1.2 Назначение релейной защиты и основные требования, предъявляемые к ней

Нормальная работа электроустановок и потребителей электроэнергии нарушается при возникновении повреждений и ненормальных режимов, которые сопровождаются возрастанием тока, снижением или повышением напряжения и частоты. В этом случае возможны повреждения оборудования и нарушения синхронизма в электроэнергетической системе (ЭЭС). В связи с этим возникает необходимость в создании и применении различных автоматических устройств, защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Большинство повреждений в ЭЭС приводит к возникновению различного вида коротких замыкания (КЗ) - наиболее опасных и тяжелых видов повреждений, которые сопровождаются значительным возрастанием тока, снижением напряжения и сопротивления. Ток короткого замыкания, протекая по элементам ЭЭС, может вызвать разрушения, размеры которых тем больше, чем больше величина тока и время его протекания.

Снижение напряжения при КЗ нарушает работу потребителей и может вызвать остановку асинхронных двигателей, что приводит к расстройству технологического процесса на предприятиях. Снижение напряжения может вызвать нарушение устойчивости в ЭЭС и привести к дальнейшему тяжелому развитию аварии.

Релейная защита (РЗ) представляет собой автоматическое устройство, предназначенное для защиты ЭЭС и ее элементов от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. РЗ производит автоматическую ликвидацию аварии (при возникновении ненормальных режимов) или ее локализацию (отключение поврежденного элемента). В настоящее время к части защит неприменим термин «релейная», так как защиты выполняются не на реле, а на микропроцессорной базе, но пока этот термин используется как обобщающий для всех типов защит.

Защита должна удовлетворять следующим требованиям.

- Селективность (избирательность) - основное требование к РЗ. Заключается в способности РЗ отключать при КЗ только поврежденный элемент, хотя ток КЗ протекает и по другим неповрежденным элементам ЭЭС. При селективной работе РЗ не происходит излишних отключений оборудования и потребителей, тем самым минимизируется ущерб от аварийной ситуации.

- Быстродействие - способность работать с минимально допустимой выдержкой времени.

- Чувствительность - способность РЗ реагировать на те отклонения от нормального режима, которые возникают в результате повреждения.

- Надежность - способность защиты безотказно действовать в пределах установленной для нее зоны и не работать ложно в режимах, при которых действие РЗ не предусматривается.

Токовые защиты

Одним из признаков возникновения КЗ является увеличение значения тока. Этот признак используется для выполнения защит, называемых токовыми. Токовые защиты приходят в действие при увеличении тока в фазах линии сверх определённого значения. Токовые защиты подразделяются на максимальные токовые защиты и токовые отсечки. Главное различие между этими защитами заключается в способе обеспечения селективности.

Токовую отсечку используют в качестве первых ступеней токовых защит. Это защиты, позволяющие мгновенно, без выдержек времени, отключать короткое замыкание в сети. Селективность действия токовых отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока срабатывания.

Принцип действия максимальной токовой защиты основан на том, что при возникновении короткого замыкания или ненормального режима работы ток увеличивается и начинает превышать ток нагрузочного режима. Селективность действия достигается выбором выдержек времени.

Токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП)

Для защиты линий от КЗ на землю (однофазных и двухфазных) применяется защита, реагирующая на ток и мощность нулевой последовательности. Необходимость специальной защиты от КЗ на землю вызывается тем, что этот вид повреждений является преобладающим, а защита, включаемая на ток и напряжение нулевой последовательности, осуществляется более просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной выше токовой защитой, реагирующей на полные токи фаз. Защиты нулевой последовательности выполняются в виде токовых максимальных защит и отсечек, как простых, так и направленных.

Пусковой орган защиты нулевой последовательности имеет высокую чувствительность, поскольку его не нужно отстраивать от токов нагрузки.

Благодаря наличию трансформаторов с заземлённой нейтралью на каждой подстанции 110-500 кВ, являющихся источниками тока нулевой последовательности, имеется широкая возможность применения отсечек нулевой последовательности.

К недостаткам, свойственным принципу действия защиты, следует отнести то, что она реагирует на токи в неполнофазном режиме и может работать ложно при обрыве фазного провода во вторичной цепи трансформаторов тока.

Дифференциальная защита шин и трансформаторов

Очень часто по соображениям сохранения устойчивости, снижения возможных последствий к.з. требуется отключать оборудование без выдержки времени при к.з. в любой точке данного электрооборудования. Защита, позволяющая выполнить отключение без выдержки времени, является дифференциальная защита. Принцип действия защит основан на сравнении величин и фаз токов в начале и конце защищаемого элемента.

В качестве основной защиты трансформаторов от всех видов к.з. внутри бака и на его выводах применяется продольная дифференциальная защита. Трансформаторы тока устанавливаются с обеих сторон трансформатора: зона действия охватывает весь трансформатор и его выводы. Дифзащита действует на отключение трансформатора со всех сторон без выдержки времени.

Дифференциальная защита шин основывается на том же принципе, что и рассмотренная ранее дифзащита трансформатора. Защита обеспечивает селективность, быстродействие и высокую чувствительность.

Высокочастотная дифференциально-фазная защита ЛЭП

Защита основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой линии. Считая положительными токи, направленные из шин в линию. При внешних КЗ, токи по концам защищаемой линии имеют различные знаки и, следовательно, их можно считать сдвинутыми по фазе на 180°. В случае КЗ на защищаемой линии токи на её концах имеют одинаковые знаки и их можно принять совпадающими по фазе, если учесть сдвиг векторов ЭДС по концам электропередачи и углы полных сопротивлений. По принципу своего действия защита не реагирует на нагрузку и качания, так как в этих режимах токи на обоих концах линии имеют разные знаки.

Защита от перегрузки трансформаторов

На трансформаторах, находящихся под наблюдением персонала, защита от перегрузки выполняется действующей на сигнал посредством токового реле. Токовое реле устанавливается в одной фазе, поскольку перегрузка трансформатора возникает одновременно во всех трех фазах. Чтобы избежать излишних сигналов при коротких замыканиях и кратковременных перегрузках, предусматривается реле времени, обмотки которого должны быть рассчитаны на длительное прохождение тока. Ток срабатывания выбирается из условия возврата токового реле при номинальном токе трансформатора. Время действия защиты от перегрузки выбирается на ступень больше времени максимальной защиты трансформатора:

На подстанциях без дежурного персонала защита от перегрузок выполняется трехступенчатой. Первая ступень работает при малых перегрузках и действует на сигнал, передаваемый с помощью телемеханики на дежурный пункт. Вторая ступень действует при больших перегрузках, когда требуется быстрая разгрузка. Эта ступень действует на отключение части потребителей, разгружая трансформатор до допустимого значения. Вторую ступень желательно выполнять с зависимой от тока характеристикой, соответствующей перегрузочной характеристике трансформатора. Третья ступень -- страховочная, она действует на отключение трансформатора, если по каким-либо причинам вторая ступень не осуществит разгрузки. На трехобмоточных трансформаторах защита от перегрузки должна устанавливаться таким образом, чтобы она, во-первых, реагировала на перегрузку любой из трех обмоток и, во-вторых, обеспечивала защиту при работе трансформатора в режиме, когда одна из обмоток отключена. Руководствуясь этими соображениями, на трехобмоточных трансформаторах с одинаковой мощностью обмоток и односторонним питанием перегрузочную защиту устанавливают только на питающей обмотке. При неравной мощности обмоток или двусторонним и трехсторонним питанием трансформаторов защиту следует ставить на всех обмотках.

Газовая защита

а) принцип действия и устройство газового реле

Газовая защита получила широкое распространение в качестве весьма чувствительной защиты от внутренних повреждений трансформаторов. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой или нагревом деталей, что приводит к разложению масла и изоляционных материалов и образования летучих газов. Будучи легче масла, газы поднимаются в расширитель, который является самой высокой частью трансформатора и имеет сообщение с атмосферой (Рисунок 1.1.)

При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных повреждениях, бурно расширяющиеся газы создают сильное давление, под влиянием которого масло в кожухе трансформатора приходит в движение, перемещаясь в сторону расширителя.

Таким образом, образование газов в кожухе трансформатора и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора. Эти признаки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и движения масла. Газовое реле устанавливается в трубе, соединяющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы через него проходили газ и поток масла, устремляющиеся в расширитель при повреждениях в трансформаторе.

Конструкции газовых реле имеют три разновидности, различающиеся принципом исполнения реагирующих элементов. Первоначально применялись реле с реагирующим элементом в виде поплавка, затем появились реле, у которых реагирующим элементом служит лопасть, в последнее время применяются реле с реагирующим элементом имеющим вид чашки.

Рисунок 1.1 - Установка газового реле на трансформаторе:

1-ввод высокого напряжения; 2-ввод низкого напряжения;3-бак трансформатора; 4-бак расширитель; 5-место установки газового реле. б) требования к монтажу защиты.

На трансформаторах, снабжённых газовым реле, бак трансформатора должен устанавливаться наклонно, так, чтобы край трансформатора, связанный с расширителем, и сама труба к расширителю имели подъём на 1,6-2%. Этим обеспечивается беспрепятственный проход газов в расширитель при повреждениях и предотвращается возможность скопления пузырьков воздуха под крышкой кожуха трансформатора, которое может повлечь за собой ложное действие защиты.

На открытых подстанциях следует обеспечить надёжную защиту выводов на крышке газовых реле от попадания на них влаги.

в) оценка газовой защиты.

Основными достоинствами газовой защиты являются: простота её устройства, высокая чувствительность, малое время действия при значительных повреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимости от размеров повреждения.

Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждений его обмоток и особенно при витковых замыканиях, на которые дифференциальная защита реагирует только при замыканиях большого числа витков, а максимальная защита и отсечка не реагируют совсем. В настоящее время все трансформаторы мощностью 1000 кВА и выше поставляются с газовой защитой.

После ремонта трансформатора, доливки масла, а также при включении в работу нового трансформатора газовая защита должна включатся (2-3 дня) только на сигнал. В противном случае выделяющийся из масла воздух может вызвать ложное отключение трансформатора.

Газовая защита - единственная защита, реагирующая на утечку масла из бака трансформатора. При утечке масла опускается нижний поплавок, защита срабатывает и отключает трансформатор от сети. Газовая защита не действует при к.з. на выводах трансформатора, поэтому она дополняется дифференциальной защитой.