Общие сведения
Релейная защита — это устройство, служащее для быстрого отключения поврежденного элемента электроустановок. Релейная защита токоприемников установок должна отвечать следующим требованиям: селективности, быстродействию, чувствительности и надежности.
Селективность или избирательность — это свойство защиты отключать только поврежденный элемент. Избирательность достигается соответствующим выбором принципа действия защиты и ее уставок.
Уставка — это величина тока или напряжения, при которых срабатывают реле.
Чувствительность — это способность защиты четко срабатывать при повреждениях в зоне ее действия.
Надежность — это способность устройства защиты правильно работать в нормальном, ненормальном и аварийном режимах.
Надежность аппаратуры зависит от качеств ее изготовления и уровня эксплуатации. Чем проще устройство, тем при прочих равных условиях выше его аппаратная надежность. Поскольку в процессе эксплуатации аппаратная надежность снижается, большое значение имеют периодические проверки, выявляющие неисправные элементы.
Независимо от принципа выполнения защиты схема ее работы выглядит следующим образом:
на вход устройства защиты подается информация о состоянии защищаемого элемента; устройство защиты перерабатывает полученную информацию и при повреждении в зоне действия дает команду на исполнительный механизм (выключатели, автоматы и т. п.) или сигнальные элементы;
отключает поврежденный элемент или сигнализирует о наличии повреждения;
после ликвидации повреждения или ненормального режима защита возвращается в исходное положение.
В распределительных устройствах буровых установок основная часть устройств релейной защиты выполнена с применением электромеханических реле.
Реле защиты подразделяются на основные, непосредственно реагирующие на повреждения, и вспомогательные, работающие при воздействии на них основных реле.
В качестве основных на буровых установках применяют токовые реле, реагирующие на силу тока и реле напряжения, реагирующие на значение напряжения. Применяют и специальные реле, такие как реле мощности, частоты, тепловые реле, газовые и др.
К числу вспомогательных относятся: реле времени, используемые для искусственного замедления действия защиты; промежуточные реле, передающие действие основных реле на отключение выключателей и осуществляющие связь между элементами защиты; указательные реле, сигнализирующие действие защиты.
В каждом реле имеется воспринимающая часть, реагирующая на изменение той электрической величины, на которую реле должно реагировать, и исполнительная часть, представляющая собой подвижную систему, выполняющую ту работу, которая возложена на данное реле (например, включение или отключение цепи).
У реле прямого действия исполнительная часть непосредственно (механическим путем) воздействует на отключающий механизм выключателя. У реле косвенного действия исполнительная часть замыкает или размыкает цепь источника тока, питающего отключающие катушки.
Воспринимающая часть электрических реле включается через измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Для питания вспомогательных реле в схемах защиты, отключающих катушек выключателей, цепей автоматики и сигнализации, дистанционного управления пользуются постоянным или переменным оперативным током. В качестве источника постоянного оперативного тока применяют аккумуляторные батареи с напряжением 24, 110, 220 В. Следует отметить, что в установках нефтяной промышленности аккумуляторные батареи в энергоустановках применяются редко, так как обслуживание их требует квалифицированного персонала и стоимость их относительно велика.
В установках 6, 10 и 35 кВ в СССР широко используется переменный оперативный ток, источником которого служат трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и трансформатор собственных нужд. Трансформаторы тока используют для питания защит от коротких замыканий и перегрузок, когда ток возрастает и соответственно увеличивается напряжение на зажимах трансформаторов тока. Трансформаторы напряжения и собственных нужд служат для питания защит от ненормальных режимов, при которых сохраняется близкое к нормальному напряжение. В качестве источника оперативного тока применяют и конденсаторы, предварительно заряженные от сети переменного тока через выпрямительное устройство. Предварительно заряженные конденсаторы могут применяться для питания защит от всех видов повреждений и ненормальных режимов.
Конструктивное исполнение реле защиты
Токовые реле используются в качестве основных реле защит, реагирующих на увеличение тока при различных ненормальных режимах (короткие замыкания, перегрузки).
Широкое применение в релейной защите получило токовое реле «мгновенного» действия серии РТ-40, конструктивная схема которого показана на рис. 89, а.
Магнитная система реле состоит из стального сердечника 1 и поворотного стального якоря 2, связанного с осью 3, на которой помещен подвижный контакт 4, замыкающий неподвижные контакты 5 при срабатывании реле.
Противодействующий момент создается пружиной 6, натяжение которой изменяется рукояткой 1, чем регулируется уставка тока срабатывания. Две катушки реле 8 и 9 могут включаться последовательно либо параллельно.
Рис. 89. Токовые реле защиты
Комбинированное токовое реле типа РТ-80 (рис. 89, б) позволяет построить схему токовых защит с мгновенным срабатыванием и с выдержкой времени. Оно состоит из двух элементов: индукционного с ограниченно зависимой характеристикой времени действия и электромагнитного, действующего практически мгновенно. Мгновенно срабатывающий элемент носит название отсечки.
Индукционный элемент имеет магнитную систему 11 с расщепленными на две части полюсами. На одну из частей каждого полюса насаживается короткозамкнутый виток 12, выполненный в виде кольца.
Между полюсами находится алюминиевый диск, укрепленный вместе с червяком 2 на осн, вращающейся в подпятниках, расположенных в теле рамки 1. Эта рамка может поворачиваться на небольшой угол вокруг своей оси. Магнитные потоки обеих частей расщепленных полюсов сдвинуты между собой в пространстве и по фазе, в результате чего образуется бегущее поле, увлекающее за собой диск.
Алюминиевый диск начинает вращаться при токе в обмотке реле, составляющем 20—30 % тока срабатывания, но реле еще не работает, так как червяк 2 и зубчатый сегмент 5 не имеют зацепления из-за того, что рамка 1 оттянута в крайнее положение пружиной 3. На диск 13 действует сила Fэ создаваемая основной магнитной системой, и сила Fм (рис. 89, в), создаваемая магнитом 4, тормозящим вращение диска. По мере увеличения тока в обмотке реле увеличиваются частота вращения диска и сила Fэ. Благодаря увеличению частоты вращения диска растет и сила Рм.
При токе срабатывания реле равнодействующая сил Fк и Fэ растягивает пружину 3 настолько, что поворачивает рамку 1 до зацепления червяка 2 с сегментом 5. Последний начинает подниматься.
Частота вращения диска 13 начинает уменьшаться, так как он производит работу поднятия сегмента. Через определенное время поднимающий сегмент 5, вращающийся вокруг оси Оэ, упирается своим рычагом 6 в левую пластину коромысла 8 и начинает поднимать его вверх. Вместе с последним опускается правый конец якоря 9. Воздушный зазор между якорем и магнитопроводом системы 11 с противоположной стороны становится меньше. В некоторый момент времени правый конец якоря 9 притягивается к магнитопроводу и коромысло 8 замыкает контакты реле 7, лежащие на изоляционном упоре. Пользуясь движком 14, можно изменять начальное положение сегмента 5 и этим изменять уставку выдержки времени индукционного элемента реле. Под выдержкой времени zр понимается время от момента достижения током реле значения тока срабатывания до замыкания его контактов. Якорь 9 с коромыслом 8 входят в состав электромагнитного элемента реле. При больших токах в обмотке реле, достаточных для притяжения якоря 9 к магнитопроводу при большом начальном зазоре, якорь притягивается независимо от действия сегмента 5. Реле срабатывает без выдержки времени, т. е. работает, как отсечка, мгновенно.
Индукционный элемент реле воздействует на контакты через электромагнитный элемент, а последний может действовать самостоятельно.
Общей для индукционного и электромагнитного элементов является обмотка 10, снабженная ответвлениями с устройством регулирования уставки тока срабатывания Iуст индукционного элемента. Ток срабатывания отсечки может быть установлен в пределах от двух- до восьмикратного по отношению к току срабатывания индукционного элемента. Ток срабатывания отсечки регулируется специальным винтом.
Реле времени служат для создания необходимой выдержки времени действия защиты. Реле времени имеют много конструктивных разновидностей, но принципы их устройства однородны и могут быть рассмотрены на примере конструкции, изображенной на рис. 90.
Рис. 90. Реле времени
При появлении тока в обмотке 7 якорь 8 мгновенно Втягивается, освобождая рычаг 10, который удерживает вал с зубчатым сегментом 5. Под действием ведущей пружины 6 зубчатый сегмент 5 приходит в движение, которое, однако, не является свободным, так как оно замедляется специальным устройством выдержки времени 2.
Через некоторое время tр, зависящее от расстояния l (или угла α) от контактного поводка 3 до неподвижных контактов 4 и скорости движения сегмента 5, последний замкнет контакты 4.
Устройство выдержки времени может выполняться различными способами; в современных отечественных конструкциях оно осуществляется с помощью часового механизма, основным элементом которого является анкерное устройство 1.
При исчезновении тока в реле якорь и сегмент 5 должны мгновенно возвратиться в начальное положение под действием возвратной пружины 9. Это обеспечивается с помощью храпового механизма или фрикционного устройства, обладающих свободным расщеплением при обратном ходе сегмента 5.
Выдержка времени регулируется изменением угла α путем перемещения контактов реле 4. В некоторых конструкциях предусматривается мгновенный контакт, позволяющий замыкать цепь с малой выдержкой времени (порядка 0,15—0,2 с).
Промежуточные реле предназначаются для размножения контактов основного реле в тех случаях, когда при срабатывании последнего требуется одновременно замкнуть или разомкнуть несколько цепей, а также для загрузки контактов основного реле при необходимости замыкания или размыкания цепей такой мощности, на которую контакты основного, реле не рассчитаны.
Промежуточные реле выполняются на электромагнитном принципе для работы на оперативном постоянном и переменном токе. В зависимости от назначения промежуточные реле выполняются с обмотками напряжения или обмотками тока или теми и другими одновременно.
Рис. 92. Токовое реле прямого действия РТМ
Рис. 91. Промежуточное реле РП-23
На рис. 91 в качестве примера приведена конструкция промежуточного реле РП-23. Реле состоит из электромагнита 1 с обмоткой 2, якоря 3 с хвостовиком 4, неподвижных контактов 5, подвижной контактной системы 6, возвратной пружины 7, упора 8, регулировочной пластины 9. Реле монтируется на цоколе 10 и закрывается кожухом 11. При подаче напряжения на обмотку реле якорь 3 втягивается и хвостовиком 4 перемещает вниз подвижную контактную систему. При этом замыкаются замыкающие и размыкаются размыкающие контакты реле.
Токовые реле прямого действия встраиваются в приводы выключателей высокого напряжения. Они выпускаются в двух исполнениях: мгновенного действия и с выдержкой времени.
Устройство реле мгновенного действия типа РТМ. показано на рис. 92. Внутри обмотки 6, намотанной на цилиндрическом каркасе 11, расположен стальной сердечник (якорь) 3 с бойком 10, который может перемещаться вдоль латунной гильзы 4 к неподвижному полюсу 8. Латунная шайба 5, расположенная в верхней части якоря, предотвращает его прилипание к неподвижному полюсу. Реле устанавливается в корпусе привода 7 и в нижней части закрывается крышкой 2 с прокладкой 1.
Отпайки обмотки 12 выведены на переключатель числа витков 13. При увеличении тока в реле до тока срабатывания якорь притягивается к неподвижному полюсу и, ударяя головкой бойка 9 по рычажку отключающего валика привода, отключает выключатель. Ток срабатывания реле регулируется ступенями изменением числа витков обмотки специальным переключателем.
Устройство реле прямого действия с выдержкой времени типа РТВ аналогично устройству реле РТМ за исключением того, что у реле РТВ имеется часовой механизм для создания выдержки времени.
Виды защит
Максимальная токовая защита срабатывает при увеличении силы тока в защищаемой цепи сверх установленного значения. Она осуществляется при помощи максимальных токовых реле косвенного действия, встроенных в привод выключателя.
Рис. 93. Схема максимальной токовой защиты:
а — принцип действия; б — временные характеристики:
1 — временная зависимая характеристика; 2 — временная независимая характеристика; ТТ — трансформатор тока; КО — катушка отключения; МТЗ — максимальная токовая защита; В — выключатель; Л — линия
Максимальная токовая защита может выполняться без выдержки времени — мгновенная защита и с выдержкой времени. При использовании для максимальной токовой защиты индукционных реле типа РТ-80 эта защита имеет зависимую временную характеристику от силы тока, протекающего через обмотку реле (рис. 93, б), из которой видно, что чем больше сила тока, тем меньше время срабатывания реле. При применении реле типа РТ-40 в сочетании с реле времени максимальная токовая защита имеет временную характеристику, не зависящую от силы тока в реле.
Максимальная токовая защита устанавливается на линиях электропередачи, на трансформаторах и электродвигателях 6—10 кВ.
На рис. 93, а приведен принцип действия максимальной токовой защиты.
Ток срабатывания Iср токовых реле защиты определяется исходя из условия, чтобы он был больше возможных максимальных значений тока, допускаемых при нормальной работе I раб max, т. е.
(109)
где n — коэффициент трансформации трансформатора тока; kсх — коэффициент схемы включения реле, представляющий собой отношение тока, протекающего в обмотке реле, к току, протекающему во вторичной обмотке трансформатора.
Для электродвигателя 6—10 кВ 
, т. е. максимальная токовая защита не должна срабатывать при пуске двигателя.
Рис. 94. Газовое реле
Рис. 95. Токовая защита от замыкания на землю
Газовая защита устанавливается на силовых трансформаторах н предназначается для защиты трансформатора от внутренних повреждений, сопровождающихся интенсивным газообразованием (межвитковые замыкания обмотки). Основным реле этой защиты является газовое реле, устанавливаемое в трубопроводе, соединяющем бак трансформатора с расширителем, на пути движения масла (рис. 94). В чугунном корпусе 1 реле расположены один над другим два поплавка 2 и 3, выполненные в виде тонкостенных запаянных цилиндров, плавающих в масле. Каждый поплавок представляет ртутный контакт — стеклянную колбочку с ртутью 4 — с впаянными в стекло проводниками. При газообразовании приходит в движение масло, которое сообщает толчок колбочке с ртутью, последняя замыкает контакты, и посылается сигнал на предупредительную сирену или на отключение трансформатора.
Токовые защиты от замыкания на землю применяются в сетях с малыми токами замыкания на землю, работающих с изолированной нейтралью. К таким сетям относятся сети напряжением 6, 10, 35 кВ. Обычно эта защита выполняется следующим образом. На кабель надевается специальный трансформатор тока нулевой последовательности ТНП (рис. 95). Ко вторичной обмотке этого трансформатора тока присоединяется реле. Внутри стального сердечника трансформатора ТНП проходят все три провода фаз защищаемой линии. Результирующий магнитный поток, создаваемый первичными токами, в нормальных условиях равен нулю, а при замыкании на землю он пропорционален току замыкания на землю. При замыкании на землю во вторичной обмотке трансформатора ТНП появится э. д. с., потечет ток и сработает реле защиты. Эта защита предусматривается на линиях электропередачи и электродвигателях, если ток замыкания на землю составляет более 5 А.
Защиты, устанавливаемые на распределительном устройстве буровой установки КРНБ
Во всех ячейках, за исключением ячейки № I, и в пусковых устройствах ПБ-6М смонтированы трансформаторы тока 1ТТ-10ТТ, предназначенные для питания катушек реле максимального тока и электроизмерительных приборов.
Реле максимального тока, расположенные во вводной ячейке и в ячейках питания электродвигателей, настраивают таким образом, чтобы при перегрузке двигателей отключался соответствующий контактор, а при коротких замыканиях — вводной масляный выключатель. Такая селективность действия защиты обеспечивает предохранение контакторов от разрыва токов короткого замыкания. Активная и реактивная энергии учитываются счетчиками, установленными в ячейках № 1 и 3.
