, двухфазные и однофазные в зависимости от числа замкнувшихся фаз; на замыкания с землей и без земли; замыкания в одной и двух точках сети (рис. 1-1).

При к. з. вследствие увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в любой точке М (рис. 1-2, а) U М - E-I k z м, где Ё - э. д. с. источника питания, а z М - сопротивление от источника питания до точки М.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к. з. (точка К) и в непосредственной близости от него (рис. 1-2, а). В точках сети, удаленных от места повреждения, напряжение снижается в меньшей степени.

Происходящие в результате к. з. увеличение тока и снижение напряжения приводят к ряду опасных последствий:

А) Ток к. з. I к согласно закону Джоуля-Ленца выделяет в активном сопротивлении r цепи, по которой он проходит в течение времени t, тепло Q = kI k 2 rt.

В месте повреждения это тепло и пламя электрической дуги производят большие разрушения, размеры которого тем больше, чем больше ток I к и время t.

Проходя по неповрежденному оборудованию и линиям электропередачи, ток к. з. I к нагревает их выше допустимого предела, что может вызвать повреждение изоляции и токоведущих частей.

Б) Понижение напряжения при к. з. нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели. Момент вращения двигателей М Д пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: М д = кU 2 .

Поэтому при глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Нормальная работа осветительных установок, составляющих вторую значительную часть потребителей электроэнергии, при снижении напряжения также нарушается.

Особенно чувствительны к понижениям напряжения вычислительные и управляющие машины, широко внедряемые в последнее время.

В) Вторым, наиболее тяжелым последствием снижения напряжения- является нарушение устойчивости параллельной работы генераторов. Это может привести к распаду системы и прекращению питания всех ее потребителей.

Причины такого распада можно пояснить на примере системы, приведенной па рис. 1-2, б. В нормальном режиме механический момент вращения турбин уравновешивается противодействующим моментом, создаваемым электрической нагрузкой генераторов, в результате чего частота вращения всех турбогенераторов постоянна и равна синхронной. При возникновении к. з. в точке К у шин электростанции А напряжение на них станет равным нулю, в результате этого электрическая нагрузка, а следовательно, и противодействующий момент генераторов также станут равными нулю. В то же время в турбину поступает прежнее количество пара (или воды) и ее момент остается неизменным. Вследствие этого частота вращения турбогенератора начнет быстро увеличиваться, так как регулятор скорости турбины действует медленно и не сможет предотвратить ускорения вращения турбогенераторов станции А.

В иных условиях находятся генераторы станции В. Они удалены от точки К, поэтому напряжение на их шинах может быть близким к нормальному. Вследствие того что генераторы электростанции А разгрузились, вся нагрузка системы ляжет на генераторы станции В, которые при этом могут перегрузиться и уменьшить частоту вращения. Таким образом, в результате к. з. скорость вращения генераторов электростанций А и В становится различной, что приводит к нарушению их синхронной работы.

При длительном к. з. может также произойти нарушение устойчивости работы асинхронных электродвигателей. При понижении напряжения частота вращения асинхронных электродвигателей уменьшается.

Если скольжение превзойдет критическое значение, двигатель перейдет в область неустойчивой работы, произойдет его опрокидывание и полное торможение.

С увеличением скольжения реактивная мощность, потребляемая асинхронными двигателями, растет, что может привести после отключения к. з. к дефициту реактивной мощности и как следствие этого к лавинообразному снижению напряжения во всей системе и прекращению ее работы.

Аварии с нарушением устойчивости системы по величине ущерба, наносимого электроснабжению, являются самыми тяжелыми.

Рассмотренные последствия к. з. подтверждают сделанный выше вывод, что они являются тяжелым и опасным видом повреждения, требующим быстрого отключения (см. § 1-4).

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью или заземленной через большое сопротивление дугогасящей катушки (ДГК). На рис. 1-1, д видно, что замыкание на землю не вызывает короткого замыкания, так как э. д. с. Еа поврежденной фазы А не шунтируется появившимся в точке К соединением с землей. Возникающий при этом ток 1 А в месте повреждения замыкается через емкость С проводов относительно земли и имеет поэтому, как правило, небольшую величину, например несколько десятков ампер. Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными (см. гл. 9).

Благодаря этому по своим последствиям однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью или заземленной через ДГК существенно отличается от к. з. Оно не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Однако этот вид повреждения создает ненормальный режим, вызывая перенапряжения, что представляет опасность с точки зрения возможности нарушения изоляции относительно земли двух неповрежденных фаз и перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное к. з. (рис. 1, е).
1-3. НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ
К ненормальным относятся режимы, связанные с отклонениями от допустимых значений величин тока, напряжения и частоты, опасные для оборудования или устойчивой работы энергосистемы.

Рассмотрим наиболее характерные ненормальные режимы.

А) Перегрузка оборудования, вызванная увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальный ток, допускаемый для данного оборудования в течение неограниченного времени.

Если ток, проходящий по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемого им дополнительного тепла температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимую величину, что приводит к ускоренному износу изоляции и ее повреждению. Время, допустимое для прохождения повышенных токов, зависит

от их величины. Характер этой зависимости показан на рис. 1-3 и определяется конструкцией оборудования и типом изоляционных материалов. Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к разгрузке или отключению оборудования.

Б) Качания в системах возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов (или электростанций) А и В (рис. 1-2, б). При качаниях в каждой точке системы происходит периодическое изменение («качание») тока и напряжения. Ток во всех элементах сети, связывающих вышедшие из синхронизма генераторы А и В, колеблется от нуля до максимального значения, во много раз превышающего нормальную величину. Напряжение падает от нормального до некоторого минимального значения, имеющего разную величину в каждой точке сети. В точке С, называемой электрическим центром качаний, оно снижается до нуля, в остальных точках сети напряжение падает, но остается больше нуля, нарастая от центра качания С к источникам питания А и В. По характеру изменения тока и напряжения качания похожи на к. з. Возрастание тока вызывает нагревание оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу всех потребителей системы. Качание - очень опасный ненормальный режим, отражающийся на работе всей энергосистемы.

В) Повышение напряжения сверх допустимого значения возникает обычно на гидрогенераторах при внезапном отключении их нагрузки. Разгрузившийся гидрогенератор увеличивает частоту вращения, что вызывает возрастание э. д. с. статора до опасных для его изоляции значений. Защита в таких случаях должна снизить ток возбуждения генератора или отключить его.

Опасное для изоляции оборудования повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой емкостной проводимостью.

Кроме отмеченных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты.
1-4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ
/. ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ ОТ К. 3.
а) Селективность

Селективностью или избирательностью защиты называется способность защиты отключать при к. з. только поврежденный участок сети.

На рис. 1-4 показаны примеры селективного отключения повреждений. Так, при к. з. в точке К 1 защита должна отключить поврежденную линию выключателем В в , т. е. выключателем, ближайшим к месту повреждения. При этом все потребители, кроме питавшихся от поврежденной линии, остаются в работе.

В случае к. з. в точке К 2 при селективном действии защиты должна отключаться поврежденная линия I , линия II остается в работе. При таком отключении все потребители сети сохраняют питание. Этот пример показывает, что если подстанция связана с сетью несколькими линиями, то селективное отключение к. з. на одной из линий позволяет сохранить связь этой подстанции с сетью, обеспечив тем самым бесперебойное питание потребителей.

Таким образом, селективное отключение повреждения является основным условием для обеспечения надежного электроснабжения потребителей. Неселективное действие защиты приводит к развитию аварий. Как будет показано ниже, неселективные отключения могут допускаться, но только в тех случаях, когда это диктуется необходимостью и не отражается на питании потребителей.
б) Быстрота действия

Отключение к. з. должно производиться с возможно большей быстротой для ограничения размеров разрушения оборудования, повышения эффективности автоматического повторного включения линий и сборных шин, уменьшения продолжительности снижения напряжения у потребителей и сохранения устойчивости параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом. Последнее из перечисленных условий является г л а в н ы м.

Допустимое время отключения к. з. (1-2, б) по условию сохранения устойчивости зависит от ряда факторов. Важнейшим из них является величина остаточного напряжения на шинах электростанций и узловых подстанций, связывающих электростанции с энергосистемой. Чем меньше, остаточное напряжение, тем вероятнее нарушение устойчивости и, следовательно, тем быстрее нужно отключать к. з. Наиболее тяжелыми по условиям устойчивости являются трехфазные к. з. и двухфазные к. з. на землю в сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 1-2, а и г), так как при этих повреждениях происходят наибольшие снижения всех междуфазных напряжений.

В современных энергосистемах для сохранения устойчивости требуется весьма малое время отключения к. з. Так, например, на линиях электропередачи 300-500 кВ необходимо отключать повреждение за 0,1-0,12 с после его возникновения, а в сетях 110-220 кВ - за 0,15-0,3 с. В распределительных сетях 6 и 10 кВ, отделенных от источников питания большим сопротивлением, к. з. можно отключать со временем примерно 1,5-3 с, так как они не вызывают опасного понижения напряжения на генераторах и не влияют поэтому на устойчивость системы. Точная оценка допустимого времени отключения производится с помощью специальных расчетов устойчивости, проводимых для этой цели.

В качестве приближенного критерия (меры) необходимости применения быстродействующих защит Правила устройства электроустановок (ПУЭ) [Л. 1] рекомендуют определять остаточное напряжение на шинах электростанций и узловых подстанций при трехфазных к. з. в интересующей нас точке сети. Если остаточное напряжение получается меньше 60% номинального, то для сохранения устойчивости следует применять быстрое отключение повреждений, т. е. применять быстродействующую защиту.

Полное время отключения повреждения t отк складывается из времени работы защиты t 3 и времени действия выключателя t в , разрывающего ток к. з., т. е. t откл = t a + t в . Таким образом, для ускорения отключения нужно ускорять действие как защиты, так и выключателей. Наиболее распространенные выключатели действуют со временем 0,15-0,06 с.

Чтобы обеспечить при таких выключателях указанное выше требование об отключении к. з., например, с t =0,2 с, защита должна действовать с временем 0,05-0,12 с, а при необходимости отключения с t = 0,12 с и действии выключателя с 0,08 с время работы защиты не должно превышать 0,04 с.

Защиты, действующие с временем до 0,1-0,2 с, считаются быстродействующими. Современные быстродействующие защиты могут работать с временем 0,02-0,04 с.

Требование быстродействия является в ряде случаев определяющим условием, обеспечивающим устойчивость параллельной работы электростанций и энергосистем.

Создание селективных быстродействующих защит является важной и трудной задачей техники релейной защиты. Эти защиты получаются достаточно сложными и дорогими, поэтому они должны применяться только в тех случаях, когда более простые защиты, работающие с выдержкой времени, не обеспечивают требуемой быстроты действия.

В целях упрощения допускается применение простых быстродействующих защит, не обеспечивающих необходимой селективности. При этом для исправления неселективности используется АПВ, быстро включающее обратно неселективно отключившийся участок системы.
в) Чувствительность
Для того чтобы защита реагировала на отклонения от нормального режима, которые возникают при к. з. (увеличение тока, снижение напряжения и т. п.), она должна обладать определенной чувствительностью в пределах установленной зоны ее действия. Каждая защита (например, I на рис. 1-5)должна отключать повреждения на том участке АВ, для защиты которого она установлена (первый участок защиты I ), и, кроме того, должна действовать при к. з. на следующем, втором участке ВС, защищаемом защитой II . Действие защиты на втором участке называется дальним резервированием. Оно необходимо для отключения к. з. в том случае, если защита II или выключатель участка ВС не сработает из-за неисправности. Резервирование следующего участка является важным требованием. Если оно не будет выполняться, то при к. з. на участке ВС и отказе его защиты или выключателя повреждение останется неотключенным, что приведет к нарушению работы потребителей всей сети.

Действие защиты I при к. з. на третьем участке не требуется, так как при отказе защиты третьего участка или его выключателя должна подействовать защита II . Одновременный отказ защиты на двух участках (третьем и втором) маловероятен, и поэтому с таким случаем не считаются.

Некоторые типы защит по принципу своего действия не работают за пределами первого участка. Чувствительность таких защит должна обеспечить их надежную работу в пределах первого участка. Для обеспечения резервирования второго участка в этом случае устанавливается дополнительная защита, называемая резервной.

Каждая защита должна действовать не только при металлическом к. з., но и при замыканиях через переходное сопротивление, обусловливаемое электрической дугой.

Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она могла подействовать при к. з. в минимальных режимах системы, т. е. в таких режимах, когда изменение величины, на которую реагирует защита (ток, напряжение и т. п.), будет наименьшей. Например, если на станции А (рис. 1-5) будет отключен один или несколько генераторов, то ток к. з. уменьшится, но чувствительность защит должна быть достаточной для действия и в этом минимальном режиме.

Таким образом, чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при к. з. в конце установленной для нее зоны в минимальном режиме системы и при замыканиях через электрическую дугу.

Чувствительность защиты принято характеризовать коэффициентом чувствительности к ч : Для защит, реагирующих на ток к. з.,

г) Надежность

Требование надежности состоит в том, что защита должна безотказно работать при к. з. в пределах установленной для нее зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых ее работа не предусматривается.

Требование надежности является весьма важным. Отказ в работе или неправильное действие какой-либо защиты всегда приводит к дополнительным отключениям, а иногда к авариям системного значения.

Например, при к. з. в точке К (рис. 1-6) и отказе защиты В1 сработает защита ВЗ, в результате чего дополнительно отключаются подстанции // и ///, а при неправильной работе в нормальном режиме защиты В4 в результате отключения линии Л4 потеряют питание потребители подстанций /, //, /// и IV . Таким образом, ненадежная защита сама становится источником аварий.

Надежность защиты обеспечивается простотой схемы, уменьшением в ней количества реле и контактов, простотой конструкции и качеством изготовления реле и другой аппаратуры, качеством монтажных материалов, самого монтажа и контактных соединений, а также уходом за ней в процессе эксплуатации.

В последнее время ведутся разработки методики оценки и анализа надежности устройств релейной защиты с помощью теории вероятности [Л. 33],

В СССР общие принципы выполнения релейной защиты регламентируются ПУЭ [Л. 1, типовые схемы релейной защиты и их расчет - «Руководящими указаниями по релейной защите» [Л. 2-61.

II . ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТАМ ОТ НЕНОРМ АЛЬПЫ X РЕЖИМОВ

Эти защиты, так же как и защиты от к. з., должны обладать селективностью, достаточной чувствительностью и надежностью. Но быстроты действия от этих защит, как правило, не требуется.

Время действия защиты от ненормальных режимов зависит от характера режима и его последствий. Часто ненормальные режимы носят кратковременный характер и ликвидируются сами, например кратковременная перегрузка при пуске асинхронного электродвигателя. В таких случаях быстрое отключение не только не является необходимым, но может причинить ущерб потребителям. Поэтому отключение оборудования при ненормальном режиме должно производиться только тогда, когда наступает действительная опасность для защищаемого оборудования, т. е. в большинстве случаев с выдержкой времени.

В тех случаях, когда устранение ненормальных режимов может произвести дежурный персонал, защита от ненормальных режимов может выполняться с действием только на сигнал.

1-5. ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ, РЕЛЕ И ИХ РАЗНОВИДНОСТИ

Обычно устройства релейной защиты состоят из нескольких реле, соединенных друг с другом по определенной схеме.

Реле представляет собой автоматическое устройство, которое приходит в действие (срабатывает) при определенном значении воздействующей на него входной величины.

В релейной технике применяются реле с к о нтакт а м и - электромеханические, бесконтактные - на полупроводниках или на ферромагнитных элементах. У первых при срабатывании замыкаются или размыкаются контакты. У вторых - при определенном значении входной величины х скачкообразно меняется выходная величина у, например напряжение (рис. 1-7, а).

Каждый комплект защиты и его схема подразделяются на две части: реагирующую и логическую.

Реагирующая (или измерительная) часть является главной, она состоит из основных реле, которые непрерывно получают информацию о состоянии защищаемого элемента и реагируют на повреждения или ненормальные режимы, подавая соответствующие команды на логическую часть защиты.

Логическая часть (или оперативная) является вспомогательной, она воспринимает команды реагирующей части и, если их значение, последовательность и сочетание соответствуют заданной программе, производит заранее предусмотренные операции и подает управляющий импульс на отключение выключателей. Логическая часть может выполняться с помощью электромеханических реле или схем с использованием электронных приборов - ламповых или полупроводниковых.

В соответствии с этим подразделением защитных устройств реле также делятся на две группы: на основные, реагирующие на повреждения, и вспомогательные, действующие по команде первых и используемые в логической части схемы.

Признаком появления к. з. могут служить возрастание тока I , понижение напряжения U и уменьшение сопротивления защищаемого участка, характеризуемого отношением напряжения к току в данной точке сети: z = U / I .

Соответственно этому в качестве реагирующих реле применяют: токовые реле, реагирующие на величину тока; реле напряжения, реагирующие на величину напряжения, и реле сопротивления, реагирующие на изменение сопротивления.

В сочетании с указанными реле часто применяются реле мощности, реагирующие на величину и направление (знак) мощности к. з., проходящий через место установки защиты.

Реле, действующие при возрастании величины, на которую они реагируют, называются максимальными, а реле, работающие при снижении этой величины, называются м и н и м альн ы м и.

Для защит от ненормальных режимов, так же как и для защит от к. з., используются реле тока и напряжения. Первые служат в качестве реле, реагирующих на перегрузку, а вторые - на опасное повышение или снижение напряжения в сети. Кроме того, применяется ряд специальных реле, например, реле частоты, действующие при недопустимом снижении или повышении частоты; тепловые реле, реагирующие на увеличение тепла, выделяемого током при перегрузках, и некоторые другие.

К числу вспомогательных реле относятся: реле времени, служащие для замедления действия защиты; реле указательные - для сигнализации и фиксации действия защиты; реле промежуточные, передающие действие основных реле на отключение выключателей и служащие для осуществления взаимной связи между элементами защиты.

Каждое реле можно подразделить на две части: воспринимающую и исполнительную. Воспринимающий элемент в электромеханических конструкциях имеет обмотку, которая питается током или напряжением защищаемого элемента в зависимости от типа реле (токовые или напряжения).

Реле мощности и реле сопротивления имеют две обмотки (тока и напряжения). Через обмотки реле воспринимает изменение той электрической величины, на которую оно реагирует.

Исполнительный элемент электромеханического реле представляет собой подвижную систему, которая, перемещаясь под воздействием сил, создаваемых воспринимающим элементом, действует на контакты реле, заставляя их замыкаться или размыкаться.

Имеются также реле, в которых подвижная система действует непосредственно механическим путем на отключение выключателя, такие реле не имеют контактов.

Н. В. Чернобровов

Р Е Л Е Й Н А Я З А Щ И Т А

ИЗДАНИЕ ПЯТОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ

Допущено Министерством энергетики и электрификации СССР

в качестве учебного пособия для учащихся энергетических

и энергостроительных техникумов

«Э Н Е Р Г И Я» МОСКВА 1974

УДК 621.316..925 (075)

Чернобровов Н. В.

Ч-49 Релейная защита. Учебное пособие для техникумов. Изд. 5-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1974. 680 с. С ил.

В книге рассмотрена релейная защита электрических сетей, оборудования электростанций и сборных шин распределительных устройств. Четвертое издание книги вышло в

30311-601 051(01)-74

Издательство «Энергия», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЯТОМУ ИЗДАНИЮ

Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и ненормальных режимов в электрической части энергосистем и является важнейшей автоматикой, обеспечивающей их надежную и устойчивую работу.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

1-1.НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных энергетических систем.

Она осуществляет непрерывный контроль за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов.

Рассмотрим более подробно основные виды повреждений и ненормальных режимов, возникающих в электрических установках, и их последствия.

1-2. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

Основными причинами повреждений являются:

рые оно не рассчитано. Поэтому повреждения нельзя считать неизбежными, но в то же время нельзя и не учитывать возможность их возникновения.

Короткие замыкания (к. з.) являются наиболее опасным и тяжелым видом повреждения. При к. з. э. д. с. Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генераторов, трансформаторов и линий (см. рис. 1-

1, а - г и е).

При к. з. вследствие увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в

любой точке М (рис. 1-2, а) UМ - E-Ik zм , где Ё - э. д. с. источника питания, а zМ - сопротивление от источника питания до точки М.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к. з. (точка К) и в непосредственной близости от него (рис. 1-2, а). В точках сети, удаленных от места повреждения,

напряжение снижается в меньшей степени.

Происходящие в результате к. з. увеличение тока и снижение напряжения приводят к ряду опасных последствий:

а) Ток к. з. Iк согласно закону Джоуля-Ленца выделяет в активном сопротивлении r цепи, по которой он проходит в течение времени t, тепло Q = kIk 2 rt.

Проходя по неповрежденному оборудованию и линиям электропередачи, ток к. з. Iк нагревает их выше допустимого предела, что может вызвать повреждение изоляции и токоведущих частей.

б) Понижение напряжения при к. з. нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели.

в) Вторым, наиболее тяжелым последствием снижения напряженияявляется нарушение устойчивости параллельной работы генераторов. Это может привести к распаду системы и прекращению питания всех ее потребителей.

Причины такого распада можно пояснить на примере системы, приве денной па рис. 1-2, б. В нормальном режиме механический момент вращения турбин уравновешивается противодействующим моментом, создаваемым электрической нагрузкой генераторов, в результате чего частота вращения всех турбогенераторов постоянна и равна синхронной. При возникновении к. з. в точке К у шин электростанции А напряжение на них станет равным нулю, в результате этого электрическая нагрузка, а следовательно, и противодействующий момент генераторов также станут равными нулю. В то же время в турбину поступает прежнее количество пара (или воды) и ее момент остается неизменным. Вследствие этого частота вращения турбогенератора начнет быстро увеличиваться, так как регулятор скорости турбины действует медленно и не сможет предотвратить ускорения вращения турбогенераторов станции А.

При длительном к. з. может также произойти нарушение устойчивости работы асинхронных элек-

тродвигателей. При понижении напряжения частота вращения асинхронных электродвигателей уменьшается.

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью или зазем-

ленной через большое сопротивление дугогасящей катушки (ДГК). На рис. 1-1, д видно, что замыкание на землю не вызывает короткого замыкания, так как э. д. с. Еа поврежденной фазы А не шунтируется появившимся в точке К соединением с землей. Возникающий при этом ток 1А в месте повреждения замыкается через емкость С проводов относительно земли и имеет поэтому, как правило, небольшую величину, например несколько десятков ампер. Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными (см. гл. 9).

1-3. НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ

К ненормальным относятся режимы, связанные с отклонениями от допустимых значений величин тока, напряжения и частоты, опасные для оборудования или устойчивой работы энергосистемы.

Рассмотрим наиболее характерные ненормальные режимы.

а) Перегрузка оборудования, вызванная увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальный ток, допускаемый для данного обо-

рудования в течение неограниченного времени.

Если ток, проходящий по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемого им дополнительного тепла температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимую величину, что приводит к ускоренному износу изоляции и ее повреждению. Время, допустимое для прохождения повышенных токов, зависит от их величины. Характер этой зависимости показан на рис. 1-3 и определяется конструкцией оборудования и типом изоляционных материалов. Для предупреждения

повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к разгрузке или отключению оборудования.

б) Качания в системах возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов (или электростанций) А и В (рис. 1-2, б). При качаниях в каждой точке системы происходит периодическое изменение («качание») тока и напряжения. Ток во всех элементах сети, связывающих вышедшие из синхронизма генераторы А и В, колеблется от нуля до максимального значения, во много раз превышающего нормальную ве-

личину. Напряжение падает от нормального до некоторого минимального значения, имеющего разную величину в каждой точке сети. В точке С, называемой электрическим центром качаний, оно снижается до нуля, в остальных точках сети напряжение падает, но остается больше нуля, нарастая от центра качания С к источникам питания А и В. По характеру изменения тока и напряжения качания похожи на к. з. Возрастание тока вызывает нагревание оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу всех потребителей системы. Качание - очень опасный ненормальный режим, отражающийся на работе всей энергосистемы.

в) Повышение напряжения сверх допустимого значения возникает обычно на гидрогенераторах при внезапном отключении их нагрузки. Разгрузившийся гидрогенератор увеличивает частоту вращения, что вызывает возрастание э. д. с. статора до опасных для его изоляции значений. Защита в таких случаях должна снизить ток возбуждения генератора или отключить его.

Кроме отмеченных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты.

1-4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

/. ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ ОТ К. 3.

а) Селективность

В случае к. з. в точке К2 при селективном действии защиты должна отключаться поврежденная линия I , линия II остается в работе. При таком отключении все потребители сети сохраняют питание. Этот пример показывает, что если подстанция связана с сетью несколькими линиями, то селективное отключение к. з. на одной из линий позволяет сохранить связь этой подстанции с сетью, обеспечив тем самым бесперебойное питание потребителей.

б) Быстрота действия

Допустимое время отключения к. з. (1-2, б) по условию сохранения устойчивости зависит от ряда факторов. Важнейшим из них является величина остаточного напряжения на шинах электростанций и узловых подстанций, связывающих электростанции с энергосистемой. Чем меньше, остаточное напряжение, тем вероятнее нарушение устойчивости и, следовательно, тем быстрее нужно отключать к. з. Наиболее тяжелыми по условиям устойчивости являются трехфазные к. з. и двухфазные к. з. на землю в сети с глухоза-

земленной нейтралью (рис. 1-2, а и г), так как при этих повреждениях происходят наибольшие снижения всех междуфазных напряжений.

В современных энергосистемах для сохранения устойчивости требуется весьма малое время отключения к. з. Так, например, на линиях электропередачи 300-500 кВ необходимо отключать повреждение за 0,1-0,12 с после его возникновения, а в сетях 110- 220 кВ - за 0,15-0,3 с. В распределительных сетях 6 и 10 кВ, отделенных от источников питания большим сопротивлением, к. з. можно отключать со временем примерно 1,5-3 с, так как они не вызывают опасного понижения напряжения на генераторах и не влияют поэтому на устойчивость системы. Точная оценка допустимого времени отключения производится с помощью специальных расчетов устойчивости, проводимых для этой цели.

ся меньше 60% номинального, то для сохранения устойчивости следует применять быстрое отключение повреждений, т. е. применять быстродействующую защиту.

Полное время отключения повреждения t отк складывается из времени работы защи-

ты t 3 и времени действия выключателя t в , разрывающего ток к. з., т. е. t откл =t a + t в . Таким образом, для ускорения отключения нужно ускорять действие как защиты, так и выключа-

телей. Наиболее распространенные выключатели действуют со временем 0,15-0,06 с. Чтобы обеспечить при таких выключателях указанное выше требование об отключе-

нии к. з., например, с t =0,2 с, защита должна действовать с временем 0,05-0,12 с, а при необходимости отключения с t = 0,12 с и действии выключателя с 0,08 с время работы защиты не должно превышать 0,04 с.

в) Чувствительность