Автоматическое отключение поврежденного участка сети, на котором произошло короткое замыкание или другое нарушение нормального режима работы электрической сети, осуществляется устройством, состоящим из различных аппаратов (реле защиты). Такое устройство в общем виде называется релейной защитой. Если возникновение ненормального режима не представляет опасности для системы электроснабжения и электрооборудования, релейная защита используется для подачи предупредительного сигнала обслуживающему персоналу.
В зависимости от того, на какое изменение в сети реагируют реле, они могут быть токовыми, напряжения, времени, промежуточными, указательными и другими.
По способу воздействия на отключающий привод реле изготовляют прямого и косвенного действия. К реле прямого действия, встраиваемым в автоматический привод выключателей, относятся электромагнитные реле: токовые (мгновенные РТМ и с выдержкой времени РТВ) и напряжения (мгновенное РНМ и с выдержкой времени РНВ).
Рис. 79. Схема включения реле прямого действия
Рис. 80. Схема включения реле косвенного действия
Электромагнитное реле прямого действия состоит из электромагнита, внутри обмотки которого помещен подвижной сердечник с ударником. Схема включения реле прямого действия изображена на рис. 79.
Рис. 81. Реле максимального тока РТ-40, мгновенное, косвенного действия, электромагнитное
В токовом реле мгновенного действия РТМ при прохождении через обмотку 5 заданного тока (тока уставки) подвижной сердечник 7 втягивается и, воздействуя своим ударником 6 на рычаг 4, освобождает защелку 3, отключая тем самым выключатель 2. Реле РТМ питается через трансформатор тока 1. В реле напряжения мгновенного действия РНМ обмотка электромагнита в нормальном режиме находится под полным напряжением, его подвижной сердечник в это время втянут внутрь и находится, как это изображено на рис. 79, в верхнем положении. При исчезновении напряжения или уменьшении его значения до 0,5 от номинального сердечник реле не удерживается электромагнитом в поднятом состоянии и под действием собственной массы падает вниз, ударяет по рычагу 4, освобождает защелку 3 и отключает масляный выключатель 2. Питание обмотки электромагнита реле РНМ осуществляется от трансформатора напряжения 8. Кнопка К, служит для проверки действия реле РНМ.
Реле тока РТВ и реле напряжения РНВ с выдержкой времени отличаются от описанных реле наличием механизма выдержки времени.
Рис. 82. Реле максимального тока РТ-80, косвенного действия, с электромагнитным и индукционным элементами
Реле косвенного действия 1 (рис. 80) само непосредственно не воздействует на привод выключателя, а, будучи включено в цепь защищаемого элемента цепи, при появлении ненормального режима (например, токов короткого замыкания) своим контактом 2 замыкает цепь питания электромагнита 3, встроенного в привод масляного выключателя 5. Получив питание от постороннего источника тока, электромагнит 3 своим ударником воздействует на защелку привода 4 и под влиянием пружины 6 масляный выключатель отключается.
В схемах релейной защиты применяют следующие реле косвенного действия: максимального тока РТ-40, РТ-80 и ЭТД-551; минимального напряжения РН-50; времени ЭВ-300 и другие.
Реле максимального тока РТ-40, мгновенное (рис. 81) состоит из электромагнита 1 с обмоткой 2, концы которой выведены на клеммы 8. При повышении тока в цепи до значения уставки реле якорь 5 с подвижными контактами 4 поворачивается и замыкает контакты 3 цепи
питания электромагнита привода масляного выключателя. Ток срабатывания реле регулируется указателем 6 на шкале уставок 7.
Реле максимального тока РТ-80 (рис. 82) имеет два элемента — индукционный, действующий с выдержкой времени, и электромагнитный, действующий мгновенно. Индукционный элемент состоит из электромагнита 8, алюминиевого диска 7 с червяком 4 на оси и зубчатого сегмента 6 с хвостовиком 5. Реле включается в защищаемый элемент через штепсельные соединения на клеммной доске 9, к которой подведены отпайки от обмотки электромагнита 8. При прохождении тока через обмотку электромагнита алюминиевый диск приходит во вращение, причем частота его вращения увеличивается с увеличением тока. При достижении частоты вращения, соответствующей току срабатывания реле, червяк 4 поднимает сегмент с хвостовиком 5 до скобы 3 и замыкает контакты 2 цепи отключения привода выключателя. Электромагнитный элемент представляет собой якорь 1, расположенный над электромагнитом 8 и укрепленный на поворотной оси. При достижении заданной кратности тока уставки реле правая часть якоря 1 притягивается к электромагниту 8, а левая часть со скобой 3 поднимается и замыкает контакты 2 отключения цепи масляного выключателя. Такое мгновенное действие реле дает возможность в системе релейной защиты осуществить токовую отсечку без выдержки времени. Ток срабатывания реле регулируется установкой штепсельных соединений в соответствующие гнезда на клеммной доске 9.
Реле ЭТД-551 максимального тока, электромагнитное применяют в схемах защиты от замыкания на землю в установках напряжением выше 1000 В с малым током замыкания на землю. Пределы уставок реле 10 — 60 мА.
Реле РН-50 минимального напряжения действует на электромагнитном принципе, конструкция его аналогична конструкции электромагнитного реле РТ-40. При понижении напряжения до заданного уставкой значения реле срабатывает и подает импульс на отключение.
В качестве вспомогательных применяют реле времени, реле промежуточные и указательные.
Реле времени с часовым механизмом на электромагнитном принципе (например, ЭВ-200) служит для задержки передачи импульса на отключение выключателя на время от 0,1 до 20 с. Реле времени, изготовленные на других принципах задержки подачи импульса (электронные, моторные), могут создать выдержку времени до 20 мин. Реле промежуточные применяют в схемах защиты, в случае необходимости передать полученный импульс по нескольким электрическим цепям (от 8 до 20). Реле указательное с выпадающим при срабатывании флажком и замыкающими контактами служит для фиксации действия защиты (выпадение флажка в окошке корпуса реле) и подачи замыкающими контактами звукового или светового сигнала обслуживающему персоналу.
Контроль за температурой масла в трансформаторе или воздуха в помещении выполняют термосигнализаторы и электроконтактные реле ТС-100, ЭКТ, ТР и другие. Контроль температуры обмоток и подшипников электрических машин выполняют термопарами или термодатчиками. Приборы теплового контроля при достижении заданной температуры подают сигнал обслуживающему персоналу о ненормальном режиме, отключают установку или включают вентиляцию (насосы охлаждающей жидкости).
Защиту трансформаторов от внутренних повреждений и понижения уровня масла выполняют газовым реле типа РГЧЗ-66 (рис. 83), которое устанавливают на маслопроводе, соединяющем бак трансформатора с расширителем. В корпусе реле размещены один сигнальный и два отключающих элемента. Сигнальный элемент 1, выполненный в виде закрытой чаши с контактами 2, расположен в верхней части реле. Отключающий элемент 4, выполненный также в виде закрытой чаши с контактами 5, расположен в нижней части реле. Отключающий элемент 3 является скоростным, он выполнен в виде пластины и расположен в нижней части реле. В нормальном режиме работы трансформатора, когда расширитель заполнен маслом, полость реле также заполнена маслом и чаши элементов 1 я 4 подняты вверх, а их контакты 2 и 5 разомкнуты. При появлении течи в трансформаторе уровень масла в верхней части реле понижается; уровень масла в реле понижается и тогда, когда в баке трансформатора начинается газообразование (газы проникают в реле и вытесняют масло) — в этих случаях чаша сигнального элемента 1 опускается, его контакты 2, замыкаются и подают предупредительный сигнал (звуковой или световой). При полном уходе масла из реле опускается чаша элемента 4, его контакты 5 замыкаются и подают импульс на отключение трансформатора. Отключающий элемент 3, выполненный в виде пластины, при возникновении потока масла от трансформатора к расширителю отклоняется в сторону движения потока и замыкает контакты 5, подающие импульс на отключение трансформатора. Такой лоток масла возникает при бурном газообразовании в баке трансформатора, являющегося следствием повреждения изоляции обмотки, появления дуги в результате короткого замыкания и других причин.
Рис. 83. Газовое реле РГЧЗ-66
Герметизированные трансформаторы комплектных трансформаторных подстанций не имеют расширителя масла, и поэтому газовое реле на них установить нельзя. Эти трансформаторы защищают от внутренних повреждений мановакуумметром, термометрическим сигнализатором для контроля температуры масла в баке трансформатора и реле давления.
Основными элементами реле давления являются (рис. 84, а) стеклянная диафрагма 1, защищенная от наружных повреждений колпаком 2, и ударный механизм, состоящий из корпуса 8, сильфона 10, бойка 12 с пружиной 11 и защелки 9. Стеклянную диафрагму 1 устанавливают между двумя резиновыми шайбами 3 снаружи на приваренном к крышке бака трансформатора фланце 4. Болты 7 служат для крепления реле к внутренней стороне бака.
Рис. 84. Реле давления
Действие газового реле заключается в том, что образующийся при повреждениях внутри трансформатора газ давит на сильфон 10, который при достижении заданного предельного давления сжимается и освобождает защелку 9, при этом срабатывает пружина 11 ударного механизма, боек 12 разбивает стеклянную диафрагму 1, газы под давлением выходят наружу и сбрасывают защитный колпак 2. При сбрасывании защитного колпака срабатывает конечный выключатель 5 и замыкает контакты, подающие импульс по кабелю 6 на сигнализацию или на отключение трансформатора. На рис. 84, б изображена схема срабатывания конечного выключателя.
При расчете и выборе вида релейной защиты необходимо учитывать ее быстродействие, селективность и чувствительность. Под быстродействием защиты понимают способность защиты быстро отключать поврежденный участок сети при появлении токов короткого замыкания или других ненормальных режимов, ограничивая этим самым время действия аварии и давая возможность быстро восстановить питание неповрежденных участков сети по резервным линиям.
Рис. 85. Схема релейной защиты силового трансформатора
Рис. 86. Схема релейной защиты линии 6 кВ
Селективностью называется такое избирательное действие защиты, при котором отключаются только поврежденные участки сети, а неповрежденные остаются в работе. Чувствительностью называется способность защиты реагировать на появление ненормального режима в самом начале его возникновения.
Применяя перечисленные виды реле, можно выполнить защиту наиболее часто встречающихся элементов электрической сети — силовых трансформаторов, кабельных и воздушных линий напряжением 10—6 кВ и электродвигателей напряжением 10—6 кВ.
На рис. 85 изображена схема защиты трансформатора мощностью до 1600 кВ·А.
Рис. 87. Схема релейной зашиты электродвигателя 6 кВ
Схемой предусмотрены следующие виды защиты:
от токов короткого замыкания — электромагнитным элементом токовых реле 1 и 2 типа РТ-80; реле воздействует на электромагниты привода 4 та 5 масляного выключателя ВМ от перегрузки — индукционным элементом тех же реле с зависимой от тока характеристикой времени действия;
от замыкания на землю — токовым реле 3 типа РТ-80, установленным в заземленной нейтрали трансформатора со схемой обмоток звезда — звезда с выведенным нулем; реле питается от постороннего источника тока a — b и воздействует на отключающий электромагнит 6;
от внутренних повреждений и понижения уровня масла— газовым реле (на схеме не показано).
На воздушных и кабельных линиях 10 — 6 кВ предусматривают следующие виды защит (рис. 86):
от перегрузки — индукционным элементом реле 1 и 2 типа РТ-80 с зависимой от тока характеристикой времени действия и мгновенными токовыми реле 4 и 5 прямого действия типа РТМ, встроенными в привод масляного выключателя ВМ; от замыкания на землю — токовым реле 3 типа ЭТД-551, включаемым в цепь трансформатора тока ГГ, с действием на сигнал или на отключающий электромагнит 6 и питанием от постороннего источника оперативного тока a — b.
На рис. 87 изображена схема защиты асинхронного электродвигателя Д напряжением 10—6 кВ. Схемой предусматриваются следующие виды защит:
от токов короткого замыкания — максимально мгновенная (с отсечкой) и от перегрузки с выдержкой времени— токовым реле 1 типа РТ-80; реле воздействует на отключающий электромагнит 4 привода масляного выключателя ВМ;
от замыкания на землю — токовым реле 2 типа ЭТД-551, воздействующим на электромагнит отключения 5 через промежуточное реле 3 типа РП, с питанием от клемм а — b постороннего источника оперативного тока;
от понижения напряжения — реле 6 минимального напряжения прямого действия типа РНВ с выдержкой времени, с питанием от трансформатора напряжения ТН.
