1.1 Назначение релейной защиты

1. Общая характеристика релейной защиты

Производство, распределение и потребление электрической энергии обеспечивается совокупностью элементов — электрических двигателей, генераторов, трансформаторов, воздушных линий электропередачи, кабелей, нагревательных приборов и т.д., называемых электроэнергетической системой (ЭС).

В процессе функционирования ЭС могут возникать повреждения, чаще всего короткие замыкания (КЗ), являющиеся наиболее опасными видами повреждения, возникающие из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала (включение под напряжение заземленного оборудования, отключение разъединителей под нагрузкой) и других причин, сопровождаемые увеличением токов через отдельные элементы ЭС [2].

В большинстве случаев в месте короткого замыкания возникает электрическая дуга с высокой температурой, приводящая к большим разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электрических аппаратов. При коротком замыкании к месту повреждения подходят большие токи (токи к. з.), измеряемые тысячами ампер, которые перегревают неповрежденные токоведущие части и могут вызвать дополнительные повреждения, т. е. развитие аварии. В большинстве случаев аварии или их развитие могут быть предотвращены быстрым отключением поврежденного участка электрической установки или сети при помощи специальных автоматических устройств, получивших название релейная защита, которая действуют на

отключение выключателей. При отключении выключателей поврежденного элемента гаснет электрическая дуга в месте короткого замыкания, прекращается прохождение тока короткого замыкания и восстанавливается нормальное напряжение на неповрежденной части электрической установки или сети. Благодаря этому сокращаются размеры или даже вовсе предотвращаются повреждения оборудования, на котором возникло короткое замыкание, а также восстанавливается нормальная работа неповрежденного оборудования.

Таким образом, основным назначением релейной защиты является отключение поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части электрической установки или сети.

В некоторых случаях нет необходимости немедленного отключения оборудования, так как эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут самоустраниться. Например, могут возникать такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированными нейтралями и другое. Преждевременное отключение оборудования в отмеченных выше случаях не только не принесет пользы, но может оказаться вредным. Поэтому при нарушении нормального режима работы достаточно дать предупредительный сигнал персоналу, либо произвести отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени, что является вторым назначением релейной защиты.

1.2 Основные требования к релейной защите

К релейной защите предъявляются следующие основные требования:

1. быстродействие;

2. селективность, или избирательность;

3. чувствительность;

4. надежность.

1. быстродействие

Быстрое отключение поврежденного оборудования или участка электрической установки предотвращает или уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповрежденной части установки, энергосистемы в целом.

Время допустимое для отключения к.з. зависит от ряда факторов. Наиболее важным 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, так как при этих повреждениях происходят наибольшие снижения всех междуфазных напряжений.

Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время действия 0,04—0,1 с. Указанное быстродействие требуется в тех случаях, когда короткие замыкания сопровождаются глубоким понижением напряжения. В тех случаях, когда напряжение в неповрежденной части составляет 60—70% нормального, допускается повышать время действия защиты до 0,2—2 с [1].

2) селективность, или избирательность

Селективностью называется способность релейной защиты выявлять место повреждения и отключать его только ближайшими к нему выключателями.

Так, при к. з. в точке К₁(рисунок 1) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита только на выключателе В_Ви отключить этот выключатель. При этом остальная неповрежденная часть электрической установки останется в работе. Такое избирательное действие защиты называется селективным.

Рисунок 1 – Селективное отключение поврежденного участка при коротком замыкании в сети

Если же произойдет к. з. в точке K₂при селективном действии защиты должна отключиться поврежденная линияI, линияIIостается 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, для обеспечения надежного электроснабжения потребителей, селективное отключение повреждения является основным условием. Неселективное действие защиты приводит к разви­тию аварий. Такие отключения могут допускаться, но только в тех случаях, когда это диктуется необходимостью и не отражается на питании потребителей [1].

3) чувствительность

Защита должна обладать такой чувствительностью к тем видам повреждений и нарушений нормального режима работы в данной электрической установке или электрической сети, на которые она рассчитана, чтобы было обеспечено ее действие в самом начале возникновения повреждения, чем сокращаются размеры повреждения оборудования в месте к. з.

Чувствительность защиты должна также обеспечивать ее действие при повреждениях на смежных участках. Так, например, если при повреждении в точке по какой-либо причине не отключится выключатель, то должна подействовать защита следующего к источнику питания выключателя и отключить этот выключатель. Такое действие защиты называется дальним резервированием смежного или следующего участка. Дальнее резервирование является обязательным условием хотя бы для наиболее вероятного вида повреждения [1].

4) надежность

Требование надежности состоит в том, что защита должна правильно и безотказно действовать на отключение выключателей оборудования при всех его повреждениях и нарушениях нормального режима работы на действие при которых она предназначена и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима работы, при которых действие данной защиты не предусмотрено. Требование надежности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкций аппаратуры, добротностью деталей, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации [1].

studfile.net

Основные органы релейной защиты.

Релейная защита для выполнения функций, соответствующих её назначению, состоит, как правило, из

измерительных (пусковых) органов и логической части.

Измерительные (пусковые) органы непосредственно и непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого оборудования и реагируют на возникновение к.з. или нарушения нормального режима работы.

Логическая часть представляет собой схему, которая запускается измерительными (пусковыми) органами и формирует команды на отключение выключателей мгновенно или с выдержкой времени, запускает другие устройства, подаёт сигналы и производит прочие предусмотренные алгоритмом защиты действия.

Любую схему релейной защиты можно представить в виде функциональной схемы, приведенной на рисунке 7.

Рисунок 7 – Структурная схема релейной защиты.

Информация о состоянии защищаемого объекта (обычно в качестве контролируемых параметров выступает ток и напряжение) поступает на вход измерительного органа ИО от измерительных преобразователей ИП, в качестве которых обычно применяются трансформаторы тока и напряжения.

Измерительные органы непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого объекта (ИО включают в себя реле тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты).

Логический орган защиты ЛО (логическая часть) обрабатывает сведения, поступившие от измерительного органа и формирует управляющее воздействие через исполнительные элементы ИЭ на коммутационную аппаратуру (выключатели В), звуковую и световую сигнализацию. (Логическая часть состоит в основном из реле времени и промежуточных реле).

Сигнальный орган СО фиксирует срабатывание защиты в целом или её отдельных элементов. (Сигнальный орган обычно выполняется с помощью указательных реле).

5. Реле

Основным элементом всякой схемы релейной защиты является реле. Под термином реле принято понимать автоматически действующий аппарат, предназначенный производить скачкообразное изменение состояния управляемой цепи при заданных значениях величины, характеризующей определенное отклонение режима контролируемого объекта.

Релейная защита и автоматика включает в себя комплекс реле различного назначения, которые действуют совместно в заданной последовательности (по заданной программе). Реле замыкают или размыкают различные электрические цепи или иным способом скачкообразно изменяют их состояние (например, скачкообразно изменяют их сопротивление), или механически воздействуют на силовые аппараты (выключатели и др.).

В устройствах релейной защиты применяются реле электрические, механические и тепловые.

Электрические реле реагируют на электрические величины – ток, напряжение, мощность, частоту, сопротивление, угол между током и напряжением или двумя токами, или двумя напряжениями.

Механическое реле реагируют на неэлектрические величины – давление, скорость истечения жидкости или газа, скорость вращения и т.д.

Тепловые реле реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры.

Наибольшее распространение в релейной защите и автоматике получили электрические реле.

Классификация электрических реле.

Все реле имеют: воспринимающий (измерительный) орган, который непосредственно воспринимает изменение электрических величин, подведённых к реле, и производит соответствующие им изменения в других органах реле; исполнительный орган, который, воздействует на внешние цепи, производит отключение выключателей, подачу предупредительных сигналов или запуск других реле. Частным случаем исполнительного органа являются контакты реле.

Некоторые реле имеют орган замедления или выдержки времени.

В зависимости от электрической величины, на которую реагирует воспринимающий орган, электрические реле бывают: токовые, напряжения, мощности, сопротивления, частоты и т.д.

По характеру изменения воздействующей величины реле делятся на реле максимальные и реле минимальные. Максимальные реле работают, когда значение воздействующей величины превосходят заданную, а минимальные – когда значение воздействующей величины снижается ниже заданной.

Все реле по назначению условно можно разделить на три группы:

Основные реле, непосредственно реагирующие на изменение контролируемых величин, например, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д. (реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления).

Вспомогательные реле, управляемые другими реле и выполняющие функции введения выдержек времени, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим, воздействия на выключатели и т.п. (реле времени, промежуточные реле).

Сигнальные (указательные) реле, фиксирующие действие защиты и управляющие звуковыми и световыми сигналами (указательные реле).

По способу включения воспринимающего органа различаются реле первичные, у которых воспринимающий орган включается непосредственно в цепь защищаемого элемента, и реле вторичные, у которых воспринимающий орган включается через измерительные трансформаторы тока или напряжения. На рисунке 8 изображены оба способа включения реле.

Рисунок 8 – Способы включения токовых реле

а) первичных; б) вторичных.

Наибольшее распространение имеют реле вторичные, преимущества которых по сравнению с первичными в том, что они изолированы от высокого напряжения, располагаются на некотором расстоянии от защищаемого объекта, в удобном для обслуживания месте.

Достоинством первичных реле является то, что для их включения не требуется измерительных трансформаторов и источников оперативного тока и контрольного кабеля.

По способу воздействия исполнительного органа различаются реле прямого действия, у которых исполнительный орган отключает выключатель путём прямого механического воздействия, и реле косвенного действия, исполнительный орган которых воздействует на привод выключателя с помощью оперативного тока.

Защита с вторичным реле прямого действия показана на рисунке 9 а). Реле 1 срабатывает, когда электромагнитная сила F_э становится больше силы F_n противодействующей пружины. При срабатывании реле его подвижная система воздействует непосредственно (прямо) на расцепляющий рычаг 3 выключателя, после чего выключатель отключается под действием пружины 4.

Рисунок 9 – Вторичные реле

а) прямого действия; б) косвенного действия.

Защита с вторичным реле косвенного действия изображена на рисунке 9 б). При срабатывании реле 1 его контакты замыкают цепь обмотки электромагнита 2, называемого катушкой (соленоидом) отключения выключателя. Под действием напряжения U, подводимого к катушке отключения 2 от специального источника, сердечник 3 катушки отключения преодолевает сопротивление F_n пружины 5 и освобождает защелку 4 и выключатель отключается под действием пружины 6.

Для защиты с реле косвенного действия необходим вспомогательный источник – источник оперативного тока. Защита прямого действия не требует такого источника, но реле этой защиты должно развивать большие усилия для того, чтобы непосредственно расцепить механизм выключателя. Поэтому реле прямого действия не могут быть очень точными и имеют большое потребление мощности. Реле косвенного действия отличаются большой точностью и малым потреблением. Кроме того связь между несколькими реле проще организовать при помощи оперативного тока, а не механическим путём, поэтому практическое применение получили вторичные реле косвенного действия. В эту основную и наиболее многочисленную группу входят почти все типы реле тока, напряжения, мощности, сопротивления и частоты, а также реле времени, промежуточные и сигнальные реле.

Также широко применяются первичные реле прямого действия. В эту группу входят реле максимального тока, действующие мгновенно и с замедлением; реле минимального напряжения мгновенного действия и электротепловые реле (тепловые расцепители). Первичные реле прямого действия встраиваются непосредственно в выключатели, автоматы и магнитные пускатели.

По принципу действия электрические реле разделяются на следующие группы:

Электромагнитные реле, работа которых основана на воздействии магнитного потока обтекаемой током обмотки на ферромагнитный якорь;

Поляризованные реле – электромагнитное реле со вспомогательным поляризующим магнитным полем;

Магнитоэлектрические реле, работа которых основана на взаимодействии постоянного магнита и обтекаемой током обмотки;

Индукционные реле, работа которых основана на взаимодействии магнитных полей неподвижных обмоток с магнитными полями токов, индуктируемых в подвижном элементе;

Полупроводниковые реле, работа которых основана на использовании свойств полупроводниковых приборов.

studfile.net

1. Основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения к.З. И быстрое автоматическое отключение

1. Назначение релейной защиты.

КЗ возникают из-за нарушений изоляции электроустановок, обрывов проводов, а также из-за ошибочных действий персонала (например, включения под напряжение заземлённого оборудования или отключения разъединителя под нагрузкой) и являются наиболее опасными видами повреждений.

В месте к.з. в большинстве случаев возникает электрическая дуга с высокой температурой, приводящая к большим разрушениям токоведущих частей и изоляторов электрооборудования. Большие токи к.з. нагревают неповрежденные токоведущие части и могут вызвать дополнительные повреждения, т.е. развитие аварии. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что приводит к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов.

Могут возникать такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью и др., при возникновении которых не требуется немедленно отключать оборудование от сети, так как в большинстве случаев эти явления не представляют опасности и могут самоустраняться.

Аварии и ненормальные режимы предотвращаются при помощи специальных автоматических устройств, получивших название релейная защита, которые действуют на отключение выключателей поврежденного участка сети или производят операции, необходимые для восстановления нормального режима, или действуют на предупредительный сигнал дежурному персоналу. В отдельных случаях при возникновении ненормального режима производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени. После отключения выключателей гаснет

электрическая дуга к.з. и восстанавливается нормальное напряжение на

неповрежденной части электроустановки или сети. Релейная защита выполняется при помощи специальных аппаратов — реле.

Под устройством релейной защиты следует понимать реле или совокупность реле и вспомогательных элементов, которые должны в случаях повреждений или опасных ненормальных режимах работы элемента системы отключать его воздействием на выключатели или действовать на сигнал.

В соответствии с требованиями «Правил устройства

электроустановок» (ПУЭ) все элементы электрической части энергосистем

(генераторы, трансформаторы, ЛЭП, шины, электродвигатели) должны оснащаться устройствами релейной защиты (РЗ) предназначенными для:

− автоматического отключения повреждённого элемента от остальной, неповрежденной части электрической системы с помощью выключателей, а если повреждение непосредственно не нарушает работу электрической системы допускается действие РЗ только на сигнал;

− реагирования на опасные, ненормальные режимы работы элементов электрической системы при этом, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации электроустановки, РЗ должна действовать на сигнал или на отключение тех элементов системы оставление в работе которых может привести к возникновению повреждения.

Релейная защита (РЗ) является важнейшей частью автоматики энергосистем и тесно связана с другими устройствами электроавтоматики – устройствами автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузкой (АЧР) и др. устройствами системной автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы электроэнергетических систем.

Выводы:

выключателей повреждённого участка сети.

2. Вторым назначением релейной защиты является выявление ненормальных режимов работы оборудования и выполнение необходимых операций по восстановлению нормального режима или подача сигнала дежурному персоналу для принятия мер по восстановлению нормального режима.

2. Требования, предъявляемые к релейной защите.

Основные требования к релейной защите от к.з.:

1. Быстродействие.

Быстрое отключение повреждённого оборудования или участка

электроустановки уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповреждённой части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов.

Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время действия 0,02-0,1 с. Указанное быстродействие требуется в тех случаях, когда к.з. сопровождаются глубоким понижением напряжения. В тех случаях, когда напряжение в неповрежденной части составляет 60-70% нормального, допускается повышать время действия защиты до 0,2-2 с.

Защиты подразделяют на основные и резервные.

Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов к.з. в пределах всего защищаемого объекта со временем, срабатывания меньшим, чем у других установленных защит. Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного объекта при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.

2. Селективность или избирательность.

Селективностью называется способность защиты отключать при к.з. только поврежденный участок сети ближайшими к месту к.з. выключателями. Так, при к.з. в точке К1 (рис. 1-5) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита только на выключателе В1 и отключить этот выключатель. При этом остальная часть электрической установки останется в работе. Такое избирательное действие защиты называется селективным. Если же при к.з. в точке К1 раньше защиты выключателя В1 подействует защита выключателя В4 и отключит этот выключатель, то ликвидация аварии будет не правильной, так как кроме повреждённого электродвигателя Д1, останется без напряжения неповрежденный электродвигатель Д2. Такое действие защиты называется неселективным.

В соответствии со способами обеспечения селективности при внешних к.з. различают две группы защит: с абсолютной селективностью и с относительной селективностью.

Относительную селективность имеют защиты, на которые по принципу действия можно возложить функции резервных защит при к.з. на смежных элементах сети. С учётом этого такие защиты в общем случае должны выполняться с выдержками времени.

Абсолютную селективность имеют защиты, селективность которых при внешних к.з. обеспечивается их принципом действия, т.е. защита способна работать только при к.з. на защищаемом объекте. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются без выдержек времени.

3. Чувствительность.

Это свойство защиты, обеспечивающее выявление повреждения электрооборудования в самом начале его возникновения. Чувствительность защиты должна также обеспечивать её действие при повреждениях на смежных участках сети. Так, например, если при повреждении в токе К1 (рис. 1-5) по какой-либо причине не отключается выключатель В1, то должна подействовать защита следующего к источнику питания выключателя В4 и отключить этот выключатель. Такое действие защиты называется дальним резервированием смежного или следующего участка. Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при к.з. в конце установленной для неё зоны в минимальном режиме работы системы и при замыканиях через электрическую дугу. Чувствительность защиты можно оценить коэффициентом чувствительности Кч. Для защит реагирующих на ток к.з.

где: Iкз мин – минимальный ток к.з.; Iс.з. – ток срабатывания защиты.

4. Надёжность.

Требование надёжности состоит в том, что защита должна правильно и безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых её работа не предусматривалась.

Требование надёжности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкцией аппаратуры, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации.

Требования к релейной защите от ненормальных режимов

Защиты от ненормальных режимов также должны обладать селективностью, достаточной чувствительностью и надёжностью. Но быстродействия у защит от ненормальных режимов, как правило, не требуется. Ненормальные режимы часто носят кратковременный характер и самоликвидируются.

3. Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках.

Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким

замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания).

Причинами повреждений являются:

− нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением,

неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими

повреждениями;

− повреждения проводов и опор линий электропередач из-за их неудовлетворительного состояния, гололёда, ветра и др. причин;

− ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение

разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.).

Основные виды повреждений в электроустановках приведены в таблице 1-1.

Короткие замыкания (к.з.) являются наиболее опасными и тяжелыми видами повреждений.

При коротком замыкании э.д.с Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генератора, трансформатора и линий. В контуре замкнутой накоротко э.д.с. возникает большой ток Iк, называемый током к.з.

В зависимости от числа замкнувшихся фаз и наличия связи с землёй к.з. подразделяются на: трёхфазные, двухфазные, однофазные, двухфазные на землю.

На рис.1-1 приведены векторные диаграммы токов и напряжений

при различных видах повреждений.

Трёхфазное КЗ

3-х фазное к.з. (К⁽³⁾) является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети.

Ток к.з., проходящий в каждой фазе отстаёт от создающей его э.д.с. на одинаковый угол , определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыканий:

Все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х фазного к.з.

равны нулю:

В точках, удаленных от места КЗ на небольшое расстояние, фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное КЗ представляет наибольшую опасность и является расчетным режимом при определении максимального тока КЗ.

Двухфазное КЗ

При 2-х фазном к.з. (К²⁾) токи и напряжения разных фаз не одинаковы.

В повреждённых фазах в месте 2-х фазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В и С фазные токи:

Междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами:

а фазные напряжения замкнувшихся фаз:

Фазные токи в поврежденных фазах отстают от создающей их ЭДС (при замыкании фаз В и С ) на угол .

По мере удаления от места 2-х фазного к.з. фазные напряжения и междуфазное напряжениебудет увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное КЗ

Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

В месте 1-фазного КЗ фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:

Ток КЗ протекает только в замкнувшейся на землю фазе С:

.

Напряжения неповреждённых фаз (А и В) будут превышать ЭДС соответствующих фаз () из-за того, что в неповреждённых фазах

наводится э.д.с. взаимоиндукции под действием тока к.з. протекающего в повреждённой фазе.

В некоторых случаях ток 1 ф. к.з. может быть больше тока Зф. к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы чем 3-х и 2-х фазные к.з. так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы. (В нашем

случае .

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью

В сетях с малыми токами замыкания на землю (в сетях работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью заземлённой через дугогасящую катушку), замыкания одной фазы на землю сопровождаются значительно меньшими токами чем при 1 ф.КЗ.

При замыкании на землю одной фазы, фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз увеличиваются в раз

и становятся равными междуфазным напряжением .

Через место повреждения проходит ток замыкающийся через

ёмкости неповрежденных фаз «В» и «С». Ёмкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания и поэтому ток через неё не проходит.

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства – дугогасящие катушки (ДГК), которые включаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землёй. В зависимости от настройки ДГК ток замыкания на землю можно уменьшить до нуля или до некоторой небольшой величины.

К ненормальным режимам в электроустановках относятся опасные для

электрооборудования или устойчивой работы энергосистемы режимы, связанные с отклонением от допустимых значений, значений величин тока, напряжения и частоты.

Наиболее характерные ненормальные режимы: перегрузка оборудования; повышение напряжения; качания в системе.

Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения. Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла, через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции оборудования превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению. Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования.

Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения. Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до опасных для его изоляции значений.

Опасное для изоляции оборудования повышение напряжения может

возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой ёмкостной проводимостью. При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать

оборудование от сети.

Качания в системах – периодическое изменение («качание») тока, напряжения, активной и реактивной мощности.

Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов. Ток во всех элементах сети, связывающих вышедшие из синхронизма генераторы, 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.

3. Структурная схема и основные органы релейной защиты.

Релейная защита для выполнения функций, соответствующих её назначению, состоит, как правило, из измерительных (пусковых) органов и логической части.

Измерительные (пусковые) органы непосредственно и непрерывно

контролируют состояние и режим работы защищаемого оборудования и реагируют на возникновение к.з. или нарушения нормального режима работы.

Логическая часть представляет собой схему, которая запускается

измерительными (пусковыми) органами и формирует команды на отключение выключателей мгновенно или с выдержкой времени, запускает другие устройства, подаёт сигналы и производит прочие предусмотренные алгоритмом защиты действия. Любую схему релейной защиты можно представить в виде функциональной схемы приведенной на рис. 1-6.

Информация о состоянии защищаемого объекта (обычно в качестве

контролируемых параметров выступает ток и напряжение) поступает на вход

измерительного органа ИО от измерительных преобразователей ИП. (в качестве измерительных преобразователей обычно применяются трансформаторы тока и напряжения).

Измерительные органы ИО непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого объекта (ИО включают в себя реле тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты).

Логический орган защиты ЛО (логическая часть) обрабатывает сведения, поступившие от измерительного органа ИО и формирует управляющее воздействие через исполнительные элементы ИЭ на коммутационную аппаратуру (выключатели В), звуковую и световую сигнализацию. (Логическая часть состоит в основном из реле времени и промежуточных реле).

Сигнальный орган СО фиксирует срабатывание защиты в целом или её

отдельных элементов. (Сигнальный орган обычно выполняется с помощью

указательных реле).

3. Оперативный ток

Оперативным током называется ток, при помощи которого производится управление выключателями, а источники этого тока – источниками оперативного тока.

Оперативный ток используется также для питания вспомогательных реле в схемах релейной защиты и автоматики (промежуточных, реле времени, указательных), а также для работы световой и звуковой сигнализации.

Источники оперативного тока должны обеспечивать высокую

степень надёжности, быть постоянно готовы к действию и обеспечивать необходимую величину напряжения или тока в обмотках электромагнитов включения и отключения коммутационных аппаратов (выключателей и разъединителей).

Для управления выключателями и питания устройств РЗА в электроустановках используются два вида оперативного тока: постоянный и переменный.

Постоянный оперативный ток

Основными источниками постоянного оперативного тока являются аккумуляторные батареи (АБ) с зарядными устройствами. Стандартными величинами номинальных напряжений постоянного оперативного тока приняты 24, 48, 110 и 220 В.

Переменный оперативный ток

Для питания оперативных цепей переменным током используется ток или напряжение сети. При этом в качестве источников переменного оперативного тока служат: трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд.

Трансформаторы тока являются надёжным источником питания оперативных цепей защит от к.з. При к.з. ток и напряжение на зажимах трансформатора тока увеличиваются и следовательно возрастает мощность трансформаторов тока чем обеспечивается надёжное питание оперативных цепей.

Однако трансформаторы тока не обеспечивают необходимой мощности при повреждениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся увеличением тока (их нельзя использовать для питания устройств релейной защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, защит от витковых замыканий электрических машин и для защит от ненормальных режимов электроустановок таких как повышение или понижение напряжения

и понижение частоты). В этих случаях в качестве источников оперативного тока должны использоваться трансформаторы напряжения или трансформаторы собственных нужд.

Помимо непосредственного использования мощности

трансформаторов тока и напряжения можно использовать энергию,

накопленную в предварительно заряженных конденсаторах. Заряд

конденсатора обычно осуществляется в нормальном режиме от

напряжения сети. При исчезновении напряжения на электроустановке запасённая конденсатором энергия сохраняется и её можно использовать для питания защит, которые должны работать при исчезновении напряжения.

В зависимости от электрической величины, на которую реагирует воспринимающий орган, электрические реле бывают: токовые, напряжения, мощности, сопротивления, частоты и т.д., а по характеру изменения воздействующей величины делятся на реле максимальные и реле минимальные. Максимальные реле работают, когда значение воздействующей величины превосходят заданной, а минимальные – когда значение воздействующей величины снижается ниже заданной.

3. Классификация реле.

В устройствах РЗ применяются реле электрические, механические и тепловые.

Электрические реле реагируют на электрические величины – ток,

напряжение, мощность, частоту, сопротивление, угол между током и напряжением или двумя токами, или двумя напряжениями.

Механическое реле реагируют на неэлектрические величины – давление, скорость истечения жидкости или газа, скорость вращения и т.д.

Тепловые реле реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры. Наибольшее распространение в релейной защите и автоматике получили электрические реле.

Классификация электрических реле

Все реле по назначению условно можно разделить на три группы.

I. Основные реле, непосредственно реагирующие на изменение

контролируемых величин, например, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д. (реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления).

II. Вспомогательные реле, управляемые другими реле и выполняющие

функции введения выдержек времени, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим, воздействия на выключатели и т.п. (реле времени, промежуточные реле).

III. Сигнальные (указательные) реле, фиксирующие действие защиты и

управляющие звуковыми и световыми сигналами (указательные реле).

По способу включения воспринимающего органа различаются реле

первичные, у которых воспринимающий орган включается непосредственно в цепь защищаемого элемента, и реле вторичные, у которых воспринимающий орган включается через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

По способу воздействия исполнительного органа различаются реле прямого действия, у которых исполнительный орган отключает выключатель путём прямого механического воздействия, и реле косвенного действия, исполнительный орган которых воздействует на привод выключателя с помощью оперативного тока.

Практическое применение получили следующие три группы реле:

1. Первичные реле прямого действия. В эту группу входят: реле максимального тока, действующие мгновенно и с замедлением; реле минимального напряжения мгновенного действия и электротепловые реле (тепловые расценители). Первичные реле прямого действия встраиваются непосредственно в выключатели, автоматы и магнитные пускатели.

2. Вторичные реле прямого действия. В эту группу входят реле максимального тока и минимального напряжения, действующие мгновенно или с выдержкой времени. Реле выполняются на электромагнитном принципе и встраиваются в приводы выключателей.

3. Вторичные реле косвенного действия. В эту основную и наиболее

многочисленную группу входят почти все типы реле тока, напряжения, мощности, сопротивления и частоты, а также реле времени, промежуточные и сигнальные реле.

По принципу действия электрические реле разделяются на следующие группы:

– электромагнитные реле, работа которых основана на воздействии магнитного потока обтекаемой током обмотки на ферромагнитный якорь;

– поляризованные реле – электромагнитное реле со вспомогательным

поляризующим магнитным полем;

– магнитоэлектрические реле, работа которых основана на взаимодействии

постоянного магнита и обтекаемой током обмотки;

– индукционные реле, работа которых основана на взаимодействии магнитных полей неподвижных обмоток с магнитными полями токов, индуктируемых в подвижном элементе;

– полупроводниковые реле, работа которых основана на использовании свойств полупроводниковых приборов.

По характеру изменения воздействующей величины делятся на: реле максимальные и реле минимальные. Максимальные реле работают, когда значение воздействующей величины превосходят заданной, а минимальные – когда значение воздействующей величины снижается ниже заданной.

studfile.net

32назначение рз

НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕЙ

Нормальная работа электроустановок и потребителей электроэнергии нарушается при возникновении повреждений и ненормальных режимов, которые сопровождаются возрастанием тока, снижением или повышением напряжения и частоты. В этом случае возможны повреждения оборудования и нарушения синхронизма в электроэнергетической системе (ЭЭС). В связи с этим возникает необходимость в создании и применении различных автоматических устройств, защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Большинство повреждений в ЭЭС приводит к возникновению различного вида коротких замыкания (к.з.) — наиболее опасных и тяжелых видов повреждений, которые сопровождаются значительным возрастанием тока, снижением напряжения и сопротивления. Ток короткого замыкания (Iкз), протекая по элементам ЭЭС, может вызвать разрушения, размеры которых тем больше, чем больше величина Iкз и время его протекания. Последнее следует из электродинамического и термического действия Iкз.

Снижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей и может вызвать остановку асинхронных двигателей, что приводит к расстройству технологического процесса на предприятиях. Снижение напряжения может вызвать нарушение устойчивости в ЭЭС и привести к дальнейшему тяжелому развитию аварии.

Релейная защита (РЗ) представляет собой автоматическое устройство, предназначенное для защиты ЭЭС и ее элементов от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. РЗ производит автоматическую ликвидацию аварии (при возникновении ненормальных режимов) или ее локализацию (отключение поврежденного элемента).

У стройства РЗ и автоматики состоят из отдельных функциональных элементов, связанных между собой общей схемой (рис. 1) и предназначенных для решения стоящих перед ними задач.

Входной (воздействующей) величиной для РЗ является электрический параметр, определяемый типом РЗ. Так, например, для максимальных токовых защит, в качестве воздействующей (входной) величины принимается ток (I), проходящий через защищаемый элемент ЭЭС. Если величина I превысит установленное значение (Iуст), то происходит срабатывание пускового органа РЗ и сигнал (Z₁) поступает на логическую часть защиты (реле времени КТ). При срабатывании логической части вырабатывается сигнал Z₂, поступающий на исполнительную часть защиты, выполняющую функцию усилительного органа, — промежуточное реле KL (см. рис. 1).

Д ля сложных защит в качестве входных параметров могут использоваться несколько воздействующих величин. Так, например, для максимальных токовых защит с блокировкой по минимальному напряжению пусковой орган РЗ выполняется по схеме, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Пусковой орган для МТЗ с пуском по минимальному напряжению

Сигнал Z₁ на выходе пускового органа ПО появится, если одновременно будут сигналы на выходе пускового органа по току ( Х₁) и пускового органа по напряжению ( Х₂). В ЭЭС действие РЗ тесно связано с устройствами автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима и питания потребителей. Например, устройство АПВ силового трансформатора запускается при срабатывании его максимальной токовой защиты и блокируется при срабатывании основных защит трансформатора (дифференциальной и газовой).

РЗ должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Селективность (избирательность) — основное требование к РЗ. Заключается в способности РЗ отключать при к.з. только поврежденный элемент, хотя ток к.з. протекает и по другим неповрежденным элементам ЭЭС. Для различных типов защит селективность обеспечивается различными способами. При селективной работе РЗ не происходит излишних отключений оборудования и потребителей, тем самым минимизируется ущерб от аварийной ситуации.

2. Быстродействие — способность работать с минимально допустимой выдержкой времени. Без выдержки времени могут работать только защиты, обладающие абсолютной селективностью (дифференциальные, высокочастотные, первые ступени токовых защит — токовые отсечки). Для сетей с уровнем номинального напряжения 110-220 кВ предельное время отключения коротких замыканий составляет 0,3-0,5 с, а для сетей 330-500 кВ — 0,15 с. Такие жесткие ограничения по скорости отключения коротких замыканий в сетях высокого напряжения определяются в первую очередь условиями обеспечения динамической устойчивости в энергосистеме. На низких напряжениях (6-35 кВ) время отключения к.з. может достигать нескольких секунд. Быстродействие РЗ находится в противоречии с их селективностью.

3. Чувствительность — способность РЗ реагировать на те отклонения от нормального режима, которые возникают в результате повреждения. Для схемы ЭЭС (рис. 3) установлены токовые защиты Р31 и Р32, которые отличают нормальный режим от режима к.з. по возрастанию тока. Р31 служит для защиты линии АВ, а Р32 — ВС. Однако в случае возникновения к.з. на шинах С (в точке К2) и отказе Р32 или выключателя Q₂ ликвидация повреждения должна осуществляться Р31, которая при своем срабатывании дает сигнал на отключение Q₁, т.е. защита РЗ1 должна «чувствовать» короткое замыкание в конце смежной линии ВС (в точке К2), чтобы она смогла выполнить функции резервирования Р32.

Р ис. 3. Схема ЭЭС и размещение токовых защит линий АВ и ВС (а) и схема замещения в аварийном режиме при К⁽³⁾ в точке К2 (б)

Так для токовой защиты ток срабатывания защиты Iсз — наименьший первичный ток, при котором приходят в действие ПО защиты. Ток срабатывания защиты должен быть меньше тока короткого замыкания для Р31 (точка К1). Для защит от междуфазных к.з. чувствительность проверяется по наименьшему току для двухфазного к.з., когда:

Коэффициент чувствительности защиты характеризует отношение величины контролируемого параметра в режиме к.з. к величине порога срабатывания защиты. Коэффициент чувствительности по току определяет, во сколько раз минимальный ток к.з. больше тока срабатывания защиты:

Выбор величины Iсз зависит от типа применяемой защиты. ПУЭ определяют, что Кч должен быть больше 1.5, если защита является основной (для к.з. в точке К1 защита Р31 — основная), и больше 1.2, если защита является резервной (для к.з. в точке К2 защита Р31 — резервная). Столь высокие требования к коэффициенту чувствительности объясняются тем, что ток к.з. в реальных условиях эксплуатации энергосистемы может быть существенно меньше расчетного I_кз^сз.

4. Надежность — способность защиты безотказно действовать в пределах установленной для нее зоны и не работать ложно в режимах, при которых действие РЗ не предусматривается. Иначе говоря, при функционировании РЗ не должно быть случаев отказов и ложной работы. Для повышения надежности работы РЗ используются устройства диагностики — тестового контроля и функционального диагностирования. Кроме того, повышению надежности способствует и перевод РЗ на новую современную элементную базу — интегральные микросхемы и микропроцессорную технику. Последнее улучшает и характеристики РЗ с точки зрения ее быстродействия и чувствительности, уменьшает вес и габариты устройств РЗ, сокращает потребление электроэнергии, облегчает ремонт и эксплуатацию устройств РЗиА.

studfile.net

Назначение релейной защиты. Требования, предъявляемые к релейной защите. Классификация реле. Классификация защит.

При эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы.

Для предотвращения опасных последствий повреждений и ненормальных режимов используется комплекс специальных автоматических устройств, получивший название релейная защита.

Реле – автоматически действующий аппарат предназначенный производить скачкообразное изменение состояния контролируемой сети при заданных значениях входной величины, характеризующей определенное отклонение режима контролируемого объекта.

Основным назначением релейной защиты является:

• при возникновении повреждений выявлять и отключать повреждённый участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения;

• выявлять ненормальные режимы и, в зависимости от характера нарушения, производить операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подавать сигнал дежурному персоналу.

Основные требования к защите от КЗ:

Быстрое отключение повреждённого оборудования или участка электроустановки уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповреждённой части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом.

Это требование предъявляется, когда в сети возникает пробой напряжения ниже 0,6U_ном.

Полное время отключения повреждения t_откл складывается из времени работы защиты t_з и времени действия выключателя t_в, разрывающего ток КЗ t_откл = t_з + t_в.

Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время действия 0,02-0,1 с.

Селективностью называется способность защиты отключать при КЗ только поврежденный участок сети ближайшими к месту КЗ выключателями.

В соответствии со способами обеспечения селективности при внешних КЗ различают две группы защит: с абсолютной селективностью и с относительной селективностью.

Абсолютную селективность имеют защиты, селективность которых при внешних КЗ обеспечивается их принципом действия, т.е. защита способна работать только при КЗ на защищаемом объекте. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются без выдержек времени.

Относительную селективность имеют защиты, на которые по принципу действия можно возложить функции резервных защит при КЗ на смежных элементах сети. С учётом этого такие защиты в общем случае должны выполняться с выдержками времени.

Защита должна обладать такой чувствительностью в пределах установленной для неё зоны, чтобы обеспечивалось её действие в самом начале возникновения повреждения, чем сокращаются размеры повреждения оборудования в месте КЗ.

Чувствительность защиты должна также обеспечивать её действие при повреждениях на смежных участках сети. Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при КЗ в конце установленной для неё зоны в минимальном режиме работы системы и при замыканиях через электрическую дугу.

Чувствительность защиты можно оценить коэффициентом чувствительности

Требование надёжности состоит в том, что защита должна правильно и безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых её работа не предусматривалась.

Требование надёжности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкцией аппаратуры, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации.

В устройствах релейной защиты применяются реле:

• Электрические реле реагируют на электрические величины – ток, напряжение, мощность, частоту, сопротивление, угол между током и напряжением или двумя токами, или двумя напряжениями.

• Механическое реле реагируют на неэлектрические величины – давление, скорость истечения жидкости или газа, скорость вращения и т.д.

• Тепловые реле реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры.

Наибольшее распространение в релейной защите и автоматике получили электрические реле.

Классификация электрических реле.

Все реле имеют:

• воспринимающий (измерительный) орган, который непосредственно воспринимает изменение электрических величин, подведённых к реле, и производит соответствующие им изменения в других органах реле;

• исполнительный орган, который, воздействует на внешние цепи, производит отключение выключателей, подачу предупредительных сигналов или запуск других реле. Частным случаем исполнительного органа являются контакты реле.

Некоторые реле имеют орган замедления (выдержка времени).

В зависимости от электрической величины, на которую реагирует воспринимающий орган, электрические реле бывают: токовые, напряжения, мощности, сопротивления, частоты и т.д.

По характеру изменения воздействующей величины реле делятся на реле максимальные и реле минимальные. Максимальные реле работают, когда значение воздействующей величины превосходят заданную, а минимальные – когда значение воздействующей величины снижается ниже заданной.

По назначению условно можно разделить на три группы:

• Основные реле, непосредственно реагирующие на изменение контролируемых величин, например, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д. (реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления).

• Вспомогательные реле, управляемые другими реле и выполняющие функции введения выдержек времени, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим, воздействия на выключатели и т.п. (реле времени, промежуточные реле).

• Сигнальные (указательные) реле, фиксирующие действие защиты и управляющие звуковыми и световыми сигналами (указательные реле).

По способу включения воспринимающего органа различаются реле первичные, у которых воспринимающий орган включается непосредственно в цепь защищаемого элемента, и реле вторичные, у которых воспринимающий орган включается через измерительные трансформаторы тока или напряжения.

Наибольшее распространение имеют реле вторичные, преимущества которых по сравнению с первичными в том, что они изолированы от высокого напряжения, располагаются на некотором расстоянии от защищаемого объекта, в удобном для обслуживания месте.

Достоинством первичных реле является то, что для их включения не требуется измерительных трансформаторов и источников оперативного тока и контрольного кабеля.

По способу воздействия исполнительного органа различаются реле прямого действия, у которых исполнительный орган отключает выключатель путём прямого механического воздействия, и реле косвенного действия, исполнительный орган которых воздействует на привод выключателя с помощью оперативного тока.

Защита с вторичным реле прямого действия показана на рисунке (а). Реле 1 срабатывает, когда электромагнитная сила F_э становится больше силы F_n противодействующей пружины. При срабатывании реле его подвижная система воздействует непосредственно (прямо) на расцепляющий рычаг 3 выключателя, после чего выключатель отключается под действием пружины 4.

Защита с вторичным реле косвенного действия изображена на рисунке (б). При срабатывании реле 1 его контакты замыкают цепь обмотки электромагнита 2, называемого катушкой (соленоидом) отключения выключателя. Под действием напряжения U, подводимого к катушке отключения 2 от специального источника, сердечник 3 катушки отключения преодолевает сопротивление F_n пружины 5 и освобождает защелку 4 и выключатель отключается под действием пружины 6.

По принципу действия электрические реле разделяются на следующие группы:

• Электромагнитные реле, работа которых основана на воздействии магнитного потока обтекаемой током обмотки на ферромагнитный якорь;

• Поляризованные реле – электромагнитное реле со вспомогательным поляризующим магнитным полем;

• Магнитоэлектрические реле, работа которых основана на взаимодействии постоянного магнита и обтекаемой током обмотки;

• Индукционные реле, работа которых основана на взаимодействии магнитных полей неподвижных обмоток с магнитными полями токов, индуктируемых в подвижном элементе;

• Полупроводниковые реле, работа которых основана на использовании свойств полупроводниковых приборов.

studfile.net

Курс лекций по релейной защите

1. Общие сведения о релейной защите

1. Назначение релейной защиты

При эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Опасность повреждений и ненормальных режимов работы линий электропередач и электрооборудования заключается в следующем:

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 неповреждённого оборудования, по которому этот ток проходит.

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

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

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

Для предотвращения опасных последствий повреждений и ненормальных режимов используется комплекс специальных автоматических устройств, получивший название релейная защита.

Своё название Релейная защита получила от слова «реле», представляющее собой автоматически действующее устройство, которое приходит в действие (срабатывает) при определенном значении воздействущей на него входной величины. Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надёжная работа современной энергосистемы. Она осуществляет непрерывный мониторинг за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы.

Основным назначением релейной защиты является:

— при возникновении повреждений выявлять и отключать повреждённый участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения;

— выявлять ненормальные режимы и, в зависимости от характера нарушения, производить операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подавать сигнал дежурному персоналу.

Релейная защита тесно связана с другими устройствами электроавтоматики – устройствами автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузкой (АЧР) и др. устройствами системной автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы электроэнергетических систем.

2. Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках

Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания).

Основными причинами повреждений являются:

• нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

• ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.).

Короткие замыкания (к.з.) являются наиболее опасными и тяжелыми видами повреждений.

При коротком замыкании э.д.с Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генератора, трансформатора и линий. В контуре замкнутой накоротко э.д.с. возникает большой ток I_к, называемый током к.з.

При к.з. из-за увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в любой точке М (см. рисунок 1.3) U_М = Е — I_ЗА Z_м , где Е — э.д.с. источника питания, Z_м – сопротивление от источника питания до точки М.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к.з.

Увеличение тока и снижение напряжения, происходящие в результате к.з., приводят к ряду опасных последствий:

Термическое действие тока к.з. Согласно закону Джоуля-Ленца ток к.з. Iк выделяет в активном сопротивлении r цепи в течение времени t тепло Q = kI²rt . При этом происходят большие разрушения в месте к.з., а также недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и проводов линий электропередач, что может вызвать повреждение их изоляции и токоведущих частей;

Понижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели, момент вращения которых M_Д пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: M_Д = КU². При глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Кроме того, из-за снижения напряжения при к.з. также нарушается нормальная работа осветительных установок и компьютерной техники.

Нарушение устойчивости параллельной работы генераторов является наиболее тяжелым последствием снижения напряжения при к.з. Это может привести к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения всех её потребителей. Причины такого распада можно пояснить на примере схемы, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние понижения напряжения при к.з. на работу потребителей (а) и

энергосистемы (б).

При возникновении к.з. в точке К у шин электростанции А напряжение в месте к.з. станет равным нулю, в результате чего электрическая нагрузка генераторов электростанции А станет равным нулю и частота вращения турбин генераторов начнёт быстро увеличиваться т.к. в турбины поступает количество пара (или воды) соответствующей электрической нагрузке доаварийного режима, а регуляторы скорости турбины действуют медленно и не могут предотвратить ускорения вращения турбин генераторов станции А.

В иных условиях находятся генераторы электростанции В, т.к. они удалены от точки К и поэтому напряжение на их шинах может быть близким к номинальному.

Так как генераторы электростанции А разгрузились, то вся нагрузка энергосистемы ляжет на генераторы электростанции В, которые могут при этом 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.

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

В зависимости от числа замкнувшихся фаз к.з. подразделяются на трёхфазные, двухфазные и однофазны; замыкания с землёй и без земли; замыкания в одной и двух точках сети (таблица 1-1).

Таблица 1-1 — Основные виды повреждений в электроустановках.

Трёхфазные замыкания: замыкания между тремя фазами К(3)
Трёхфазные замыкания на землю К(1, 1, 1)
Двухфазные замыкания: замыкания между двумя фазами К(2)
Двухфазные замыкания на землю К(1. 1)
Двойные замыкания на землю
Однофазные замыкания на землю
Разрыв фазы

На рисунке 2 приведены векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах повреждений.

Рисунок 2 – Векторные диаграммы токов и напряжений в месте установки защиты при различных видах к.з.

Трёхфазное к.з.

Трёхфазное к.з.(К⁽³⁾) является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети:

; ;

Векторная диаграмма токов и напряжений при К⁽³⁾ приведена на рисунке 1.1 а.

Ток к.з., проходящий в каждой фазе, отстаёт от создающей его э.д.с. на одинаковый угол , определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыканий:

;

Все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х фазного к.з. равны нулю:

; ;

В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное к.з. представляет наибольшую опасность и является расчётным режимом при определении максимального тока к.з.

Двухфазное к.з.

При двухфазном к.з. (К⁽²⁾) токи и напряжения разных фаз не одинаковы.

В повреждённых фазах в месте двухфазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В и С справедливы следующие соотношения:

— междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами;

— фазные напряжения замкнувшихся фаз.

Так же как и при трёхфазном к.з. фазные токи в повреждённых фазах отстают от создающей их э.д.с. на угол , определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

Векторная диаграмма токов и напряжений при двухфазном к.з. приведена на рис. 1.1 в. По мере удаления от места 2-х фазного к.з. фазные напряжения ии междуфазное напряжениебудет увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное к.з.

Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

Векторная диаграмма токов и напряжений в месте 1-фазного к.з. фазы С приведена на рисунке 1.1 г.

В месте 1-фазного к.з. фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:

; ;

Ток к.з. протекает только в замкнувшейся на землю фазе С:

;

Напряжения неповреждённых фаз а А и В будут превышать э.д.с. соответствующих фаз из-за того, что в неповреждённых фазах наводится э.д.с. взаимоиндукции под действием тока к.з. протекающего в повреждённой фазе.

В некоторых случаях ток однофазного к.з. может быть больше тока трёхфазного к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем 3-х и 2-х фазные к.з., так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы.

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью

В сетях, работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через дугогасящую катушку (сети с малыми токами замыкания на землю), замыкания одной фазы на землю не вызывает короткого замыкания, т.к. э.д.с. повреждённой фазы не шунтируется появившимся соединением с землёй. Возникающий в месте повреждения ток замыкается через ёмкость проводов относительно земли и имеет небольшую величину, например, несколько десятков ампер.

Векторная диаграмма токов и напряжений этого режима представлена на

рисунке 3.

Рисунок 3 – Векторные диаграммы токов и напряжений при замыкании на землю фазы А в сети с изолированной нейтралью.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз U_В и U_С увеличиваются в раз и становятся равными междуфазным напряжением. (U’_В и U’_С) Через место повреждения проходит ток I_ЗА , замыкающийся через ёмкости неповрежденных фаз В и С. Ёмкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания и поэтому ток через неё не проходит.

Величина тока в месте замыкания на землю: I_ЗА = ,

где Х_С = — суммарное сопротивление цепи замыкания на землю;

ƒ = 50 Гц – частота сети переменного тока;

С — ёмкость одной фазы сети относительно земли.

Так как при замыкании на землю фазы А напряжения фаз В и С относительно земли равны по величине междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60⁰, то:

U’_В + U’_С = 3U_ФА и I_ЗА = 3U_ФА ωС = 3U_ФА2πf C;

Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными, поэтому оно не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Однако этот вид повреждения создаёт ненормальный режим, вызывая перенапряжения, что может привести к нарушению изоляции относительно земли двух неповреждённых фаз и перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное к.з.

Ненормальными режимами, связанными с отклонением от допустимых значений тока, напряжения и частоты и представляющими опасность для электроснабжения потребителей электроэнергии и энергосистемы в целом, являются: перегрузка оборудования, повышение напряжения, качания в системе.

Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения.

Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению.

Характер зависимости допустимой длительности перегрузки от величины тока: t = (I) показан на рисунке 4 и определяется конструкцией оборудования и типом используемых в оборудовании изоляционных материалов.

Рисунок 4 – Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока.

Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования.

Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения.

Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до значений, опасных для его изоляции.

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

При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать оборудование от сети.

Качания в системах – периодическое изменение («качание») тока, напряжения, активной и реактивной мощности.

Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов и сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети. На эти изменения тока и напряжения защиты реагируют также, как и на симметричное к.з.

В нормальных условиях угловые скорости а и в, с которыми вращаются век­торы э.д.с. Е_Аи Е_В, одинаковы. При нарушении синхронизма частота вращения роторов генераторов Г_А и Г_В, а также частота вращения векторов их э.д.с. становятся различными.

Если предположить, что частота вращения ротора генератора Г_А стала большей, чём генератора Г_В, то и электрическая ско­рость _А> _В

В результате этого вектор Е_А (рисунок 5) будет вращать­ся относительно вектора Е_В с угловой скоростью скольжения _С = _А—_В, а разница ΔЕ = Е_А— Е_В будет менять свою величину в зависимости от значения угла δ.

Полагая, что |Е_А|=|Е_В|=Е, из векторной диаграммы на рисунке 5 находим:

;

Таким образом, действующее значение ΔЕ меняется по закону синуса и достигает максимальной величины при δ =180°, а минимальной – при δ = 0.

Под влиянием э.д.с. ΔЕ в сети, соединяющей генераторы Г_А и Г_В появляется ток качания:

, где

Z_АВ =— эквивалентное сопротивление цепи, по которой протекает токI_кач.

Ток качаний изменяется по закону синуса от нуля при δ = 0, когда э.д.с. генераторов совпадают по фазе, до максимального значения I_кач.max = 2Е / Х_АВ при δ =180°, когда э.д.с. генераторов противоположны по фазе. Однако в действительности при δ = 0 ток I_кач отличен от нуля, т.к. обычно Е_А ≠ Е_В.

Распределение напряжения при качаниях в сети представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 – Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях.

В точке С, называемой электрическим центром качаний напряжение снижается до нуля, а в остальных точках сети напряжение остаётся больше нуля, нарастая от центра качаний С к источникам питания А и В.

Возрастание тока вызывает нагрев оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу потребителей системы.

Кроме перечисленных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты и системной автоматики.

studfile.net

Курс лекций по релейной защите

1. Общие сведения о релейной защите

1. Назначение релейной защиты

При эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Опасность повреждений и ненормальных режимов работы линий электропередач и электрооборудования заключается в следующем:

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 неповреждённого оборудования, по которому этот ток проходит.

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

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

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

Для предотвращения опасных последствий повреждений и ненормальных режимов используется комплекс специальных автоматических устройств, получивший название релейная защита.

Своё название Релейная защита получила от слова «реле», представляющее собой автоматически действующее устройство, которое приходит в действие (срабатывает) при определенном значении воздействущей на него входной величины. Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надёжная работа современной энергосистемы. Она осуществляет непрерывный мониторинг за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы.

Основным назначением релейной защиты является:

— при возникновении повреждений выявлять и отключать повреждённый участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения;

— выявлять ненормальные режимы и, в зависимости от характера нарушения, производить операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подавать сигнал дежурному персоналу.

Релейная защита тесно связана с другими устройствами электроавтоматики – устройствами автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузкой (АЧР) и др. устройствами системной автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы электроэнергетических систем.

2. Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках

Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания).

Основными причинами повреждений являются:

• нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

• ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.).

Короткие замыкания (к.з.) являются наиболее опасными и тяжелыми видами повреждений.

При коротком замыкании э.д.с Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генератора, трансформатора и линий. В контуре замкнутой накоротко э.д.с. возникает большой ток I_к, называемый током к.з.

При к.з. из-за увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в любой точке М (см. рисунок 1.3) U_М = Е — I_ЗА Z_м , где Е — э.д.с. источника питания, Z_м – сопротивление от источника питания до точки М.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к.з.

Увеличение тока и снижение напряжения, происходящие в результате к.з., приводят к ряду опасных последствий:

Термическое действие тока к.з. Согласно закону Джоуля-Ленца ток к.з. Iк выделяет в активном сопротивлении r цепи в течение времени t тепло Q = kI²rt . При этом происходят большие разрушения в месте к.з., а также недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и проводов линий электропередач, что может вызвать повреждение их изоляции и токоведущих частей;

Понижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели, момент вращения которых M_Д пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: M_Д = КU². При глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Кроме того, из-за снижения напряжения при к.з. также нарушается нормальная работа осветительных установок и компьютерной техники.

Нарушение устойчивости параллельной работы генераторов является наиболее тяжелым последствием снижения напряжения при к.з. Это может привести к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения всех её потребителей. Причины такого распада можно пояснить на примере схемы, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние понижения напряжения при к.з. на работу потребителей (а) и

энергосистемы (б).

При возникновении к.з. в точке К у шин электростанции А напряжение в месте к.з. станет равным нулю, в результате чего электрическая нагрузка генераторов электростанции А станет равным нулю и частота вращения турбин генераторов начнёт быстро увеличиваться т.к. в турбины поступает количество пара (или воды) соответствующей электрической нагрузке доаварийного режима, а регуляторы скорости турбины действуют медленно и не могут предотвратить ускорения вращения турбин генераторов станции А.

В иных условиях находятся генераторы электростанции В, т.к. они удалены от точки К и поэтому напряжение на их шинах может быть близким к номинальному.

Так как генераторы электростанции А разгрузились, то вся нагрузка энергосистемы ляжет на генераторы электростанции В, которые могут при этом 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.

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

В зависимости от числа замкнувшихся фаз к.з. подразделяются на трёхфазные, двухфазные и однофазны; замыкания с землёй и без земли; замыкания в одной и двух точках сети (таблица 1-1).

Таблица 1-1 — Основные виды повреждений в электроустановках.

Трёхфазные замыкания: замыкания между тремя фазами К(3)
Трёхфазные замыкания на землю К(1, 1, 1)
Двухфазные замыкания: замыкания между двумя фазами К(2)
Двухфазные замыкания на землю К(1. 1)
Двойные замыкания на землю
Однофазные замыкания на землю
Разрыв фазы

На рисунке 2 приведены векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах повреждений.

Рисунок 2 – Векторные диаграммы токов и напряжений в месте установки защиты при различных видах к.з.

Трёхфазное к.з.

Трёхфазное к.з.(К⁽³⁾) является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети:

; ;

Векторная диаграмма токов и напряжений при К⁽³⁾ приведена на рисунке 1.1 а.

Ток к.з., проходящий в каждой фазе, отстаёт от создающей его э.д.с. на одинаковый угол , определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыканий:

;

Все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х фазного к.з. равны нулю:

; ;

В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное к.з. представляет наибольшую опасность и является расчётным режимом при определении максимального тока к.з.

Двухфазное к.з.

При двухфазном к.з. (К⁽²⁾) токи и напряжения разных фаз не одинаковы.

В повреждённых фазах в месте двухфазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В и С справедливы следующие соотношения:

— междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами;

— фазные напряжения замкнувшихся фаз.

Так же как и при трёхфазном к.з. фазные токи в повреждённых фазах отстают от создающей их э.д.с. на угол , определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

Векторная диаграмма токов и напряжений при двухфазном к.з. приведена на рис. 1.1 в. По мере удаления от места 2-х фазного к.з. фазные напряжения ии междуфазное напряжениебудет увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное к.з.

Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

Векторная диаграмма токов и напряжений в месте 1-фазного к.з. фазы С приведена на рисунке 1.1 г.

В месте 1-фазного к.з. фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:

; ;

Ток к.з. протекает только в замкнувшейся на землю фазе С:

;

Напряжения неповреждённых фаз а А и В будут превышать э.д.с. соответствующих фаз из-за того, что в неповреждённых фазах наводится э.д.с. взаимоиндукции под действием тока к.з. протекающего в повреждённой фазе.

В некоторых случаях ток однофазного к.з. может быть больше тока трёхфазного к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем 3-х и 2-х фазные к.з., так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы.

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью

В сетях, работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через дугогасящую катушку (сети с малыми токами замыкания на землю), замыкания одной фазы на землю не вызывает короткого замыкания, т.к. э.д.с. повреждённой фазы не шунтируется появившимся соединением с землёй. Возникающий в месте повреждения ток замыкается через ёмкость проводов относительно земли и имеет небольшую величину, например, несколько десятков ампер.

Векторная диаграмма токов и напряжений этого режима представлена на

рисунке 3.

Рисунок 3 – Векторные диаграммы токов и напряжений при замыкании на землю фазы А в сети с изолированной нейтралью.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз U_В и U_С увеличиваются в раз и становятся равными междуфазным напряжением. (U’_В и U’_С) Через место повреждения проходит ток I_ЗА , замыкающийся через ёмкости неповрежденных фаз В и С. Ёмкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания и поэтому ток через неё не проходит.

Величина тока в месте замыкания на землю: I_ЗА = ,

где Х_С = — суммарное сопротивление цепи замыкания на землю;

ƒ = 50 Гц – частота сети переменного тока;

С — ёмкость одной фазы сети относительно земли.

Так как при замыкании на землю фазы А напряжения фаз В и С относительно земли равны по величине междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60⁰, то:

U’_В + U’_С = 3U_ФА и I_ЗА = 3U_ФА ωС = 3U_ФА2πf C;

Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными, поэтому оно не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Однако этот вид повреждения создаёт ненормальный режим, вызывая перенапряжения, что может привести к нарушению изоляции относительно земли двух неповреждённых фаз и перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное к.з.

Ненормальными режимами, связанными с отклонением от допустимых значений тока, напряжения и частоты и представляющими опасность для электроснабжения потребителей электроэнергии и энергосистемы в целом, являются: перегрузка оборудования, повышение напряжения, качания в системе.

Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения.

Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению.

Характер зависимости допустимой длительности перегрузки от величины тока: t = (I) показан на рисунке 4 и определяется конструкцией оборудования и типом используемых в оборудовании изоляционных материалов.

Рисунок 4 – Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока.

Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования.

Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения.

Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до значений, опасных для его изоляции.

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

При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать оборудование от сети.

Качания в системах – периодическое изменение («качание») тока, напряжения, активной и реактивной мощности.

Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов и сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети. На эти изменения тока и напряжения защиты реагируют также, как и на симметричное к.з.

В нормальных условиях угловые скорости а и в, с которыми вращаются век­торы э.д.с. Е_Аи Е_В, одинаковы. При нарушении синхронизма частота вращения роторов генераторов Г_А и Г_В, а также частота вращения векторов их э.д.с. становятся различными.

Если предположить, что частота вращения ротора генератора Г_А стала большей, чём генератора Г_В, то и электрическая ско­рость _А> _В

В результате этого вектор Е_А (рисунок 5) будет вращать­ся относительно вектора Е_В с угловой скоростью скольжения _С = _А—_В, а разница ΔЕ = Е_А— Е_В будет менять свою величину в зависимости от значения угла δ.

Полагая, что |Е_А|=|Е_В|=Е, из векторной диаграммы на рисунке 5 находим:

;

Таким образом, действующее значение ΔЕ меняется по закону синуса и достигает максимальной величины при δ =180°, а минимальной – при δ = 0.

Под влиянием э.д.с. ΔЕ в сети, соединяющей генераторы Г_А и Г_В появляется ток качания:

, где

Z_АВ =— эквивалентное сопротивление цепи, по которой протекает токI_кач.

Ток качаний изменяется по закону синуса от нуля при δ = 0, когда э.д.с. генераторов совпадают по фазе, до максимального значения I_кач.max = 2Е / Х_АВ при δ =180°, когда э.д.с. генераторов противоположны по фазе. Однако в действительности при δ = 0 ток I_кач отличен от нуля, т.к. обычно Е_А ≠ Е_В.

Распределение напряжения при качаниях в сети представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 – Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях.

В точке С, называемой электрическим центром качаний напряжение снижается до нуля, а в остальных точках сети напряжение остаётся больше нуля, нарастая от центра качаний С к источникам питания А и В.

Возрастание тока вызывает нагрев оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу потребителей системы.

Кроме перечисленных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты и системной автоматики.

studfile.net