ГЛАВА СЕДЬМАЯ
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
7-1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
На электрических станциях и в электросетях энергосистемы возможны различные повреждения и ненормальные режимы работы.
К ненормальным режимам относятся перегрузка, прохождение сверхтоков, обусловленных короткими замыканиями, снижение частоты и напряжения, выпадение генераторов из синхронизма и т. д.
Наиболее частыми видами повреждений силового оборудования станций (генераторов, трансформаторов, электродвигателей и пр.), а также линий электропередачи являются к. з. Они вызывают прохождения больших токов и сопровождаются понижением напряжения.
Если к. з. возникло, то поврежденный элемент необходимо как можно быстрее отключить. Очевидно, что человек не в состоянии быстро обнаружить и устранить повреждение. Поэтому на электростанциях применяются специальные автоматические устройства, которые называются релейной защитой. Назначение ее состоит в том, чтобы при возникновении повреждения обнаружить его, отключить поврежденный элемент, не допустить развития аварии и также сохранить нормальную работу станции и системы. Релейная защита действует в основном на отключение силовых выключателей.
К релейной защите предъявляются следующие основные требования:
- Быстрота действия. Чем быстрее работает защита, тем меньше времени длится аварийное состояние и меньше размер разрушений электрооборудования. Современная быстродействующая защита имеет собственное время действия около 0,02—0,04 с [29].
- Селективность или избирательность действия защиты, т. е. способность выбирать и отключать только тот элемент установки, в котором возникло повреждение или опасный ненормальный режим, оставляя в работе неповрежденную часть электроустановки.
- Чувствительность, т. е. способность защиты реагировать на те повреждения и ненормальные режимы, на которые она рассчитана.
- Надежность защиты, которая заключается в ее постоянной готовности, правильном и безотказном действии во всех случаях, для которых она предназначена.
Реле являются основными элементами схем защиты и автоматики и представляют собой автоматические аппараты, которые реагируют на изменение контролируемой величины и производят необходимые операции.
Каждое реле имеет два основных органа: воспринимающий, т. е. реагирующий на изменение заданной величины, и исполнительный, который производит включение или отключение управляемой цепи.
Реле выполняются реагирующими на изменение электрических параметров (тока, напряжения, мощности и т. д.), а также неэлектрических (расхода, давления и т. д.).
Реле разделяются по ряду признаков:
по принципу работы — на электромагнитные, индукционные, электродинамические и магнитоэлектрические;
по назначению — на основные, вспомогательные и сигнальные (указательные). Основные реле непосредственно реагируют на изменение воздействующих параметров, например тока, напряжения и т. д. Вспомогательные реле управляются другими реле и выполняют такие функции, как введение выдержки времени, размножение числа команд (сигналов) основных реле, повышение мощности контактов и т. д. Сигнальные реле фиксируют действие защиты и управляют световыми и звуковыми сигналами;
по характеру реагирования при изменении воздействующего параметра — на максимальные и минимальные. Максимальные реле срабатывают, когда значение воздействующего параметра, например силы тока или напряжения, превосходит заданное, а минимальное — наоборот, т. е. при снижении ниже заданной величины;
по способу включения — на первичные реле, у которых воспринимающий орган включается непосредственно в цепь защищаемого элемента, и на вторичные реле, у которых воспринимающий орган включается через измерительные трансформаторы тока и напряжения;
по способу воздействия на выключатель — прямого и косвенного действия. У первых исполнительный орган непосредственно, механически воздействует на отключение выключателя, а у вторых — через другие промежуточные элементы, обычно катушку отключения, вмонтированную в привод выключателя.
Рис. 7-1. Принципиальные схемы включения вторичных реле.
а — прямого действия; б — косвенного действия.
На рис. 7-1, а приведена принципиальная схема включения вторичного реле максимального тока прямого действия. В этой схеме обмотка реле присоединяется к вторичной обмотке трансформатора тока ТТ. При увеличении тока в катушке 1 свыше определенного значения сердечник втягивается в нее, боек 2 ударяет в защелку 3 и выключатель отключается. Достоинством этого реле является его компактность. Но в связи с тем что реле должно непосредственно воздействовать на защелку выключателя, т. е. совершать большую механическую работу, оно обладает малой чувствительностью.
Наиболее совершенной и потому самой распространенной является схема защиты с применением вторичных реле косвенного действия (рис. 7-1, б). Здесь при увеличении тока в катушке 1 сверх определенного значения контакты реле замыкают цепь оперативного тока отключающей катушки 2, и последняя отключает выключатель.
Такие реле совершают малую механическую работу (замыкание контактов). Поэтому они имеют легкую подвижную систему, небольшие размеры, высокую точность и чувствительность, а также удобны для проверки и настройки. Но они обладают одним недостатком — необходимостью иметь источник оперативного переменного или постоянного тока. В качестве источника переменного оперативного тока обычно используют измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также трансформаторы собственных нужд станции или подстанции. Источником оперативного постоянного тока служат аккумуляторные батареи.
На тепловых станциях средней и большой мощности в качестве источника оперативного тока применяются аккумуляторные батареи, которые используются и для других вспомогательных устройств (см. гл. 6).
7-2. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ РЕЛЕ
Электромагнитные реле широко используются в релейной защите и электроавтоматике, они могут быть применены в цепях как переменного, так и постоянного тока.
Рис. 7-2. Типы электромагнитных реле.
а — с поперечным движением якоря; б — с поворотным якорем; в — с втягивающимся якорем.
В практике встречается несколько конструкций электромагнитных реле: с поперечным движением якоря (рис. 7-2, а); с поворотным якорем (рис. 7-2, б) и с втягивающимся якорем (рис. 7-2, в). Первая конструкция используется в электромагнитных токовых реле типа РТ-40 и реле напряжения РН-40. Вторая конструкция используется, например, в промежуточных реле типа РП-23, РП-24 и указательных (сигнальных) реле типа РУ-21. Третья конструкция (с втягивающимся сердечником) используется в реле времени (ЭВ) с часовым механизмом, которое обеспечивает необходимое замедление в его действии. Время действия реле серии ЭВ в зависимости от модификации может быть от 0,1 до 20 с.
Назначение деталей в указанных трех конструкциях электромагнитных реле одинаковое: каждое реле состоит из электромагнита с расположенной на нем обмоткой 2, подвижного якоря 3, контактов 4 (неподвижных) и 5 (подвижных), противодействующей пружины 6 и упора 7, определяющего начальное положение якоря. Минимальный ток, при котором реле надежно замыкает контакты, называется током срабатывания реле Iср. Током возврата реле Iв называется ток, при котором контакты реле размыкаются и возвращаются (под действием пружины) в исходное положение. Ток срабатывания устанавливают с помощью специального движка 8, связанного с пружиной.
Отношение тока возврата к току срабатывания называется коэффициентом возврата kв=Iв/Iсp.
У реле максимального тока Iсp>Iв, поэтому kв у них всегда меньше единицы.
На рис. 7-3 приведена конструкция нового токового реле с поперечным движением якоря типа РТ-40, у которого по сравнению с ЭТ-520 увеличена надежность контактной системы [29].
Рис. 7-3. Токовое электромагнитное реле типа РТ-40.
Индукционные токовые реле работают на принципе взаимодействия переменных магнитных потоков с токами, которые они индуктируют в подвижной части реле — обычно в диске. Поэтому эти реле могут работать только на переменном токе.
Отечественной промышленностью выпускаются индукционные токовые реле серии РТ-80 (ранее обозначались ИТ-80), которые имеют зависимую от тока выдержку времени, т. е. при большем токе время срабатывания реле уменьшается.
