Релейний захист та автоматика
1. Загальні положення
Релейний захист елементів розподільчих мереж повиненвідповідати чотирьом вимогам, пред’явленим до всіх пристроїв релейного захисту:селективність, швидкодія, чутливість та надійність.
Селективна дія захисту забезпечує відключення тількипошкодженої ділянки мережі найближчим до неї вимикачем. Швидкодія релейногозахисту зменшує розміри, запобігає або зменшує пошкодження в місці КЗ, зберігаєнормальну роботу споживачів неушкодженої частини електричної установки.Чутливістю релейного захисту називають її здатність реагувати на всі видипошкоджень і ненормальних режимів, які можуть виникати в межах основної зони,що захищається, та зони резервування. Надійність релейного захисту визначаєтьсяяк її спрацюванням у всіх необхідних випадках, так і не спрацюванням увипадках, коли дія захисту не потребується.
У процесі експлуатації електричних машин, апаратів,повітряних ліній електропередачі і т.п. можуть відбуватися порушення нормальнихрежимів роботи і виникати ушкодження, що приводять до коротких замикань.
У більшості випадків аварії або їхній розвиток можуть бутивідвернені швидким відключенням ушкодженої ділянки електричної установки абомережі за допомогою релейного захисту, що діє на відключення вимикачів.
При відключенні вимикачів ушкодженого елемента гаснеелектрична дуга в місці короткого замикання, припиняється проходження струмукороткого замикання і відновлюється нормальна напруга на неушкодженій частиніелектроустановки або мережі. Завдяки цьому скорочуються розміри або навітьзапобігають ушкодження устаткування, на якому виникло коротке замикання, атакож відновлюється нормальна робота неушкодженого устаткування.
Таким чином, основним призначенням релейного захисту євиявлення місця виникнення короткого замикання і швидке автоматичне відключеннявимикачів ушкодженого устаткування або ділянки мережі від іншої неушкодженоїчастини електричної установки або мережі.
Крім ушкоджень електричного устаткування, можуть виникатитакі порушення нормальних режимів роботи, як перевантаження, замикання на землюоднієї фази в мережі з ізольованою нейтралью, виділення газу в результатірозкладання олії в трансформаторі або зниження рівня олії в його розширнику.
Отже, другим призначенням релейного захисту є виявленняпорушення нормальних режимів роботи устаткування і подача попереджувальнихсигналів обслуговуючому персоналу або відключення устаткування з витримкоючасу.
2.Захист силовихтрансформаторів
Трансформатор повинний мати наступні пристрої релейногозахисту:
- длязахисту від ушкоджень на повітрі, а також від внутрішніх ушкоджень, повиннийбути передбачений повздовжній диференційний захист без витримки часу абострумова відсічка, якщо не передбачено диференційний захист;
- захиствід струмів в обмотках, обумовлених зовнішніми багатофазними короткими замиканнями- максимальний струмовий захист і комбінований пуск напруги або без нього;
- відушкоджень усередині кожуха, що супроводжуються виділенням газу і від зниженнярівня олії — газовий захист двоступінчастий: I ступінь — від струмів вобмотках, обумовлених перевантаженням на шинах; II ступінь — на відключення;
- відструмів в обмотках, обумовлених перевантаженням одно релейний максимальний струмовийзахист, що діє на сигнал.
3.Релейний захист кабельної лінії напругою 10 кВ
Для кабельноїлінії 10 кВ з ізольованої нейтралью передбачаються пристрої релейного захистувід багатофазних замикань і однофазних замикань на землю.
Від багатофазних коротких замикань встановлюєтьсядвоступінчастий струмовий захист:
— перша ступінь якого виконується у виді струмової відсічки;
— друга ступінь виконується у вигляді максимальногострумового захисту (МСЗ) з витримкою часу.
Від однофазних замикань на землю повинна бути виконанаселективна сигналізація від замикань на землю з витримкою або без витримкичасу.
Максимальний струмовий захист містить два органи:вимірювальний і витримки часу. Струмова відсічка без витримки часу має тількивимірювальний орган.
4.Захист електричних мереж напругою до 1000 В
Електрична мережа напругою до 1000 В повинна матишвидкодіючий захист від струмів короткого замикання, що забезпечує необхіднучутливість і по можливості селективне відключення ушкодженої ділянки.
Всі мережі усередині приміщень, які виконані відкритоізольованими проводами з горючою оболонкою, поряд із захистом від короткого замиканняповинні мати захист від перевантажень. Діючою величиною при коротких замиканняхі перевантаженнях є струм. Тому такі захисти називаються струмовими.Найпростішим струмовим захистом є плавкий запобіжник — це електричний апарат,призначений для захисту кіл від надструмів. Він спрацьовує автономно, залежновід ступеня й тривалості впливу струму, і не вимагає яких-небудь зовнішніхвимірювальних і керуючих ланцюгів. Основними елементами запобіжника є плавкавставка й патрон.
В електричних мережах до 1 кВ одержали поширеннязапобіжники типів ПР (запобіжники з розбірними патронами без наповнювача), НПН(запо-біжник з наповнювачем і з нерозбірним патроном), ПН (запобіжник з напов-нювачемі з розбірним патроном), а також швидкодіючі запобіжники типів ПНБ, ПБВ, ПБФ.
Однак плавкі запобіжники є апаратами одноразової дії, що єїхнім великим недоліком. Тому, на сьогоднішній день широко застосовуютьсяавтоматичні вимикачі.
Автоматичний вимикач призначений для автоматичногорозмикання електричних кіл при ненормальних режимах роботи й для рідкихоператив-них перемикань при нормальних режимах роботи.
Автомати забезпечують обмеження струмів у мережі, тому щовони відключають ланцюг до того, як струм короткого замикання в ній досягнезначення iу. В автоматичному вимикачі можна розрізнити наступні основніелементи: контакти з дугогасною системою; привод; механізм вільногорозчіплювання; розчіплювачі; допоміжні контакти.
5.Струмова відсічка
5.1 Максимальний струмовий захист
За допомогою МСЗ здійснюється захист від коротких замиканьу розподільчих мережах 10 кВ. Розрахунок МСЗ полягає у виборі струмуспрацювання захисту, струму спрацювання реле, часу спрацювання захисту. Привиборі струму спрацювання максимального струмового захисту необхіднозабезпечити не спрацювання захисту при проходженні струмів після аварійнихрежимів.
Необхідно розглянути всі можливі після аварійні режими:
а) відключення близького трифазного короткого замикання налініях, що відходять від ЦЖ. Не спрацюваннямаксимального струмового захисту на відключення досягається вибором струму спрацювання струмових реле більшим, ніжнайбільший струм у режимі само запуску:
/> (1)
де Кн коефіцієнт надійності, приймаємо рівним 1,2 (релетипу РТ – 80);
Кв- коефіцієнт повернення реле, приймаємо 0,8;
Кс.зп – коефіцієнт само запуску, приймаємо 2,2;
Iроб.мах – максимальний робочий струм елемента, щозахищається, у нормальному режимі що проходить по лінії Л1.
/> (2)
де Iроб.мах – струм навантаження в після аварійному режимі.Необхіднопровести узгодження чутливості захистів. Це узгодження полягає у виборі такихпараметрів спрацювання, при яких наступний захист, розташований ближче доджерела живлення, мав більший струм спрацю-вання, тобто був менш чуттєвий, ніжпопередній, розташований далі від джерела і ближче до місця ушкодження;
б) для схем захисту ліній із включенням реле на фазніструми, розра-хунок кч виконується по первинних струмах ушкодження іспрацювання захисту.
/> (3)
де Iк… мін – струм у реле при металевому КЗ лінії, що вкінці захищається, у мінімальному режимі роботи системи живлення;
Iс.з. – струм спрацювання захисту:
Для основної зони обов'язкове значення kсх ³ 1,5, а для зони резерву-ванняkсх ³1,2.
Струм спрацювання реле струму КА3, КА4, пускових органівМСЗ визначається за формулою:
/> (4)
де Іс.з. — струм спрацювання захисту;
nт — коефіцієнт трансформаціїтрансформаторів струму;
kсх — коефіцієнт схеми (схем з'єднання трансформаторів узірку) kсх=1.
Час спрацювання захисту підбирається з умови селективностізахисту і термічної стійкості елемента, що захищається:
t с.з= tвідкл.вим. + t с.рз. , (5)
де t відкл. вим. – час відключення вимикача ВКЭ-10-20, рівний 0,1 с.;
t с.рз – час спрацювання релейного захисту, приймається 0,5с.
t с.з. =0,1 + 0,5 = 0,6 с.
При КЗ у місці К1 повинний спрацювати захист на вимикачі Q3, а всі інші повиннізалишитися в роботі.
5.2 Відсічка без витримки часу
Струм спрацювання струмової відсічки при її виконанні якосновного швидкодіючого захисту ліній повинний задовольняти умові:
Іс.о. £ /> (6)де /> - мінімальнезначення струму двофазного КЗ наприкінці лінії.Кч осн.зах.= 1,5 – чутливість згідно ПУЕ основного захисту
Струм спрацювання реле струму КА1, КА2, пускових органівструмової відсічки визначається по формулі:
Іс.р.= Ксх Ісо/nт (7)
Також повинно бути забезпечено відстроювання струмовоївідсічки від кидків струму намагнічування силових трансформаторів:
Іс.о. ³(4...5…5)SІном.тр. (8)
S Іном.тр=SSном.тр./ />, (9)
де SSном.тр – сума номінальних потужностей усіх трансформаторів, щоживляться по лінії;
Uном – середня номінальна напруга лінії.
6.Розрахунок уставок максимального струмового захисту кабельноїлінії 10 кВ
Розраховуємоуставки захистів на лінії 10 кВ Л1 у нормальному режимі.
Струм спрацювання пускових реле типу РТ-80 відстроюєтьсявід максимального робочого струму лінії.
Максимальний струм лінії складає 99,74 А
Знаходимо Ic.з. по формулі (7.1):
/>А
При коефіцієнті трансформації трансформаторів струму 400/5=80 струм спрацьовування реле дорівнює:
/>А
Приймаємо уставку 6 А для реле типу РТ-80, тоді Iс.з.= 480А.
Перевірка коефіцієнта чутливості при захисті в умовах КЗ нашинах ЦЖ, коли вимикач 1 вже спрацював здійснюється по формулі (7.3):
/>
Чутливість забезпечується.
Розрахуємо струм спрацювання пускових реле типу РТ-80 в післяаварійному режимі, тобто при відключенні вимикача Q5, (при замкнутій петлі).Максимальний струм лінії в цьому випадку складає 199,48 А.
Струм спрацювання захисту дорівнює:
/>А
Струм спрацювання реле дорівнює:
/>А
Приймаємо уставку 13 А для реле типу РТ-80, тоді Iс.з.=1040 А
Коефіцієнт чутливості
/>
Чутливість забезпечується.
7. Розрахунок струмової відсічкиМінімальнезначення струму двофазного КЗ наприкінці лінії:
/>А
Струм спрацювання струмової відсічки:
/>А
Відстроювання струмової відсічки від кидків струмунамагнічування силових трансформаторів:
S Іном.тр =2520 //>А
Іс.о. = (4...5…5)138,56=(554,24…692,8) А
8.Захист від замикання наземлю
8.1 Загальна сигналізація від замикання на землю
Замикання на землю однієї фази в мережах з ізольованої нейтральюне є аварією. Споживачі включені на між фазні напруги, продовжують нормальнопрацювати. Це дає можливість виконувати захист від замикання на землю, що дієна сигнал. Схема складається з одного максимального реле напруги, включеного нанапругу нульової послідовності.
Пристрій сигналізації підключається до трансформаторівнапруги, установлених на шинах.
Схема пристрою неселективної сигналізації при замиканнях наземлю приведена на рисунку 1.
/>
Рисунок 1 — Схема пристрою неселективної сигналізації при замиканнях наземлю8.2 Струмовий захист нульової послідовності
Тривала робота мережі при замиканні фази на землюнеприпустима через можливість порушення між фазної ізоляції в місці пошкодженняі переходу однофазного замикання в багатофазне. Можливі також випадки подвійнихзамикань на землю внаслідок підвищення в />раз напруг непошкоджених фаз щодоземлі. Тому, поряд із загальним пристроєм контролю ізоляції необхіднопередбачати селективний захист на кожному приєднанні. Звичайно це струмовийзахист.
Імовірність пошкодження між фазної ізоляції визначається нетільки тривалістю проходження струму через місце замикання на землю, але ізначенням струму. Тому для запобігання переходу однофазних замикань убагатофазні максимальний струм замикання на землю в мережах напругою 10 кВповинний бути не більш 30 А.
Припустимі струми замикання на землю звичайно менше робочихструмів елемента, що захищається. Тому струмовий захист від замикання на землювиконується з включенням реле на фільтр струму нульової послідовності. Вінприходить у дію завдяки проходженню по пошкодженій ділянці струму нульовоїпослідовності, обумовленого ємністю всієї електрично пов'язаної мережі безурахування ємності ушкодженої лінії.
Для виконання захисту як фільтр струму нульовоїпослідовності вико -ристовується трансформатор струму нульової послідовності(ТНП) – TAZ.
9.Захист електричних мереж напругою до 1 кВ
Електрична мережа напругою до 1кВ повинна мати швидкодіючийзахист від струмів короткого замикання, що забезпечує необхідну чутливість і поможливості селективне відключення пошкодженої ділянки.
Усі мережі усередині приміщень, що виконані відкритоізольованими проводами, поряд із захистом від короткого замикання повинні матизахист від перевантажень. Величиною, що впливає, при коротких замиканнях іперевантаженнях є струм. Тому такі захисти називаються струмовими. Найпростішимструмовим захистом є плавкий запобіжник — це електричний апарат, призначенийдля захисту ланцюгів від надструмів. Він спрацьовує автономно, у залежності відступеня і тривалості впливу струму, і не вимагає яких-небудь зовнішніхвимірювальних і керуючих ланцюгів. Основними елементами запобіжника є плавкавставка і патрон.
В електричних мережах до 1 кВ одержали поширеннязапобіжники типів ПР (запобіжники з розбірними патронами без наповнювача), НПН(запобіжник з наповнювачем і з нерозбірним патроном), ПН (запобіжник знаповнювачем і з розбірним патроном), а також швидкодіючі запобіжники типівПНБ, ПБВ, ПБФ.
Однак плавкі запобіжники є апаратами одноразової дії, що єїхнім великим недоліком. Тому, у даний час широке поширення одержалиавтоматичні вимикачі.
Автоматичний вимикач призначений для автоматичногорозмикання електричних ланцюгів при ненормальних режимах роботи і для рідкихоперативних переключень при нормальних режимах роботи.
Автомати забезпечують обмеження струмів у мережі, тому щовони відключають ланцюг до того, як струм короткого замикання в ній досягнезначення iу. В автоматичному вимикачі можна розрізнити наступні основніелементи:
— контакти з дугогасною системою;
— привід;
— механізм вільного розчіплювання;
— розчіплювач;
— допоміжні контакти.
10.Автоматика
10.1 Автоматичне включення резерву (АВР)
АВР живлення обладнання передбачають у всіх випадках, колиперерва в електропостачанні викликає збитки, значно перевищуючи вартістьустановки пристроїв АВР.
У даному випадку, при відключенні одного з живильнихтрансформаторів, другий під дією АВР приймає на себе все навантаження,перевантажуючись в припустимих межах, забезпечує безперебійне електропостачанняспоживачів. Ефективність дії АВР у системах електропостачання складає 90-95%. Автоматичневключення резервного живлення відбувається після спрацювання релейного захисту,а також при помилкових діях чергового персоналу або мимовільного включеннявимикачів.
релейний захист пристрій трансформатор
10.2 Автоматичне повторне включення (АПВ)
На підстанції з двома і більш трансформаторами поряд ізпристроями АВР можуть передбачатися і пристрої АПВ. Сутність АПВ полягає втому, що елемент системи електропостачання, відключивши під дією засобуспрацьовування релейного захисту, знову включається під напругу, якщо немаєзаборони на повторне включення її. Якщо причина, що викликала відключенняелемента, зникла, то елемент залишається в роботі і споживач продовжуєодержувати живлення практично без перерви.
При цьому дії їх повинні бути погоджені. Пуск пристрою АПВдозволяють тільки при зовнішніх коротких замиканнях. Для цієї мети можнавикористовувати максимальний струмовий захист, установлений з боку нижчоїнапруги трансформатора.
Спрацювання захисту свідчить про виникнення пошкодження нашинах або про те, що зовнішнє коротке замикання не відключилося відповіднимзахистом. При цьому відключається вимикач з боку нижчої напруги трансформатораі пристрій АПВ включає його повторно.
У всіх інших випадках подача напруги на секцію шин, щовтратила живлення, повинна здійснюватися дією пристрою АВР.
Пристрої АПВ передбачені для:
- повітряних ліній напругою 110 кВ;
- підстанцій напругою 110/10 кВ;
- РП напругою 10 кВ;
- кабельних ліній напругою 10 кВ.
10.3 автоматичне частотнерозвантаження (АЧР)
На підстанції напругою 110/10 кВ і розподільчому пунктінапругою 10 кВ передбачають пристрої автоматичного частотного розвантаження длявідключення частини електроприймачів при виникненні дефіциту активноїпотужності в живильній енергосистемі.
Дію АЧР і взаємодію з іншими видами автоматики і системамикерування, організовано таким чином, що цілком виключене відновлення живленняелектроприймача, відключеного АЧР від джерел електроенергії і вузлаенергосистеми з дефіцитом активної потужності.
10.4Автоматичнерегулювання напруги трансформаторів
На підстанції напругою 110/10 кВ установлені трансформаторитипу ТМ-75000/110/35/10, що постачені пристроєм регулювання під напругою, тобторегулювання під навантаженням (РПН).
У зв'язку з цим, з'являється можливість автоматичнорегулювати напругу шляхом переключення числа витків однієї з обмотоктрансформатора без його відключення. Перемикаючий пристрій розташований настороні вищої напруги.
11.Захист на мікроелектронному реле УЗА-АТ
Сучасні мікроелектронні реле виготовляють у вигляді єдиногоблоку, який складається з плат, скріплених між собою за допомогою різьбовихстійок.
Пристрій призначений для використання в схемах релейногозахисту і протиаварійної автоматики для захисту електричних машин, трансформаторіві ліній електропередач при коротких замиканнях.
Пристрій забезпечує:
- токову відсічку (ТВ) з тимчасовою затримкою 70-100мс чи 150-200 мс, яка задається з переду панелі;
- направлений захист від замикання на землю;
- захист від перегрузу лінії;
- спрацювання МТЗ чи ТВ за найбільшим із вхіднихтоків;
- функцію однократного АПВ.
Пристрій УЗА-АТ містить в собі дискретний вхід, якийзабезпечує індикацію спрацювання, розмножування і розповсюдження вихідногосигналу зовнішнього захисту (наприклад дуговий).
Технічні дані пристрою УЗА-АТ наведені в таблиці 7.1.
Таблиці 1 — Технічні дані пристрою УЗА-АТУставка струму спрацювання, А Уставка витримки часу, с Уставка струму відсічки, крат. Уставка АПВ, с Діап., А Кількість Дскр., А Діап., с Кількість Діап. Діап., крат Кількість Дискр., крат Діап., с Кількість Дискр., с Ін=5А Ін=1А Ін=5А Ін=1А 1-2,27 0,4-0,91 128 0,01 0,004 0,3-25,8 256 0,1 2-17,75 64 0,25 0,5-8 16 0,5 2-4,54 0,8-1,82 128 0,02 0,008 4-9,08 1,6-3,63 128 0,04 0,016 8-18,16 3,2-7,26 128 0,08 0,032
Схему підключення пристрою УЗА-АТ показано на рисунку 2.
/>
Рисунок 2 — Схема підключення релеУЗА-АТ