Релейная защита и сетевая автоматика

В процессе эксплуатации электрических сетей и электроустановок воз­никают повреждения и анормальные режимы работы, приводящие к резко­му увеличению тока и понижению напряжения в элементах системы элек­троснабжения. Особенно опасны короткие замыкания (КЗ).

В большинстве случаев при КЗ возникает электрическая дуга с высокой температурой, приводящая к разрушению электрических аппаратов, изоля­торов и токоведущих частей. Так как при КЗ к месту повреждения прите­кают большие токи, то возможен перегрев неповрежденных токоведущих частей, что вызывает развитие аварии.

Для обеспечения надежного электроснабжения, предотвращения раз­рушения оборудования электроустановок и сохранения устойчивой рабо­ты элементов системы необходимо возможно быстрое отключение повре­жденного участка или элемента, а также ликвидация опасного анормаль­ного режима. В большинстве случаев для этих целей используют специ­альные автоматические устройства в виде релейной защиты, отключаю­щей выключатели.

При отключении выключателей электрическая дуга в месте поврежде­ния гаснет, прохождение тока КЗ прекращается и восстанавливается на­пряжение на неповрежденной части сети.

При нарушении нормального режима работы иногда нет необходимо­сти в отключении электрооборудования, а достаточно дать предупреди­тельный сигнал обслуживающему персоналу на подстанции; при его отсут­ствии — оборудование отключается, но обязательно с выдержкой времени.

Одним из основных видов анормальных режимов являются перегрузки, представляющие серьезную опасность для изоляции электродвигателей, транс­форматоров и генераторов. Защита от перегрузок осуществляется с вы­держкой времени больше, чем у защит от КЗ. Защита от перегрузок в сетях не предусматривается, так как в правильно спроектированной сети пере­грузки маловероятны. Для ряда электрооборудования характерны специфи­ческие повреждения и анормальные режимы, а именно недопустимое сни­жение напряжения при самозапуске электродвигателей; витковые замыка­ния у трансформаторов и понижение уровня масла в кожухе; витковые за­мыкания и повышение напряжения в обмотке статора, замыкания в цепи возбуждения генераторов; однофазные замыкания.

Таким образом, релейной защитой (РЗ) называют защиту электрических установок от возможных повреждений и анормальных режимов работы, осу­ществляемую посредством автоматических устройств (контактных, бескон­тактных). Основным назначением РЗ является выявление места повреждения и быстрое автоматическое отключение выключателя поврежденного участка или оборудования, а также выявление нарушения нормального режима работы с последующей подачей предупредительного сигнала обслуживающему персоналу или отключением оборудования с выдержкой времени.

Для каждого из перечисленных повреждений предусмотрен свой вид ре­лейной защиты, в соответствии с чем, для отдельных элементов электроус­тановок рекомендуются следующие наборы защит:

• для генераторов — от внешних КЗ, перегрузок, многофазных замы­каний, однофазных замыканий на землю, замыканий между витками одной фазы в обмотке статора, замыканий на корпус в цепи возбуждения и повы­шения напряжения в обмотке статора;

• для силовых трансформаторов — от внешних КЗ, перегрузок, много­фазных замыканий, однофазных замыканий на землю, витковых замыканий в обмотках, понижения уровня масла в кожухе трансформатора;

• для воздушных и кабельных линий — от многофазных замыканий, однофазных замыканий на землю и внешних КЗ;

• для синхронных и асинхронных электродвигателей — от многофаз­ных замыканий, однофазных замыканий на землю, перегрузок, снижения напряжения и асинхронного режима для СД;

• для конденсаторных установок — от КЗ, повышения напряжения и перегрузок токами высших гармоник при наличии в сети вентильных пре­образовательных и выпрямительных установок.

Для защиты ряда электроустановок вместо автоматических выключате­лей и РЗ следует применять предохранители или открытые плавкие вставки, если они выбраны с требуемыми параметрами, обеспечивают селективность и чувствительность и не препятствуют применению автоматики.

Предохранители и устройства РЗ от многофазных замыканий являются основными средствами защиты, однако в случае выхода их из строя в каче­стве резервной для сетей, трансформаторов и генераторов предусматрива­ется защита от внешних коротких замыканий. Такая защита осуществляет отключение только с определенной выдержкой времени, так как предназна­чена для работы только при отказе основной защиты.

В устройствах РЗ рекомендуется для снижения стоимости электроуста­новок применять реле прямого действия в отличии от схем, где используют­ся реле косвенного действия.

Наиболее распространены следующие виды схем релейной защиты: прин­ципиальные совмещенные, принципиальные развернутые, монтажные и струк­турные.

Принципиальные совмещенные схемы наиболее наглядно показывают связь между реле и другими аппаратами и последовательность их действия, однако для сложных схем РЗ и автоматики удобнее принципиальные раз­вернутые схемы, выполненные по отдельным цепям: тока, напряжения, опе­ративного тока, сигнализации и т. д. В этих схемах реле могут изображаться в одной части схемы, а их контакты — в другой.

Монтажные схемы представляют собой рабочие чертежи, по которым производится монтаж панелей РЗ, автоматики, сигнализации. Схемы, отражающие все фактические соединения, выполненные при монтаже и наладке, называются исполнительными.

Для изображения общей структуры устройств РЗ без выделения отдель­ных реле и других аппаратов используются структурные схемы, на которых надписями указываются назначения отдельных блоков, узлов, органов.

При проектировании РЗ и автоматики должны учитываться схемы пер­вичных соединений сетей и подстанций, необходимый уровень надежности электроснабжения электроприемников; их режимы работы, включая пере­ходные; технические требования, предъявляемые к защите электрооборудо­вания, технические требования энергосистемы; возможные виды поврежде­ний и анормальных режимов работы. Как правило, используются устройст­ва, выполненные с электромеханическими или полупроводниковыми реле, а также комплектные устройства РЗ и автоматики с измерительными и функ­циональными органами на интегральных микросхемах.

                                  Автоматическое повторное включение

Всякое короткое замыкание в сети сопровождается срабатыванием со­ответствующей защиты и отключением линии, что приводит к перерыву электроснабжения и соответствующему ущербу. Опыт эксплуатации пока­зывает, что большинство коротких замыканий носит кратковременный ха­рактер, и они могут самоустраняться. Это объясняется способностью воз­душной среды восстанавливать свои изоляционные свойства сразу после ликвидации электрической дуги в месте пробоя.

Причинами самоустраняющихся коротких замыканий является атмо­сферное перенапряжение; разряды вдоль изоляторов; перекрытие проводов вследствие набросов; схлестывание проводов и т. д., а на кабельных линиях — пробои в кабельных муфтах с последующем заплывом места поврежде­ния кабельной массой; неустойчивые КЗ на сборных шинах и др. Кроме то­го, отключение потребителей устройствами релейной защиты возможно также при кратковременных толчках нагрузки.

Самоустраняющиеся повреждения дают возможность автоматического восстановления питания потребителей путем их нового повторного вклю­чения. Для этого служат устройства автоматического повторного включе­ния. Согласно ПУЭ, применение АПВ обязательно на всех воздушных и кабельно-воздушных линиях напряжением до и выше 1кВ. Успешность дейст­вия АПВ весьма высока и достигает 50—85 %. Устройства АПВ могут быть однократными и многократными. Наибольшее распространение получили АПВ однократного действия, при котором подача импульса на включения выключателя осуществляется с задержкой 0,3—0,5 с от момента отключения выключателя.

Различают АПВ по виду оборудования (линии, трансформаторы, ши­ны, электродвигатели) и по способу пуска: с пуском от релейной защиты и от несоответствия положения ключа управления и выключателя.

Устройства АПВ независимо от их различия должны отвечать ряду тре­бований, а именно: обеспечивать установленную кратность действия; исклю­чать возможность действия после отключения выключателя персоналом; исключать возможность действия при аварийном отключении от устройств защиты сразу после его выключения персоналом вручную, дистанционно или телемеханически; автоматически возвращать устройства АПВ в исход­ное состояние.

Действие устройства АПВ характеризуется временем срабатывания и временем возврата в исходное состояние. Время срабатывания АПВ опре­деляется условиями успешности его действия:

где t_x с — время дионизации среды в месте КЗ после его отключения (0,1— 0,4 с); Г_г. _п — время готовности привода выключателя к повторному включе­нию (0,2—1 с). В зависимости от способа пуска время срабатывания прини­мается:

Время возврата

При пуске АПВ от релейной защиты однократное действие осуществля­ется реле времени с проскальзывающим контактом (рис. 13.1). При повреж­дении на линии срабатывает релейная защита (контакт РЗ), подающая сиг­нал на отключение выключателя. Последовательно с электромагнитом от­ключения КМО включено промежуточное реле S, которое срабатывает и запускает схему повторного включения. Контакты реле КТ выполняют функции: КТ1 — служит для самоудержания реле до полного отключения выключателя; КТ2 — проскальзывающий — замыкается с выдержкой вре­мени h и создает импульс на повторное включение. Выдержка времени КТЗ — h — больше ti. Реле времени возвращается в исходное положение после замыкания контакта КТЗ, т. е. когда весь цикл выполнен.

Пуск устройств АПВ (УАПВ) мо­жет осуществляться также от несоот­ветствия положения неоперативно от­ключившегося выключателя и положе­ния ключа управления, зафиксировав­шего положение выключателя «Вклю­чено».

На рис. 13.2 приведена схема однократного АПВ для такой разновид­ности пуска УАПВ. Роль ключа в данной схеме выполняет переключатель SA, фиксирующий положение последней операции.

Схема АПВ выполнена с помощью реле повторного включения типа РПВ-58, включающее реле времени КТ1 с резистором R1 для обеспечения термической стойкости обмотки реле; промежуточного реле КЫ с двумя об­мотками (токовой — 7 и напряжения — U); зарядный и разрядный резисторы R2 и R3; конденсатор С. Контур RC обеспечивает однократность и требуемое время возврата и готовность к повторному действию устройства АПВ. Пара­метры RC — контура подобранны такими, чтобы время заряда конденсатора находилось в пределах 20—30 с. Диод VD предотвращает разряд конденсато­ра при понижении напряжения оперативного тока, что возможно при близ­ких КЗ в системах электроснабжения.

Пуск АПВ происходит при отключении выключателя релейной защиты (контакт Р-31) из-за несоответствия между положением ключа управления и выключателя, о чем свидетельствует переключения контактов Q1 и Q2. Реле переключения, выключившись, замыкает свой контакт в цепи питания реле времени КТ1, размыкая свой мгновенный контакт КТ1.1, в результате чего ток реле КТ1 уменьшается из-за включенного резистора R1, что обеспе­чивает термическую стойкость реле при прохождении длительного тока.

Другой контакт КТ1.2 замыкается с выдержкой времени и катушка на­пряжения реле КЫ подключается параллельно конденсатору С. Промежу­точное реле срабатывает от тока разряда конденсатора, самоудерживается с помощью своей токовой обмотки, включенной последовательно с электро­магнитом включения КМВ выключателя, подавая импульс на включение выключателя.

Конденсатор С после размыкания контакта КТ1.2 заряжается через зарядный резистор R2, сопротивление которого подбирается таким

образом, чтобы время заряда со­ставляло 20—30 с. Спустя это время схема АПВ будет автомати­чески подготовлена к новому дей­ствию.

При оперативном отключении выключателя ключом SA УАПВ не срабатывает, поскольку одно­временно с подачей импульса на отключение выключателя контак­тами IV ключа происходит раз­мыкание контактов I и обесточит-ся шина «+» цепи питания. Одно­временно замкнутся контакты II и конденсатор С разряжается через

резистор R3. Последующее включение возможно только после заряда кон­денсатора С.

При действии определенных видов релейной защиты запрет АПВ обес­печивается контактом Р3.2.

Реле КБМ предназначено для оперативных переключений схемы при за­мыкания контактов КЫ. Оно также имеет две обмотки: рабочую — токовую и удерживающую — напряжения. Если контакт КЫ.1 не разомкнётся, то реле КБМ своим контактом КБМ1 становится на самоподхват, а КБМ2 — исклю­чает возможность многократных включений, размыкая цепь питания контак­тора включения КМВ.

Применяются и другие схемы, в частности, с реле типа РПВ-01, являю­щиеся бесконтактным аналогом реле РПВ-58 и управляемое внешними сиг­налами: пуска, блокировки и разрешения подготовки.

При осуществлении АПВ линий с двусторонним питанием необходимо отключение линии с двух сторон. При этом необходимо учитывать недопус­тимость несинхронного повторного включения, осуществляя АПВ с контро­лем синхронизма. Однако в системах электроснабжения всегда есть резервная связь и отключение одной из линий не приводит к нарушению синхронизма. Поэтому можно применить простые устройства АПВ, соблюдая некоторые особенности расчета и выполнения [17].

Для линий подстанции, осуществляющих питание синхронных электро­двигателей, АПВ выполняется с контролем отсутствия напряжения от обес­точенных электродвигателей.

При выборе уставок УАПВ следует исходить из минимального времени срабатывания (0,5—0,7 с) и указанного времени готовности.

Если со стороны высшего напряжения питающих трансформаторов ус­тановлены отделители и короткозамыкатели, то для отключения отделите­ля в бестоковую паузу время действия АПВ ВЛ напряжением ПО—220 кВ должно быть отстроено от суммарного времени включения короткозамы-кателя и отключения отделителя.

Если по условиям самозапуска электродвигателей время действия авто­матического включения резерва на шинах 6—10 кВ ГПП и питающихся от этих шин РП не должно быть большим времени действия УАПВ, то время АПВ определяется как

t_апв =T_авр ⁺△T                                 

где /авр—наибольшее полное время действия АВР с учетом времени вклю­чения и отключения выключателей; At —0,5 с — ступень селективности.