Гловацкий В.Г., Пономарев И.В. Релейная защита и автоматика распределительных сетей. Версия 1.2

Подождите немного. Документ загружается.

В.Г. Гловацкий, И.В. Пономарев

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Электронная версия 1.2

2003 год

Предисловие

В настоящее время в энергосистемах имеется значительное количество подстанций, с

устройствами РЗА выполненными на устаревшей электромеханической релейной

аппаратуре.

Эта аппаратура физически изношена, ее характеристики значительно отстают от

современных требований по точности, энергопотреблению, возможности работать в

экстремальных аварийных условиях.

Фирмой «Энергомашвин» разработан и выпускается комплекс аппаратуры на

микроэлектронной и микропроцессорной базе, позволяющей без больших затрат

выполнить модернизацию подстанций с переводом средств РЗА на современную базу.

Разработаны схемы привязки аппаратуры к современным выключателям а также

выключателям ранних выпусков.

Значительное количество зарубежных и отечественных фирм предлагают новую,

микропроцессорную аппаратуру релейной защиты, которая соответствует современным

требованиям и может быть использована для модернизации средств РЗА существующего

электрооборудования, а также для новых объектов.

Уже многие годы не выпускается в достаточном количестве техническая литература по

вопросам релейной защиты и электроавтоматики, а старая литература в какой то степени

устарела в части новых требований предъявляемых к аппаратуре РЗА, и просто

отсутствует на рынке. Предлагаемая книга, в основном использующая уже наработанный

опыт выполнения защиты на электромеханических реле, в то же время включает в себя

современные требования к релейной защите, которые могут быть реализованы на

современной микроэлектронной и микропроцессорной аппаратуре.

Книга – это попытка авторов обобщить и старые данные в той части, в которой они

сохранились в современных условиях, но и современные требования к построению

защит и аппаратуре РЗА. Принципы выполнения защиты часто излагаются на основе

схем на электромеханических реле, так как в таком случае легче разобраться в принципе

выполнения устройств РЗА и предъявляемых к ним требованиям. И на основе этого

перейти к выполнению тех же функций на современной микроэлектронной и

микропроцессорной базе. Для книги широко использовалась как ранее выпускавшаяся

литература, так и книги современных авторов, а также техническая информация фирм

производителей современной микроэлектронной и микропроцессорной аппаратуры.

Перечень использованной аппаратуры приведен в конце книги.

Первое дисковое издание книги предназначено для широкого круга специалистов

релейщиков, в том числе начинающих – перед которыми стоит задача полной или

частичной модернизации существующего или ввода нового оборудования и выбора

аппаратуры, наиболее пригодной для использования в настоящих условиях. Для них

нужна как общая техническая информация по вопросам выполнения релейной защиты,

так и конкретная информация об аппаратуре, методам выбора уставок и настройке

защиты.

С целью более разностороннего информирования об имеющейся на рынке современной

аппаратуре, а также часто отсутствующих данных об электромеханических защитах и

первичном оборудовании, к книге добавлено приложение, в котором приводятся

необходимые и имеющиеся в распоряжении фирмы сведения. В состав приложения

включены сокращенные данные об аппаратуре других фирм, отечественных и

иностранных, предлагающих аппаратуру для выполнения защиты и автоматики

электрических сетей. В главе 12 сделана попытка подбора аппаратуры разных фирм,

примерно совпадающих по характеристикам, для установки в шкафах РЗА.

Предложенные варианты не являются единственно возможными, так как не исчерпывают

номенклатуры реле и могут быть подобраны другие варианты в соответствии с

пожеланиями заказчика.

В состав диска кроме данной книги включена более подробная информация

зарубежных фирм, таких как ALSTOM, ABB, Siemens, Merlin Gerin, Sel, и других о

выпускаемой ими аппаратуре релейной защиты и автоматики.

Большое внимание уделено вопросам применения аппаратуры фирмы «Энергомашвин»,

по которой фирма имеет значительный опыт разработки, изготовления и внедрения реле

на энергетических предприятиях.

Фирма «Энергомашвин» может выполнить проект РЗА, выбор уставок, монтаж шкафов

РЗА, наладку как аппаратуре собственного производства, так и других зарубежных или

отечественных фирм. В тоже время представляемые фирмой материалы могут помочь

заказчику выполнить указанные работы самостоятельно.

продолжит работу над книгой, и намечает в дальнейшем выпустить ее типографский

вариант, поэтому будет рада любым замечаниям, как по составу, так и по содержанию

книги, для того чтобы их учесть при последующем издании книги.

Замечания и предложения просим направлять по адресу фирмы и ее филиалов:

Украина, 04073, Киев, пр-т Красных Казаков 6, корп.1, тел/факс: 8-(10-38)-044-490-93-40

(-41,-42); E-mail: emv @ emv/kiev.ua

Россия, 125083, Москва, а/я 77, АНО «Сотрудничество», ул. Верхняя Масловка, 20,

тел/факс: (095) 795-08-34, 795-39-09 E-mail: info@emv.ru

Наш представитель в Белоруссии, г. Минск, ул. Романовская Слобода 5-107, тел. (017)

226-55-84

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ___________________________________________________________8

В.1. Назначение релейной защиты_______________________________________ 8

В.2. Основные требования к релейной защите______________________________9

В.3. Основные органы релейной защиты__________________________________12.

В4. Назначение и принцип действия технологической электроавтоматики______ 12.

Глава 1. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ, КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ________________________________________17.

1.1. Некоторые сведения о сетях переменного тока_________________________17.

1.2. Векторные диаграммы_____________________________________________ 18.

1.3. Повреждения и ненормальные режимы работы в энергосистемах_________ 24.

1.4. Расчет токов короткого замыкания________________________________ 29

1.5. Понятие о симметричных составляющих___________________________ 38.

1.6. Использование ПЭВМ для расчета коротких замыканий______________ 39 .

Глава 2. УСТРОЙСТВА РЗА НА МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ_45

2.1. Общие принципы построения защит__________________________________ 45

2.2. Типовые схемы операционных усилителей, используемые в качестве

функциональных элементов релейной защиты_____________________________ 51.

2.3. Примеры выполнения микроэлектронной аппаратуры____________________56.

Глава 3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ,

АВТОМАТИКИ, ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ__________________ 84.

3.1.Основные характеристики микропроцессорных устройств_________________ 84.

3.2. Краткое описание аппаратной части__________________________________ 84.

3.3. Особенности обработки информации в цифровых реле__________________ 97.

3.4. Особенности эксплуатации микропроцессорных защит и автоматики_______101.

3.5. Примеры устройств РЗА на микропроцессорах_________________________110.

Глава 4. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ____________________ 131

4.1. Трансформаторы тока_____________________________________________ 131.

4.2. Трансформаторы напряжения______________________________________ 139.

Глава 5. ИСТОЧНИКИ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА___________________________ 147

5.1. Аккумуляторная батарея__________________________________________ 147

5.2. Шкаф управления оперативным током ( ШУОТ)________________________148.

5.3. Шкаф постоянного оперативного тока ШОТ-01 компании

«ЭНЕРГОМАШВИН»__________________________________________________148

5.4. Блоки питания____________________________________________________152.

5.5. Конденсаторные батареи___________________________________________152.

5.6. Схемы дешунтирования____________________________________________152.

5.7. Защиты с автономным питанием_____________________________________153 .

5.8. Реле прямого действия_____________________________________________153 .

5.9. Выбор принципов использования оперативного тока на подстанциях______ 153.

Глава 6. ЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6-35 кВ___________ 154

6.1. Основные принципы выполнения защиты_____________________________ 154.

6.2. Применение аппаратуры и выбор уставок релейной защиты ВЛ 6-10кВ____ 161

6.3. Особенности выбора уставок на тупиковых ВЛ 35 кВ____________________ 170.

Глава 7. ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ 110-220кВ___________________________________ 175

7.1. Общие соображения_______________________________________________175

7.2. Особенности расчета токов и напряжений при коротком замыкании _______176.

7.3. Примеры выбора аппаратуры для тупиковых ВЛ 110-220кВ_______________ 179.

7.4. Дистанционные защиты_____________________________________________183.

7.5. Особенности некоторых устройств микропроцессорных защит_____________197

Глава 8. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ_________________________________ 202

8.1. Общие сведения___________________________________________________ 202.

8.2. Требования к выполнению защит трансформатора_______________________203

8.3. Дифференциальная защита_________________________________________203.

8.4. Газовая защита ___________________________________________________ 217.

8.5. Защита от сверхтоков при внешних КЗ (максимальная защита)____________ 218.

8.6. Токовая отсечка_______________________________________________________ 223.

8.7. Защита от перегрузки_____________________________________________223.

8.8. Специальная защита нулевой последовательности от однофазных КЗ

на стороне НН (0.4 кВ)________________________________________________225

8.9. Резервирование защиты трансформатора____________________________226.

8.10. Примеры расстановки защит на трансформаторах____________________228.

Глава 9. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ______________________________235

9.1. Общие соображения______________________________________________235.

9.2. Некоторые свойства асинхронных двигателей_________________________237.

9.3. Защита двигателей от междуфазных КЗ__________________________________240.

9.4. Защита электродвигателей от перегрузки__________________________________241.

9.5.Дополнительные уставки реле MiCOM P220, связанные с тепловой

9.6. Защита двигателей от замыкания на землю__________________________ 246

9.7. Защита минимального напряжения_________________________________ 248

9.8. Защита электродвигателей напряжением ниже 1000 В______________________249

9.9. Особенности защиты синхронных двигателей______________________________ 253

Глава 10. АВТОМАТИКА ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ______________________________ 257

Введение___________________________________________________________257

10.1. Автоматическое повторное включение (АПВ)_________________________257

10.2. Автоматический ввод резерва (АВР)________________________________ 269

10.3. Автоматическая частотная разгрузка (АЧР)_____________________________________ 284

10.4. Автоматическое регулирование напряжения в электрических сетях_____________ 294

Глава 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ЛИНИЯХ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ______________________________________________________ 300

11.1. Общие соображения_____________________________________________ 300

11.2. Принципы определения места КЗ по двухстороннему измерению

параметров аварийного режима________________________________________ 301

11.3. Двухстороннее измерение на ЛЭП сложной конфигурации_____________ 303

11.4. Упрощенные способы одностороннего измерения_____________________ 304

11.5. Некоторые положения теории дистанционных защит___________________305

11.6. Теория одностороннего измерения на линии__________________________306

Глава 12. ШКАФЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ_________________309

12.1. Назначение_____________________________________________________ 309

12.2. Конструкция шкафов______________________________________________310

12.3. Специальные технические данные шкафов___________________________311

12.4. Номенклатура шкафов РЗА________________________________________ 318

Глава 13. УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕРКИ УСТРОЙСТВ РЗА_________________ 325

13.1. Основные характеристики установок________________________________ 325

13.2. Испытательные установки для проверки простых защит________________ 327

13.3. Устройства для проверки простых и сложных защит___________________ 331

13.4. Микропроцессорные системы для проверки средств РЗА_______________ 333

Глава 14

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И СБОРА ИНФОРМАЦИИ_____________ 344

Глава 15. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА

ШУНТОВЫХ БАТАРЕЙ СТАТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ_________________ 348

15.1. Общие соображения______________________________________________348

15.2. Релейная защита БСК_____________________________________________354

15.3. Выбор аппаратуры для защиты БСК________________________________ 357

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение П1. Условные обозначения, применяемые на электрических схемах 358

Приложение П2. Латинские и старые русские обозначения элементов_________ 361

Приложение П3. Электрические характеристики линий электропередачи,

трансформаторов и некоторых видов аппаратуры защиты применяемой в СНГ_ 362.

Приложение П4. Коды ANSI применяемые для обозначения функций,

входящих в состав микропроцессорных устройств РЗА_____________________ 367

Приложение П5. Характеристики микропроцессорных устройств

защиты и автоматики фирмы ALSTOM___________________________________ 375

Приложение П6. Характеристики микропроцессорных устройств

защиты и автоматики фирмы AВВ_______________________________________ 387

Приложение П7. Характеристики микропроцессорных защит фирмы SIEMENS__ 407

Приложение П8. Микропроцессорное устройство РЗА IPR XXI________________ 429

Приложение П9. Микропроцессорное устройство защиты и автоматики “ДІАМАНТ”431

Приложение П10. Микропроцессорный терминал управления и защиты

присоединений 0,4 - 35 кВ ТЭМП 2501_____________________________________433

Приложение П11. Устройство защиты, автоматики, контроля и управления

присоединений 6-35кВ __________________________________________________435

Приложение П12. Устройства защиты и управления Merlin Gerin

фирмы Schneider Electric_________________________________________________438

Приложение П13. Методические указания по защите вторичных цепей

электрических станций и подстанций от импульсных помех.

РД 34.20.116-93, РАО «ЕЭС России», Москва, 1993 Тезисы __________________ 442

Приложение П14. Комплектующие для монтажа шкафов РЗА _________________ 443

Приложение П15. Аппаратура фирмы «ЭКРА»_______________________________455

Приложение П16. Терминалы фирмы «Sel» _________________________________466

Приложение П17. Аппаратура фирмы “ZEG ENERGETYKA” (Польша)___________469

Приложение П18. Устройства РЗА Фирмы SEG (Германия)____________________ 476

Приложение П19. Апаратура фирмы GE Power Menagement___________________ 480

Приложение П20.Серия устройств микропроцессорной защиты в сетях

напряжением 6-35 кВ Сириус" фирмы «Радиус» Россия.______________________ 487

Приложение П 21. Микропроцессорная аппаратура НТЦ “Механотроника” Россия 493

Использованная литература _____________________________________________ 499

ВВЕДЕНИЕ

В.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ

Электрические машины и аппараты, линии электропередачи и другие части электриче-

ских установок и электрических сетей постоянно находятся под напряжением и обтекают-

ся током, вызывающим их нагрев. Поэтому в процессе эксплуатации могут возникать

повреждения, приводящие к коротким замыканиям (КЗ).

Короткие замыкания возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов прово-

дов, ошибочных действий персонала (включения под напряжение заземленного оборудо-

вания, отключения разъединителей под нагрузкой) и других причин.

В большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга с высокой темпе-

ратурой, приводящая к разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электриче-

ских аппаратов. При КЗ к месту повреждения подходят большие токи (токи КЗ), изме-

ряемые тысячами ампер, которые перегревают неповрежденные токоведущие части и

могут вызвать дополнительные повреждения, т. е. развитие аварии. Одновременно

в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое пониже-

ние напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению па-

раллельной работы генераторов.

В большинстве случаев развитие аварий может быть предотвращено быстрым отключе-

нием поврежденного участка электрической установки или сети при помощи специальных

автоматических устройств, получивших название релейная защита, которые дей-

ствуют на отключение выключателей.

При отключении выключателей поврежденного элемента гаснет электрическая дуга в

месте КЗ, прекращается прохождение тока КЗ и восстанавливается нормальное на-

пряжение на неповрежденной части электрической установки или сети. Благодаря это-

му сокращаются размеры или даже совсем предотвращаются повреждения оборудова-

ния, на котором возникло КЗ, а также восстанавливается нормальная работа неповре-

жденного оборудования.

Таким образом, основным назначением релейной защиты является выявление места

возникновения КЗ и быстрое автоматическое отключение выключателей поврежденного

оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части электрической уста-

новки или сети.

Кроме повреждений электрического оборудования, могут возникать такие нарушения

нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети

с изолированными нейтралями, выделение газа в результате разложения масла в

трансформаторе или понижение уровня масла в его расширителе и др.

В указанных случаях нет необходимости немедленного отключения оборудования, так как

эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут

самоустраниться. Поэтому при нарушении нормального режима работы на подстанциях с

постоянным обслуживающим персоналом, как правило, достаточно дать предупреди-

тельный сигнал персоналу подстанции, На подстанциях без постоянного обслужи-

вающего персонала и в отдельных случаях на подстанциях с постоянным обслуживаю-

щим персоналом производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой

времени.

Таким образом, вторым назначением релейной защиты является выявление нарушений

нормальных режимов работы оборудования и подача предупредительных сигналов об-

служивающему персоналу или отключение оборудования с выдержкой времени.

Если назначением релейной защиты является в первую очередь отключение оборудова-

ния, то в функции электроавтоматики входит его включение. В чистом виде к электроав-

томатике относят автоматическое повторное включение (АПВ) и автоматическое включе-

ние резервного питания или механизма (сокращенно автоматический ввод резерва -

АВР).

Существуют также некоторые виды технологической электроавтоматики, обслуживаю-

щиеся персоналом служб РЗА.

К ним относят:

• автоматическое регулирование возбуждения генераторов и синхронных двигате-

лей (АРВ):

• автоматическое регулирование положения переключателя РПН силового транс-

форматора (АРНТ):

• автоматическую настройку дугогасящих катушек компенсации емкостного тока

замыкания на землю в сети 6-35кВ (АРК);

• автоматическую регулировку батареи статических конденсаторов;

• автоматику охлаждения силовых трансформаторов;

• автоматическую точную синхронизацию генераторов;

• автоматическую самосинхронизацию генераторов;

• автоматический частотный пуск гидрогенераторов (АЧП);

• определение места повреждения линий электропередачи (ОМП).

Кроме этого существует противоаварийная режимная автоматика.

К ней относят:

• автоматическую частотную разгрузку (АЧР);

• автоматическое включение потребителей, отключенных действием АЧР, после

восстановления частоты (ЧАПВ);

• автоматическое регулирование частоты и активной мощности (АРЧМ);

• дополнительная автоматическая разгрузка по напряжению (ДАРН);

• дополнительная автоматическая разгрузка по току (ДАРТ);

Имеется также противоаварийная системная автоматика: разгрузка электростанций, пре-

дотвращение и прекращение асинхронного режима, предотвращение недопустимого по-

вышения напряжения в узле, балансировочная автоматика. Такие устройства размеща-

ются на крупных электростанциях и подстанциях сверхвысокого напряжения и не входят

в рассмотрение в данной книге.

В.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

К релейной защите предъявляются основные требования:

Быстродействие.

Как уже указывалось, быстрое отключение поврежденного оборудования или участка

электрической установки предотвращает или уменьшает размеры повреждений, со-

храняет нормальную работу потребителей неповрежденной части установки, предотвра-

щает нарушение параллельной работы генераторов. Длительное протекание тока корот-

кого замыкания может привести к повреждению неповрежденных участков оборудования

линий, трансформаторов по которым протекает ток короткого замыкания из-за термиче-

ского перегрева оборудования. Допустимое время протекания тока через оборудование,

не вызывающее его повреждения указываются в ГОСТах на оборудование.

Например, допустимое время КЗ для трансформатора определяется по формуле:

tдоп. = 900/ К

(В1)

где К – отношение тока КЗ к номинальному току трансформатора.

И в тоже время отключения ТКЗ сгласно инструкции по эксплуатации трансформатора п

не должно превышать 4 -5 сек.

Приближенно минимальное сечение проводов воздушных и кабельных линий

должно составлять:

Smin =(Iк.мах/С)*√tоткл (В.2)

Где: Smin - минимально допустимое сечение провода

Iк.мах - ток КЗ в максимальном режиме в начале линии

С - постоянная провода - зависящая от конструкции линии, наличия оболоч-

ки, натяжения провода, условий теплоотдачи и.т.д. Для грубых расчетов можно принять

С=69.5

√tоткл - корень квадратный из времени отключения короткого замыкания при

данном токе

t откл. = tсз1.+ tсз2 = 2tоткл.выкл. (В.3)

Где: t откл. - полное время отключения КЗ

tсз1 - время срабатывания защиты до АПВ

tсз2 - время срабатывания защиты после АПВ

tоткл.выкл. - время отключения выключателя.

При этом считается, что за время АПВ температура провода существенно не сни-

зится и время воздействия тока на нагрев провода суммируется. Для более точных рас-

четов следует использовать специальные методики.

Для обеспечения устойчивости параллельной работы генераторы, трансформа-

торы, линии электропередачи, по которым осуществляется параллельная работа и все

другие части электрической установки или электрической сети должны оснащаться бы-

стродействующей релейной защитой. Современные устройства быстродействующей

релейной защиты имеют время действия 0,02—0,1 с.

Для распределительных сетей такое быстродействие не обязательно. Оно опре-

деляется термической устойчивостью, но и в этом случае следует стремиться к мини-

мально возможной выдержке времени. Время срабатывания быстродействующей ступени

защиты должно составлять 0.05 –0.1 сек.

Селективность или избирательность

Селективностью называется способность релейной защиты выявлять место по-

вреждения и отключать его только ближайшими к нему выключателями (см. рис. В.1).

Рис. В.1. Схема электроустановки к пояснению принципа селективности

релейной защиты.

Так, при КЗ в точке К1 (рис. В.1) для правильной ликвидации аварии должна по-

действовать защита только на выключателе Q1 и отключить этот выключатель. При этом

остальная неповрежденная часть электрической установки останется в работе. Такое из-

бирательное действие защиты называется селективным.

Если же при КЗ в точке К1 раньше защиты выключателя Q1 или одновременно с

ней подействует защита выключателя Q4 и отключит этот выключатель, то ликвидация

аварии будет неправильной, так как, кроме поврежденного электродвигателя M1, оста-

нется без напряжения неповрежденный электродвигатель М2. Такое действие защиты

называется неселективным.

Из рис. В.1 видно, что если при КЗ в точке K1 подействует неправильно защита

выключателя Q5 и отключит этот выключатель, то последствия такого неселективного

действия будут еще более тяжелыми, так как без напряжения останутся оба неповреж-

денных электродвигателя М2 и МЗ.

Рассмотренный пример показывает, какое важное значение имеет выполнение

требования селективности для обеспечения правильной ликвидации аварий.

В ряде случаев одновременное выполнение требований селективности и быстро-

действия вызывает серьезные трудности и требует существенного усложнения защиты. В

таких случаях в первую очередь обеспечивается выполнение того из требований, которое

в данных конкретных условиях является определяющим.

Применяется несколько способов обеспечения селективности.

Селективность по принципу действия. Защита принципиально не срабатывает при

коротком замыкании вне зоны действия, например зона действия дифзащиты находится

между ее трансформаторами тока.