Гр. ЭН-3-602
МДК.02.03 Релейная защита и автоматические системы управления на 31.10.2020
Преподаватель Максимова Т.С
ЛЕКЦИЯ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ВИДЫРЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Ознакомиться с предметом и краткой характеристикой дисциплины «релейная защита». Изучить основные понятия и виды релейной защиты.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫРЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЦИПЛИНЫ«РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА»
Системы электроснабжения тяговых и не тяговых потребителей является сложнейшим техническим комплексом, включающим в себя большое количество различных элементов и линий связи между ними. Особенностью этой системы является быстротечность протекающих в ней электромагнитных и электромеханических процессов. В ряде случаев оперативный персонал не успевает вмешаться и предотвратить развитие неблагоприятных последствий отказов и неисправностей, возникающих при развитии аварийной ситуации в системе электроснабжения.
Для оптимизации работы системы электроснабжения железнодорожного транспорта (СЭЖТ) и предотвращения негативных последствий аварийных
ситуаций создается автоматизированная система управления электроснабжением железнодорожного транспорта (АСУЭ ЖТ). Частью этой системы является релейная защита, выполняющая функции автоматики управления системой в аварийных режимах ее работы.
Таким образом, релейная защита служит для локализации повреждений, предотвращения или сокращения ущерба при внезапном возникновении повреждений или ненормальных режимов работы устройств, осуществляющих выработку электроэнергии, её передачу, преобразование, распределение и использование. В результате работы релейной защиты обеспечивается устойчивая и надежная работа систем электроснабжения, а также повышается ее живучесть.
Релейная защита является обязательной частью всех электроэнергетических установок, объектов и систем с напряжением 1кВ и выше.
Современная релейная защита представляет собой сложную систему, состоящую из взаимосвязанных электромагнитных, электронных и микроэлектронных устройств и их источников питания.
В начале прошлого века защита электрических установок осуществлялась при помощи плавких предохранителей. Затем появились реле тока и реле напряжения. Развитие элементов релейной защиты происходило следующим образом:
1910 г. Реле направления мощности индукционного типа.
1920 г. Реле сопротивления индукционного типа.
1930 г. Защита линий электропередач устройствами с электронными лампами.
1940 г. Начало использования полупроводниковых элементов релейной защиты.
1960 г. Индукционные реле заменяются на полупроводниковые.
1980 г. Использование в элементах релейной защиты микропроцессорной техники.
1990 г. Внедрение цифровых устройств релейной защиты и микропроцессорных терминалов и комплексов типа «Орион» и «Сириус». Такие устройства совмещают в себе функции релейной защиты с функциями автоматики, управления, сигнализации, контроля параметров системы, самодиагностики, связи и регистрации штатных и аварийных процессов.
В настоящее время релейная защита продолжает совершенствоваться и развиваться, что позволяет более эффективно решать ее основную задачу, заключающуюся в разграничении аварийных и нормальных режимов работы системы электроснабжения.
Следует отдельно отметить проблему релейной защиты тяговых сетей. В этих сетях максимальные токи нагрузки соизмеримы с минимальными (удаленными) токами короткого замыкания (КЗ). Это обстоятельство усложняет процесс разграничения нормальных и аварийных режимов работы.
Релейная защита (РЗ) вместе с устройствами автоматического повторного включения (АПВ) и устройствами автоматического включения резерва (АВР) образует систему противоаварийной автоматики.
Техническое состояние и надежность релейной защиты систем электроснабжения железнодорожного транспорта (РЗ СЭС ЖТ) зависят не только от технологичности, качества изготовления и монтажа ее элементов, но
и от своевременного качественного технического обслуживания, выявления и
устранения неисправностей. Это требует от обслуживающего персонала глубокого знания конструкции и работы устройств РЗ СЭС ЖТ.
Изучив дисциплину, студент должен знать:
- назначение и функции релейной защиты, основные требования, предъявляемые к ее свойствам, показатели ее эффективности, основные виды и принципы построения защит, использование достижений научно-технического прогресса в релейной защите;
- принципы выполнения, основы теории, особенности использования для релейной защиты измерительных трансформаторов тока и напряжения, а также других первичных преобразователей, величины и фазовые углы токов в цепях релейной защиты в зависимости от схемы соединения первичных преобразователей тока;
- особенности нормальных и аварийных режимов и их отличие для основных элементов системы электроснабжения, которые должны учитываться релейной защитой для обеспечения надежного функционирования;
- методы определения параметров срабатывания основных и резервных защит по характеристикам нормального и аварийного режимов, согласование параметров защит различных элементов системы электроснабжения;
-принципы выполнения защиты основных элементов системы электроснабжения с учетом основных требований к их свойствам, методы их проектирования, наладки, исследования.
Студент должен уметь:
- испытать и исследовать отдельные реле и защиту в целом, определять их характеристики;
- составлять структурную и принципиальную схему релейной защиты для основных устройств системы электроснабжения, рассчитывать и подбирать по справочным данным элементы схем;
- рассчитывать параметры срабатывания релейной защиты, настраивать реле в соответствии с выбранными уставками, определять зону действия защиты при изменении режимов работы энергосистемы и схемы питания защищаемого объекта.
Студент должен иметь представление об основных этапах развития релейной защиты и перспективы ее совершенствования, возможности использования интегральных микросхем, управляющих ЭВМ и микропроцессоров для противоаварийной автоматики.
При изучении дисциплины используется ранее изученный материал из таких дисциплин, как Теоретические основы электротехники”, “Электрические измерения”, “Электрические машины”, “Электронная преобразовательная
техника”, “Электрические сети и энергосистемы”, “Тяговые подстанции”, “Теория надежности” и др.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ
В системах электроснабжения иногда возникают короткие замыкания (КЗ), перенапряжения и другие не нормальные режимы работы.
Короткое замыкание (КЗ) – это не предусмотренное схемой соединение между собой каких-либо частей электроустановок.
КЗ может быть нескольких видов:
- «металлическое» КЗ («глухое»), при котором сопротивление между замкнувшимися частями электроустановки пренебрежимо мало;
- КЗ через переходное сопротивление в месте повреждения изоляции.
В результате КЗ токи в ветвях электроустановок, примыкающих к месту замыкания, резко возрастают и превышают максимально допустимый ток продолжительного режима.
В установках переменного тока кроме того может быть междуфазное КЗ,
а также замыкание между фазой и землей (замыкание на землю ЗЗ).
В трансформаторах и электрических машинах возможны межвитковые замыкания в обмотках.
В электродвигателях возможно замыкание между разнополярными щетками через дугу на поверхности коллектора (круговой огонь).
КЗ возникают вследствие дефектов, старения и загрязнения изоляторов, обрыва и схлестывания проводов, ошибочных переключений и т.д. Электрическая дуга в месте замыкания вызывает пережоги и оплавления устройств электроснабжения. Разрушения оказываются тем больше, чем больше токи и время КЗ.
При перегрузке или перенапряжении по неповрежденному участку системы протекают токи, превышающие длительно допустимое значение. В результате этого токоведущие части перегреваются, что может вызвать их разрушение.
Для уменьшения ущерба поврежденный участок системы необходимо отключить как можно быстрее. За доли секунды необходимо выявить аварийный участок системы и произвести отключение как можно меньшей ее части. При этом должно быть обеспечено нормальное электроснабжение как можно большей части системы.
Отключение поврежденных участков системы осуществляется коммутационными аппаратами (КА). Такими аппаратами являются
высоковольтные выключатели с электромагнитом отключения ЭО. На схемах обозначаются YAT.
Автоматическое устройство, служащее для выявления КЗ и ненормальных режимов работы и формирующее управляющие воздействия на высоковольтные выключатели, называется релейной защитой.
Релейная защита выполняется с помощью реле.
Реле – это автоматически действующее устройство, предназначенное для произведения скачкообразных изменений в управляющих системах при заданном значении воздействующей на него величины.
Воздействующей называется величина, на которую должно реагировать реле (ток, напряжение, температура, газовые пузыри и т.д.).
Структурная схема двухканальной релейной защиты по току и напряжению представлена на рисунке 1.
На вход схемы РЗ поступают сигналы от трансформатора тока ТА и трансформатора напряжения ТV. Измерительные органы ИО1 и ИО2 анализируют информацию о входных сигналах и при определенных условиях формируют дискретный сигнал, поступающий на вход логической части ЛЧ. В логической части выходные дискретные сигналы от всех измерительных органов анализируются по определенной программе. Тут же формируется выдержка времени защиты. При выполнении заданных условий на выходе ЛЧ появляется дискретный сигнал, поступающий на вход выходного органа ВО. В выходном органе сигнал усиливается и поступает на катушку электромагнита отключения ЭО выключателя Q. Информацию о срабатывании релейной защиты выдает блок сигнализации БС.
Релейная защита, контролирующая работу только одного объекта и отключающая при аварийных режимах выключатель только этого объекта, называется индивидуальной.
Для улучшения свойств релейной защиты таких, как чувствительность, селективность, быстродействие применяется продольная и поперечная связь коммутационных аппаратов (рисунок 2). Продольная связь объединяет защиты КА1 и КА2 на входе и выходе одного объекта (линии). Если защиты КА1 и КА2 разных объектов присоединяются к их общим шинам, то такая связь называется поперечной.
Замена релейно-контактных элементов РЗ на полупроводниковую электронику позволяет выполнить релейную защиту совместно с другими устройствами автоматики в виде единого комплекса. Применение микропроцессорной техники открывает перспективы дальнейшего совершенствования релейной защиты и передачу ее функций специальным управляющим вычислительным машинам.
Рисунок 1 - Структурная схема двухканальной релейной защиты: ТV – трансформатор напряжения; ТА – трансформатор тока; Q – выключатель; ИО1, ИО2 – измерительные органы; ИС1, ИС2 – измерительные схемы; СС1, СС2 – схемы сравнения; ЛЧ – логическая часть; ВО – выходной орган; БС – блок сигнализации; РЗ - релейная защита; ЭО – электромагнит отключения; КА – коммутационный аппарат.
Рисунок 2 - Схемы связей релейной защиты: а) продольная связь релейных защит; б) поперечная связь релейных защит
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫРЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Токовые защиты. Для токовых защит воздействующей величиной является ток, проходящий по токоведущим частям электрической установки на участке включения защиты. Защита срабатывает, если контролируемый ток превысит заранее установленное значение, называемое уставкой.
Наиболее простой токовой защитой является плавкая вставка. Плавкие вставки обладают рядом недостатков, не позволяющих использовать их в современных системах противоаварийной автоматики. Такими недостатками являются нестабильность характеристик плавких вставок, а также невозможность их повторного использования после срабатывания.
Более совершенным устройством токовой защиты является токовое реле.
Ток срабатывания реле (уставку) можно регулировать в некоторых пределах.
В системах постоянного и однофазного переменного тока защита контролирует токи цепей (фаз). В системах трехфазного тока защита может контролировать также не симметрию токов в фазах.
Защита, сравнивающая значения или фазы токов в разных концах объекта или в параллельных ветвях, присоединенных к общим шинам, называется дифференциальной токовой защитой.
При сравнении токов в конце одной линии дифференциальная защита называется продольной. При сравнении токов в параллельных линиях, присоединенных к общей шине, дифференциальная защита называется поперечной.
Основными достоинствами дифференциальной защиты является ее абсолютная селективность и быстродействие.
Защиты напряжения. Для защит напряжения (вольтметровых, потенциальных) воздействующей величиной является напряжение. В качестве измерительного органа в них используются реле напряжения.
Дистанционные защиты. В качестве измерительного органа этих защит применяется реле сопротивления. На такое реле подается ток от трансформатора тока и напряжение от трансформатора напряжения. На основе полученных данных определяется сопротивление Zp = (Up / Ip), которое сравнивается с заданной величиной сопротивления срабатывания Zcp. При
условии Zp ≤ Zcp защита срабатывает.
Дистанционная защита в отличие от токовой, реагирующей на один признак – ток, реагирует на три признака – ток, напряжение и фазовый угол между ними. На практике такой тип защиты применяется в линиях электропередач напряжением 35 кВ и выше, а также в контактных сетях переменного тока.
Импульсные защиты. В качестве измерительного органа используются импульсные реле. Воздействующей величиной является скачок или скорость
изменения тока, или отношение скорости изменения тока к скорости изменения напряжения. Эти признаки косвенно свидетельствуют о КЗ, поскольку имеют место во время его возникновения.
Данный тип защиты применяется в тяговых сетях постоянного тока. Дополнительно в защите сетей постоянного тока применяются реле,
реагирующие на содержание высших гармоник в кривой тока или напряжения. Наличие высших гармоник токов и напряжений также является признаком возникновения КЗ.
Данный тип защиты используется в качестве дополнительной и повышает способность защиты отличать КЗ от нормальной работы тяговой сети.
Высокочастотные защиты. Осуществляют сравнение значений, фазы тока или направления мощности в концах защищаемых участков. Передача информации с одного конца защищаемой линии на другой осуществляется токами высокой частоты, проходящими по защищенной линии.
Высокочастотные защиты применяются в линиях электропередач напряжением 110 кВ и выше.
Телеблокировка (устройство телеотключения). Является защитой с продольной связью. При срабатывании выключателя Q1 на одном конце линии по каналам телемеханики передается сигнал на отключения выключателя Q2 на другом конце линии (рисунок 2а).
Газовая защита. Содержит измерительные органы не электрических величин и реагирует на интенсивность образования газов в трансформаторном масле.
Тепловая защита. Содержит измерительные органы не электрических величин и реагирует на температуру и интенсивность нагрева полупроводниковых приборов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Контрольные вопросы:
1. Перечислить основные этапы развития релейной защиты?
2. Что такое короткое замыкание? Какие два вида КЗ встречаются чаще всего на практике?
3. Каковы причины коротких замыканий?
4. Что такое релейная защита?
5. Что такое реле?
6. Что такое воздействующая величина?
7. Что такое уставка релейной защиты?
8. Перечислить основные виды релейных защит?
9. Дать определение токовой защиты?
10. Дать определение дистанционной защиты?
11. Какая защита называется дифференциальной?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009.
2. Правила устройства электроустановок, 6-е изд. доп. с исправл. – М.: Энергосервис, 2006. – 440 с.
3. Правила устройства систем тягового электроснабжения железных дорог РФ. – М.: Министерство путей сообщения, 1997. – 78 с.
4. Руководящие указания по релейной защите систем тягового электроснабжения. ОАО «РЖД». Департамент электрификации и электроснабжения. – М.: Трансиздат, 2005. – 216 с.