Назначение, требования и принципы релейной защиты
Система электроснабжения промышленного предприятия образована множеством электроустановок, в процессе эксплуатации которых по различным причинам могут возникать повреждения, грозящие аварией, порчей дорогостоящего оборудования и материалов или расстройством сложного технологического процесса. Развитие повреждения может быть приостановлено быстрым отключением поврежденного участка при помощи специальных устройств релейной защиты. Наиболее опасный вид повреждений - короткие замыкания, при которых релейная защита действует на отключение. Таким образом основное назначение релейной защиты состоит в быстром отключении поврежденного участка от неповрежденной части электрической сети.
Кроме повреждений могут иметь место ненормальные режимы работы: перегрузка, падение напряжения, понижение частоты, выделение газа или понижение уровня масла в расширителе трансформатора, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью и др. При этом нет необходимости в немедленном отключении оборудования, так как эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут самоустраняться. В этом случае преждевременное отключение может принести вред, а не пользу. Второе назначение релейной защиты - воспринимать нарушения нормальных режимов работы оборудования, давать предупредительнй сигнал обслуживающему персоналу или производить отключение оборудования с выдержкой времени.
Требования к релейной защите: быстродействие; селективность или избирательность; чувствительность; надежность.
Быстродействие - быстрое отключение поврежденного участка, предотвращающее или уменьшающее размеры повреждения и расстройство работы потребителей неповрежденной части. В основном время отключения находится в пределах 0,06-0,15 с, когда напряжение понижается в неповрежденной части до 60-70 % от номинального допускается 0,5-1 с (рис. 14.1).
Селективность или избирательность - способность защиты определять место повреждения и отключать только ближайший к нему выключатель. Если по какой-либо причине ближайший к месту повреждения участок не отключится, то должен отключиться выключатель следующий к источнику питания.
Рис. 14.1. Пояснение принципа быстродействия релейной защиты при коротком замыкании (КЗ)
Различают защиты с абсолютной селективностью, относительной и неселективные.
Защиты с абсолютной селективностью срабатывают на участке, где они установлены. Обычно принцип их действия основан на сравнении комплексов токов или их фаз в начале и конце защищаемого участка. К таким защитам относится, например, дифференциальная (быстродействующая защита). Защиты с относительной селективностью срабатывают при коротком замыкании как на защищаемом участке, так и на предыдущем (защиты с выдержкой времени: токовые, токовые направленные, дистанционные). Неселективные защиты предусматривают специально.
Принцип селективности релейной защиты можно пояснить на примере схемы рис. 14.2. При коротком замыкании в точке К1 должен отключиться с помощью средств релейной защиты выключатель Q2, что обеспечивает селективность. Если одновременно с Q2 релейная защита отключит и Q4 (теряет питание двигатель M1), а то и Q5, то теряют питание все двигатели. Такое действие и называется неселективным.
Чувствительность - способность релейной защиты реагировать на возможные повреждения при минимальных режимах работы системы электроснабжения (минимальное изменение воздействующей величины) характеризуется коэффициентом чувствительности:
где I(2)к (min) - минимальное значение тока двухфазного короткого замыкания в конце защищаемого участка; Iс з - ток срабатывания защиты.
Для токовых отсечек Кч должен быть больше 2, для максимальных токовых защит Кч > 1,5.
Надежность - свойство правильно и безотказно действовать на отключение поврежденного оборудования (обеспечивается возможно более простой схемой).
Рис. 14.2. Пояснение принципа селективности 
Хотя электроника получает широкое распространение, релейная зашита, основанная на электромеханических реле остается основной на многих предприятиях. Проходная характеристика такой релейной защиты - релейная, элементы которой имеют различные свойства при одной основной характеристике (рис. 14.3). При достижении параметра Хвх значения Хвх.сраб реле срабатывает, замыкает свои контакты и появляется параметр Хвых. С уменьшением Хвх до значения Хвозвр реле возвращается в исходное состояние.
Рис. 14.3. Релейная характеристика
Релейная защита цеховых трасформаторных подстанций, виды защит. Максимальная токовая защита.
Релейная защита трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций зависит от типа коммутационных аппаратов, установленных на стороне высшего и низшего напряжения, и включает в себя следующие виды:
От межфазных коротких замыканий на стороне высшего напряжения - предохранители (в случае применения выключателей нагрузки); максимальная токовая защита; иногда, по условию обеспечения селективности, устанавливается токовая отсечка.
От однофазных замыканий на землю на стороне низкого напряжения - автоматические выключатели на стороне низкого напряжения или специальная защита нулевой последовательности, установленная в нулевом проводе на стороне низкого напряжения.
От повреждений внутри кожуха и понижения уровня масла - газовая защита (рис. 14.17, а, б), устанавливаемая на трансформаторах мощностью 400 кВА и выше; у герметически закрытых трансформаторов, не имеющих расширителя, вместо газового реле устанавливают реле повышения внутритрансформаторного давления, работающего на отключение.
От перегрузки (максимальная) - токовая защита.
Ток срабатывания максимальной токовой защиты от межфазных коротких замыканий рассчитывается по двум условиям.
Первое условие:
(14.22)
где kотс - коэффициент отстройки, kотс = 1,2; кв - коэффициент возврата, кв = 0,8; Iраб(max) = Iном.транс*
Второе условие - обеспечение бездействия защиты после работы АВР на стороне 0,4 кВ:
(14.23)
Iраб.рез.(mах) - максимальный рабочий ток секции 0,4 кВ, которая подключается к рассматриваемому трансформатору при срабатывании устройства АВР, принимается равным (0,65-0,7)Iном.транс; Iраб(mах) - максимальный рабочий ток рассматриваемого трансформатора, который в схеме с АВР не должен превышать (0,65-0,7)Iном.транс, чтобы не допускать опасной перегрузки трансформатора после действия АВР.
Из двух значений Iс.з выбирается наибольший.
Проверка чувствительности максимальной токовой защиты осуществляется по двухфазному КЗ за трансформатором:
(14.24)
где I(2)к(min) - ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме на стороне низкого напряжения трансформатора, приведенный к стороне высшего напряжения по однофазному КЗ на стороне 0,4 кВ,
(14.25)
где I(1)к - ток однофазного КЗ на стороне низкого напряжения трансформатора, приведенный к стороне высшего напряжения.
В случае, если не обеспечивается необходимый коэффициент чувствительности, то дополнительно устанавливается специальная защита нулевой последовательности на стороне 0,4 кВ, предназначенная для работы при однофазных КЗ на землю.
Ток срабатывания максимальной токовой защиты от перегрузок выбирается из условия
(14.26)
где Iном - номинальный ток защищаемого трансформатора.
Выдержка времени принимается больше на ступень селективности, чем время срабатывания защиты от межфазных КЗ.
Отстройка защиты от однофазных коротких замыканий на землю производится от наибольшего допустимого тока небаланса в нулевом проводе трансформатора в нормальном режиме:
(14.27)
Коэффициент чувствительности для основной зоны защиты
(14.28)
Ток срабатывания токовой отсечки рассчитывают по выражению
(14.29)
где I(3)к(max) - ток трехфазного КЗ на стороне низкого напряжения трансформатора, приведенный к стороне высокого напряжения; kотс = 1,6.
Коэффициент чувствительности определяют при двухфазном КЗ в месте установки отсечки:
(14.30)
Релейная защита кабельных линий
Для кабельных линий предусмотрена установка релейной защиты:
Защита от межфазных коротких замыканий. Для кабельных линий напряжением выше 1 кВ применяют максимальную токовую защиту и токовую отсечку, ниже 1 кВ - плавкие предохранители и автоматические выключатели.
Защита от замыканий одной из фаз на землю. В сетях с глухим заземлением нейтрали защита действует на отключение поврежденного участка, с изолированной нейтралью - защита действует на сигнал. На кабельных линиях 6-10 кВ устанавливают максимальную токовую защиту нулевой последовательности. В кабельных линиях 6-10 кВ с заземленной через реактор нейтралью применяют устройства сигнализации замыканий УСЗ, реагирующие на сумму высших гармоник в токе замыкания на землю.
Ток срабатывания токовой отсечки выбирают исходя из условия
(14.31)
где k отс = 1,3÷1,4 - коэффициент отстройки; I(3)к(max) - наибольшее начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания.
Ток срабатывания максимальной токовой защиты:
(14.32)
где k отс = 1,1÷1,2; kв - коэффициент возврата реле; k с.з.п - коэффициент самозапуска; Iн(mах) - максимальный ток нагрузки кабельной линии с учетом перегрузочной способности питаемой установки, например трансформатора.
Релейная защита двигателей напряжением до 1кВ
Релейная защита двигателей напряжением до 1 кВ (рис. 14.19) выполняется в основном в соответствии с требованиями к релейной защите высоковольтных электродвигателей, но на элементной базе коммутационных аппаратов до 1 кВ. Предусматривается защита от следующих режимов:
- от многофазных коротких замыканий устанавливаются плавкие предохранители или максимальные токовые реле, используются также аппараты, совмещающие устройства защиты и управления - магнитные пускатели и автоматические выключатели;
Рис. 14.19. Схема защиты электродвигателя напряжением до 1 кВ с магнитным пускателем
- от перегрузки применяются тепловые реле;
- от однофазных замыканий на землю используются реле тока, подключенные к трансформатору тока нулевой последовательности;
- от потери питания и понижения напряжения устанавливается магнитный пускатель или контактор, автоматически отключающийся при снижении напряжения до (0,6÷0,7)Uном.
Автоматический ввод резерва.
При секционированном выполнении шин понизительных подстанций автоматическое включение резервных источников электропитания намного повышает надежность работы потребителей, приближая степень взаиморезервирования. В то же время сохраняются преимущества одностороннего питания в отношении упрощения устройств релейной защиты и уменьшения тока КЗ (последнее обстоятельство облегчает работу силовых выключателей и позволяет удешевить стоимость сооружения). При раздельной работе секций создается большая независимость одной секции от другой. Отключение источника основного питания вызывает погасание осветительной нагрузки и торможение асинхронных электродвигателей, присоединенных к отключенной секции шин. Чем быстрее будет подано напряжение от резервного источника, тем меньше снизится частота вращения электродвигателей, меньше будет ток при включении устройством АВР источника и тем легче и быстрее произойдет последующий самозапуск.
АВР является эффективным средством, повышающим надежность электроснабжения (успешность действия АВР составляет 90-95 %), поэтому этот вид автоматики широко применяется на подстанциях основных и распределительных сетей. Выполнение АВР также обязательно для собственных нужд станции.
Основные требования, предъявляемые к устройствам АВР на подстанциях, к шинам которых подключены только асинхронные двигатели и осветительная нагрузка (синхронные двигатели и конденсаторные батареи отсутствуют): устройство АВР должно приводиться в действие при исчезновении напряжения на шинах по любой причине (в том числе и при ошибочных отключениях коммутационного аппарата в цепи питания; исключение - потеря питания вследствие действия АЧР); включение резервного источника питания следует осуществлять сразу и только после отключения выключателя в цепи рабочего; собственное время действия АВР должно быть минимальным; действие АВР должно быть однократным, для чего необходимо ограничивать длительность команды на включение резервного оборудования.
Для нормального функционирования средств АВР необходим расчет ряда уставок.
Микропроцессорная защита электроустановок.
Рассмотренные устройства защиты, выполненные на базе электромеханических реле или с использованием полупроводниковых элементов и аналоговых интегральных микросхем, имели различные технические реализации.
Особенность их - жесткая логика первой научной картины мира. И хотя они еще долго будут находить применение, особенно для алгоритмов простых повреждений, несомненно их вытеснение новым поколением защит с цифровой обработкой информации. Их отличает высокий уровень унификации элементов, гибкость, возможность реализации сложных алгоритмов выявления повреждений, развитая система функционального контроля, уменьшение расходов на обслуживание.
Выделяют основные принципы микропроцессорной системы защиты с цифровой обработкой информации: неявное резервирование, унификацию, модульность, функциональную децентрализацию, специализацию обработки информации, единство информационной базы, комплектность, гибкость. Возникновение неисправностей в аппаратной и программной частях предотвращаются путем перераспределения задач между элементами системы в полном объеме или с потерей некоторых второстепенных функций. Вероятность отказа системы в целом снижается.
Информационное обеспечение системы основано на параметрах входных сигналов: амплитуды, фазовые сдвиги и частота, а также их интегральные значения. Помехи, вызванные переходными процессами и сопровождающиеся появлением апериодических и гармонических составляющих, обусловливают погрешности, снижаемые предварительной фильтрацией входных токов и напряжений. В результате синусоидальный сигнал содержит информацию об основной гармонике входной величины. Наиболее широко используется цифровая обработка отсчетов мгновенных значений синусоидальных сигналов и их ортогональных составляющих.
В цифровых системах применяют определение амплитуд и фаз синусоидальных сигналов с использованием ортогональных составляющих, для получения которых используют метод Фурье и его модификации. Метод обеспечивает полное подавление во входном сигнале постоянной составляющей и гармоник с частотами, кратными ω0 при заданном Δt.
Принципиальную возможность для определения информационных параметров входных сигналов обеспечивает времяимпульсный метод, основанный на замене синусоидального процесса последовательностью импульсов прямоугольной формы. Их длительности содержат информацию об амплитудах, частоте и фазовых сдвигах сигналов.
Формирование ортогональных составляющих входных сигналов в измерительных органах микропроцессорных защит обеспечивается в аналоговом, цифровом или смешанном видах с помощью формирователей. Аналоговые, усложняющие эту часть и не исключающие фазочастотные погрешности преобразования, используют активные фазоповоротные элементы с фазочастотными характеристиками, смешенными на угол π/2. При цифровой обработке ортогональные составляющие, если сигнал синусоидальный, могут быть получены по его мгновенным значениям, зафиксированным с интервалом Т/4, где Т - период сигнала.
