Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем


В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина






            РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ




Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.316.925.1
ББК 31.27-05
     Б64


Рецензенты:
доктор технических наук, заместитель заведующего отделом проектирования и развития энергосистем АО «НТЦ ЕЭС», профессор С. В. Смоловик;
доктор технических наук, заведующий кафедрой электротехники Курской государственной сельскохозяйственной академии им. профессора И. И. Иванова, профессор В. И. Серебровский


     Бирюлин, В. И.
Б64 Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем : учебное пособие / В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 164 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1037-3

     Даны основные сведения об элементной базе релейной зашиты и автоматизации, принципах работы и схемной реализации различных видов релейной защиты и автоматизации, алгоритмах расчетов параметров действия устройств релейной защиты и автоматизации.
     Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника», а также специалистов, занимающихся проектированием и эксплуатацией релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем.

УДК 621.316.925.1
ББК31.27-05










ISBN978-5-9729-1037-3

     © Бирюлин В. И., Куделина Д. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................6
ВВЕДЕНИЕ.......................................................7
1. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ.........................9
1.1 Требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты....9
1.2 Электромеханические элементы релейной защиты..............10
1.2.1 Электромагнитныереле....................................11
1.2.2 Индукционные реле.......................................13
1.3 Микроэлектронныереле......................................14
1.4 Цифровые микропроцессорные устройства релейной защиты.....16
1.5 Достоинства и недостатки микропроцессорных устройств релейной защиты........................................................19
2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА.............................................22
2.1 Трансформаторы тока в схемах релейной защиты..............22
2.2 Схемы соединения трансформаторов тока и токовых реле......25
2.3 Трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты........29
2.4 Источники оперативного тока...............................31
2.4.1 Источники постоянного оперативного тока.................31
2.4.2 Шкафы постоянного оперативного тока.....................32
2.4.3 Источники переменного выпрямленного тока................34
2.4.4 Источники переменного оперативного тока.................35
3. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ.............................................36
3.1 Токовая отсечка...........................................37
3.2 Токовая отсечка с выдержкой времени.......................41
3.3 Максимальная токовая защита...............................43
3.4 Максимальная токовая защита с пуском по напряжению........48
3.5 Токовая ступенчатая защита................................50
4. ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ................................53
4.1 Применение направленных защит.............................53
4.2 Индукционное реле направления мощности....................55
4.3 Микроэлектронные реле направления мощности................58
4.4 Схемы направленных защит..................................60
4.5 Расчет параметров действия и области применения максимальных токовых направленных защит............................................61
5. ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА
ЗЕМЛЮ И ОДНОФАЗНЫХ КЗ................................................62
5.1 Токовая ступенчатая защита линий 110кВи выше от однофазных КЗ....62
5.2 Токовая отсечка нулевой последовательности.......................62
5.3 Токовая отсечка нулевой последовательности с выдержкой времени...63
5.4 Максимальная токовая защита нулевой последовательности....63
5.5 Режимы работы нейтрали в электрических сетях напряжением 6-35 кВ.64
5.6 Защиты от однофазных замыканий на землю...................67

3

5.6.1 Неселективная защита напряжения нулевой последовательности....67
5.6.2 Токовая защита нулевой последовательности................68
5.6.3 Направленная защита нулевой последовательности...........71
6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ..................................75
6.1 Продольная дифференциальная токовая защита......................75
6.2 Поперечная дифференциальная токовая защита.................79
6.3 Поперечная дифференциальная токовая направленная защита....81
6.4 Выбор параметров действия поперечной дифференциальной токовой направленной защиты............................................84
7. ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ........................................87
7.1 Назначение и принцип действия..............................87
7.2 Измерительные органы дистанционной защиты..................88
7.2.1 Основные характеристики реле сопротивления...............89
7.2.2 Индукционное реле сопротивления..........................91
7.2.3 Микроэлектронные реле сопротивления......................92
7.2.4 Микропроцессорное устройство «Сириус-3-ЛВ-03»............94
7.3 Схема дистанционной защиты.................................97
7.4 Выбор параметров действия дистанционной защиты.............98
7.5 Оценкадистанционной защиты................................100
8. ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРОВ.........................................102
8.1 Аварийные и ненормальные режимы работы генераторов........102
8.2 Защиты генераторов от многофазных коротких замыканий в обмотке статора.......................................................103
8.3 Защита генераторов от витковых КЗ.........................106
8.4 Защита генератора от замыканий на землю...................107
8.5 Защита от внешних коротких замыканий и перегрузок.........109
8.5.1 Защита от внешних симметричных КЗ.......................109
8.5.2 Токовая защита обратной последовательности..............112
8.5.3 Защита от перегрузки обмотки статора....................113
8.6 Защиты от замыкания на цепи возбуждения...................114
8.6.1 Защита от замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения...114
8.6.2 Защита от замыкания на землю во второй точке цепи возбуждения.115
8.7 Микропроцессорное устройство защиты генераторов «Сириус-3-ГС» 116
9. ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ...........................................123
9.1 Виды защит трансформаторов......................................123
9.2 Защиты трансформаторов от междуфазных замыканий в обмотках и на выводах.......................................................123
9.2.1 Токовая отсечка.........................................124
9.2.2 Продольная дифференциальная защита......................124
9.3 Защиты трансформаторов от токов внешних коротких замыканий и от перегрузки....................................................136
9.3.1 Максимальная токовая защита.............................137
9.3.2 Максимальная токовая защита с пуском по напряжению......138
9.4 Защита от перегрузки......................................140

4

9.5 Газовая защита.........................................141
10. ЗАЩИТА СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ......................142
10.1 Аварийные и ненормальные режимы работы электродвигателей.......142
10.2 Защита от междуфазных замыканий.......................144
10.3 Защита от перегрузок и других ненормальных режимов....146
10.4 Защита минимального напряжения........................146
10.5 Особенности защит синхронных двигателей...............148
11. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.............150
11.1 Устройства автоматического повторного включения, принцип действия 150
11.2 Схемы, расчет параметров действия устройств АПВ.......150
11.3 Устройства автоматического включения резерва, принцип действия.153
11.4 Схемы автоматического включения резерва, расчет параметров действия...................................................154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................156
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................157

5

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Данное пособие предназначено для изучения студентами всех форм обучения направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» дисциплины «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем». Учебный материал пособия может быть использован как для изучения теоретической части учебной дисциплины, так и для подготовки к лабораторным и практическим занятиям, а также для самостоятельной работы.
    Издание представляет собой учебное пособие. Оно рассматривает применение релейной защиты и автоматизации для обеспечения выявления и ликвидации аварийных и ненормальных режимов, а также для повышения надежности электроснабжения. В пособии рассматривается применение устройств релейной защиты и автоматизации на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной базе.
    В пособии последовательно излагается 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.
    Широко представлены материалы по современным микропроцессорным терминалам, подробно изложены их достоинства и недостатки. Такое построение пособия является основным отличием от ранее вышедших изданий, направленных на изучение преимущественно одной программной системы.
    В настоящее время различными предприятиями выпускается большое количество микропроцессорных терминалов для реализации защит различных объектов электроэнергетических систем. Все существующие терминалы невозможно представить в данном пособии из-за ограниченного объема, но на основе представленного в пособии материала можно самостоятельно изучать различные терминалы.
    Все замечания и предложения по данной работе будут с благодарностью приняты по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, кафедра электроснабжения.

6

ВВЕДЕНИЕ


    Значительное усложнение конфигурации электрических сетей, утяжеление эксплуатационных режимов, а также активное внедрение современного основного оборудования и аппаратов коммутации сделали еще более актуальными вопросы автоматики управления и релейной защиты объектов электроэнергетических систем. В последние десятилетия как нельзя более насущными стали проблемы модернизации основных устройств релейной защиты с наименее возможным усложнением процессов расчета уставок и эксплуатации микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики.
    Дисциплина «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» направлена на изучение возможностей современных технических средств, использование которых позволяет успешно выявлять и устранять вынужденные нарушения нормальной работы всей системы или только ее части, сопровождающиеся снижением отпуска электроэнергии потребителям, недопустимым понижением ее качества, за счет чего приносится материальный ущерб в виде невыработанной продукции или разрушение основного оборудования.
    Использование устройств защиты в электроэнергетике имеет достаточно давнюю историю. Первоначально в качестве защитных устройств применялись плавкие предохранители. Однако по мере роста мощности и напряжения электроустановок и усложнения их схем коммутации такой способ стал недостаточным, в силу чего были созданы защитные устройства, выполненные с помощью специальных автоматов - реле. Отсюда и название - релейная защита.
    Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных электроэнергетических систем. Она осуществляет непрерывный контроль за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы и реагирует на возникающие повреждения и нарушения режима работы.
    Но развитие современной техники приводит к широкому применению электронных устройств различного назначения во многих областях, в том числе и в релейной защите и автоматизации электроэнергетических систем.
    Внедрение микропроцессорных терминалов релейной защиты позволяет реализовывать большее количество защит для энергетических объектов, а также предоставлять персоналу ряд дополнительных сервисных функций, обеспечивающих большие возможности получения и обработки информации, а также управления состоянием электроэнергетических объектов.
    Для качественного изучения материала пособия необходимо использовать знания, полученные на предшествующих дисциплинах (таких как теоретические основы электротехники, электрические сети, переходные процессы, электрические и электронные аппараты). В свою очередь, рассмотренные при изучении этой учебной дисциплины вопросы будут использоваться далее в учебном процессе направления 13.03.02, в особенности в курсовом и дипломном проектировании.

7

    Учебный материал пособия излагается по принципу рассмотрения сначала необходимых основ, а затем происходит постепенное усложнение рассматриваемых вопросов.
    Читателям, впервые приступающим к изучению программных средств, изложенных в пособии, рекомендуется изучать учебный материал последовательно. Такой подход позволяет изучать предмет, опираясь на содержание предшествующих глав. Более подготовленные читатели могут изучать пособие в произвольном порядке.
    Конечно, из-за ограниченного объема данного пособия большинство возможностей современных устройств релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем остались нераскрытыми, но при самостоятельном изучении их изложенный здесь материал может оказать большую помощь.

8

1. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

1.1 Требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты

    К релейной защите (РЗ) электроэнергетических систем предъявляются требования, изложенные в «Правилах устройства электроустановок» [1] - селективность, быстродействие, надежность и чувствительность.
    Селективность, или же избирательность действия РЗ-защиты, - это способность правильно определять элемент, на котором возникло повреждение и отключить только этот элемент от остальной части энергосистемы. Обеспечение селективности срабатывания устройств РЗ является одной из важнейших задач, решаемых при проектировании, монтаже и эксплуатации этих устройств.
    В зависимости от принципов действия различают защиты с абсолютной селективностью и относительной селективностью. Защиты с абсолютной селективностью реагирует на возникновение повреждений только на защищаемом элементе и производят его отключение. Защиты с относительной селективностью реагируют на возникновение повреждений как на защищаемом элементе, так и на других элементах электроэнергетической системы. Поэтому при использовании релейной защиты с относительной селективностью необходимо обеспечивать различными способами отключение только поврежденного участка.
    Быстродействие РЗ необходимо для обеспечения наименьшего возможного времени отключения коротких замыканий. Критерием быстродействия является время срабатывания защиты, которое определяется как сумма времени действия самой защиты и времени отключения выключателя.
    Быстрое отключение КЗ уменьшает размеры повреждения защищаемого элемента, но также обеспечивает сохранение бесперебойной работы остальной части энергосистемы, работающей в нормальном режиме. Снижение длительности существования КЗ увеличивает вероятность сохранения устойчивости параллельной работы синхронных генераторов и синхронных электродвигателей с электрической сетью, способствует проведению успешного самозапуска электродвигателей, повышает эффективность действия устройств автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резервного питания (АВР).
    Требования селективности и быстродействия наиболее легко выполняются при использовании защит, обладающих абсолютной селективностью. По принципу своего действия они не срабатывают при КЗ на других элементах и поэтому выполняются с мгновенным действием (без выдержки времени) на отключение поврежденного элемента.
    Защиты с относительной селективностью в общем случае выполняются с выдержками времени. Время срабатывания этих защит выбирается из условия обеспечения селективной работы при КЗ.
    Требование надежности состоит в том, что защита должна обеспечивать на отключение выключателей защищаемого элемента при всех его повреждениях и нарушениях нормального режима работы, на которые она должна реагировать

9

и срабатывать, и не действовать в тех режимах, при которых ее действие не предусматривается. Надежность срабатывания релейной защиты должна обеспечиваться применением реле и других комплектующих изделий, которые по своим техническим параметрам и качеству изготовления соответствуют назначению и условиям применения, а также качественным проведением пусконаладочных работ и надлежащим обслуживанием при эксплуатации.
    Также, согласно «Правилам устройства электроустановок», предусматривается установка основных и резервных защит. Основная защита обеспечивает отключение повреждения на всем защищаемом элементе с временем, меньшим, чем у других установленных на нем защит. Чтобы обеспечить надежность отключения повреждения при отказах срабатывания защит или отключения выключателей применяются резервные защиты.
    Резервные защиты делятся на защиты ближнего и дальнего резервирования. Защита ближнего резервирования обеспечивает отключение повреждения при отказах основной защиты рассматриваемого элемента. Защита дальнего резервирования обеспечивает отключение повреждений смежных элементов при возникновении отказов защит или выключателя на этих поврежденных элементах.
    Чувствительность РЗ представляет способность защиты реагировать на все виды повреждений и аварийных режимов, которые могут возникать как в основной защищаемой зоне, так и в зоне резервирования. Критерием чувствительности основных типов РЗ служат коэффициенты чувствительности, нормируемые значения которых для разных типов защит и применяемых реле приводятся в «Правилах устройства электроустановок».
    Коэффициент чувствительности определяется для защит, реагирующих на увеличение контролируемых параметров, как отношение расчетных значений, воздействующих на защиты величин, при металлическом КЗ в пределах зоны действия защиты к параметрам срабатывания рассматриваемых защит. У защит, реагирующих на уменьшение контролируемых параметров, этот коэффициент определяется как отношение параметров срабатывания данных защит к расчетным значениям, воздействующих на защиты величин, при металлическом КЗ в пределах зоны действия защиты.
    Расчет значений коэффициентов чувствительности рассматриваемых защит выполняется для случаев наиболее неблагоприятных видах повреждений в отношении чувствительности, например, возникновение КЗ с минимальными токами, но рассматриваются при этом реально возможные режимы работы электроэнергетической системы.

1.2 Электромеханические элементы релейной защиты

    Реле, согласно ГОСТ 16022-83 [2], представляет собой аппарат, предназначенный производить скачкообразные изменения в выходных цепях при заданных значениях электрических воздействующих величин. Для построения устройств релейной защиты применяются электромеханические реле, действие

10

которых основано на использовании относительного перемещения его механических элементов под воздействием электрического тока, протекающего по входным цепям [2].
    В зависимости от конструктивного исполнения различают следующие разновидности электромеханических реле: электромагнитные, индукционные и магнитоэлектрические. Работа электромагнитных реле обеспечивается воздействием магнитного поля неподвижной обмотки с подвижным ферромагнитным элементом. Индукционные реле в своей работе используют взаимодействие переменных магнитных полей неподвижных обмоток с токами, индуктированными этими полями в подвижном элементе. Действие магнитоэлектрических реле базируется на взаимодействии магнитных полей неподвижного постоянного магнита и подвижной обмотки с током.

                     ....
1.2.1 Электромагнитные реле


    В электромагнитных реле, выпускаемых промышленностью, используются три основных конструктивных типа: с втягивающимся якорем, с поворотным якорем, с поперечным движением якоря [3, 4]. Реле с поворотным якорем содержат следующие основные элементы: электромагнит 1, включающий стальной сердечник с расположенной на нем обмоткой 2; подвижный якорь 3; контактная система, состоящая из подвижных 4 и неподвижных 5 контактов; противодействующая пружина 6 и упор 7. Схематично эти конструкции представлены на рисунке 1.


Рисунок 1 - Устройство реле с поворотным якорем

11

    Если реле подключено в схему защиты, то по обмотке электромагнита с числом витков wр протекает ток Iр, создающий магнитодвижущую силу (МДС) Iрwр. Возникновение МДС приводит к появлению магнитного потока Ф. Этот поток проходит по следующему пути: электромагнит 1, воздушный зазор 8 между якорем и сердечником электромагнита, якорь реле 3.
    Магнитный поток создает электромагнитную силу притяжения Fэ, приложенную к якорю. Также на якорь действует сила сопротивления движению Fп, созданная противодействующей пружиной. При условии Fэ < Fп якорь реле находится в покое. Если ток в обмотке увеличивается до значения, при котором Fз станет больше, чем Fп, якорь начинает перемещаться до замыкания подвижных и неподвижных контактов - реле срабатывает. Отключение реле может произойти при уменьшении или прекращение протекания тока Iр в обмотке реле, что приведет к созданию условия Fэ < Fпи возврату реле в исходное состояние.
    Наименьшее значение тока, протекающего в обмотке реле, называется током срабатывания реле Iср. Наибольшее значение тока, протекающего в обмотке реле, при котором происходит возврат якоря реле в его исходное положение после срабатывания, называется током возврата реле Iвр. Отношение тока возврата реле к току срабатывания называется коэффициентом возврата реле kв.
    Значение коэффициента возврата kв зависит от типа реле и принципа его действия. Реле, срабатывающие при увеличении тока свыше заранее установленного значения (максимальные реле), имеют kв < 1, так как для них всегда выполняется условие Iвр < Iср. Реле, срабатывающие при снижении тока ниже заранее установленного значения (минимальные реле), имеют kв > 1, так как для них всегда выполняется условие Iвр > Iср.
    Электромагнитные реле выпускаются в разном исполнении - измерительные реле, промежуточные реле, реле времени, указательные реле.
    Измерительные реле (тока и напряжения) обеспечивают контроль параметров режима работы защищаемого элемента. При выходе этих параметров за установленные пределы, например, увеличение тока при возникновении перегрузки или КЗ, происходит срабатывание таких реле, что является сигналом для запуска устройства релейной защиты.
    Промежуточные реле применяются в случаях, когда требуется замыкать или размыкать несколько разных цепей в электрических схемах и для управления нагрузками с большим потребляемым током. Промежуточные реле выпускаются для последовательного и параллельного включения.
    Первые реле рассчитаны на включение последовательно с обмоткой какого-либо реле или коммутационного аппарата. Обмотки этих реле имеют небольшое число витков, выполненных проводом достаточно большого сечения (токовая обмотка).
    Вторые реле подключаются на полное значение источника питания рассматриваемой схемы. Обмотки этих реле имеют большое число витков, выполненных проводом малого сечения (обмотка напряжения).

12

     Реле времени обеспечивают создание выдержки времени в схемах РЗ или других электрических схемах. Выдержка времени определяется как время между моментом подачи напряжения на обмотку реле времени и моментом замыкания контактов. Замедление срабатывание контактов создается различными способами в зависимости от конструкции реле.
     Указательные реле предназначены для определения срабатывания тех или иных защит. Эти реле выпускаются как последовательного, так и параллельного включения. При срабатывании указательных реле изменяет свое положение сигнальный элемент (сектор, флажок и т. д.). По такому сигнальному элементу определяется срабатывание реле и защиты, в состав которой оно входит.


1.2.2 Индукционные реле


    Индукционные реле в своей работе используют взаимодействие переменных магнитных полей, созданных токами в неподвижных обмотках, с токами, индуцированными этими полями в подвижных элементах реле. Подвижные элементы выполняются в виде диска, вращающегося вокруг своей оси, или цилиндрического ротора, поворачивающегося относительно своей оси [3, 4].
    Для создания вращающего момента, действующего на подвижный элемент, необходимо наличие двух магнитных потоков, смещенных относительно друг друга во времени и пространстве. Эти потоки могут образовываться короткозамкнутым витком, выполненным вокруг части сердечника реле (рисунок 2).

Рисунок 2 - Магнитная система индукционного реле:
1 - обмотка реле, 2 - магнитопровод, 3 - короткозамкнутый виток, 4 - вращающийся диск

    Чтобы диск вращался нужно создать два магнитных потока, сдвинутых в пространстве и по фазе друг относительно друга. Требуемые магнитные потоки Ф1 и Ф2 получают с помощью короткозамкнутого витка 3, надеваемого на часть магнитопровода. Возникающий при этом вращающий момент М,р равен:

Мвр = k■ Ф₁ ■ Ф₂ -sin^,


(1)

где k - коэффициент пропорциональности;
   Ф- угол сдвига фаз между магнитными потоками Ф1 и Ф2.


13