§ 12. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК И ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 кВ И ВЫШЕ
При эксплуатации электросистем могут возникать нарушения нормального режима е отклонением величин напряжения, тока и частоты от номинальных значений и различного рода повреждения, вызывающие значительное снижение напряжения и соответствующее увеличение тока в отдельных элементах электросистем.
Для предотвращения ненормальных режимов работы или быстрого выявления поврежденных участков с автоматическим отключением их от источников питания применяют релейную защиту. В зависимости от характера возникших повреждений релейная защита способна воздействовать непосредственно на различного. рода выключатели или подать соответствующий сигнал обслуживающему персоналу. Релейная защита должна удовлетворять ряду требований, основными из которых являются: быстрота и надежность действия, избирательность, чувствительность, наличие резерва и сигнальных устройств.
Быстродействующая релейная защита уменьшает зону повреждения, сохраняет устойчивость работы остальных приемников энергии, которые не смогли бы нормально работать из-за возникших повреждений. Быстродействующей называют защиту, время срабатывания которой не превышает 0,1—0,2 с. Время срабатывания некоторых видов защиты составляет 0,02—0,04 с.
Надежность действия состоит в высокой термической и электродинамической стойкости, механической и диэлектрической прочности, постоянной готовности к действию независимо от частоты включений, безотказной работе в пределах установленной зоны защиты и отсутствии ложных срабатываний. Надежность достигается применением высококачественных материалов, изготовлением, монтажом и эксплуатацией релейной защиты, применением наиболее простых схем с минимальным количеством реле.
Наличие элементов избирательности позволяет отключать только поврежденные участки сети, не затрагивая комплекс электроустановок или всю систему в целом.
Чувствительность защиты определяется ее способностью к срабатыванию при нарушениях нормального режима не только в пределах защищаемого участка, но и на смежных участках. Данное действие защиты называется дальним резервированием. При его невыполнении отказ защиты или силовых выключателей смежных участков приводит к нарушению работы потребителей всей сети. Оценка чувствительности производится коэффициентом чувствительности, который находят как отношение расчетных величин при металлическом к. з. к параметрам защиты или, наоборот, как отношение параметров защиты к расчетным величинам:
где /к, UK — ток и напряжение при к.з.;
/с. з, Uс, з — ток и напряжение срабатывания защиты.
Резервирование предусматривается для случаев отказа срабатывания основной релейной защиты или когда аппараты основной защиты по принципу своего действия не в состоянии осуществлять дальнее резервирование.
Каждое реле состоит из трех основных элементов: измерительного (воспринимающего), который реагирует на появление или изменение определенных электрических или механических ве*
личин; промежуточного, сравнивающего измеряемую величину с определенным эталоном и при достижении ею заданного значения передающего воздействие к исполнительному элементу; исполнительного, который воздействует на управляемую цепь.
Роль измерительного элемента электрических реле выполняют катушки, промежуточного — магнитные системы, исполнительного — контактные группы.
Реле защиты классифицируют следующим образом:
в зависимости от физической величины, на которую происходит реакция — реле тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты, времени и др.;
по принципу действия измерительного элемента — электромагнитные, индукционные, электротермические, электронные и др.;
по принципу действия исполнительного элемента — контактные и бесконтактные;
по способу воздействия на отключающую систему — прямого и косвенного действия;
в зависимости от способа включения — первичные, непосредственно включаемые в цепь, и вторичные, включаемые через измерительные трансформаторы;
по времени действия — безынерционные, быстродействующие, обыкновенные, замедленного действия.
Цепи релейной защиты получают питание от источников постоянного, переменного или выпрямленного оперативного тока.
Источниками постоянного тока служат аккумуляторные батареи напряжением 110—220 или 24—48 В. Достоинство аккумуляторных батарей: надежное питание в любой момент времени независимо от наличия или отсутствия напряжения в электросистеме; недостаток: дополнительные затраты на сооружение помещения, приобретение, монтаж и эксплуатацию аккумуляторов. Источниками переменного тока служат измерительные трансформаторы тока и напряжения, трансформаторы собственных нужд подстанций. Для питания цепей защиты используют также энергию, заранее накопленную в конденсаторе, разрядный ток которого можно использовать при отсутствии напряжения на шинах подстанции. Источниками выпрямленного тока служат полупроводниковые выпрямители, сохраняющие преимущества защиты на постоянном токе при отсутствии аккумуляторных батарей.
На поверхности горных предприятий для электроустановок и электрических сетей напряжением 6 кВ и выше применяют следующие виды защит; токовую, от снижения или повышения напряжения, дифференциальную, газовую.
Токовой или максимально-токовой называют защиту, которая реагирует на превышение заранее установленной величины тока в защищаемой цепи как при междуфазных замыканиях, так и при замыканиях фаз на землю. Она обладает широким диапазоном применения — может быть использована для защиты генераторов, трансформаторов, электродвигателей, воздушных и кабельных ЛЭП. Различают максимально-токовую защиту с выдержкой времени и быстродействующую, называемую токовой отсечкой.
78. Принципиальная схема максимально-токовой защиты ЛЭП
В сетях переменного тока могут возникать колебания напряжения (уменьшение или увеличение его по отношению к номинальному), что может нанести значительный ущерб электроприемникам. Для защиты от колебаний напряжения устанавливают реле максимального и минимального напряжения.
Для мгновенного отключения к. з. на ЛЭП, отходящих ОТ электростанций и крупных подстанций, применяют дифференциальную защиту. Защита одинарных ЛЭП называется продольной, а параллельных ЛЭП — поперечной дифференциальной защитой. Продольная дифференциальная защита основана на принципе сравнения величин и фаз токов в начале и конце ЛЭП; применяется на ЛЭП 110—220 кВ длиной до 10—15 км. Поперечная дифференциальная защита основана на принципе сравнения величин и фаз токов, которые протекают по двум параллельным ЛЭП с одинаковым сопротивлением. Для ЛЭП, имеющих в начале и конце по одному общему выключателю, применяют токовую поперечную защиту. При установке отдельных выключателей для каждой ЛЭП применяют направленные поперечные защиты. В первом случае защиту устанавливают только со стороны источника питания, и при возникшем к. з. она отключает обе ЛЭП. Во втором случае защиту устанавливают с двух сторон, и происходит отключение только поврежденной ЛЭП.
Газовая защита широко применяется как чувствительный вид защиты от внутренних повреждений в силовых трансформаторах. Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторах.
Принципиальные схемы некоторых видов защиты приведены на рис. 78—80. Схема (рис. 78) работает следующим образом: при возникновении к.з. срабатывают токовые реле Т тех фаз, по которым проходит т; к. з. Контакты реле Т включены параллельно, и при срабатывании любого из них замкнется цепь питания катушки реле времени В.
Рис. 79. Принципиальная схема поперечной дифференциальной защиты параллельных ЛЭП
Рис. 80. Принципиальная схема газовой защиты трансформатора
Контакты реле В через заданный промежуток времени замкнут цепь питания катушки промежуточного реле П, которое, мгновенно сработав, подаст ток в отключающую катушку QK, что приведет к отключению силового выключателя Я. В отдельных схемах реле Я может отсутствовать при наличии у реле Т сильноточных контактов. Указательное реле У включено последовательно с катушкой ОК. Его назначение состоит в фиксировании срабатывания токовой защиты. Защита называется с независимой выдержкой времени, потому что время срабатывания определяется величиной выдержки времени реле В и не зависит от величины т. к. з.
На принципиальной схеме направленной поперечной дифференциальной защиты (рис. 79) показаны токовое реле Т и реле мощности Λί, катушки которых питаются от вторичных обмоток измерительных трансформаторов. При возникновении к" з. в точке /С/ изменится величина и направление токов ЛЭП, обмотки реле начнут обтекаться током повышенной величины 12, контакты реле Т и М (правый) замкнутся и создадут замкнутую цепь для отключающей катушки 0К2 выключателя В2. ЛЭП ,П2 отключится, а Л1 будет продолжать работу. Сработавшая защита будет автоматически отключена блок-контактами БК, что предотвратит ложное срабатывание неповрежденной ЛЭП. На втором конце ЛЭП (на схеме не показано) установлена такая же защита.
Схема газовой защиты (рис. 80) работает следующим образом. При значительных повреждениях внутри трансформатора путем механического воздействия замыкается нижний контакт газового реле Г, через который подается кратковременное питание на обмотку 1 промежуточного реле П. Реле Я срабатывает, его контакты замыкаются, и через последовательно включенные с контактами обмотки 2 и 3 питание поступает на отключающие катушки OKI и ОК2 выключателей В1 и В2 для снятия напряжения одновременно с двух сторон трансформатора. При малых повреждениях замыкается верхний контакт реле Г, что приводит к подаче сигнала дежурному персоналу о неисправностях в трансформаторе.
Для персонала, обслуживающего средства релейной защиты, необходимо знать основные параметры реле: номинальные данные, указываемые на заводском щитке; величину срабатывания, т. величину, при которой происходит автоматическое изменение положения контактных групп реле (замыкающие контакты становятся замкнутыми, размыкающие — разомкнутыми), уставку — величину тока, напряжения и т. д., на которую отрегулировано данное реле; напряжение или ток втягивания — минимальные значения этих величин, при которых происходят притягивание подвижного якоря к неподвижному сердечнику под действием магнитного поля катушки; напряжение или ток отпадания — максимальные значения этих величин, при которых происходит полный отход якоря от сердечника; коэффициент возврата реле — отношение напряжения или тока отпадания к величине напряжения или тока втягивания; время срабатывания реле при втягивании — время, которое тратится в период подачи питания на катушку реле до замыкания или размыкания контактов; время срабатывания реле при отпадании — время, необходимое для изменения положения контактов после прекращения питания катушки реле.
В качестве быстродействующих исполнительных реле применяют максимальные реле тока серии РТ-40 девяти исполнений с различными диапазонами уставок от 0,05 до 200 А; реле напряжения РН-50, из которых реле РН-51 и РН-53 — максимальные реле напряжения, а РН-54 — минимальные реле напряжения. Уставки реле напряжения: РН-51 — от 0,7 до 32 В, РН-53 — от 15 до 400 В, РН-54 — от 12 до 320 В. Каждое из реле напряжения выпускается в трех исполнениях, Реле РН-51 применяют в цепях постоянного тока, а остальные — в цепях переменного тока.
В качестве индукционных с зависимой от тока выдержкой времени выпускают максимальные реле тока серии РТ-80 двенадцати исполнений и серии РТ-90 четырех исполнений. В зависимости от типа реле они рассчитаны на номинальный ток 5 или 10А и уставки срабатывания индукционного элемента от 2 до 5 или от 4 до 10А. Уставки времени срабатывания РТ-80 составляют от 0,5 до 16 с и РТ-90 — до 4 с. Кратность тока срабатывания отсечки колеблется от 2 до 8 по отношению к току срабатывания индукционного элемента. Главные контакты реле могут иметь нормальное или усиленное исполнение.
Рис. 81. Токовое реле серии РТ-40
Рис. 82, Токовое реле серии PT-80
Рассмотрим устройство некоторых реле защиты. Реле серии РТ-40 (рис. 81) состоит из неподвижного сердечника 1, выполненного в виде буквы П, с укрепленными на нем двумя токовыми катушками 2. В зависимости от величины токовой уставки катушки с помощью перемычек 3 могут соединяться параллельно или последовательно. В первом случае значения величин на шкале 8 удваиваются. Около сердечника на изоляционной планке расположены подвижный якорь 4 и контактный мостик 5, Неподвижные замыкающие контакты 6 находятся отдельно. Планка связана со спиральной пружиной 7, создающей противодействующий момент при движении якоря к сердечнику. Величина момента определяется указателем токовых уставок 9, расположенным на одной оси с пружиной. При возникшем к. з. за счет увеличения тока электромагнитный момент катушки станет больше противодействующего момента пружины, якорь притянется к сердечнику, изменив положение контактов. Реле РТ-40 имеют по одному размыкающему и замыкающему контакту. Все элементы реле помещены в прозрачный полистирольный кожух, скрепляемый с пластмассовым поколем реле пружинными замками.
Аналогичное устройство имеют реле напряжения серии РН-50, но в них применены обмотки напряжения, а не тока.
Реле серии РТ-80 (рис. 82) состоит из трех основных элементов: индукционного с зависящей от тока выдержкой времени, электромагнитного мгновенного действия (отсечки) и указательного, сигнализирующего о срабатывании отсечки. Индукционная часть реле состоит из электромагнита I с короткозамкнутыми витками 2 и алюминиевого диска 3. Диск вращается на оси, укрепленной в подпятниках на подвижной рамке 4 (коромысле), которая допускает поворот на некоторый угол. При нормальном режиме работы подвижная рамка оттянута пружиной 5 таким образом, что зубчатый сектор 7 не может войти в соприкосновение с червяком, расположенным на оси диска. Зубчатый сектор, выполненный заодно с опорой 8, может перемещаться по вертикали. Электромагнитная часть состоит из неуравновешенного коромысла 10, укрепленного на ответвлении магнитопровода 18. Левая половина коромысла с фигурным рычагом 9 тяжелее правой и при нормальном режиме опущена вниз. Регулировочный винт 16 позволяет изменять соотношение воздушных зазоров у плеч якоря и тем самым регулировать ток срабатывания отсечки. На винте 16 нанесена шкала уставок кратности тока срабатывания отсечки к току срабатывания индукционного элемента.
Свое вращение диск начинает при токе, составляющем 20— 30 % от тока срабатывания. При вращении на него действуют силы, создаваемые электромагнитом 1 и постоянным магнитом 6. Эти силы стремятся произвести соединение червяка с зубчатым сектором. Соединение происходит, если ток реле станет равен току срабатывания. Зубчатый сектор начнет подниматься по червяку и своим хвостовиком воздействует на рычаг якоря отсечки; правая часть якоря соединится с электромагнитом /, а левая часть рычагом 9 замкнет контакты 12. Надежное сцепление червячной передачи обеспечивается стальной пластиной И. Подгибанием этой пластины регулируется коэффициент возврата реле. Секционированная катушка реле 19 имеет семь отпаек, выведенных на контактную колодку 15, а уставка тока срабатывания производится винтами 21. Уставка времени срабатывания регулируется винтом 13 путем перемещения рычага 20. Чем выше поднят рычаг, тем меньший путь проходит зубчатый сектор и, следовательно, меньше время срабатывания. Натяжение пружины 5 регулируется винтом 22, а угол поворота подвижной рамки осуществляется упорным винтом 17 и регулировочной гайкой 14.
