РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Лектор: Андреев Михаил Владимирович
Вводная лекция по РЗА
НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
1.
Автоматическое
выявление
поврежденного
элемента
с
последующей его локализацией.
2.
Автоматическое
выявление
ненормального режима с принятием
мер для его устранения.
2
Вводная лекция по РЗА
ТРЕБОВАНИЯ К РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

Селективность;

Быстродействие;
3
Вводная лекция по РЗА
ТРЕБОВАНИЯ К РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ
Надежность;
 Возможность резервирования;


Чувствительность;
4
Вводная лекция по РЗА
ЭЛЕМЕНТНЫЕ БАЗЫ

Электромеханическая
РТ-40
5
Вводная лекция по РЗА
ЭЛЕМЕНТНЫЕ БАЗЫ

Микроэлектронная
РСТ-80
6
Вводная лекция по РЗА
ЭЛЕМЕНТНЫЕ БАЗЫ

Микропроцессорная
Sepam
1000+
7
Вводная лекция по РЗА
СТРУКТУРА УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТА





ИП – измерительные преобразователи;
ИО – измерительные органы;
ЛЧ – логическая часть;
ИЭ – исполнительный элемент;
СО – сигнальный орган.
8
Вводная лекция по РЗА
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ
По способам обеспечения селективности
все защиты можно разделить на две
группы:
 защиты с относительной
селективностью;
 защиты с абсолютной селективностью.
9
Вводная лекция по РЗА
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ
Защиты с относительной селективностью:
 Токовые
защиты;
 Защиты напряжения;
 Дистанционные защиты.
10
Вводная лекция по РЗА
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ
Защиты с относительной селективностью:
 Дифференциальные защиты;
11
Вводная лекция по РЗА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор тока
Трансформатор напряжения
12
Вводная лекция по РЗА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА
13
Вводная лекция по РЗА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА
Погрешности трансформатора тока:
• Токовая погрешность определяет разницу между измеренным модулем тока и
его фактическим значением:
• Фазовая погрешность определяет угол сдвига вторичного тока относительно
первичного.
• Согласно нормативным требованиям, погрешность трансформаторов тока в
режиме работы защиты не должна превышать 10%.
14
Вводная лекция по РЗА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА
1.Определяется рабочий ток защищаемого объекта Iраб .
2.По найденному значению тока и номинальному напряжению выбирается трансформатор
тока.
3.Определяется максимально возможное значение тока повреждения защищаемого объекта
Ikmax .
4.Рассчитывается кратность тока короткого замыкания как отношение:
5. На основании технической документации поставщика оборудования или справочных
материалов и найденной кратности первичного тока определяется допустимая нагрузка
zндоп для выбранного трансформатора тока.
6. Рассчитывается фактическая нагрузка трансформаторов тока zнфакт и сравнивается с
допустимой.
7. Если zндоп ≥ zнфакт считается, что трансформатор тока удовлетворяет требованиям
точности и его можно использовать для данной схемы защиты.
Если zндоп ≤ zнфакт, то необходимо принять меры для уменьшения нагрузки. В качестве
таких мер можно назвать следующие:
- выбор трансформатора тока с увеличенным значением коэффициента трансформации;
- увеличение сечения контрольного кабеля;
- использование вместо одного трансформатора тока группу трансформаторов, соединенных
последовательно.
15
Вводная лекция по РЗА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Трансформатор напряжения представляет собой сердечник,
набранный из пластин электротехнической стали, с
размещенными на нем первичной и вторичной обмотками
16
Вводная лекция по РЗА
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Погрешности трансформатора напряжения:
1. Погрешность по напряжению, под которой понимается
отклонение
действительного
значения
коэффициента
трансформации от его номинального значения.
2. Погрешность по углу.
В зависимости от нагрузки один и тот же трансформатор
напряжения может работать в разных классах точности.
Поэтому в паспортных данных указывается два значения
мощности:
- номинальная, при которой трансформатор работает в
гарантированном классе точности;
- предельная, при которой нагрев обмоток не выходит за
допустимые пределы.
17
Вводная лекция по РЗА
МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
18
Вводная лекция по РЗА
МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
19
Вводная лекция по РЗА
МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
Выводы:
1. Принцип действия максимальной токовой защиты основан на
фиксации увеличения тока при возникновении анормального
режима или короткого замыкания.
2. Селективность защиты обеспечивается введением выдержки
времени на срабатывание.
3. Защита отличается простотой, надежностью, невысокой
стоимостью.
4. В качестве характерных недостатков следует отметить:
- малое быстродействие;
- недостаточная чувствительность в сильно нагруженных и
протяженных линиях;
- невозможность правильной работы в кольцевых сетях и в
радиальных сетях с несколькими источниками питания.
20
Вводная лекция по РЗА
МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С
БЛОКИРОВКОЙ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
21
Вводная лекция по РЗА
МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С
БЛОКИРОВКОЙ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
Расчет параметров:
Ток срабатывания защиты выбирается из условия отстройки только от тока
нормального или номинального режима:
k
I СЗ 
Н
kб
I НОМ
Уставка пускового органа по напряжению выбирается из условия несрабатывания
защиты при минимально возможном рабочем напряжении:
U РАБ МИН
U СЗ 
k Н  kб
Выбранное значение напряжения срабатывания должно быть проверено на
чувствительность по выражению:
U СЗ
kЧ 
U K ОСТ
где Ukост - максимальное значение остаточного напряжения в месте установки
защиты при коротком замыкании в расчетном режиме.
При коротком замыкании в конце защищаемого участка коэффициент
чувствительности должен быть не менее 1.5, при коротком замыкании
в конце смежного участка - не менее 1.2.
22
Вводная лекция по РЗА
МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С
БЛОКИРОВКОЙ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
Выводы:
1.Учет дополнительного признака короткого замыкания –
понижения напряжения, позволяет получить более высокую
чувствительность.
2. Максимальную токовую защиту с блокировкой по
напряжению целесообразно использовать для защиты
оборудования,
подверженного
технологическим
перегрузкам.
23
Вводная лекция по РЗА
ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА
Токовая отсечка относится к токовым защитам, реагирующим на
увеличение тока. Основное ее отличие от максимальной токовой
защиты заключается в способе обеспечения селективности.
I (3) 
СЗ
EФ
xC  x0  lk
где Eф - фазная ЭДС
системы;
Хc - сопротивление
системы;
Х0 - удельное сопротивление
1 км линии;
lk - расстояние до места
короткого замыкания.
24
Вводная лекция по РЗА
ТОКОВАЯ СТУПЕНЧАТАЯ ЗАЩИТА
Токовые ступенчатые защиты представляют собой сочетание токовых
отсечек и максимальной токовой защиты, что позволяет выполнить
полноценную защиту с высоким быстродействием
Первая ступень - отсечка
мгновенного действия,
защищает начальный
участок линии.
Вторая ступень - отсечка с
выдержкой времени,
предназначена для
надежной защиты
оставшегося участка
линии.
Третья ступень максимальная токовая
защита, выполняет
функции ближнего и
дальнего
резервирования.
25
Вводная лекция по РЗА
ТОКОВАЯ СТУПЕНЧАТАЯ ЗАЩИТА
26
Вводная лекция по РЗА
ТОКОВАЯ СТУПЕНЧАТАЯ ЗАЩИТА
Выводы:
1. Токовые ступенчатые защиты, представляющие собой
сочетание токовых отсечек и максимальной токовой защиты,
обеспечивают быстрое отключение коротких замыканий.
2. По принципу действия токовые ступенчатые защиты не
обеспечивают требование селективности в кольцевых сетях
и в радиальных сетях с несколькими источниками питания.
3. Токовые ступенчатые защиты не обеспечивают требуемой
чувствительности в сильно нагруженных линиях .
4. Токовые ступенчатые защиты применяются главным
образом для защиты от междуфазных коротких замыканий в
радиальных распределительных сетях напряжением до
35 к В.
27
Вводная лекция по РЗА
ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА
Для обеспечения селективности действия максимальных токовых защит в
кольцевых сетях с односторонним и радиальных сетях с двухсторонним
питанием пусковой орган защиты выполняется в виде двух реле - реле тока
и реле направления мощности, контакты которых соединены
последовательно.
28
Вводная лекция по РЗА
ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА
Выбор тока срабатывания. Ток срабатывания токовых
направленных защит выбирается так же, как для обычных
максимальных токовых защит по условиям отстройки от
максимальных нагрузочных режимов. При этом отстройка
производится от токов, направленных от шин в линию.
Выбор выдержек времени. Выбор выдержек времени
производится по встречно-ступенчатому принципу.
Оценка чувствительности. Чувствительность токовых пусковых
органов максимальной токовой направленной защиты
оценивается по току двухфазного короткого замыкания в
конце защищаемой линии и в конце резервируемых участков.
29
Вводная лекция по РЗА
ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА
Выводы:
1. Применение органа направления мощности позволяет
обеспечить селективность токовых защит в кольцевых сетях с
одним источником питания и в радиальных сетях с
двухсторонним питанием.
2. Защита отличается простотой и надежностью.
3. К недостаткам защиты относятся:
- малое быстродействие;
- недостаточная чувствительность в нагруженных и
протяженных линиях электропередач;
- наличие мертвой зоны по напряжению, что может привести к
отказу при трехфазных коротких замыканиях вблизи места
установки защиты
30
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Нормальный режим:
Режим КЗ:
U Л  U НОРМ , I Л  I НОРМ
U НОРМ
ZН 
I НОРМ
UK
ZK 
 ZН
IK
31
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Поведение реле сопротивления в различных режимах зависит от его
характеристики zср = f (φр ) , где φр - угол между током и напряжением, подводимых
к реле.
1. Круговая характеристика с
центром в начале координат
2. Круговая характеристика,
проходящая через начало координат
32
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
3. Реле с эллиптической
характеристикой
4. Реле с многоугольными
характеристиками
33
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
KZ1, KZ2 KZ3 дистанционные
органы ступеней
защиты.
AKB - орган
блокировки от
качаний;
KBV - орган
блокировки от
нарушения цепей
напряжения.
34
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
По принципу действия устройства блокировки от качаний могут быть
разделены на две группы:
1. Короткие замыкания и качания различают по хотя бы
кратковременному наличию аварийных составляющих, например, токов
обратной последовательности.
2. Короткие замыкания и качания различают по скорости изменения токов
и напряжений.
35
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Первичное сопротивление срабатывания первой ступени выбирается из
условия отстройки от коротких замыканий на шинах противоположной
подстанции:
Z СЗ1  k Н  Z Л
36
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Первичное сопротивление срабатывания второй ступени определяется по
следующим условиям:
1. Отстройка от конца зоны действия первой ступени дистанционной
защиты смежной линии:
k
2
Z СЗ  k Н  ( Z Л 1 
Н
kТОК
ZЛ 2 )
2. Отстройка от короткого замыкания за трансформатором приемной
подстанции:
1
2
Z СЗ  k Н  ( Z Л 1 
kТОК
ZT )
Из рассчитанных значений сопротивлений срабатывания выбирается
меньшее.
Коэффициент чувствительности второй ступени определяется по
выражению:
Z СЗ2
kЧ 
 1.25
ZЛ1
37
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Сопротивление срабатывания третьей ступени выбирается из условия
отстройки от нагрузочного режима:
ZСЗ 
3
U min  sin(нагр . расч. )
3  I Н max  kН  kВ  sin(МЧ )
Требуемый коэффициент чувствительности оценивается по короткому
замыканию в конце зоны резервирования. Его значение должно быть не
менее 1.2.
38
Вводная лекция по РЗА
ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Выводы:
1. Принцип действия дистанционной защиты основан на
контроле сопротивления.
2. Дистанционная защита удовлетворяет требованиям
селективности в сетях любой конфигурации с любым числом
источников питания.
3. Защита отличается сравнительно высоким быстродействием.
4. В типовом исполнении дистанционная защита линий
содержит три ступени.
5. Дистанционная защита в качестве основной защиты линий от
междуфазных коротких замыканий находит применение в сетях
напряжением (110 - 220) кВ.
39
Вводная лекция по РЗА
ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
IР 
I1
I
 2 0
nTA1 nTA 2
IР 
I1
I
 2 0
nTA1 nTA 2
40
ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
Ток небаланса дифференциальной защиты
где kа - коэффициент, учитывающий наличие
апериодической составляющей в токе короткого
замыкания. Если в качестве пускового органа
защиты используется обычное реле тока,
то величина kа зависит от времени работы
защиты tз:
kа = 2, если tз < 0.1 сек.;
kа = 1.5, если tз = (0.1- 0.3) сек.;
kа = 1, , если tз = 0.3сек.;
kодн = (0.5 -1) - коэффициент однотипности условий работы трансформаторов тока.
Значение 0.5 принимается при примерно одинаковых вторичных токах;
fi = 0.1 - допустимая погрешность трансформаторов тока;
Iкзвнmax - максимальное значение тока внешнего короткого замыкания .
41
ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
Выводы:
1.
Принцип действия продольной дифференциальной защиты
основан на сравнении токов по концам защищаемого
объекта.
2. По принципу действия защита не требует замедления на
срабатывание.
3. Необходимость прокладки контрольного кабеля для
соединения трансформаторов тока приводит к тому, что для
защиты линий продольная дифференциальная защита
применяется сравнительно редко.
4. В качестве основной защиты дифференциальная защита
получила
широкое
распространение
для
защиты
оборудования: генераторов,
трансформаторов, двигателей, шин.
42
ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
Нормальный режим или внешнее КЗ
КЗ в зоне действия:
43
ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
44
ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
Ток срабатывания поперечной дифференциальной защиты выбирается
по двум условиям:
1. Защита не должна работать от максимально возможного тока небаланса
при внешних коротких замыканиях: I  k  ( I   I  )
СЗ
Н
НБ
НБ
  ka  kодн  fi  I КЗ ВН max I НБ
где
составляющая
тока
небаланса,
вызываемая
погрешностью
трансформаторов
тока.
Значения
коэффициентов в выражении такие же, как и для продольной
дифференциальной защиты;
Z1  Z 2 - составляющая тока небаланса, обусловленная
 
I НБ
неодинаковостью сопротивлений параллельных линий
Z1  Z 2
за счет их различной длины или разного сечения проводов.
2. Защита не должна работать при отключении одной из параллельных
линий, если по второй протекает максимальный рабочий ток:
I СЗ 
kН
I РАБ МАКС
kВ
45
ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
Выводы:
1. Принцип действия поперечной дифференциальной защиты
основан на сравнении токов параллельных ветвей.
2. Защита отличается простотой, высоким быстродействием,
достаточно высокой чувствительностью.
3. Принципиальным недостатком защиты является
необходимость вывода ее из работы при отключении одной
из параллельных линий.
4. Наличие зоны каскадного действия не позволяет
отключать короткие замыкания мгновенно в пределах всей
линии.
46