Устройство и эксплуатация релейной защиты в системе тягового электроснабжения

М. А. Капралова







УСТРОЙСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.31
ББК 31.2
     К20



Рецензенты: кандидат технических наук, доцент (Омский государственный университет путей сообщения) МалъцеваА. В.; начальник тяговой подстанции ст. Омск филиала ОАО «РЖД» МосковенкоД.В.







     Капралова, М. А.
К20 Устройство и эксплуатация релейной защиты в системе тягового электроснабжения : учебное пособие / М. А. Капралова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 104 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1525-5


     Рассмотрены вопросы устройства релейной аппаратуры, защиты линий электропередач и трансформаторов, в том числе и с использованием микропроцессорной защиты.
     Для студентов среднего профессионального образования, обучающихся по специальности 13.02.07 «Электроснабжение». Может быть полезно научным работникам и специалистам в сфере электроснабжения.


УДК 621.31
ББК31.2














ISBN 978-5-9729-1525-5

     © Капралова М. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                Оглавление





Пояснительная записка.............................................5
Введение..........................................................7
Перечень принятых сокращений......................................9
Раздел 1. Релейная аппаратура. Требования к ней, конструкция и принцип работы реле ...........................................11
  1.1. Релейная аппаратура.......................................11
   1.1.1. Назначение и структурная схема релейной защиты.........11
   1.1.2. Основные виды релейной защиты..........................12
   1.1.3. Основные требования, предъявляемые к защите............14
  1.2. Способы изображения элементов и устройств релейной защиты..17
  1.3. Классификация реле........................................20
  1.4. Конструкция реле..........................................25
   1.4.1. Электромагнитные реле..................................25
   1.4.2. Индукционные реле......................................38
   Контрольные вопросы...........................................44
Раздел 2. Релейная защита линий электропередачи. Виды защит, их назначение, схемы и принцип действия..........................45
  2.1. Аварийные и ненормальные режимы сетей.....................45
  2.2. Защиты по значению тока...................................46
   2.2.1. Максимальная токовая защита (МТЗ)......................46
   2.2.2. МТЗ с блокировкой по напряжению........................48
   2.2.3. Токовая отсечка........................................50
   2.2.4. Токовые направленные защиты............................52
   2.2.5. Дистанционная защита...................................55
   2.2.6. Дифференциальная токовая защита........................60
   2.2.7. Защита от замыканий на землю...........................64
   Контрольные вопросы...........................................66
Раздел 3. Релейная защита силовых трансформаторов. Виды защит, их назначение, схемы и принцип действия..........................67
  3.1. Общие сведения о защите силовых трансформаторов...........67
  3.2. Устройства релейной защиты от повреждения трансформаторов.67
   3.2.1. Дифференциальная защитатрансформаторов.................68
   3.2.2. Газовая защита.........................................72
   3.2.3. Токовая отсечка........................................74
  3.3. Устройства релейной защиты от ненормальных режимов работы трансформатора ................................................76
   3.3.1. Токовая защита от сверхтоков при внешних многофазных коротких замыканиях...........................................76
   3.3.2. Токовая защита от перегрузок...........................79
   Контрольные вопросы...........................................79

3

Раздел 4. Микропроцессорные защиты. Структура, принцип действия, основные функции................................................80
  4.1. Общие сведения...........................................80
  4.2. Основные сведения об интеллектуальных терминалах.........84
   4.2.1. Микропроцессорные реле типов SPA-100, SPA-300........ 84
   4.2.2. Устройства цифровой защиты и автоматики ЦЗАФ-3,3 кВ....85
   4.2.3. Микропроцессорный блок релейной защиты БРМЗ-27,5......87
   4.2.4. Устройства микропроцессорной защиты «Сириус-Т»........92
   4.2.5. Устройство ТЭМП 2501-1Х...............................96
   4.2.6. Микропроцессорное устройство защиты «Орион-2».........96
   Контрольные вопросы..........................................97
Библиографический список........................................98

4

                Пояснительная записка





     Учебное пособие предназначено для изучения теоретического курса по ПМ01. Техническое обслуживание оборудования электрических подстанций и сетей МДК 01.05 «Релейная защита и автоматические системы управления устройствами электроснабжения» по теме 5.1 «Релейная защита оборудования электроустановок» для специальности 13.02.07 Электроснабжение (по отраслям). Пособие выполнено в соответствии с примерной программой, разработанной на основе Федерального государственного стандарта среднего профессионального образования по специальности 13.02.07, утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ от «22» апреля 2014г.№ 376.
     Содержание программы реализуется в процессе освоения студентами программы подготовки специалистов среднего профессионального образования по специальности 13.02.07 Элек-троснабжение (по отраслям) в соответствии с требованиями ФГОС СПО.
     В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен освоить следующие профессиональные компетенции (ПК):
     1.       Читать и составлять электрические схемы электрических подстанций и сетей.
     2.       Выполнять основные виды работ по обслуживанию трансформаторов и преобразователей электрической энергии.
     3.       Выполнять основные виды работ по обслуживанию оборудования систем релейных защит и автоматизированных систем.
     4.       Разрабатывать и оформлять технологическую и отчетную документацию.
     С целью овладения указанным видом профессиональной деятельности и соответствующими профессиональными компетенциями обучающийся в ходе освоения профессионального модуля должен:
     • иметь практический опыт:
       -  составления электрических схем устройств электрических подстанций и сетей;
       -  модернизации схем электрических устройств подстанций;
       -  технического обслуживания трансформаторов и преобразователей электрической энергии;
       -  применения инструкций и нормативных правил при составлении отчетов и разработке технологических документов;
     • уметь:
       -  разрабатывать электрические схемы устройств электрических подстанций и сетей;
       -  вносить изменения в принципиальные схемы при замене приборов аппаратуры распределительных устройств;
       -  обеспечивать выполнение работ по обслуживанию трансформаторов и преобразователей электрической энергии;


5

        -  использовать нормативную техническую документацию и инструкции;
        -  выполнять расчеты рабочих и аварийных режимов действующих электроустановок и выбирать оборудование;
        -  оформлять отчеты о проделанной работе;
     • знать:
        -  устройство оборудования электроустановок;
        -  условные графические обозначения элементов электрических схем;
        -  логику построения схем, типовые схемные решения, принципиальные схемы эксплуатируемых электроустановок;
        -  виды работ и технологию обслуживания трансформаторов и преобразователей;
        -  виды и технологии работ по обслуживанию оборудования распределительных устройств;
        -  эксплуатационно-технические основы линий электропередачи, виды и технологии работ по их обслуживанию;
        -  основные положения правил технической эксплуатации электроустановок;
        -  виды технологической и отчетной документации, порядок ее заполнения.

6

                Введение





     Автором в изложении материала в учебных пособиях совмещена как традиционная форма изложения материала, так и фреймовые таблицы [14, 15].
     Под фреймовой педагогической технологией автор понимает изучение учебного материала, структурированного определенным образом в специально организованной фрейм-рамке.
     Фрейм-рамка представляет собой «окно», загружаемое определенной учебной информацией, структурированной определенным образом [14]. Фрейм-опи-сания применяются для установления закономерностей событий или процессов. Характерными чертами их являются высокая свернутость текста и последовательность фиксации изменения ситуации (или причинно-следственной связи установленных существенных элементов текста). Фреймы-описания (алгоритмы) могут быть представлены в знаково-символическом или графическом виде.
     Условно-графические обозначения, применяемые в учебном пособие:

фрейм-описание (алгоритм);

обратить внимание, логико-смысловая схема;

фрейм-рамка;

достоинства объекта;

недостатки объекта.


     При составлении учебного пособия приводится сначала теоретический материал, по которому затем составляется фрейм-рамка (рис. В.1).

Рис. В.1 - Каркас фрейм-рамки

7

     Для реализации принципа системности в учебном пособии предусмотрены:
     1. Тезаурус с подробным анализом и объяснением.
     2.      Межпредметные связи. Для реализации этого общедидактического принципа в пособии предусмотрено такое разделение материала на блоки, при котором в соответствии с задачами обучения сохраняется возможность согласованного изучения и освоения ПК и ОК. Учебное пособие позволяет выработать такое распределение учебного материала, которое в данной конкретной ситуации оказывается наиболее приемлемым.
     3. Связь теории и практики.
     4. Профессиональная направленность.
     5.      Наглядность. Реализация принципа наглядности является, на наш взгляд, весьма важной. Определяется она использованием в учебном пособие фрейм-рамок и фрейм-описаний, позволяющих создать в ходе обучения яркий и адекватно, личностно-ориентированный обзор реального явления. При этом можно эффективно вычленить существенные компоненты явления, изменяя различные его характеристики, создав его целостный образ.
     6.      Доступность. Содержанием этого общедидактического принципа является соответствие объема и сложности учебного материала возможностям обучаемого.

8

                Перечень принятых сокращений





     АВР - автоматическое включение резерва;
     АПВ - автоматическое повторное включение;
     АСУ - автоматизированная система управления;
     БУ - блок управления;
     ВЛ - воздушная линия электропередачи;
     ДЗ - дистанционная защита;
     ДУ - дистанционное управление;
     ЗЗ - «земляная» защита, замыкание на землю;
     ЗМН (ПЗ) - защита минимального напряжения, потенциальная защита;
     КА - коммутационный аппарат;
     КЗ - короткое замыкание;
     КРУ - комплектное распределительное устройство;
     КРУН - комплектное распределительное устройство наружного исполнения;
     КС - контактная сеть;
     ЛЗШ - логическая защита шин;
     ЛЭП - линия электропередачи;
     МДС - магнитодвижущая сила;
     МДТН - модуль датчиков тока и напряжения;
     МКА - модуль контроллера автоматики;
     МТЗ - максимальная токовая защита;
     НДЗ - направленная дистанционная защита;
     ННДЗ - ненаправленная дистанционная защита;
     НКУ - нормальные климатические условия;
     ОЗЗ - однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью;
     ОКЦ - оперативный контроль цепей;
     ОМП - определение места повреждения;
     ППС - пункт параллельного соединения;
     ПС- пост секционирования;
     ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;
     РЗА - релейная защита и автоматика;
     РПВ - реле-повторитель включенного состояния;
     РПН - регулирование под нагрузкой;
     РПО - реле-повторитель отключенного состояния;
     РТЗ - резервная токовая защита;
     РУ - распределительное устройство;
     ТО - токовая отсечка;
     ТО2 - токовая отсечка (по мгновенному значению тока);
     ТП - тяговая подстанция;
     ТСН - трансформатор собственных нужд;
     ТСЦБ - трансформатор линии автоблокировки;
     ТС - телесигнализация;
     ТТНП - трансформатор тока нулевой последовательности;

9

     ТУ - телеуправление;
     УРОВ - устройство резервирования отказов выключателя;
     ФКС - фидер контактной цепи;
     ФННП - фильтр напряжений нулевой последовательности;
     ФТНП - фильтр токов нулевой последовательности;
     ЦЗА - цифровые защиты и автоматика;
     ШВ - шина питания включающих катушек;
     ЭДС - электродвижущая сила.

10

                РАЗДЕЛ 1


                Релейная аппаратура. Требования к ней, конструкция и принцип работы реле




        1.1. Релейная аппаратура

     1.1.1. Назначение и структурная схема релейной защиты
     В системах электроснабжения нередко неожиданно возникают короткие замыкания (к. з.) и другие ненормальные режимы работы. Различают к. з. между фазами электрической установки (междуфазное к. з.), а также между фазой и землей (замыкание на землю). В трансформаторах и электрических машинах, кроме того, возможны межвитковые замыкания в обмотке одной фазы. К. з. возникают вследствие дефектов, старения и загрязнения изоляции токоведущих частей, обрыва и схлестывания проводов при сильном ветре или гололеде, неисправности в цепях электроподвижного состава, ошибочных переключений и т. п. Электрическая дуга в месте замыкания способна вызывать пережоги, оплавление и разрушения электрического оборудования и распределительных устройств, отжиг и обрыв контактных проводов. Разрушения оказываются тем значительнее, чем больше ток в дуге и время ее существования. Чтобы к. з. не вызвало большого ущерба, поврежденное электрооборудование необходимо как можно быстрее отключить.
     К другим ненормальным режимам относят, прежде всего, перегрузки. Этот режим характеризуется протеканием по неповрежденному оборудованию токов, превышающих длительно допустимое значение. Перегрузки опасны вследствие чрезмерного повышения температуры токоведущих частей и преждевременного старения изоляции. Снижение или увеличение напряжения относительно предельных нормативных значений и качания в энергосистеме также являются проявлением ненормальных режимов.
     Ненормальные режимы, как и к. з., могут явиться причиной аварий, т. е. порчей или разрушением оборудования, недоотпуском потребителям электроэнергии. Чем быстрее отключается участок электрической системы, на котором произошло к. з. или возник ненормальный режим работы, тем меньше возможностей для возникновения и развития аварий. За доли секунды необходимо выявить такой участок и отключить как можно меньшую часть электрической системы, чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение максимально возможного числа потребителей.
     Отключение электрической системы осуществляется коммутационными аппаратами - высоковольтными выключателями, привод которых снабжен специальным механизмом. Для отключения выключателя необходимо осуществить управляющее воздействие на этот механизм. Автоматические устройства, служащие для выявления к. з. и ненормальных режимов и воздействующие в необ

11

ходимых случаях на механизм отключения выключателя или на сигнал, называют релейной защитой.
     Релейная защита выполняется с помощью реле. Реле - это автоматически действующий аппарат, предназначенный производить скачкообразные изменения в управляемых системах при заданном значении воздействующей на него величины. При этом под воздействующей понимается величина, на которую должно реагировать реле (ток, напряжение, температура, поток газовых пузырей и т. д.).
     До недавнего времени релейная защита, и другие устройства автоматики выполнялись только на релейно-контактных элементах. В последние десятилетия широко начали применять электронные устройства. Это повышает надежность защит, уменьшает их размеры, собственное потребление и эксплуатационные расходы, а также позволяет реализовать совершенно новые функциональные зависимости. Применение полупроводниковой электроники дает возможность выполнить релейную защиту вместе с другими устройствами автоматики и телемеханики в виде единой системы, комплекса.
     Применение микроэлектроники и микропроцессорных систем еще больше повышает эффективность релейной защиты и автоматики, открывает перспективы для передачи функций релейной защиты и автоматики специальным управляющим вычислительным машинам, которые будут управлять устройствами электроснабжения в нормальных и аварийных режимах. В этой связи особое значение приобретает изучение алгоритмов (программ), которым должно подчиняться действие релейной защиты вне зависимости от той элементной базы, на основе которой она выполнена.

     1.1.2. Основные виды релейной защиты
     Наибольшее распространение получили токовые защиты. Для них воздействующей величиной является ток, проходящий по токоведущим частям электрической установки в месте включения защиты. Измерительный орган защиты приходит в действие, если воздействующая величина (контролируемый ток) превысит заранее установленное значение, называемое уставкой срабатывания.
     В качестве первых токовых защит использовались плавкие предохранители. Как наиболее простые и дешевые защитные аппараты, они нашли широкое распространение, главным образом, в сетях низкого напряжения, а также в ряде случаев и для защиты коротких высоковольтных линий электропередачи, трансформаторов, электродвигателей и некоторых других установок небольшой мощности. Однако, плавкие предохранители обладают малой разрывной мощностью, их защитные характеристики нестабильны, они не могут быть использованы для условий автоматизированного управления (АПВ, АВР), так как после расплавления плавкая вставка автоматически не восстанавливается.
     Более совершенна защита, выполненная с помощью реле. Измерительным органом токовой защиты является реле тока. Ток срабатывания реле (уставку) можно регулировать в широких пределах. Токовая защита весьма эффективна

12