Общие сведения.
Релейной защитой называют устройство, состоящее из одного или нескольких реле, реагирующих на ненормальные режимы работы в системе. Защита воздействует на выключатели, и они отключают те элементы электрической цепи, которые опасно оставлять в работе. Она также сигнализирует о начале ненормального режима работы (о перегрузке, утечке масла из трансформатора и т. п.). Помимо этого, релейную защиту совместно с устройствами автоматики используют для автоматического повторного включения (АПВ) линий, агрегатов и автоматического ввода резерва в работу (АВР).
Релейная защита должна обладать селективностью, быстродействием, чувствительностью и надежностью в работе. Селективность защиты заключается в том, что при срабатывании ее отключается только поврежденный участок, а неповрежденные элементы остаются в работе. Быстродействие защиты крайне необходимо, так
как при снижении времени отключения поврежденного элемента уменьшаются размеры его разрушения при к. з. и повышается устойчивость работы системы. Под чувствительностью понимается способность защиты реагировать на все виды повреждений и ненормальных режимов в самом начале их возникновения. Защита должна быть надежной, т. е. не должно быть случаев неправильного действия и отказов ее при ненормальных режимах работы в системе.
Реле — это прибор, реагирующий на изменение определенного параметра, характеризующего режим работы установки. Различают реле электрические и неэлектрические. К последним относятся газовые, термические и др.
По способу воздействия на выключатель реле бывают прямого и косвенного действия. Первые воздействуют непосредственно на запирающий механизм выключателя, они громоздки и недостаточно чувствительны. Реле косвенного действия имеют малые размеры и на привод выключателя воздействуют через вспомогательную цепь. Реле могут иметь замыкающие и размыкающие контакты.
Для питания катушек реле косвенного действия необходим независимый источник постоянного или переменного тока. На подстанциях и электростанциях в качестве источника оперативного тока чаще всего применяют аккумуляторную батарею. Источниками переменного оперативного тока являются измерительные трансформаторы тока и напряжения, промежуточные трансформаторы (насыщающиеся) и трансформаторы собственных нужд.
Наибольшее применение получили электромагнитные реле (рис. 51). Их используют в качестве токовых реле, напряжения, времени, промежуточных и сигнальных. Работа индукционных реле основана на взаимодействии двух магнитных потоков, они срабатывают в результате поворота медного или алюминиевого диска. Их применяют в качестве реле токовых, направления мощности и дифференциальных токовых.
Рис. 51. Электромагнитные реле клапанного (а), соленоидного (б) типов и с вращающимся якорем (в):
1— стальной сердечник; 2 — якорь; 3 — контакты
Реле характеризуется номинальным током и напряжением, током или напряжением трогания (срабатывания) и возврата, коэффициентом возврата, видом автоматических характеристик (независимая и ограниченно зависимая), потребляемой мощностью. При независимой характеристике тока (рис. 52) реле имеет постоянное время срабатывания, не зависящее от тока, а время срабатывания реле с ограниченно зависимой характеристикой 2 зависит от тока в обмотке реле (реле индукционные) .
Для указания типа реле в схемах защиты применяют соответствующие буквы: РТ — реле тока, PH — напряжения, РМ — мощности, PC — сопротивления, РУ— указательное, РВ — времени, РП — промежуточное. РГ — газовое, ТС — температурное и т. п.
Применяют защиты, построенные на полупроводниковых приборах (диодах, транзисторах, тиристорах). Такие реле не имеют контактов и подвижных элементов. По сравнению с электромеханическими реле у них меньше размеры, ниже потребляемая мощность, выше чувствительность, лучше характеристики.
Рис. 52. Характеристики реле
Релейные защиты предназначены для зашиты электрических сетей, генераторов, трансформаторов и других элементов электрических установок. Существует большое количество различных видов релейных защит. Выбор защиты определяется конструкцией сети (воздушная, кабельная), конфигурацией, напряжением сети, режимом работы, способом заземления нейтрали и другими факторами.
Виды защит.
Различают следующие виды защит: токовые, действующие при увеличении тока в защищаемой цепи (могут быть направленными и ненаправленными, с выдержкой времени и без нее); дифференциальные, реагирующие на разность токов на концах защищаемого элемента (могут быть направленными и ненаправленными); дистанционные направленные и ненаправленные с выдержкой времени, которая определяется расстоянием от места защиты до места повреждения; высокочастотные и специальные.
Максимальная токовая защита может быть выполнена трех- и двухфазной (рис. 53, а, б). Трехфазная защита состоит из трех электромагнитных токовых реле РТ-40 с замыкающими контактами, присоединяемых к вторичным обмоткам трансформаторов тока ТТ, соединенных в звезду. При к. з., или перегрузке ток во вторичной обмотке хотя бы одного трансформатора возрастет и в катушке одного из реле РТ ток станет больше тока срабатывания. Реле замкнет контакты вторичной цепи и подаст питание на промежуточное реле РП. Последнее своими контактами замкнет цепь катушки отключения выключателя КО и выключатель отключится.
Рис. 53. Трехфазная (а) и двухфазная (6) максимальная токовая мгновенная защита
Контакты токовых реле маломощны, поэтому здесь использовано промежуточное реле с более мощными контактами. Указательное реле РУ сигнализирует о срабатывании защиты. Такую защиту применяют в системах с заземленной нейтралью.
Для сетей с изолированной нейтралью (6; 10 кВ) применяют защиту в двухфазном исполнении с двумя токовыми реле (см. рис. 53, б). Срабатывает она только при двух- или трехфазных к. з. В случае замыкания одной фазы на землю ток мал и тогда применяют специальную защиту от замыкания на землю.
Максимальная токовая защита без выдержки времени предназначена для быстрого отключения токов к. з. и может быть использована в сетях любой конфигурации. Избирательность действия ее в сетях с односторонним питанием осуществляется настройкой токовых реле на различные токи срабатывания. Ток срабатывания должен быть меньше тока к. з. на данном участке, но больше тока к. з. на участке, отстоящем дальше от источника питания.
Рис. 54. Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени
При к. з. защита отключает (отсекает) участок, на котором произошло к. з., и участки, расположенные за ним. Такая защита получила название токовой отсечки. Токовая отсечка позволяет осуществить защиту только части участка (25—75%), что является ее недостатком. Время действия защиты и выключателя составляет 0,05—0,1 с.
Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени отличается от предыдущей защиты. наличием реле времени типа ЭВ-112 с часовым механизмом (рис. 54). Такая защита производит отключение с выдержкой времени, на которую отрегулировано реле времени независимо от значения тока к. з. и удаленности от места повреждения. Избирательность действия защиты достигается различной выдержкой времени. При радиальной сети, состоящей, например, из трех участков, выдержка времени защиты наиболее удаленной от источника питания линии будет самой минимальной t1. Зашита каждой следующей более близкой к источнику питания линии будет иметь выдержку времени, большую на дельта t, чем защиты предыдущей линии. Величину дельта t называют ступенью выдержки времени. Ступень, времени для смежных участков составляет 0,5—0,6 с.
Токовые защиты с ограниченно зависимой выдержкой времени выполняют с индукционными реле РТ-80, РТ-90. При к. з. и перегрузках защита срабатывает и отключает цепь через определенное время, зависящее от тока в обмотках реле и его настройки. Поэтому реле времени здесь не используют. Ступень времени защиты принимают равной не менее 0,7 с с учетом инерционного выбега реле. Индукционные реле имеют также дополнительные электромагнитные устройства, обеспечивающие срабатывание реле при больших токах без замедления. Токовая защита с электромагнитным реле допускает больший диапазон выдержек и является более точной, чем с индукционными.
Для перечисленных защит необходим оперативный ток. В электроустановках, не имеющих источников постоянного тока, для токовых защит могут быть использованы источники переменного тока (рис. 55, а).
Рис. 55. Максимальная токовая защита с оперативным переменным током (а) и защита от замыкания на землю (б)
При к. з. срабатывают токовые реле Т/В с ограниченно зависимой выдержкой времени и своими контактами замыкают цепь специального насыщающегося трансформатора Тр. включенного в цепь трансформатора тока ТТ. Это приводит к протеканию тока в отключающей катушке КО выключателя В и отключению последнего. При этом необходима специальная аппаратура (реле, трансформатор, привод и т. п.).
Рис. 56. Принципиальная схема дифференциальной токовой зашиты
Защиту замыканий на землю (рис. 55, б) применяют для быстрого отключения линии при однофазном к. з. в сетях с заземленной нейтралью. Эта защита более чувствительна, чем максимальная токовая. Реле тока РТ включают на фильтр токов нулевой последовательности. При двух- и трехфазных замыканиях, а также в нормальном режиме через реле протекает только ток небаланса (0,1—1 А), обусловленный различием характеристик трансформаторов тока ТТ, и защита не работает. В случае замыкания одной фазы на. землю ток в реле возрастает и защита срабатывает. Для обеспечения избирательности защиту дополняют реле времени РВ, а для повышения ее чувствительности применяют специальные трансформаторы тока ТТ (с буквой 3 — для земляной защиты).
В сетях с изолированной нейтралью токи однофазного замыкания невелики и не отражаются на питании потребителей (см. параграф 10). В таких сетях применяется такая же защита от замыканий на землю, но, срабатывая, она воздействует на сигнал. Вместо реле времени используется промежуточное реле.
Дифференциальная защита предназначена для защиты генераторов, трансформаторов, ВЛ (рис. 56).
Трансформаторы тока соединены последовательно, а токовое реле подключено к ним параллельно.
При нормальном режиме работы или к. з. за пределами защищаемой зоны в точке K1 токи во вторичных обмотках трансформаторов ТТ1 и ТТ2 равны, разность их равна 0 (защита не срабатывает). При к. з. в защищаемой зоне (точка К2) и одностороннем питании (от А к В) через реле РТ будет протекать ток от трансформатора ТТ1. Если I, больше тока срабатывания реле, зашита отключит выключатели В1 и В2. То же самое произойдет при двустороннем питании (от А м от В) и к. з. в зоне защиты (точка К2). В этом случае через катушку реле протекает ток.
В действительности из-за некоторого различия характеристик трансформаторов тока при нормальном режиме и сквозных к. з. через реле будет протекать ток небаланса. Для повышения чувствительности защиты и уменьшения токов небаланса устанавливают специальные трансформаторы тока с сердечником типа Д и насыщающиеся промежуточные трансформаторы НТТ и БНТ. Они позволяют отстроиться от токов небаланса, обеспечивая необходимую чувствительность защиты.
Дифференциальная защита линий может быть продольной и поперечной. В продольных защитах сравниваются токи с двух сторон защищаемой линии. Для осуществления такой защиты необходимо прокладывать кабель или воздушные провода, связывающие трансформаторы тока. Продольную применяют для защиты кабельных и воздушных линий электропередачи протяженностью до 10—15 км. Поперечную дифференциальную защиту используют для параллельных линий. Работа ее основана на сравнении токов этих линий.
Максимальную направленную защиту используют в кольцевых сетях с одним источником питания или сетях с двусторонним питанием. Ее выполняют на токовых реле, реле направления мощности и реле времени. Пусковым органом является токовое реле. Избирательность действия защиты обеспечивается подбором тока трогания токового реле, выдержек времени реле времени и направления мощности при к. з.
Рис. 57. Схема выдержки времени направленной токовой защиты
Выдержки времени защит в таких сетях выбирают по встречно-ступенчатому принципу (рис. 57): по каждому направлению их принимают возрастающими по мере приближения к источнику питания. Наиболее удаленная защита имеет минимальную выдержку 0,5 с. Защита срабатывает при определенном направлении мощности — от шин подстанции в сторону защищаемой линии.
Защита силовых трансформаторов.
Трансформаторы мощностью 100—400 кВ-А с вторичным напряжением 400/230 или 230/133 В защищают плавкими предохранителями на первичной стороне и воздушными выключателями на вторичной. При больших мощностях применяют релейные защиты (максимальную токовую дифференциальную), а для маслонаполненных трансформаторов — еще газовую и температурную защиты.
С помощью максимальной токовой защиты трансформаторы защищают от внешних к. з., внутренних междуфазных к. з. и перегрузок. При выдержке времени этой защиты более 0,7 с устанавливают дополнительно токовую отсечку. Для отключения без выдержек времени при к. з. внутри трансформатора мощностью 6300 кВ-А и выше применяют дифференциальную защиту (см. рис. 56). Она имеет ряд особенностей по сравнению с продольной дифференциальной защитой линий.
Если соединение обмоток защищаемого трансформатора выполнено по схеме звезда—треугольник, то токи со стороны первичной и вторичной обмоток оказываются сдвинутыми по фазе на угол 30° Для компенсации этого сдвига трансформаторы тока, устанавливаемые со стороны обмотки, соединенной в звезду, соединяют треугольником, а со стороны обмотки трансформатора, соединенной треугольником, — в звезду. С целью уменьшения влияния бросков намагничивающего тока включают быстро насыщающиеся трансформаторы тока в провода, соединяющие последовательно трансформаторы тока. Защиту выполняют на токовых и промежуточных реле.
Газовую защиту применяют на маслонаполненных трансформаторах мощностью 630 кВ-А и выше с целью выявить повреждения, сопровождающиеся разложением изоляции обмоток и выделением газа, попаданием воздуха в кожух трансформатора и утечкой трансформаторного масла.
Газовое реле состоит из цилиндрического чугунного резервуара 1 (рис. 58, а), устанавливаемого в разрез трубы 2 (рис. 58, б), которая соединяет трансформатор с расширителем 5. Внутри корпуса реле расположены две стеклянные колбочки 4 с ртутью и впаянными в них контактами 3. При нормальной работе трансформатора ртуть в колбочках не замыкает контакты. Если в трансформаторе происходит выделение газа, последний поднимается вверх и накапливается в верхней части реле, вытесняя масло.
Рис. 58. Конструкция (а) и схема установки (б) газового реле
Верхняя колбочка поворачивается, ртуть замыкает контакты реле, воздействующие на световой или звуковой сигнал. При дальнейшем выделении газа нижняя колбочка поворачивается, контакты замыкаются, промежуточное и указательное реле включают цепь на отключение трансформатора. Колбочки имеют устройства в виде грузиков для регулировки уставки реле на срабатывание. На верхней крышке реле предусмотрен кран, через который выпускают газ и проверяют его на цвет и вспышку. Для свободного прохода газов трансформатор и труба должны иметь подъем 2% о в сторону расширителя.
Защита питающих линий контактной сети. Максимальный ток нагрузки часто бывает близок к минимальному току к. з. и даже превышает его. Это обстоятельство, а также неравномерность нагрузки фаз питающей энергосистемы от каждой тяговой подстанции, несимметрия напряжений, наличие в кривых тока и напряжения высших гармонических и другие факторы затрудняют использование обычных релейных защит на дорогах переменного тока.
На питающих линиях, когда ток к. з. больше тока нагрузки, применяют токовую отсечку с реле типа РТ. Если защита не обеспечивается, устанавливают дополнительно блокировку по напряжению цепи или дистанционную защиту с реле сопротивления. При наличии на участке поста секционирования осуществляют блокировку выключателей подстанции и поста секционирования, питающих одну и ту же фидерную зону.
На дорогах постоянного тока для защиты питающих линий контактной сети служат быстродействующие выключатели (см. параграф 14).
