Релейная защита и автоматика в электроустановках

1.   Основные понятия РЗ (РЗ и А)

• Оперативный ток
• Основные и вспомогательные реле.
• Виды защиты.
• Современные устройства и аппараты защиты.
• Защита отдельных установок.
• Автоматика в системах электроснабжения.

Основные понятия релейной защиты (Р З).  РЗ – называют специальные средства и устройства для защиты, выполняемые с помощью реле, процессоров, блоков и других. аппаратов, и предназначенные для отключения силовых выключателей при напряжении свыше 1000 В или автоматических выключателей при напряжении до  1000 В. Более часто термин РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА используется в установках и сетях высокого напряжения. К системам автоматики в настоящей работе отнесены устройства АПВ,  АВР, АЧР, АРТ.

      Р.З. – основное средство защиты линий, трансформаторов, генераторов, двигателей  от аварийных и ненормальных режимов.
         Требования к РЗ.  К релейной защите предъявляются следующие требования:
-селективность (избирательность), т.е. способность защиты самостоятельно определять поврежденный участок сети и отключать только этот участок,
-быстродействие,
-надежность действия,
-чувствительность (т.е. способность отключать поврежденные участки на начальной стадии повреждения)
-простота схемы.
         Контролируемые параметры Р.З. Устройства РЗ могут контролировать следующие параметры: ток, напряжение, мощность, температуру, время,  направление и скорость изменения контролируемой величины.
        Функции релейной защиты. Устройства РЗ могут выполнять следующие функции:

• защита от К.З междуфазных,
• защита от замыканий на землю, в т. ч. 2х-3х и однофазных
• защита от минимального напряжения;
• защита от внутренних повреждений в обмотках двигателей, генераторов и трансформаторов.
• защита от асинхронного режима работы синхронных двигателей.
• защита от обрывов в роторной цепи мощных двигателей.
• защита от затянувшегося пуска
• дифференциальная защита (продольная и поперечная) крупных машин и линий.

        Оперативный ток. Оперативный ток предназначен  для питания цепей управления, защиты, сигнализации и т.п. Оперативным током питаются приводы всех коммутационных аппаратов подстанций. Оперативный ток может быть переменным и постоянным, величина напряжения обычно составляет 110-220 В. Оперативный ток на ответственных подстанциях и установках должен быть всегда, даже при потере питания главных цепей, поэтому оперативный ток должен  иметь независимые источники питания, в качестве которых могут использоваться: аккумуляторные установки, выпрямители, генераторы, специальные блоки питания.
         Элементная база РЗ. В качестве основных элементов релейной защиты применяются реле, в том числе электромагнитного или других принципов действия, а также полупроводниковые и микроэлектронные приборы и блоки.

        Основные  реле.  В схемах РЗиА применяется много типов различных реле, а в последние годы - специальных блоков и процессоров, объединяемых в локальную компьютерную сеть. В качестве основных применяются реле тока, напряжения, мощности, частоты, дифференциальные реле и блоки дифференциальной защиты.   

Реле тока.  Наиболее часто используются электромагнитные реле РТ -40 и индукционные  типа  РТ-80. Это высокочувствительные устройства, реагирующие на изменение тока, и могут защищать от перегрузок и от КЗ.

• Подвижный контакт

2-    якорь

• сердечник
• перемычка
• обмотка 
• контактная часть
• пружина
• шкала уставок
• регулятор уставки срабатывания 

10-гаситель вибрации

Рисунок 1 - Конструкция реле тока РТ-40.

               Реле РТ-40 - электромагнитное, имеет два сердечника и две обмотки, которые можно включать параллельно или последовательно для удвоения показателей шкалы. Уставка срабатывания регулируется поворотом указателя 9 (изменением натяжения пружины). Пределы уставок у различных модификаций реле этой серии - от 0,5 до 200 А, что позволяет их использовать с различными трансформаторами тока. Выпускаются также реле тока серии ЭТ-520 и другие.
Пример характеристики реле тока:          РТ-40/0,2;  Iсраб. 0,05¸0,1А (последовательное соединение ), и 0,1¸0,2А (параллельное соединение),  Iном.    от 0,4 А  до      10 А

Рисунок 2 – Схема устройства реле РТ-80 и характеристика срабатывания реле
      


Рисунок 3 – Общий вид реле тока РТ-80 (90).

     Реле РТ-80 (РТ-90) – реле тока индукционного типа, имеет два независимых элемента- электромагнитный (мгновенного действия) и индукционный (работающий с выдержкой времени). Такая конструкция позволяет применять их в схемах с зависимой и независимой от тока характеристикой срабатывания. Ток срабатывания индукционного элемента-2-10 А, время срабатывания - 0,5-16 с. При токах от 2 до 3-5 номинальных реле работает с выдержкой времени, с зависимым от тока временем срабатывания, при токах более 5- -7 номинальных у реле срабатывает электромагнитный элемент, без выдержки времени, т.е. мгновенно.
       Реле напряжения.  Электромагнитные высокочувствительные реле без выдержки времени, применяются для контроля  величины напряжения. Выпускается единая серия РН-50. Они бывают минимального (РН-54) и максимального напряжения (РН-51, -53, -58), для постоянного и для переменного тока. По принципу действия они аналогичны РТ-40, однако имеют значительно больше витков в обмотках. Диапазон уставок напряжения этих реле от 0,7 до 200 В или 400 В у разных серий.

Дифференциальные реле. Высокочувствительные быстродействующие реле. Выпускаются серии РБМ - реле мощности быстродействующее, и РНТ – реле направленного тока. Применяют для дифференциальной защиты трансформаторов, генераторов и других мощных машин. Эти реле – быстродействующие и используют быстронасыщающийся трансформатор БНТ.

     Дифференциальные реле применяют для защиты трансформаторов, генераторов, линий. Типы реле:   РНТ-565,  РБМ-170 (270) и др.

      Реле РНТ-565-реле направленного тока (рис. 5) (реле электромагнитное токовое дифференциальное). Состоит из корпуса в котором находятся: реле РТ-40, быстронасыщающийся трансформатор БНТ и резисторы Rк и Rв. Реле имеет обмотки:  Р- рабочая обмотка,  В –вторичная обмотка,   К1, К2 – короткозамкнутые обмотки,  У1, У2–уравнительные обмотки
      Настройка реле производится с помощью резисторов Rв и Rк. При этом добиваются, чтобы при включении  реле оно   становилось нечувствительным к токам намагничивания (к помехам) и к токам небаланса, возникающим в начальный момент КЗ. Это позволяет повысить чувствительность защиты. Все обмотки имеют отдельные выводы (гнезда) для   регулирования и настройки.
        Дифференциальное реле мощности РБМ используется для контроля изменения направления тока в устройствах направленной токовой защиты. Принцип его действия следующий.

• магнитопровод, 2- обмотка, включенная последовательно нагрузке, 3- обмотка , включенная параллельно( в цепи напряжения), 4- неподвижный стальной сердечник, 5- алюминиевый ротор,6- подвижные контакты

Рисунок  5 - Устройство и принцип действия реле мощности РБМ

При отклонении от нормального (расчетного) режима магнитные потоки Фт и Фн,  создаваемые обмотками тока и напряжения, проходят по магнитопроводу и через сердечник 4 индуцируют в роторе 5 вихревые токи, в результате чего ротор поворачивается на определенный угол. При повороте ротора замыкаются контакты 6. Реле срабатывает только тогда, когда в обмотках 2 или 3 изменяется направление тока.
     Вспомогательные реле. Используются для выполнения вспомогателных функций: задержки, размножения сигнала, усиления, сигнализации, контроля положения коммутационных аппаратов. Это – реле времени, промежуточные, сигнальные и другие. Примеры вспомогательных реле: времени РВ-, ЭВ- и др., промежуточные РП-231,232,241,                   -указательные РУ-21, РЭУ, РС.

Виды защиты электрических сетей и установок

       Все основные реле, применяемые в схемах РЗ, включаются через трансформаторы тока или напряжения, поэтому для их питания используются схемы включения вторичных реле. Реле могут действовать на привод силового выключателя непосредственно ( прямое воздействие), или через электромагнит отключения (косвенное воздействие). Реле и блоки могут включаться в одну, в две или в три фазы. Защита может срабатывать без выдержки и выдержкой времени. Питание основных реле в основном производится на переменном токе.  
       В электроустановках и сетях высокого напряжения применяются следующие виды защиты: МТЗ, отсечка, дифференциальная токовая защита, защита минимального и максимального напряжения, нулевая защита, земляная защита и другие.

      МТЗ - максимальная токовая защита - защита от перегрузок и коротких замыканий. Она может действовать мгновенно или с выдержкой времени. Применяется для защиты электродвигателей; трансформаторов, воздушных и кабельных ЛЭП. Использует  реле РТ-40 или Т-80. Защита может выполняться на одном, на двух или на трех реле, которые соответст
венно включаются в одну, в две, или в три фазы.

Рисунок 6 – Первичное и вторичное реле, прямое воздействие на привод  выключателя

Рисунок  7 - Схема включения с косвенным воздействием на привод выключателя и общий вид реле РТ-40

                 На следующем рисунке  показаны некоторые схемы включения реле тока: схема а – первичное реле и прямое воздействие на механизм свободного расцепления (МСР) силового выключателя; схема б – вторичное реле и прямое  воздействие реле тока на МСР выключателя; схема в – вторичное реле и косвенное воздействие на привод силового выключателя, постоянный оперативный ток.
Применяются также схемы с независимой от тока характеристикой срабатывания, тогда при срабатывании любого реле оперативный ток подается на обмотку реле времени, которое в свою очередь с выдержкой времени (см. рис.   ) замыкает свой контакт в цепи электромагнита отключения привода выключателя и указательного реле.  Выключатель отключается, сигнальное реле  КН также срабатывает и выбрасывает флажок (блинкер).
       Существуют и другие схемы - с промежуточными реле на переменном о постоянном оперативном токе и с зависимой характеристикой времени срабатывания.

Рисунок 8 – Схемы действия реле тока
Выбор уставок токов срабатывания МТЗ.
Условия выбора:

• Защита не должна срабатывать при прохождении максимального рабочего тока нагрузки (при пиковых  нагрузках), в том числе защита не должна срабатывать при пуске мощных двигателей,
• Защита должна гарантированно срабатывать на защищаемом участке при КЗ и иметь коэффициент чувствительности КЧ в конце участка не менее 1,5.

     У ячеек КРУВ (КРУРН) имеется шкала уставок МТЗ в приводе ячейки. На шкале есть шесть делений, которые соответствуют 100%; 140%; 160%;200%; 250%; 300% номинального тока ячейки. Так, для ячейки с IНОМ=50А эти деления соответствуют токам: 50А; 70А; 80А; 100А; 125А; 150А. Если необходим ток уставки , то следует выбрать шестую ступень с Iy=150A.
.    Для всех типов КРУ.
     Ток срабатывания защиты в первичной цепи  можно определить с учетом IНОМ.MAX тока нагрузки в номинальном режиме (например – режим пуска): КЗ = 1,1 – 1,25 - коэффициент запаса:,  КС.З.= 2 - 3 - коэффициент самозапуска электродвигателей (после кратковременного отключения);   КВЗВ=0,8-0,85 -коэффициент возврата реле

      Ток уставки реле ( во вторичной цепи) можно определить, если разделить IУ1 на коэффициент трансформации трансформатора тока КТТ.

Если нет никаких данных для расчета токов уставки (срабатывания защиты), то можно ориентировочно принимать для первичной цепи  .

Токовая отсечка.     
      Это МТЗ, выполненная с мгновенным действием или с выдержкой времени. Токовая отсечка (ТО) обычно защищает часть линии, поэтому применяется как дополнительная защита,что дает возможность ускорить отключение повреждений при небольших КЗ. При сочетании ТО с МТЗ получается ступенчатая по времени защита. При этом первая ступень(отсечка) действует мгновенно, а последующие – с выдержкой времени. Выполняется на базе реле тока.
Дифференциальная защита.

         Основана на принципе сравнения токов в начале и в конце защищаемого участка, например трансформатора или мощного двигателя. Применяется в сочетании с другими видами защиты электроустановок:
-     от внутренних повреждений

• от сверх токов – при внешних К.З.
• от перегрузки
• газовой (при мощности трансформаторов S ³ 6300 кВА – на открытом воздухе, и более   400 кВА – внутри помещений).
• 

Дифференциальная защита может быть продольной и поперечной.

Продольная дифференциальная  защита.

Участок между трансформаторами тока ТА1 и ТА2 является защищаемой зоной. Если ТА1 и ТА2 имеют одинаковые характеристики, то токи во вторичных цепях ТА1 и ТА 2 будут одинаковы как при нормальном режиме, так и при коротком замыкании в точке К1 (за пределами  защищаемой зоны) . Обмотки их включены встречно, поэтому разность токов I1 –I2 = 0, поэтому тока в обмотке реле КА не будет и оно не сработает. При К3 внутри защищаемой зоны в точке К2 по обмотке реле КА пройдет ток I1 –I2 ≠ 0 и реле сработает, и выдает импульс на отключение силового выключателя. Дифференциальная защита надежна, высокочувствительна, быстро действует, т.к. отключается только поврежденный участок. К недостаткам относятся следующее: не обеспечивает отключение при внешних К3; требуется устанавливать автотрансформатор АТ для уравнивания тока небаланса (т.к. у трансформаторов  тока разные коэффициенты трансформации). Работает на базе реле РНТ – 565 с быстронасыщаюмся трансформаторами.
Поперечная  дифференцированная защита.
        
Применяется для защиты параллельных линий, подключенных к линиям подстанции через общий выключатель. Здесь вторичные обмотки трансформаторов  тока подключают встречно, т.е. на разность токов. Используют реле и включабт токовое реле РТ-40 или ЭТ=521 мгновенного действия). Ток, протекающий по реле равен разности токов, т.к. реле включены встречно: Iр.= I1- I2 т.е. разности токов вторичных обмоток транформаторов тока. При нормальной работе Iр=0 или очень мал (т.н. ток небаланса) и реле отстраивается так, чтобы ток был недостаточен для срабатывания. Если на одной из линий будет короткое замыкание, то в обмотке одного из трансформаторов тока ток будет больше, чем у другого и в результате разность токов будет большая и реле сработает и даст импульс на отключение силового выключателя.
Защита минимального и максимального напряжения

       Предназначена для защиты электроустановок от увеличения или от уменьшения напряжения. Для этой цели используются специальные высокочувствительные реле напряжения серии РН –50. Они выпускаются для переменного и постоянного тока. Реле напряжения серии РН-50 выпускаются для контроля максимального напряжения (РН-51; РН-53; РН-58) и для контроля минимального напряжения (РН-54). Они срабатывают при повышении или снижении напряжения по отношению к заданной величине.
Таблица 4 - Характеристика реле РН-51(для постоянного тока)

       Реле напряжения включаются через трансформатор напряжения с контролем одной, двух или трех фаз. При уменьшении напряжения в сети до величины уставки реле последнее срабатывает с воздействием на электромагнит отключения силового выключателя.
Рисунок 9 - Схема работы защиты минимального напряжения и общий вид реле РН-51
Таблица 5 - Характеристика реле РН-53 и РН-58

Таблица 6 - Характеристика реле РН-54

Защита от замыканий на землю.
         Применяется в сетях напряжением 6¸35 кВ, а они в основном с изолированной нейтралью, с малыми токами замыкания на землю. В таких сетях однофазные замыкания на землю непосредственной опасности не представляют, пока 1-фазное замыкание не перейдет в 2-х фазное и станет опасным для оборудования и персонала.
         Существует много схем и способов защиты от замыканий на землю в т.ч. и в карьерных сетях. Принцип их действия основан на применении токовых и направленных устройств, реагирующих на ток, напряжение  или мощность нулевой последовательности. Далее этот сигнал передается на устройства, реагирующее на величину  нулевой последовательности и действующее на отключение источника. Измерительными  органами таких схем являются высокочувствительные реле и блоки: РТЗ-50; -51;       РТ-40/02;      ЭТД-551, РЗН-3 – реле направленной защиты, ЗЗП-1М  - реле мощности.

В качестве датчиков сигналов нулевой последовательности промышленность выпускает трансформаторы тока нулевой последовательности T3,  T3P, ТЗЛ,  ТФ,  ТТНП-2 и

Рисунок 10 -  Трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП).

Эти трансформаторы тока предназначены для установки их на кабельных линиях или кабельных вставках. В качестве реагирующих органов токовой защиты применяют реле РТ-40/0,2, РТЗ-50, РТЗ-51, ЭТД-551 и другие, в том числе электронные блоки и процессоры. Так, находят применение датчики тока CSH-120 и CSH-200, компании SCHNEIDER, работающие совместно с цифровыми системами защиты.

Рисунок 11 – Общий вид современных датчиков тока и напряжения фирмы Щшейдер-Электрик

 Блок Sepam-2000

 Рисунок 12 – Снятие характеристик с помощью выносного пульта

Рисунок 13  - Общий вид ячеек МС-set с встроенными системами защиты Sepam и разрез ячейки с выключателем .

        Современные системы защиты зарубежных производителей.   В настоящее время находят применение современные средства и системы защиты на базе микропроцессорной техники. Достоинством таких систем является надежность, быстродействие, возможность автоматического регулирования уставок срабатывания в связи с изменяющимися параметрами сети.  Использование цифровых технологий обеспечивает постоянную готовность к работе, простоту управления и исключение ошибок персонала, безопасность, а также, несмотря на большие капитальные затраты, приводит к снижению эксплуатационных затрат. Так, оборудование  фирмы Шнейдер Электрик  позволяет устанавливать все необходимые виды защит с помощью блоков серии Sepam, в том числе модели 100, 1000,и 2000.

Рисунок 14 – Схема работы реле земляной защиты

Опыт эксплуатации направленных устройств защиты от замыканий на землю в распределительных сетях карьеров показывает, что имеющиеся средства пока не отвечают требованиям эксплуатации электрических сетей. Имеются 10 – 20 процентов ложных случаев срабатывания, так как расположение, длина карьерных сетей постоянно изменяются и возникают переходные процессы при работе большого количества  электрических машин. В настоящее время в  сетях карьеров применяются реле типа УАКИ, а также проходят испытания различные устройства, использующие новые системы и элементную базу, например:  УСЗС- устройство защиты от токов утечки,  УСЗ-2;3;3М – работают на принципе сравнения токов высших гармоник, ИЗС – импульсная защита направленная - использует принцип контроля направления электромагнитных волн фаза-земля (волна распространяется от места повреждения). Большинство из них используют ток небаланса, учитываемый трансформаторами нулевой последовательности. Реле РТЗ-51 разработано и выпускается промышленностью взамен реле РТЗ-50 и обладает более стабильными эксплуатационными харак­теристиками.

Реле предназначено для использования совместно с трансформаторами тока нулевой последовательности в качестве органа, реагирующего на ток нулевой последовательности в схемах защит от замыканий на землю генераторов, двигателей и линий с малыми токами замыкания на землю и в других схемах устройств релейной защиты.

Газовая защита.

Выполняется для защиты маслонаполненных трансформаторов от внутренних повреждений (межвитковых КЗ). При К.З. внутри трансформатора начинается усиленное газовыделение и резкое повышение давления, что может привести к выходу из строя трансформатора, в том числе к его разрушению.  Газы при этом направляются через реле, установленные в

Рисунок 15 – Схема работы газовой защиты

трубопроводе, соединяющем бак трансформатора с расширителем. Под давлением газа или
потока масла  поворачивается чувствительный элемент газового реле и происходит замыкание контактов, далее работает штатная схема с действием на отключение трансформатора. В реле ПГ-22 чувствительным элементом является поплавок. В реле типа РГЗ-61 имеется колба с контактами и ртутью. При повороте колбы контакты замыкаются.
В реле типа РГЧ3 имеется чашечка с лопастью, которая поворачивается от движения потока газа или масла.
Газовая защита обязательна:

• для трансформаторов мощностью  S более 6300 кВА,
• для трансформаторов мощностью 400 и более  кВА внутри цехов;
• Для трансформаторов мощностью от 1000¸4000 кВА обязательна при отсутствии дифференциальной защиты или МТЗ.

Рисунок 16 – Комплект аппаратуры защиты Sepam

Защита отдельных линий, установок и машин.

        Все установки, сети, машины высокого напряжения должны быть обеспечены соответствующими видами защиты, которые выбираются и устанавливаются в соответствии с требованиями ПУЭ.    
Рисунок 17 -  Вид сборки из реле времени, тока, напряжения, земляной защиты и сигнальных реле.

Защита мощных электродвигателей.

 Виды защиты выбираются в зависимости от мощности двигателя.

При мощности до 2000 кВт должны быть:

• Максимальная защита от КЗ на шпильках
• Защита от замыканий на землю (корпус)

-    МТЗ от перегрузок, в т.ч. затянувшегося пуска

• Защита от потери питания (минимальная, нулевая)
• Защита от асинхронного режима  при Р до 2000 кВт;

Дополнительно при мощности Рот 2000 до 5000 кВт:
-    Отсечка с контролем 1 фазы
Дополнительно при мощности более 5000 кВт
-    Отсечка  в 2х фазах и  продольная дифференциальная защита.
Защита КЛ и ВЛ
При напряжении от 6 до 35 кВ:
-     от КЗ -  максимальная токовая защита, отсечка без выдержки времени

• от замыканий  на землю – земляная с действием на сигнал или на отключение с выдержкой времени
• от перегрузок МТЗ с зависимой характеристикой срабатывания
• Дифференциальная  поперечная  с действием  на отключение

Защита трансформаторов ГПП и  КТП напряжением выше 6 кВ. Выбирается в  зависимости от мощности трансформатора и его типа.

• от КЗ в обмотках и выводах
• от замыканий на землю в обмотках и выводах
• от витковых замыканий в обмотках
• от внешних КЗ
• от перегрева магнитопровода и масла
• от повышения давления
• от перегрузок
• от снижения уровня масла

Наиболее часто применяются следующие виды защиты:

• Продольная дифференциальная мгновенного действия на базе реле РНТ или блоков ДЗТ )
• Отсечка (если нет ДЗ)
• МТЗ трехфазная, двух- или трехрелейная на базе реле РТ-40 или РТ-80
• Газовая на сигнал или отключение.
• Земляная  на базе реле РТЗ-51 или аналогичного.

Защита конденсаторных установок при напряжении 6 – 10 кВ.

    Конденсаторные установки напряжением 6 – 10 кВ должны иметь защиту от перегрузок, коротких замыканий, перенапряжения, от замыканий на землю. При этом используются реле тока, реле напряжения и специальные блоки.

• От  2-х и 3-х фазных КЗ  -  отсечка мгновенного действия на двух реле  РТ-40
• От перегрузок более 130 % номинальных – МТЗ на трех реле РТ-80
• От повышения напряжения более 110 % номинального защита от максимального напряжения на реле РН – 50 с выдержкой времени 3 ¸5 мин.
• От замыканий на землю – земляная защита на базе реле РТЗ – 51 или аналогичных.

Рисунок 18 – Схема релейной защиты конденсаторной установки