Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике

ПОИСК ПО САЙТУ:

 
  
  

 

Релейная защита и автоматика

Как устроена релейная защита линий электропередач

 

Бесперебойная и надежная транспортировка электроэнергии к потребителям — это одна из основных задач, постоянно решаемых энергетиками. Для ее обеспечения созданы электрические сети, состоящие из распределительных подстанций и соединяющих их линий электропередач. Для перемещения энергии на большие расстояния используются опоры, к которым подвешиваются соединительные провода. Они изолированы между собой и землей слоем окружающего воздуха. Такие линии по виду изоляции называют воздушными.

Передача электричества по линии электропередач между подстанциями

Если расстояние транспортной магистрали небольшое или в целях безопасности необходимо спрятать линию электропередач в земле, то используются кабели.

Передача электроэнергии по кабельным ЛЭП к потребителям

Воздушные и кабельные линии электропередач постоянно находятся под напряжением, величина которого определена структурой электрической сети.

Назначение релейной защиты ЛЭП

В случае повреждения изоляции любого места кабельной или протяженной воздушной ЛЭП приложенное к линии напряжение создает ток утечки или короткого замыкания через нарушенный участок.

Причинами нарушения изоляции могут стать различные факторы, которые способны самоустраниться или продолжать свое разрушительное воздействие. Например, пролетающий между проводами воздушной ЛЭП аист создал междуфазное замыкание своими крыльями и сгорел, упав рядом.

Опора ВЛ 110 кВ

Или дерево, выросшее очень близко от опоры, во время бури порывом ветра повалено на провода и закоротило их.

В первом случае короткое замыкание возникло на короткий промежуток времени и исчезло, а во втором — нарушение изоляции носит длительный характер и требует устранения обслуживающим электротехническим персоналом.

Такие повреждения способны нанести большой ущерб энергетическим предприятиям. Токи возникающих коротких замыканий обладают огромной тепловой энергией, способной сжечь не только провода подводящих линий, но и разрушить силовое оборудование на питающих подстанциях.

По этим причинам все возникающие повреждения на ЛЭП необходимо мгновенно ликвидировать. Это достигается снятием напряжения с поврежденной линии на питающей стороне. Если же такая ЛЭП получает питание с обеих сторон, то они обе должны отключить напряжение.

Функции постоянного отслеживания электрических параметров состояния всех линий электропередач и снятия с них напряжения со всех сторон при возникновении любых аварийных ситуаций возложены на сложные технические системы, которые называют по сложившейся традиции релейными защитами.

Прилагательное «релейные» образовано от элементной базы на основе электромагнитных реле, конструкции которых возникли с появлением первых линий электропередач и совершенствуются до наших дней.

Широко внедряемые в практику энергетиков модульные защитные устройства на основе микропроцессорной техники и компьютерных технологий не исключают пока полную замену релейных устройств и по сложившейся традиции тоже заносятся в устройства релейных защит.

Принципы построения релейных защит

Органы контроля состояния сети

Для отслеживания электрических параметров линий электропередач необходимо иметь органы их измерения, которые способны постоянно контролировать любые отклонения нормального режима в сети и, одновременно, отвечать условиям безопасной эксплуатации.

В линиях электропередач всех напряжений эта функция возложена на измерительные трансформаторы. Они подразделяются на трансформаторы:

  • тока (ТТ);

  • напряжения (ТН).

Поскольку качество работы защит имеет первостепенное значение для надежности всей электросистемы, то к измерительным ТТ и ТН предъявляются повышенные требования по точности работы, которые определяются их метрологическими характеристиками.

Классы точности измерительных трансформаторов для использования в устройствах РЗА (релейных защит и автоматики) нормированы величинами «0,5», «0,2» и «Р».

Измерительные трансформаторы напряжения

Общий вид установки трансформаторов напряжения на ВЛ-110 кВ показан на картинке ниже.

Ввод ВЛ 110 кВ на подстанцию 110/10 кв

Здесь видно, что ТН устанавливаются не в любом месте протяженной линии, а на распределительном устройстве электрической подстанции. Каждый трансформатор подключается своими первичными выводами к соответствующему проводу ВЛ и контуру земли.

Преобразованное вторичными обмотками напряжение выводится через рубильники 1Р и 2Р по соответствующим жилам силового кабеля. Для использования в устройствах защит и измерений вторичные обмотки соединяются по схеме «звезда» и «треугольник», как показано на картинке для ТН-110 кВ.

Схема включения трансформаторов напряжения на ОРУ 110 кВ

Для снижения потерь напряжения и точной работы релейной защиты используется специальный силовой кабель, а к его монтажу и эксплуатации предъявляются повышенные требования.

Измерительные ТН создаются под каждый вид напряжения линии электропередачи и могут включаться по разным схемам для выполнения определенных задач. Но все они работают по общему принципу — преобразование линейной величины напряжения ЛЭП во вторичное значение 100 вольт с точным копированием и выделением всех характеристик первичных гармоник в определенном масштабе.

Коэффициент трансформации ТН определяется соотношением линейных напряжений первичной и вторичной схемы. К примеру, для рассматриваемой ВЛ 110 кВ его записывают так: 110000/100.

Измерительные трансформаторы тока

Эти устройства тоже преобразовывают первичную нагрузку линии во вторичные значения с максимальным повторением всех изменений гармоник первичного тока.

В целях удобства эксплуатации и обслуживания электрооборудования их тоже монтируют на распределительных устройствах подстанции.

Трансформаторы тока ВЛ-110 кВ на подстанции 110/10 кВ

Трансформаторы тока включаются в схему ВЛ не так, как ТН: они своей первичной обмоткой, которая обычно представлена всего одним витком в виде прямого токовода, просто врезаются в каждый провод фазы линии. Это хорошо видно на приведенной выше фотографии.

Коэффициент трансформации ТТ определяется соотношением выбора номинальных величин на этапе конструирования ЛЭП. Например, если линия электропередач рассчитывается на транспортировку токов 600 ампер, а на вторичной стороне ТТ будет сниматься 5 А, то применяют обозначение 600/5.

В энергетике принято два стандарта значений вторичных токов, которые применяются:

  • 5 А для всех ТТ до 110 кВ включительно;

  • 1 А для линий 330 кВ и выше.

Вторичные обмотки ТТ соединяются для подключения к устройствам защит по разным схемам:

  • полной звезды;

  • неполной звезды;

  • треугольника.

Каждое соединение имеет свои специфические особенности и применяется для определенных видов защит различными способами. Пример соединения трансформаторов тока линии и обмоток токовых реле в схему полной звезды показан на картинке.

Включение трансформаторов тока по схеме полной звезды

Этот наиболее простой и распространенный фильтр гармоник используется во многих схемах релейных защит. В нем токи от каждой фазы контролируются индивидуальным одноименным реле, а сумма всех векторов проходит через обмотку, включенную в общий нулевой провод.

Способ использования измерительных трансформаторов тока и напряжения позволяет в точном масштабе переносить первичные процессы, происходящие на силовом оборудовании во вторичную схему для использования их в аппаратной части релейных защит и создания алгоритмов работы логических устройств по ликвидации аварийных процессов на оборудовании.

Органы обработки полученной информации

В релейных защитах основным рабочим элементом является реле — электротехнический прибор, который выполняет две основные функции:

  • отслеживает качество контролируемого параметра, например, тока и в нормальном режиме стабильно поддерживает и не изменяет состояние своей контактной системы;

  • при достижении критического значения, называемого уставкой или порогом срабатывания, мгновенно переключает положение своих контактов и находится в этом состоянии до тех пор, пока контролируемая величина не вернется в область нормальных значений.

Принципы формирования схем включения реле тока и напряжения во вторичные цепи помогает понять представление синусоидальных гармоник векторными величинами с изображением их на комплексной плоскости.

Пример выражения синусоидальных гармоник веторами единичной окружности

Внизу картинки показана векторная диаграмма для типичного случая распределения синусоид по трем фазам А, В, С при рабочем режиме электроснабжения потребителей.

Контроль состояния цепей тока и напряжения

Частично принцип обработки вторичных сигналов показан на схеме включения ТТ и обмоток реле по схеме полной звезды и ТН на ОРУ-110. Этот метод позволяет собрать вектора способами, изображенными ниже.

Векторные диаграммы линии электропередачи

Включение обмотки реле в любую из гармоник этих фаз позволяет полностью контролировать происходящие в ней процессы и отключать схему из работы при авариях. Для этого достаточно использовать соответствующие конструкции релейных устройств тока или напряжения.

Выражения соотношений мощности через вектора тока и напряжения

Приведенные схемы являются частным случаем многообразного использования различных фильтров.

Способы контроля проходящей по линии мощности

Устройства РЗА контролируют величину мощности на основе показаний все тех же трансформаторов тока и напряжений. При этом используются известные формулы и соотношения полной, активной и реактивной мощностей между собой и выраженные их значения через вектора токов и напряжений.

Здесь учитывается, что вектор тока формируется приложенной ЭДС к сопротивлению линии и одинаково преодолевает его активные и реактивные части. Но при этом происходит падение напряжения на участках с составляющими Ua и Up по законам, описанным треугольником напряжений.

Мощность может передаваться из одного конца линии в другой и даже менять свое направление при транспортировке электроэнергии.

Изменения ее направления возникают в результате:

  • переключений нагрузок оперативным персоналом;

  • качаний электроэнергии в системе благодаря воздействию переходных процессов и иных факторов;

  • возникновения аварийных режимов.

Работающие в составе РЗА реле мощности (РМ) учитывают колебания ее направлений и настраиваются на срабатывание при достижении критической величины.

Способы контроля сопротивления линии

Устройства релейной защиты, оценивающие расстояние до места возникшего короткого замыкания на основе замера электрического сопротивления, называют дистанционными, или сокращенно ДЗ защитами. Они тоже в своей работе используют цепи трансформаторов тока и напряжения.

Для измерения сопротивления применяется выражение закона Ома, описываемое для участка рассматриваемой цепи.

При прохождении синусоидального тока через активные, емкостные и индуктивные сопротивления вектор падения напряжения на них отклоняется в разные стороны. Это учитывается поведением релейным защит.

Поведение векторов тока и напряжения на различных видах сопротивлений

По этому принципу в устройствах РЗА работают многочисленные виды реле сопротивлений (РС).

Способы контроля частоты на линии

Для поддержания стабильности периода колебаний гармоник тока, передаваемого по линии электропередач, используются реле контроля частоты. Они работают по принципу сравнения эталонной синусоиды, вырабатываемой встроенным генератором, с частотой, получаемой от измерительных трансформаторов линии.

Принцип сравнения частот двух сигналов

После обработки этих двух сигналов реле частоты определяет качество контролируемой гармоники и при достижении значения уставки изменяет положение контактной системы.

Особенности контроля параметров линии цифровыми защитами

Приходящие на замену релейным технологиям микропроцессорные разработки тоже не могут работать без вторичных величин токов и напряжений, которые снимаются с измерительных трансформаторов ТТ и ТН.

Для работы цифровых защит информация о вторичной синусоиде обрабатывается методами дискретизации, которые заключаются в наложении на аналоговый сигнал высокой частоты и фиксации амплитуды контролируемого параметра в месте пересечения графиков.

Принцип оцифровки сигнала

За счет малого шага дискретизации, быстрых способов обработки и применения метода математической аппроксимации получается высокая точность измерения вторичных токов и напряжений.

Вычисленные таким способом цифровые величины используются в алгоритме работы микропроцессорных устройств.

Логическая часть релейных защит и автоматики

После того как первичные величины токов и напряжений передаваемой по ЛЭП электроэнергии смоделированы измерительными трансформаторами, выделены для обработки фильтрами и восприняты чувствительными органами релейных устройств тока, напряжения, мощности, сопротивления и частоты наступает очередь работы логических релейных схем.

В основу их конструкции положены реле, работающие от дополнительного источника постоянного, выпрямленного или переменного напряжения, которое еще называют оперативным, а питаемые им цепи — оперативными. В этот термин вложен технический смысл: очень быстро, без излишних задержек выполнять свои переключения.

От скорости работы логической схемы во многом зависит быстрота отключения аварийной ситуации, а, следовательно, степень ее разрушительных последствий.

По способу выполнения своих задач реле, работающие в оперативных цепях называют промежуточными: они получают сигнал от измерительного органа защиты и передают его коммутацией своих контактов исполнительным органам: выходным реле, соленоидам, электромагнитам отключений или включений силовых выключателей.

Промежуточные реле обычно имеют несколько пар контактов, которые работают на замыкание или размыкание цепи. Они используются для одновременного размножения команд между разными устройствами РЗА.

В алгоритм работы релейных защит довольно часто вводится задержка времени для обеспечения принципа селективности и формирования очередности определенного алгоритма. Она на период действия уставки блокирует работу защиты.

Этот ввод задержки создается с помощью специальных реле времени (РВ), обладающих часовым механизмом, влияющим на скорость срабатывания своих контактов.

Логическая часть релейных защит использует один из множества алгоритмов, созданных для разных случаев, которые могут возникнуть на линии электропередач конкретной конфигурации и напряжения.

В качестве примера можно привести всего лишь некоторые названия работы логики двух релейных защит, основанных на контроле тока ЛЭП:

  • токовая отсечка (обозначение быстродействия) без выдержки времени или с выдержкой (обеспечение избирательности РВ) с учетом направления мощности (за счет реле РМ) либо без него;

  • максимальная токовая защита, которая может быть наделена теми же контролями, что и отсечка в комплекте с проверкой минимального напряжения на линии или без нее.

В работу логики релейных защит часто вводятся элементы работы автоматики различных устройств, например:

  • однофазного или трехфазного повторного включения силового выключателя;

  • включения резервного питания;

  • ускорения;

  • частотной разгрузки.

Логическая часть защиты линии может быть выполнена в небольшом релейном отсеке прямо над силовым выключателем, что характерно для комплектных распределительных устройств наружной установки (КРУН) с напряжением до 10 кВ, или занимать несколько панелей 2х0,8 м в релейном зале.

Например, логика защит линии 330 кВ может размещаться на отдельных панелях защит:

  • резервных;

  • ДЗ — дистанционной;

  • ДФЗ — дифференциально фазной;

  • ВЧБ — высокочастотной блокировки;

  • ОАПВ;

  • ускорения.

Выходные цепи

Оконечным элементом релейной защиты линии служат выходные цепи. Их логика тоже строится на использовании промежуточных реле.

Выходные цепи формируют порядок работы выключателей линии и определяют взаимодействие с соседними присоединениями, устройствами (например, УРОВ — резервного отключения выключателя) и другими элементами РЗА.

У простых защит линии может быть всего одно выходной реле, срабатывание которого приводит к отключению выключателя. В сложных системах разветвленных защит создаются специальные логические цепи, работающие по определенному алгоритму.

Окончательное снятие напряжение с линии при возникновении аварийной ситуации осуществляется силовым выключателем, который приводится в действие усилием электромагнита отключения. Для его работы подводятся специальные цепи питания, способные выдерживать мощные нагрузки.



Статьи близкие по теме:
  • Основные виды релейной защиты
  • Измерительные трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты и автомати ...
  • Дифференциальная защита
  • Измерительные трансформаторы тока в схемах релейной защиты и автоматики
  • Разновидности реле защиты и релейных защит



  • Школа для электрика | Основы электротехники | Электричество для чайников
    Электрические аппараты | Справочник электрика
     Электроснабжение | Электрические измерения | Электрические схемы
     Электромонтажные работы | Пусконаладочные работы | Эксплуатация электрооборудования

    Статьи и схемы

    » Школа для электрика
    » Электричество для чайников
    » Электробезопасность
    » Электрические схемы
    » Электроснабжение
    » Основы электротехники
    » Основы электроники
    » Электрические машины
    » Электрические аппараты
    » Автоматизация производственных процессов
    » Альтернативная энергетика
    » Заземление и молниезащита
    » Монтаж электрооборудования
    » Наладка электрооборудования
    » Релейная защита и автоматика
    » Ремонт электрооборудования
    » Экономия электроэнергии
    » Эксплуатация электрооборудования
    » Электрические измерения
    » Электрические системы и сети
    » Электрические станции и подстанции
    » Электрическое освещение
    » Электрооборудование промышленных предприятий
    » Электропривод
    » Электротехнические материалы
    » Электротехнология
    » Статьи на разные темы
    » Видеокурсы и другие обучающие материалы

    Силовые автоматические выключатели ВА07-М IEK