Современная релейная защита и автоматика электроэнергетических систем


А. И. Агафонов, Т. Ю. Бростилова, Н. Б. Джазовский









СОВРЕМЕННАЯ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ



Учебное пособие


2-е издание, переработанное и дополненное












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.316.925
ББК 31.27-05
     А23




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры приборостроения Пензенского государственного университета Т. И. Мурашкина; кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ООО «НИИВТ-Русичи-Фарма» (г. Пенза) А. Г. Пивкин








        Агафонов, А. И.
А23       Современная релейная защита и автоматика электроэнергети    ческих систем : учебное пособие / А. И. Агафонов, Т. Ю. Бростилова, Н. Б. Джазовский. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 300 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0505-8

    Рассмотрены основные принципы построения релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем; типовые схемы соединений трансформаторов тока; работа, оценка и область применения базовых схем релейной защиты и автоматики.
    Для студентов электроэнергетических направлений подготовки, а также специалистов в области энергетики и электротехники.

УДК 621.316.925
ББК 31.27-05







ISBN 978-5-9729-0505-8 © Агафонов А. И., Бростилова Т. Ю., Джазовский Н. Б., 2020 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Настоящая книга является учебным пособием по специальному курсу современной релейной защиты электроэнергетических систем для магистров направления подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электроэнергетические системы и сети, их режимы, устойчивость, надежность и качество электроэнергии».
    Авторы учебного пособия ставили перед собой задачу дать теоретические основы техники современной релейной защиты. В процессе изложения рассматриваются требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты, принципы построения схем релейной защиты и автоматики (РЗА), особенности работы, сравнительные оценки, область применения и выбор параметров базовых схем РЗА.
    Дальнейшее совершенствование релейной защиты пойдет в направлении более широкого использования микропроцессорной и цифровой техники, преимуществом которых являются:
    —  повышение надежности;
    —     уменьшение массогабаритных показателей и потребляемой мощности;
    —  повышение точности измерений в режиме реального времени;
    —     возможности фиксации параметров, определяющих поведение релейной защиты доаварийного и аварийного режимов, а также возможности передачи их на расстояние с целью оперативного дистанционного управления и защиты.
    Для более широкого представления о современной релейной защите и автоматике во второе издание включены:
    -     элементная база современных РЗА как на базе электромеханических реле, так и на базовых модулях микропроцессорных устройств РЗА и дистанционного управления (глава 2);
    -     микропроцессорные интегрированные релейные защиты таких базовых электроустановок электроэнергетических систем, как генераторы и блоки генератора-трансформатора, линии электропередачи (ЛЭП) (глава 12).
    Значительное внимание уделено вопросам надежности микропроцессорной техники и повышения ее помехозащищенности.
    Авторы благодарят коллектив кафедры «Электроэнергетика и электротехника» ПГУ, рецензентов Т. И. Мурашкину, А. Г. Пивкина, коллектив издательства ПГУ за ценные замечания и большую помощь в работе по подготовке к изданию учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ


    Современные энергетические системы относятся к наиболее сложным, большим автоматизированным системам. Производство, распределение и потребление электроэнергии отличаются такими специфическими особенностями, как неразрывность производства и потребления во времени при передаче больших потоков энергии на значительные расстояния, с одной стороны, так и колоссальная скорость распространения электромагнитных и электромеханических возмущений, с другой. В этих условиях обеспечение надлежащего качества и надежности электроснабжения при ограниченных затратах может быть достигнуто только при широком применении совершенных средств автоматики и защиты.
    Поэтому при проектировании и эксплуатации электроэнергетических систем необходимо учитывать не только установившиеся режимы, но и возможные в них повреждения и ненормальные режимы.
    Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и ненормальных режимов в электрической энергосистеме и является важнейшей составной частью, обеспечивающей ее нормальную и надежную работу.
    В современных условиях значение релейной защиты и автоматики особенно возрастает в связи с продолжающимся ростом мощностей электростанций, ростом напряжений электрических сетей, объединением энергетических систем, внедрением систем распределенного электроснабжения и переводом РЗА на новые интегральные микроэлектронные схемы (ИМС) и компьютерную технику. Однако ряд электромеханических устройств с учетом их совершенствования, будет находить применение в энергетических системах и в будущем.
    Таким образом, быстрое развитие автоматики и защиты энергосистем привело к тому, что в настоящее время в энергосистемах одновременно эксплуатируются элементы и устройства РЗА разных поколений, и, по-видимому, сложившееся положение сохранится в течение длительного времени.

                ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РЕПЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ И АВТОМАТИКЕ





1



            1.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ


    В электроэнергетических системах, на электрооборудовании электростанций, в распределительных сетях и на электроустановках потребителей электрической энергии могут возникать повреждения и ненормальные режимы [1-9].
    Повреждения в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения в элементах энергосистемы.
    При повышенном токе в проводниках выделяется большое количество тепла, вызывающее нарушения в месте повреждения и опасный нагрев неповрежденных линий и оборудования, по которым протекает ток.
    Глубокое понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электрической энергии и устойчивость работы генераторов и энергосистемы в целом.
    Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении напряжения и частоты создается



1.1. Назначение релейной защиты и автоматики
1.2. Виды повреждений в электроустановках и основные причины их появления
1.3. Краткая характеристика влияния коротких замыканий на работу генераторов, трансформаторов и линий электропередач
1.4. Ненормальные режимы в электроустановках
1.5. Основные требования, предъявляемые
к релейной защите
и автоматике

5

опасность повреждения оборудования или нарушения устойчивости энергосистемы.
    Таким образом, повреждения нарушают нормальную работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают условия возникновения повреждений или расстройства работы энергосистемы.
    Для обеспечения нормальной работы энергосистемы и потребителей электроэнергии при возникновении повреждения необходимо быстрое выявление и отключение места повреждения от неповрежденной части электрической сети, что восстанавливает нормальные условия работы энергосистемы и потребителей электроэнергии.
    Опасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно обнаружить отклонения от нормального режима [1-9] и принять меры к их устранению, например, снизить ток при его возрастании, повысить напряжение при его снижении.
    В связи с этим возникает необходимость в создании и применении автоматических устройств, выполняющих указанные операции и защищающих энергосистему и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов.
    Первоначально в качестве защитных устройств применялись плавкие предохранители. Однако по мере роста мощности и класса напряжения электрических установок и усложнения их схем соединений и распределения такой способ защиты сети стал неприемлемым, в силу чего были созданы защитные устройства, выполняемые с помощью специальных автоматов - реле, получивших название релейной защиты.
    Релейная защита (РЗ) является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных электроэнергетических систем.
    При возникновении повреждений РЗ выявляет и отключает от системы поврежденный участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания силовых цепей, находящихся под током повреждения.
    Аналогично при возникновении ненормальных режимов РЗ выявляет их и в зависимости от характера нарушения режима произво-6

дит операции, необходимые для восстановления нормального режима с выдачей сигнала дежурному персоналу.
   В современных электрических системах РЗ тесно связана с электрической автоматикой, предназначенной для быстрого автоматического восстановления нормального режима питания потребителей.
   К основным устройствам такой автоматики относятся: автоматы повторного включения (АПВ), автоматы включения резервных источников питания и оборудования (АВР) и автоматы частотной разгрузки (АЧР).


1.2. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ
В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ
И ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ
ИХ ПОЯВЛЕНИЯ

   Большинство повреждений в электрических системах приводит к коротким замыканиям (КЗ) фаз между собой или на землю. На рис. 1.1, а—в приведены КЗ фаз для систем с изолированной нейтралью, а на рис. 1.1, г—е - для систем с глухозаземленной нейтралью.
   В обмотках электрических машин и трансформаторов, кроме того, могут появляться межвитковые замыкания в обмотке одной фазы.
   Основными причинами повреждений являются:
  - нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные ее старением, перенапряжениями, механическими повреждениями;
  - повреждения проводов и опор ЛЭП, вызванные их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, вибрацией проводов;
  - ошибки персонала при оперативных переключениях коммутационных аппаратов (разрыв тока разъединителем, подача напряжения на «закоротку» и т. д.).
   Многие повреждения являются следствием конструктивных недостатков и несовершенства оборудования, некачественного его изготовления, дефектов монтажа и пусконаладочных работ, а также нарушения нормативных требований эксплуатации и сроков технического обслуживания.


7

в)

е)

Рис. 1.1. Виды повреждений в электрических системах с изолированной (а, б, в) и глухозаземленной нейтралью (г, д, е)

1.3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЛИЯНИЯ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА РАБОТУ ГЕНЕРАТОРОВ, ТРАНСФОРМАТОРОВ
И ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

   Короткие замыкания являются наиболее тяжелыми и опасными видами повреждений. При КЗ ЭДС (E) источника питания (генератора) прикладывается накоротко к минимальному сопротивлению Rк генераторов и линий (см. рис. 1.1, а- е). Поэтому в контуре замкнутой накоротко ЭДС фаз возникает большой ток (Iкз), называемый током короткого замыкания.


8

    Короткие замыкания подразделяются на трехфазные, двухфазные и однофазные в зависимости от числа замкнувшихся фаз, замыкания в одной и более точках на землю [1-9].
    При КЗ из-за больших токов возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети от источника питания до места КЗ, так как согласно рис. 1.2.
' ■ = E -Iкз Zₘ.


Нагрузка
Рис. 1.2. Влияние понижения напряжения при КЗ

    В результате КЗ увеличивается ток и происходит резкое падение напряжения у потребителя, которые приводят к ряду опасных последствий:
    -      ток КЗ согласно закону Джоуля - Ленца выделяет в активном сопротивлении R цепи в течение времени t тепло Q:
Q = Ык²з Rt;
    -      в месте повреждения это тепло и пламя электрической дуги производят большие разрушения, размеры которого тем больше, чем больше Iкз и продолжительность КЗ (t). Проходя по неповрежденным оборудованиям и ЛЭП, ток КЗ нагревает их выше допустимых значений, что может вызвать повреждение изоляции оборудования и токоведущих частей;
    -      понижение напряжения при КЗ нарушает работу потребителей. Основными потребителями электрической энергии являются асинхронные двигатели, технологическое оборудование, АСУ, компьютерная техника, осветительное оборудование и т. д.;
    -      при протекании больших токов КЗ усиливаются электродинамические взаимодействия между проводниками, сопровождающиеся значительными механическими напряжениями;


9

    -      наиболее тяжелым последствием снижения напряжения при КЗ является нарушение устойчивости параллельной работы генераторов, что приводит к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения части или всех потребителей. В нормальном режиме механический момент вращения генератора уравновешивается противодействующим моментом, создаваемым электрической нагрузкой генераторов, в результате чего скорость вращения всех турбогенераторов постоянна и равна синхронной.


Рис. 1.3. Влияние снижения напряжения на работу генераторов

    При КЗ в точке K у шин электростанции А (рис. 1.3) напряжение на шинах станет равным нулю, в результате чего электрическая нагрузка, а следовательно, и противодействующий момент генераторов также станет равным нулю. В то же время в турбину продолжает поступать прежнее количество пара (воды) и ее вращающийся момент остается неизменным, вследствие чего скорость вращения турбогенератора начинает быстро нарастать по причине значительной инерционности регулятора скорости турбины и по этой причине ускорение вращения турбогенераторов на станции А не предотвращается.
    В иных условиях находятся генераторы станции Б. Они удалены от точки К, поэтому напряжения на их шинах могут быть близки к нормальному. Поэтому, если генераторы станции А разгружаются, то вся нагрузка системы переходит на генераторы станции Б, которая, перегружаясь, уменьшает их скорость вращения.
    В результате КЗ скорость вращения генераторов станций А и Б становится резко различной, что и приводит к нарушению их син

10