Релейная защита в системах электроснабжения напряжением 0,38-110 кВ


A. M. Ершов







РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,38-110 кВ

Учебное пособие для практических расчётов


Второе издание, переработанное












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.316.925.1
ББК31.27-05
    Е80









      Ершов, А. М.
Е80 Релейная защита в системах электроснабжения напряжением 0,38-110 кВ : учебное пособие для практических расчётов / А. М. Ершов. -2-е изд., перераб. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 608 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-0511-9


    Рассмотрены назначение релейной защиты систем электроснабжения, её элементы, функциональные части. Приведены примеры расчёта токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением 0,38-6-10-110 кВ, а также принципы построения электрических сетей и режимы нейтрали.
    Для специалистов проектных организаций, инженерно-технических работников электросетевых предприятий, преподавателей и студентов высших учебных заведений электроэнергетического профиля. Может служить практическим пособием при выполнении расчётов параметров защит при проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства.

УДК 621.316.925.1
ББК31.27-05









ISBN 978-5-9729-0511-9

© Ершов А. М., 2020
       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................. 12
1. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ................... 14
  1.1. Назначение релейной защиты............................ 14
  1.2. Элементы, функциональные части и органы устройств релейной защиты.................................. 19
2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
И РЕЖИМЫ НЕЙТРАЛИ............................................ 23
  2.1. Принципы построения электрических сетей............... 23
  2.2. Режимы нейтрали электрических сетей................... 29
    2.2.1. Пять способов заземления нейтрали................. 29
    2.2.2. Критерии выбора режима нейтрали................... 30
    2.2.3. Электрическая сеть с изолированной нейтралью...... 32
    2.2.4. Электрическая сеть с резистивным заземлением нейтрали. 34
    2.2.5. Электрическая сеть с компенсированной нейтралью... 36
    2.2.6. Электрическая сеть с глухо заземленной нейтралью.. 37
    2.2.7. Электрическая сеть с эффективно заземленной нейтралью. 39
    2.2.8. Заключение........................................ 39
3. ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.................................. 41
  3.1. Виды коротких замыканий............................... 41
  3.2. Короткие замыкания на выводах низшего напряжения понижающего трансформатора................................. 45
4. РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,38-6-10-110 кВ........................... 56
  4.1. Особенности расчетов токов короткого замыкания для релейной защиты в электрических сетях напряжением выше 1кВ.......... 56
    4.1.1. Схемы замещения трансформаторов................... 57
    4.1.2. Особенности определения сопротивления трансформатора с РПН..................................... 59
    4.1.3. Расчеты токов трехфазного короткого замыкания..... 60
  4.2. Пример расчёта токов КЗ в электрических сетях напряжением выше 1кВ................................................... 61
    4.2.1. Исходные данные................................... 62
    4.2.2. Расчет сопротивлений элементов схемы замещения.... 64
    4.2.3. Расчет токов КЗ в максимальном режиме............. 67
    4.2.4. Расчет токов КЗ в минимальном режиме.............. 68
  4.3. Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением до 1 кВ........................................ 70

3

    4.3.1. Особенности расчётов трёхфазного и однофазного КЗ за трансформатором 6-10/0,4 кВ............................ 70
    4.3.2. Основные положения расчёта токов трёхфазного КЗ методом симметричных составляющих................................. 71
    4.3.3. Расчёт сопротивлений различных элементов системы электроснабжения.......................................... 74
    4.3.4. Пример расчёта токов трёхфазного КЗ в электрической сети напряжением до 1 кВ....................................... 78
    4.3.5. Расчёт токов однофазного КЗ в сетях до 1 кВ методом симметричных составляющих................................. 84
    4.3.6. Пример расчёта токов однофазного КЗ................ 86
    4.3.7. Расчёт токов однофазного КЗ методом «петли фаза - нуль». 89
5. ИСТОЧНИКИ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА................................ 91
  5.1. Источники оперативного тока на распределительных подстанциях............................ 91
  5.2. Постоянный оперативный ток............................. 91
  5.3. Переменный оперативный ток............................. 93
    5.3.1. Схемы с дешунтированием электромагнитов управления...... 93
    5.3.2. Предварительно заряженные конденсаторы и зарядные устройства.......................................... 95
    5.3.3. Схемы питания оперативных цепей на выпрямленном токе.... 97
6. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА....................................... 100
  6.1. Общие сведения........................................ 100
  6.2. Схемы соединения трансформаторов тока и цепей тока измерительных органов...................................... 103
    6.2.1. Общие положения................................... 103
    6.2.2. Схема соединения трансформаторов тока и измерительных органоввполнуюзвезду..................................... 105
    6.2.3. Схема соединения трансформаторов тока и измерительных органоввнеполнуюзвезду................................... 108
    6.2.4. Схема соединения трансформаторов тока в полный треугольник, измерительных органов - в полную звезду..... 110
    6.2.5. Схема с двумя трансформаторами тока и одним измерительным органом, включенным на разность токов двух фаз........... 112
    6.2.6. Трёхтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности....................................... 113
    6.2.7. Однотрансформаторный первичный фильтр токов нулевой последовательности............................... 114

4

    6.2.8. Последовательное и параллельное соединение трансформаторов тока...................................... 115
    6.2.9. Датчики фазного тока............................... 115
  6.3. Оценка чувствительности устройства защиты.............. 118
    6.3.1. Коэффициентчувствительностизащиты.................. 118
    6.3.2. Оценка чувствительности защиты линии электропередачи... 121
    6.3.3. Оценка чувствительности защиты силовыхтрансформаторов напряжением35-110-220/6-10кВ....... 124
    6.3.4. Оценка чувствительности защиты силовых трансформаторов напряжением 6-10/0,4 кВ................................... 126
    6.3.5. Области применения разных схем соединения ТТ и ИО...... 132
  6.4. Выбор трансформаторов тока и определение их допустимой нагрузки в схемах релейной защиты........................... 132
7. ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ.................................. 138
8. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯМИ.................... 144
  8.1. Общие положения........................................ 144
  8.2. Концепция построения защиты электрических сетей........ 145
    8.2.1. Токовые нагрузки................................... 145
    8.2.2. Принцип защиты от токовых перегрузок............... 149
    8.2.3. Согласование параметров СЭС и релейной защиты...... 151
  8.3. Виды повреждений электрических сетей напряжением до 1 кВ и требования ПУЭ к релейной защите этих сетей............... 153
  8.4. Характеристики плавких предохранителей................. 154
  8.5. Условия выбора плавких вставок......................... 157
  8.6. Проверка селективности................................. 160
  8.7. Токоограничивающая способность плавких предохранителей..... 163
  8.8. Параметры предохранителей.............................. 165
    8.8.1. Предохранители напряжением 380 В................... 165
    8.8.2. Предохранители напряжением 6-10 кВ................. 166
  8.9. Достоинства и недостатки плавких предохранителей....... 167
9. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В АВТОМАТИЧЕСКИМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ................................. 170
  9.1. Защитные характеристики автоматических выключателей........ 170
  9.2. Трёхступенчатая токовая защита автоматического выключателя. 171
  9.3. Выборвыключателя....................................... 173
  9.4. Расчёт уставок защиты линии............................ 173
  9.5. Расчёт уставок защиты электродвигателей................ 180
  9.6. Защита распределительного устройства напряжением 0,4 кВ трансформаторной подстанции 6-10/0,4 кВ..................... 182

5

    9.6.1. Характеристики трансформаторной подстанции......... 182
    9.6.2. Расчёт уставок защиты вводных и секционного выключателей 0,4 кВ трансформаторной подстанции 6-10/0,4 кВ............ 185
    9.6.3. Особенности работы ТП с двумя вводными и двумя
    секционными автоматическими выключателями на стороне низшего напряжения............................. 188
  9.7. Защита от однофазных замыканий на землю в электрической сети напряжениемдо 1кВ........................................... 191
    9.7.1. Защита, использующая измерение разностного тока.... 192
    9.7.2. Защита, использующая возврат тока по заземлителю.... 193
    9.7.3. Защита, использующая ток нулевой последовательности. 194
    9.7.4. Устройство защитного отключения.................... 195
    9.7.5. Применение устройств защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях напряжением 380 В.......... 199
  9.8. Токоограничение автоматических выключателей............ 201
10. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО1кВ ... 205
  10.1. Структура системы электроснабжения напряжением до 1 кВ. 205
  10.2. Автоматические выключатели компании Schneider Electric. 207
    10.2.1. Автоматические выключатели серии Masterpact....... 207
    10.2.2. Автоматические выключатели серии Compact.......... 210
    10.2.3. Автоматические выключатели серии Acti 9........... 213
  10.3. Устройства защиты, устанавливаемые в автоматические выключатели................................................. 216
    10.3.1. Магнитотермические расцепители выключателей серии Acti 9................................. 216
    10.3.2. Расцепители выключателей серии CompactNS.......... 218
    10.3.3. Электронные расцепители Micrologic, устанавливаемые
    в выключатели серий Compact NS, Masterpact NT и NW........ 226
    10.3.4. Расцепители выключателей серии CompactNSX......... 234
  10.4. Автоматические выключатели отечественного производства. 236
  10.5. Дифференциальные выключатели.......................... 243
  10.6. Селективность защит автоматических выключателей....... 246
    10.6.1. Виды селективности................................ 246
    10.6.2. Принцип каскадного отключения..................... 249
    10.6.3. Правила селективности для выключателей от 1 до 6300 А компании Schneider Electric............................... 250
11. ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО1кВ............................................. 253
  11.1. Общие положения....................................... 253

6

  11.2. Понятие «Организация защиты»........................... 254
  11.3. Расчёты защиты электрической сети напряжением 380 В с помощью плавких предохранителей............................ 254
    11.3.1. Расчёт защиты одиночного электродвигателя.......... 254
    11.3.2. Расчёт защиты радиально-ступенчатой схемы электроснабжения........................................... 257
  11.4. Расчёты защиты электрической сети напряжением 380 В с помощью автоматических выключателей........................ 265
    11.4.1. Методика определения параметров характерных точек каталожной ВТХ отечественных автоматических выключателей... 265
    11.4.2. Расчёт защиты одиночного электродвигателя.......... 266
    11.4.3. Характерные точки каталожных ВТХ электронных расцепителей автоматических выключателей компании
    Schneider Electric......................................... 270
    11.4.4. Расчёт защиты радиально-ступенчатой схемы..........
    электроснабжения с помощью автоматических выключателей..... 272
  11.5. Расчёт защиты трансформаторной подстанции напряжением 6-10/0,4 кВ с помощью автоматических выключателей............ 283
    11.5.1. Общие положения.................................... 283
    11.5.2. Расчёт защиты отходящих от ТП линий................ 284
    11.5.3. Расчёт защиты секционного автоматического выключателя ТП............................................. 287
    11.5.4. Расчёт защиты вводных автоматических выключателей ТП .... 292
    11.5.5. Расчёт защиты ТП с двумя вводными и двумя секционными автоматическими выключателями.............................. 301
    11.5.6. Расчёт защиты схемы электроснабжения усадьбы....... 305
12. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1кВ........................................... 310
  12.1.Общиеположения.......................................... 310
  12.2. Функции защит.......................................... 311
  12.3. Селективность.......................................... 314
    12.3.1. Временная селективность............................ 314
    12.3.2. Токовая селективность.............................. 317
    12.3.3. Логическая селективность........................... 319
    12.3.4. Селективность с помощью направленной защиты........ 320
    12.3.5. Селективность с помощью дифференциальной защиты.... 321
    12.3.6. Комбинированная селективность...................... 323
13. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА НА ОСНОВЕ УСТРОЙСТВ КОМПАНИИ SCHNEIDER ELECTRIC.......................... 330

7

  13.1. Защита трансформаторов напряжением 6-10/0,4 кВ выключателями нагрузки с плавкими предохранителями........... 330
  13.2. Микропроцессорные устройства защиты компании SchneiderElectric............................................ 331
    13.2.1. Реле защиты типа VIP30 и VIP35 .................... 331
    13.2.2. Реле защиты типа VIP300 ........................... 336
    13.2.3. Общая информация об устройствах защиты Sepam....... 335
    13.2.4. Устройства защиты Sepam серии 10................... 338
    13.2.5. Устройства защиты Sepam серии 20 и 40 ............. 339
    13.2.6. Устройства защиты Sepam серии 80 .................. 345
  13.3. Подключение базового блока............................. 348
  13.4. Ввод в эксплуатацию.................................... 354
  13.5. Расчёт обратно зависимых время-токовых характеристик
  с помощью устройств Sepam.................................... 360
    13.5.1. Общие положения.................................... 360
    13.5.2. Типы обратно зависимых время-токовых характеристик устройств Sepam............................................ 361
    13.5.3. Аналитический метод расчёта обратно зависимых время-токовых характеристик................................ 363
    13.5.4. Графическое построение обратно зависимых время-токовых характеристик.............................................. 366
14. ЗАЩИТА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10-20/0,4кВ.................................................. 369
  14.1. Виды повреждений силовых трансформаторов............... 369
  14.2. Общая характеристика релейной защиты силовых трансформаторов напряжением 6-10-20/0,4 кВ................... 371
  14.3. Расчёт защиты трансформаторов напряжений 6-10-20/0,4 кВ. 374
  14.4. Особенности расчётов и согласования обратно зависимых время-токовых характеристик устройств защиты Sepam........... 386
  14.5. Примеры расчёта защиты трансформатора напряжением 10/0,4 кВ ... 390
15. ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ6-10кВ.............................................. 407
  15.1. Формирование диаграммы селективности времени срабатывания защиты.......................................... 407
  15.2. Расчёт защит электрической сети напряжением 6-10 кВ..... 410
    15.2.1. Защита радиальной линии, питающей одну ТП.......... 410
    15.2.2. Защита магистральной линии, питающей несколько ТП... 416
    15.2.3. Защита радиальной линии, питающей РП............... 418
    15.2.4. ЗащитаРП........................................... 421

8

  15.3. Пример расчёта обратно-зависимых время-токовых характеристик защит электрической сети напряжением 10кВ................... 423
  15.4. Оптимизация параметров микропроцессорной релейной защиты электрических сетей напряжением 10кВ........................ 440
16. ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10-20-35 кВ .... 449
  16.1. Распределение токов в контуре нулевой последовательности электрической сети.......................................... 449
  16.2. Расчёт токов ОЗЗ для электрической сети с изолированной нейтралью................................................... 453
  16.3. Требования к защитам от однофазных замыканий на землю в электрических сетях напряжением 6-10-20-35 кВ............. 456
  16.4. Устройство контроля изоляции сети напряжением 6-10-20-35 кВ ... 457
  16.5. Устройства селективной защиты от ОЗЗ.................. 459
    16.5.1. Трансформаторы тока нулевой последовательности.... 459
    16.5.2. Ненаправленная токовая защита нулевой последовательности с независимой время-токовой характеристикой............... 462
    16.5.3. Направленные защиты............................... 465
    16.5.4. Защиты от ОЗЗ, реагирующие на высшие гармонические составляющие.............................................. 467
    16.5.5. Защиты от ОЗЗ, основанные на использовании наложенного тока.......................................... 469
    16.5.6. Защиты от ОЗЗ, основанные на использовании электрических величин переходного процесса.............................. 469
    16.5.7. Современные устройства защиты от ОЗЗ.............. 469
  16.6. Основные действия оперативного персонала при определении присоединения с ОЗЗ......................................... 474
17. ЗАЩИТА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЕМ 35-110-220/6-10кВ............................................. 475
  17.1. Виды повреждений и ненормальные режимы работы трансформаторов............................................. 475
  17.2. Организация защиты силовых трансформаторов............ 479
  17.3. Дифференциальная защита трансформаторов............... 480
    17.3.1. Принцип действия продольной дифференциальной токовой защиты............................................ 480
    17.3.2.    Особенности выполнения дифференциальной защиты трансформаторов............................................... 482
    17.3.3. Расчётный ток небаланса........................... 483

9

    17.3.4. Принципы построения дифференциальной защиты трансформатора......................................... 484
  17.4. Газовая защита..................................... 489
  17.5. Защита от перегрузок............................... 493
  17.6. Селективная токовая защита......................... 493
  17.7. Мгновенная токовая отсечка......................... 495
  17.8. Защита сборных шин подстанции 110-220 кВ........... 497
  17.9. Защита трансформаторов с помощью устройств Sepam... 500
  17.10. Методика расчёта уставок дифференциальной защиты трансформаторов Sepam Т87 ............................... 501
    17.10.1. Описание дифференциальной защиты Sepam Т87 ... 501
    17.10.2. Методика выбора уставок срабатывания дифференциальной защиты трансформатора.................................. 505
    17.10.3. Пример выбора параметров срабатывания дифференциальнойзащиты................................. 513
18. ЗАЩИТА КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК И СИЛОВЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ФИЛЬТРОВ....................................... 519
  18.1. Повреждения конденсаторов.......................... 519
  18.2. Защита конденсаторных установок.................... 522
  18.3. Защита силовых резонансных фильтров высших гармоник напряжением 6-10-35 кВ................................... 525
19. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ............................... 531
  19.1. Ненормальные режимы работы и виды повреждений электродвигателей........................................ 531
  19.2. Требования к защитам электродвигателей............. 532
  19.3. Методика расчёта защиты электродвигателей напряжением выше 1 кВ................................................ 534
  19.4. Описание схем релейной защиты асинхронного электродвигателя напряжением выше 1кВ..................................... 542
20. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
ТРАНСФОРМАТОРОВ ЭЛЕКТРОПЕЧНЫХ УСТАНОВОК.
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И УПРАВЛЕНИЕ АВАРИЙНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ........................................ 547
21. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И УПРАВЛЕНИЕ АВАРИЙНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ............................. 554
  21.1. Организация работы аварийных источников питания.... 554
  21.2. Выбор уставок аварийного ввода резерва дизель-генераторов. 557
  21.3. Выбор уставок релейной защиты генераторов 0,4 кВ... 559

10

  21.4. Пример применения электроснабжения потребителей особой группы 1-й категории надёжности................ 562
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСИОК........................ 565
ПРИЛОЖЕНИЯ....................................... 571
П1. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.............................. 571
П.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА......... 592

11

ПРЕДИСЛОВИЕ


    В настоящем учебном пособии рассматриваются теоретические положения и методы расчёта устройств релейной защиты, построенных на основе микропроцессорной техники. Оно ориентировано на подготовку инженеров-электриков, выпускаемых по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства», которые должны работать на промышленных предприятиях в подразделениях главного энергетика, в городских или сельских электрических сетях, обслуживая электроустановки напряжением от380Вдо 110-220кВ.
    В сложившейся отечественной литературе основное внимание уделяется релейной защите электроустановок напряжением 6-10 кВ и выше. Традиционно в курсе изучаются элементная база (это реле различного вида, трансформаторы тока и напряжения), принципы построения релейной защиты и рассматриваются защиты конкретных элементов систем электроснабжения - линий, трансформаторов и т. д.
    В учебном пособии изменён подход к изучению курса «Релейная защита систем электроснабжения» - сделан переход от изучения отдельных принципов выполнения защит и аналитических методов расчёта, во-первых, к осмысливанию организации и анализу построения защиты электрических сетей, во-вторых, к комплексному расчёту защит объектов системы электроснабжения с использованием аналитических и графических методов. Уделяется больше внимания физике процессов, протекающих в системе электроснабжения в нормальных и аварийных режимах работы, а не только полученным в результате расчётов цифрам. Физика остается в голове надолго, а цифры вылетают мгновенно без остатка.
    Учитывая специфику специальности «Электроснабжение», в данном учебном пособии рассмотрение релейной защиты условно «смещено вниз» по системе электроснабжения и начинается с защиты отдельных электроприёмников напряжением 380 В (освещение, электродвигатели и др.), постепенно «поднимается снизу вверх» по системе электроснабжения, охватывая трансформаторные подстанции напряжением 6-10/0,4 кВ, электроприёмники и распределительные электрические сети напряжением 6-10 кВ, и заканчивается силовыми трансформаторами с первичным напряжением 35-110-220 кВ.
    При рассмотрении организации и расчётов релейной защиты объектов систем электроснабжения наряду с аналитическими методами расчёта в учебном пособии уделено углубленное внимание графическим методам построения время-токовых характеристик защищаемого объекта и устройств защиты. Такой подход широко применяется в зарубежной практике расчёта устройств релейной защиты и, в частности, компанией Schneider Electric.
    Рассмотрение время-токовых характеристик, рассчитанных с использованием традиционных аналитических методов расчёта, во-первых, показывает наглядность работы устройств защит, повышает понимание рассматриваемых процессов, во-вторых, существенно повышается качество согласования селек

12

тивности срабатывания смежных защит, поскольку характеристики всех устройств располагаются на одном графике, в-третьих, повышается качество расчётов и, соответственно, качество работы устройств защиты системы электроснабжения.
     В качестве примера построения релейной защиты объектов на разных уровнях системы электроснабжения выбрано силовое электрооборудование и микропроцессорные устройства защиты и автоматики компании Schneider Electric. Выбор такого решения был основан тем, что компания, во-первых, производит широкий спектр силового оборудования для распределительных электрических сетей, начиная от автоматических выключателей напряжением 380 В до распределительных устройств напряжением 35кВ, и микропроцессорных устройств защиты и автоматики, во-вторых, компания, предлагая своё оборудование, хорошо обеспечивает его информационную поддержку, и, самое главное, доступность этой информации.
     Поскольку микропроцессорные устройства защиты и автоматики, выпускаемые большим количеством производителей, превышающим 100, должны соответствовать нормам Международной электротехнической комиссии (МЭК), адаптация будущих специалистов к соответствующим устройствам других компаний не должна представлять трудности.

13

1. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Назначение релейной защиты


    Релейная защита (РЗ) относится к автоматическим устройствам, предназначенным для отключения ненормальных режимов работы элементов системы электроснабжения (СЭС) [8, 50, 59]:
    -      при перегрузках элементов СЭС (кабельных и воздушных линий, трансформаторов, электродвигателей и пр.);
    -     при коротких замыканиях (КЗ), возникающих в СЭС;
    -      при ухудшении состояния электрооборудования (например, для трансформаторов - это уход масла из бака, снижение уровня изоляции и пр.).

    Сегодня добавляются системы диагностики электрооборудования, которые контролируют состояние электрооборудования и в случае отклонения его параметров от нормативных могут формировать информацию на сигнал или отключение.
    Функциями релейной защиты являются [8, 74]:
    -      срабатывание при повреждении защищаемого элемента системы электроснабжения (внутренние повреждения);
    -      несрабатывание при коротких замыканиях за пределами этого элемента (внешние КЗ), а также в нормальных режимах при отсутствии повреждения на защищаемом объекте.

А1 Дальнее   
   резерви-  
А2 рование аз
             

Л1

Q2

Ближнее

резерви рование

Q1

Л2

Рис. 1.1. Понятие резервирования

    На большинстве элементов системы электроснабжения обычно устанавливают основную и резервную защиты (иногда говорят о ступенях одной защиты). Основная защита (А1, рис. 1.1) предназначена для действия при КЗ в пределах всего защищаемого элемента с временем, меньшим, чем у других защит, а резервная защита (А2) работает вместо основной в случае ее отказа или вывода из работы. Такое резервирование называется ближним. К резервной защите обычно предъявляется требование срабатывать и при повреждениях на смежных (нижерасполагаемых) элементах в случае отказа их собственных защит или выключателей (например, защиты АЗ). При этом резервная защита выполняет функцию дальнего резервирования [8].
    В условиях эксплуатации в силу ряда причин защита может не справиться с заданными ей функциями:

14

    -      не сработать при повреждении в пределах защищаемого элемента (отказ срабатывания);
    -     сработать при внешних КЗ (излишнее срабатывание);
    -      сработать при отсутствии повреждений в системе электроснабжения (ложное срабатывание).
    Все эти неправильные действия называют отказом функционирования защиты.
    С целью ограничения отказов функционирования защите придаются определенные свойства. Основные из них - селективность, быстродействие защиты, устойчивость функционирования, надежность функционирования [74]. Рассмотрим каждое из этих понятий.
    Под селективностью понимают высшее свойство релейной защиты, действующей на отключение, определять поврежденный элемент и отключать только его. Для релейной защиты, действующей на сигнал, селективность - это способность однозначно указывать место возникновения ненормального режима и конкретно элемент системы электроснабжения, требующего вмешательства персонала.
    На каждом элементе системы электроснабжения (генератор, трансформатор, линия и др.) устанавливается один или несколько комплектов, или видов релейной защиты, которые должны отключать защищаемый элемент при повреждениях в нём или подавать сигнал о ненормальном режиме защищаемого элемента. Если по принципу своего действия защита срабатывает только при КЗ на защищаемом элементе, то её относят к защитам, обладающим абсолютной селективностью. Защиты, которые могут срабатывать как резервные при повреждении на смежном элементе, если это повреждение не отключается, называются относительно селективными.


Рис. 1.2. Схема электрической сети

    На рис. 1.2 представлена сеть с односторонним питанием, состоящая из двух линий Л1 и Л2 с защитами А1 и А2. Пусть, по принципу действия защита А1 действует на отключение выключателя Q1 только при КЗ на линии Л1, а защита А2 действует на отключение выключателя Q2 при КЗ на линии Л2. В этом случае защиты А1и А2 обладают абсолютной селективностью.
    Если по принципу действия защита А1 может отключить КЗ и на линии Л2 при отказе функционирования защиты А2, то значит защита А1 обладает относительной селективностью. Таким образом, защита, обеспечивающая дальнее резервирование отказа защиты смежного элемента обладает относительной селективностью.
    Быстродействие защиты при коротких замыканиях обеспечивает:
    -     уменьшение разрушений изоляции и токоведущих частей токами КЗ;

15

    -     снижение вероятности несчастных случаев;
    -      снижение торможения асинхронных электродвигателей и нарушений технологических процессов;
    -      снижение продолжительности работы электроприёмников при пониженном напряжении.
    Время отключения повреждённого элемента складывается из времени действия защиты и времени действия выключателя
to ⁼ tp3 ⁺ tB.                       (1.1)

    Время отключения наиболее распространенных выключателей составляет 0,06-0,15 сек. С точки зрения уменьшения разрушений токами КЗ, уменьшения вероятности нарушения работы электродвигателей релейная защита должна иметь минимальное время отключения или совсем не иметь выдержки времени. Однако, практически невозможно установить на всех защитах минимальное время из-за невозможности их неселективного действия. Поэтому реальные значения времени отключения РЗ зависят от многих факторов и могут достигать 3-4 секунд. При этом защита с временем отключения не более 0,2 сек считается быстродействующей.
    Устойчивость функционирования - это свойство релейной защиты отключать любые повреждения на защищаемом элементе СЭС, в том числе и минимальный ток КЗ в конце зоны защиты. Устойчивость функционирования РЗ принято характеризовать коэффициентом чувствительности [8; 50, п. 3.2.20]

Кч =

т кит т⁽т⁾
¹р.мин _ lvcx ¹К.МИН

I        К⁽³⁾ ■ I
АС.Р     AVcx АС.З

(1.2)

,

где   1Р.мИН - ток, протекающий по реле (устройству защиты) при минимально
      возможным токе КЗ IjcMm в конце защищаемой зоны;
      т - вид КЗ (однофазное, двухфазное, трёхфазное);
      1С.Р - расчётное значение тока срабатывания реле (устройства защиты);
      1С.З - расчётное значение тока срабатывания защиты, определённое для первичных параметров сети;
      КСХ, КСХ - коэффициенты схемы соединения трансформаторов тока и реле (измерительных органов устройства защиты) соответственно при несимметричных и симметричном режимах.
    Более подробно перечисленные параметры будут рассмотрены в 3-м и 6-м разделах данного пособия.
    Проиллюстрируем определение коэффициента чувствительности на следующем примере. На рис. 1.3 приведен фрагмент СЭС. Для защиты линии КЛ-10 кВ установлена токовая защита А.

16

Рис. 1.3. Схема электрической сети

    На величину токов КЗ влияют разные факторы, рассмотрим из них основные:
    1.     Энергосистема может работать в максимальном и минимальном режимах, которым соответствуют мощности Sₖ.maKc и БК.мИН.
    2.     Трансформатор Т с регулированием напряжения под нагрузкой РПН имеет диапазоном регулирования напряжения ±ЛиРПН, и, следовательно, различные сопротивления при минимальном и максимальном коэффициентах трансформации.
    3.     Электрическая сеть во время эксплуатации может изменять свою конфигурацию и, следовательно, отдельные участки сети могут иметь минимальное или максимальное сопротивления. Например, кабельная линия КЛ-10 кВ, состоящая из двух параллельно включенных кабелей, может работать с двумя или одним кабелем.
    Нам нужно определить минимальный ток КЗ в конце зоны защиты в точке Б - на шинах распределительного пункта РП-10 кВ. Для этого мы должны рассмотреть схему электрической сети, работающую в минимальном режиме работы, но с максимальными сопротивлениями её элементов.
    Составим схему замещения для расчёта тока КЗ без учета активных сопротивлений (рис. 1.4). При этом учтём:
    1. Энергосистема работает с минимальной мощностью КЗ БК.мИН.
    2.     Трансформатор Т работает с максимальным коэффициентом трансформации.
    3. В КЛ из-за повреждения отключен один из параллельных кабелей.
    При данных условиях мы будем иметь максимальное сопротивление системы ХС.МИН, максимальное сопротивление трансформатора ХТ.МАКС и максимальное сопротивление КЛ ХКЛ.МАКС.

I ²      _______
АК.МИН

Рис. 1.4. Схема замещения, электрической сети

    Параметры сопротивлений определим по известным выражениям с учётом базисной мощности Бб и напряжения UCP₂ = 10,5 кВ ступени СЭС, где установлена релейная защита.

17

ХС.МИН

SE
S
■’к.мин

ХВЛ ХО.ВЛ

Т Я
L и²       ’
     '-'ср.1

у - UK% (¹⁺^иРПН⁾ • ЯБ , у ₌у                  т       ЯБ

        TMAKC 100          STH       ’ кл        акл' 'и²срГ (п-1)’

1.Н                           СР.2

(1-3)


(1-4)

    Минимальный ток трехфазного КЗ Гкмш в точке Б

(3)Б к.мин

Яб

с.мин

⁺Хвл ⁺УТ.МАКС ⁺УКЛ.МАКС ⁾

Минимальный ток двухфазного КЗ

т(2)Б  _ V ³ Т(3)Б
АК.МИН    2 АК.МИН •

(1.5)



(1.6)

    Тогда коэффициент чувствительности релейной защиты А при известном токе срабатывания ТС.З будет определён по следующей формуле

К(т) Т(2)Б
ту* _ |ХСХ ¹К.МИН > ту*
кч     К(3) т - Кч.доп •
КСХ • ТС.З

(1.7)

    Минимальные допустимые значения коэффициентов чувствительности для различных видов защиты регламентированы «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) [50].
    Надёжность функционирования. В устройствах релейной защиты и автоматики сигналы в процессе преобразования и передачи могут искажаться и ослабляться из-за помех и неисправностей отдельных функциональных элементов, что приводит к отказам функционирования, поэтому устройства защиты и автоматики должны выполняться с определенной степенью надёжности. Под надёжностью систем энергетики понимают свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объёме при определенных условиях эксплуатации.
    Существенное значение для надёжности имеют правильная эксплуатация устройства, систематический профилактический контроль его технического состояния и послеаварийные проверки, целью которых являются поиск, обнаружение и устранение неисправностей. Для этого до последнего времени широко применялись так называемые внешние средства диагностирования. Они требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и больших затрат времени. Новое направление в теории и практике релейной защиты - автоматизация диагностирования. Это особенно необходимо в связи с использованием в устройствах релейной защиты и автоматики в качестве элементной базы интегральных микросхем и средств микропроцессорной техники. Такие устройства снабжаются встроенными средствами тестового и функционального контроля. Они позволяют выявлять неисправности, приводящие к отказам функционирования релейной защиты.
    При тестовом диагностировании искусственно создается ситуация, при которой устройство защиты должно сработать. Для этого на его вход подаются соответствующие диагностические сигналы. По реакции элементов релейной

18

защиты на эти сигналы судят о её состоянии. Реакция оценивается характером и совокупностью сигналов, зафиксированных в контрольных точках устройства. Эти сигналы при помощи специальной таблицы неисправностей позволяют судить о состоянии защиты и в случае её неисправности определить повреждённый элемент.
    При функциональном контроле неисправности обнаруживаются в результате обработки информации о реакции устройства релейной защиты на сигналы, поступающие непосредственно от защищаемого элемента системы электроснабжения. Распространены устройства функционального контроля, которые выявляют ложные срабатывания отдельных органов защиты по факту их длительного пребывания в состоянии срабатывания. Устройства функционального контроля, предупреждающие возможные отказы срабатывания и излишние срабатывания, основаны на сравнении поведения отдельных органов защиты, реагирующих на изменения одной и той же входной воздействующей величины при КЗ в системе электроснабжения. Свидетельством неисправности является несоответствие в их поведении.

1.2. Элементы, функциональные части и органы устройств релейной защиты

    Немного истории развития устройств релейной защиты и автоматики.
    Первые устройства релейной защиты и автоматики выполнялись на основе электромеханических реле. Они широко используются и сейчас. Основными недостатками таких реле являются: значительные габариты; большие мощности, потребляемые от первичных измерительных преобразователей тока и напряжения; наличие подвижных элементов и контактов.
    Более совершенными стали устройства релейной защиты и автоматики, выполненные на полупроводниковых приборах (диодах и транзисторах). Их отличительной особенностью является отсутствие подвижных элементов и контактов и они получили название «статические реле». Удалось также снизить потребление мощности от трансформаторов тока и напряжения и повысить быстродействие. Вместе с тем, наличие большого числа полупроводниковых элементов и соединений между ними приводит к усложнению устройства и снижению надёжности функционирования.
    Дальнейшее развитие и совершенствование полупроводниковой технологии привело к созданию интегральных микросхем. Здесь в небольшом объеме полупроводникового материала уже электрически соединены соответствующим образом диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы.
    Имеются интегральные микросхемы с разной степенью интеграции. Например, сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС). К ним относятся микропроцессоры, однокристальные микроЭВМ, аналого-цифровые преобразователи и другие. Микропроцессоры и микроЭВМ стали основой четвёртого поколения автоматических устройств.
    Устройства релейной защиты и автоматики и их функциональные части в зависимости от элементной базы можно разделить на аппаратные и программные.

19