Релейний захист та автоматика

Релейний захист та автоматика


1. Загальні положення



Релейний захист елементів розподільчих мереж повинен відповідати чотирьом вимогам, пред’явленим до всіх пристроїв релейного захисту: селективність, швидкодія, чутливість та надійність.

Селективна дія захисту забезпечує відключення тільки пошкодженої ділянки мережі найближчим до неї вимикачем. Швидкодія релейного захисту зменшує розміри, запобігає або зменшує пошкодження в місці КЗ, зберігає нормальну роботу споживачів неушкодженої частини електричної установки. Чутливістю релейного захисту називають її здатність реагувати на всі види пошкоджень і ненормальних режимів, які можуть виникати в межах основної зони, що захищається, та зони резервування. Надійність релейного захисту визначається як її спрацюванням у всіх необхідних випадках, так і не спрацюванням у випадках, коли дія захисту не потребується.

У процесі експлуатації електричних машин, апаратів, повітряних ліній електропередачі і т.п. можуть відбуватися порушення нормальних режимів роботи і виникати ушкодження, що приводять до коротких замикань.

У більшості випадків аварії або їхній розвиток можуть бути відвернені швидким відключенням ушкодженої ділянки електричної установки або мережі за допомогою релейного захисту, що діє на відключення вимикачів.

При відключенні вимикачів ушкодженого елемента гасне електрична дуга в місці короткого замикання, припиняється проходження струму короткого замикання і відновлюється нормальна напруга на неушкодженій частині електроустановки або мережі. Завдяки цьому скорочуються розміри або навіть запобігають ушкодження устаткування, на якому виникло коротке замикання, а також відновлюється нормальна робота неушкодженого устаткування.

Таким чином, основним призначенням релейного захисту є виявлення місця виникнення короткого замикання і швидке автоматичне відключення вимикачів ушкодженого устаткування або ділянки мережі від іншої неушкодженої частини електричної установки або мережі.

Крім ушкоджень електричного устаткування, можуть виникати такі порушення нормальних режимів роботи, як перевантаження, замикання на землю однієї фази в мережі з ізольованою нейтралью, виділення газу в результаті розкладання олії в трансформаторі або зниження рівня олії в його розширнику.

Отже, другим призначенням релейного захисту є виявлення порушення нормальних режимів роботи устаткування і подача попереджувальних сигналів обслуговуючому персоналу або відключення устаткування з витримкою часу.

		
2. Захист силових трансформаторів

		

	Трансформатор повинний мати наступні пристрої релейного захисту:

			для захисту від ушкоджень на повітрі, а також від внутрішніх ушкоджень, повинний бути передбачений повздовжній диференційний захист без витримки часу або струмова відсічка, якщо не передбачено диференційний захист;

			захист від струмів в обмотках, обумовлених зовнішніми багатофазними короткими замиканнями - максимальний струмовий захист і комбінований пуск напруги або без нього;

			від ушкоджень усередині кожуха, що супроводжуються виділенням газу і від зниження рівня олії - газовий захист двоступінчастий: I ступінь - від струмів в обмотках, обумовлених перевантаженням на шинах; II ступінь - на відключення;

			від струмів в обмотках, обумовлених перевантаженням одно релейний максимальний струмовий захист, що діє на сигнал.

	
3. Релейний захист кабельної лінії напругою 10 кВ

		

		Для кабельної лінії 10 кВ з ізольованої нейтралью передбачаються пристрої релейного захисту від багатофазних замикань і однофазних замикань на землю.

		Від багатофазних коротких замикань встановлюється двоступінчастий струмовий захист:

	- перша ступінь якого виконується у виді струмової відсічки;

	- друга ступінь виконується у вигляді максимального струмового захисту (МСЗ) з витримкою часу.

		Від однофазних замикань на землю повинна бути виконана селективна сигналізація від замикань на землю з витримкою або без витримки часу.

		Максимальний струмовий захист містить два органи: вимірювальний і витримки часу. Струмова відсічка без витримки часу має тільки вимірювальний орган.

		
4. Захист електричних мереж напругою до 1000 В

		

Електрична мережа напругою до 1000 В повинна мати швидкодіючий захист від струмів короткого замикання, що забезпечує необхідну чутливість і по можливості селективне відключення ушкодженої ділянки.

Всі мережі усередині приміщень, які виконані відкрито ізольованими проводами з горючою оболонкою, поряд із захистом від короткого замикання повинні мати захист від перевантажень. Діючою величиною при коротких замиканнях і перевантаженнях є струм. Тому такі захисти називаються струмовими. Найпростішим струмовим захистом є плавкий запобіжник - це електричний апарат, призначений для захисту кіл від надструмів. Він спрацьовує автономно, залежно від ступеня й тривалості впливу струму, і не вимагає яких-небудь зовнішніх вимірювальних і керуючих ланцюгів. Основними елементами запобіжника є плавка вставка й патрон.

В електричних мережах до 1 кВ одержали поширення запобіжники типів ПР (запобіжники з розбірними патронами без наповнювача), НПН (запо-біжник з наповнювачем і з нерозбірним патроном), ПН (запобіжник з напов-нювачем і з розбірним патроном), а також швидкодіючі запобіжники типів ПНБ, ПБВ, ПБФ.

Однак плавкі запобіжники є апаратами одноразової дії, що є їхнім великим недоліком. Тому, на сьогоднішній день широко застосовуються автоматичні вимикачі.

Автоматичний вимикач призначений для автоматичного розмикання електричних кіл при ненормальних режимах роботи й для рідких оператив-них перемикань при нормальних режимах роботи.

Автомати забезпечують обмеження струмів у мережі, тому що вони відключають ланцюг до того, як струм короткого замикання в ній досягне значення iу. В автоматичному вимикачі можна розрізнити наступні основні елементи: контакти з дугогасною системою; привод; механізм вільного розчіплювання; розчіплювачі; допоміжні контакти.


5. Струмова відсічка



		5.1 Максимальний струмовий захист

		

		За допомогою МСЗ здійснюється захист від коротких замикань у розподільчих мережах 10 кВ. Розрахунок МСЗ полягає у виборі струму спрацювання захисту, струму спрацювання реле, часу спрацювання захисту. При виборі струму спрацювання максимального струмового захисту необхідно забезпечити не спрацювання захисту при проходженні струмів після аварійних режимів. 

		Необхідно розглянути всі можливі після аварійні режими:

		а) відключення близького трифазного короткого замикання на лініях, що відходять від ЦЖ. Не спрацювання максимального струмового захисту на відключення досягається вибором струму спрацювання струмових реле більшим, ніж найбільший струм у режимі само запуску:

		

			 (1)

		

		де Кн коефіцієнт надійності, приймаємо рівним 1,2 (реле типу РТ – 80);

		Кв- коефіцієнт повернення реле, приймаємо 0,8;

		Кс.зп – коефіцієнт само запуску, приймаємо 2,2;

		Iроб.мах – максимальний робочий струм елемента, що захищається, у нормальному режимі що проходить по лінії Л1.

		

						 (2)

		

		де Iроб.мах – струм навантаження в після аварійному режимі.

		Необхідно провести узгодження чутливості захистів. Це узгодження полягає у виборі таких параметрів спрацювання, при яких наступний захист, розташований ближче до джерела живлення, мав більший струм спрацю-вання, тобто був менш чуттєвий, ніж попередній, розташований далі від джерела і ближче до місця ушкодження;

		б) для схем захисту ліній із включенням реле на фазні струми, розра-хунок кч виконується по первинних струмах ушкодження і спрацювання захисту. 

		

		 			 	(3)

		

		де Iк..мін – струм у реле при металевому КЗ лінії, що в кінці захищається , у мінімальному режимі роботи системи живлення;

		Iс.з. – струм спрацювання захисту:

		Для основної зони обов'язкове значення kсх  1,5, а для зони резерву-вання kсх  1,2.

	Струм спрацювання реле струму КА3, КА4, пускових органів МСЗ визначається за формулою:

		

						 	(4)

	

	де Іс.з. - струм спрацювання захисту;

	nт - коефіцієнт трансформації трансформаторів струму;

	kсх - коефіцієнт схеми (схем з'єднання трансформаторів у зірку) kсх=1.

		Час спрацювання захисту підбирається з умови селективності захисту і термічної стійкості елемента, що захищається:

		

		t с.з= tвідкл.вим. + t с.рз. ,		 	(5)

		

		де t відкл. вим. – час відключення вимикача ВКЭ-10-20, рівний 0,1 с.;

		t с.рз – час спрацювання релейного захисту, приймається 0,5 с.

		

		t с.з. =0,1 + 0,5 = 0,6 с.

		

		При КЗ у місці К1 повинний спрацювати захист на вимикачі Q3, а всі інші повинні залишитися в роботі. 

		

		5.2 Відсічка без витримки часу

		

		Струм спрацювання струмової відсічки при її виконанні як основного швидкодіючого захисту ліній повинний задовольняти умові:

		

		Іс.о.   					(6)

		

		де  - мінімальне значення струму двофазного КЗ наприкінці лінії.

		Кч осн.зах. = 1,5 – чутливість згідно ПУЕ основного захисту 

		Струм спрацювання реле струму КА1, КА2, пускових органів струмової відсічки визначається по формулі:

		

		Іс.р.= Ксх Ісо/nт 				(7)

		

		Також повинно бути забезпечено відстроювання струмової відсічки від кидків струму намагнічування силових трансформаторів:

		

		Іс.о. (4...5…5)Іном.тр. 	 		(8)

		 Іном.тр=Sном.тр./ ,		 	 (9)

		
де Sном.тр – сума номінальних потужностей усіх трансформаторів, що живляться по лінії;

		Uном – середня номінальна напруга лінії.

		

		6. Розрахунок уставок максимального струмового захисту кабельної лінії 10 кВ

		

		Розраховуємо уставки захистів на лінії 10 кВ Л1 у нормальному режимі. 

		Струм спрацювання пускових реле типу РТ-80 відстроюється від максимального робочого струму лінії.

		Максимальний струм лінії складає 99,74 А

		Знаходимо Ic.з. по формулі (7.1):

		

		А

		

		При коефіцієнті трансформації трансформаторів струму 400/5 =80 струм спрацьовування реле дорівнює:

		

		А

		

		Приймаємо уставку 6 А для реле типу РТ-80, тоді Iс.з.= 480 А. 

		Перевірка коефіцієнта чутливості при захисті в умовах КЗ на шинах ЦЖ, коли вимикач 1 вже спрацював здійснюється по формулі (7.3):

		

		

		
Чутливість забезпечується.

		Розрахуємо струм спрацювання пускових реле типу РТ-80 в після аварійному режимі, тобто при відключенні вимикача Q5, (при замкнутій петлі). Максимальний струм лінії в цьому випадку складає 199,48 А.

		Струм спрацювання захисту дорівнює:

		

		А

		

		Струм спрацювання реле дорівнює:

		

		А

		

		Приймаємо уставку 13 А для реле типу РТ-80, тоді Iс.з.= 1040 А

		Коефіцієнт чутливості

		

		

		

		Чутливість забезпечується.

		

		7. Розрахунок струмової відсічки



		Мінімальне значення струму двофазного КЗ наприкінці лінії:

		

		А

		

		Струм спрацювання струмової відсічки:

		
А

		

		Відстроювання струмової відсічки від кидків струму намагнічування силових трансформаторів:

		

		 Іном.тр = 2520 /А

		Іс.о. = (4...5…5)138,56=(554,24…692,8) А

		
8. Захист від замикання на землю

		

		8.1 Загальна сигналізація від замикання на землю



		Замикання на землю однієї фази в мережах з ізольованої нейтралью не є аварією. Споживачі включені на між фазні напруги, продовжують нормально працювати. Це дає можливість виконувати захист від замикання на землю, що діє на сигнал. Схема складається з одного максимального реле напруги, включеного на напругу нульової послідовності.

		Пристрій сигналізації підключається до трансформаторів напруги, установлених на шинах. 

		Схема пристрою неселективної сигналізації при замиканнях на землю приведена на рисунку 1.

		

		

		Рисунок 1 - Схема пристрою неселективної сигналізації при замиканнях на землю

		

		8.2 Струмовий захист нульової послідовності



		Тривала робота мережі при замиканні фази на землю неприпустима через можливість порушення між фазної ізоляції в місці пошкодження і переходу однофазного замикання в багатофазне. Можливі також випадки подвійних замикань на землю внаслідок підвищення в раз напруг непошкоджених фаз щодо землі. Тому, поряд із загальним пристроєм контролю ізоляції необхідно передбачати селективний захист на кожному приєднанні. Звичайно це струмовий захист.

		Імовірність пошкодження між фазної ізоляції визначається не тільки тривалістю проходження струму через місце замикання на землю, але і значенням струму. Тому для запобігання переходу однофазних замикань у багатофазні максимальний струм замикання на землю в мережах напругою 10 кВ повинний бути не більш 30 А.

		Припустимі струми замикання на землю звичайно менше робочих струмів елемента, що захищається. Тому струмовий захист від замикання на землю виконується з включенням реле на фільтр струму нульової послідовності. Він приходить у дію завдяки проходженню по пошкодженій ділянці струму нульової послідовності, обумовленого ємністю всієї електрично пов'язаної мережі без урахування ємності ушкодженої лінії.

		Для виконання захисту як фільтр струму нульової послідовності вико -ристовується трансформатор струму нульової послідовності (ТНП) – TAZ.

		
9. Захист електричних мереж напругою до 1 кВ

		

		Електрична мережа напругою до 1кВ повинна мати швидкодіючий захист від струмів короткого замикання, що забезпечує необхідну чутливість і по можливості селективне відключення пошкодженої ділянки.

		Усі мережі усередині приміщень, що виконані відкрито ізольованими проводами, поряд із захистом від короткого замикання повинні мати захист від перевантажень. Величиною, що впливає, при коротких замиканнях і перевантаженнях є струм. Тому такі захисти називаються струмовими. Найпростішим струмовим захистом є плавкий запобіжник - це електричний апарат, призначений для захисту ланцюгів від надструмів. Він спрацьовує автономно, у залежності від ступеня і тривалості впливу струму, і не вимагає яких-небудь зовнішніх вимірювальних і керуючих ланцюгів. Основними елементами запобіжника є плавка вставка і патрон.

		В електричних мережах до 1 кВ одержали поширення запобіжники типів ПР (запобіжники з розбірними патронами без наповнювача), НПН (запобіжник з наповнювачем і з нерозбірним патроном), ПН (запобіжник з наповнювачем і з розбірним патроном), а також швидкодіючі запобіжники типів ПНБ, ПБВ, ПБФ.

		Однак плавкі запобіжники є апаратами одноразової дії, що є їхнім великим недоліком. Тому, у даний час широке поширення одержали автоматичні вимикачі.

		Автоматичний вимикач призначений для автоматичного розмикання електричних ланцюгів при ненормальних режимах роботи і для рідких оперативних переключень при нормальних режимах роботи.

		Автомати забезпечують обмеження струмів у мережі, тому що вони відключають ланцюг до того, як струм короткого замикання в ній досягне значення iу. В автоматичному вимикачі можна розрізнити наступні основні елементи:

	- контакти з дугогасною системою;

	- привід;

	- механізм вільного розчіплювання;

	- розчіплювач;

	- допоміжні контакти.

		
10. Автоматика

		

		10.1 Автоматичне включення резерву (АВР)

		

		АВР живлення обладнання передбачають у всіх випадках, коли перерва в електропостачанні викликає збитки, значно перевищуючи вартість установки пристроїв АВР.

		У даному випадку, при відключенні одного з живильних трансформаторів, другий під дією АВР приймає на себе все навантаження, перевантажуючись в припустимих межах, забезпечує безперебійне електропостачання споживачів. Ефективність дії АВР у системах електропостачання складає 90-95%. Автоматичне включення резервного живлення відбувається після спрацювання релейного захисту, а також при помилкових діях чергового персоналу або мимовільного включення вимикачів.

		релейний захист пристрій трансформатор

		10.2 Автоматичне повторне включення (АПВ)

		

		На підстанції з двома і більш трансформаторами поряд із пристроями АВР можуть передбачатися і пристрої АПВ. Сутність АПВ полягає в тому, що елемент системи електропостачання, відключивши під дією засобу спрацьовування релейного захисту, знову включається під напругу, якщо немає заборони на повторне включення її. Якщо причина, що викликала відключення елемента, зникла, то елемент залишається в роботі і споживач продовжує одержувати живлення практично без перерви. 

		При цьому дії їх повинні бути погоджені. Пуск пристрою АПВ дозволяють тільки при зовнішніх коротких замиканнях. Для цієї мети можна використовувати максимальний струмовий захист, установлений з боку нижчої напруги трансформатора. 

		Спрацювання захисту свідчить про виникнення пошкодження на шинах або про те, що зовнішнє коротке замикання не відключилося відповідним захистом. При цьому відключається вимикач з боку нижчої напруги трансформатора і пристрій АПВ включає його повторно.

		У всіх інших випадках подача напруги на секцію шин, що втратила живлення, повинна здійснюватися дією пристрою АВР.

	Пристрої АПВ передбачені для:

	повітряних ліній напругою 110 кВ;

	підстанцій напругою 110/10 кВ;

	РП напругою 10 кВ;

	кабельних ліній напругою 10 кВ.

	

		10.3 автоматичне частотне розвантаження (АЧР)

		

		На підстанції напругою 110/10 кВ і розподільчому пункті напругою 10 кВ передбачають пристрої автоматичного частотного розвантаження для відключення частини електроприймачів при виникненні дефіциту активної потужності в живильній енергосистемі. 

		Дію АЧР і взаємодію з іншими видами автоматики і системами керування, організовано таким чином, що цілком виключене відновлення живлення електроприймача, відключеного АЧР від джерел електроенергії і вузла енергосистеми з дефіцитом активної потужності.

		

		10.4 Автоматичне регулювання напруги трансформаторів

		

		На підстанції напругою 110/10 кВ установлені трансформатори типу ТМ-75000/110/35/10, що постачені пристроєм регулювання під напругою, тобто регулювання під навантаженням (РПН).

		У зв'язку з цим, з'являється можливість автоматично регулювати напругу шляхом переключення числа витків однієї з обмоток трансформатора без його відключення. Перемикаючий пристрій розташований на стороні вищої напруги.

		
11. Захист на мікроелектронному реле УЗА-АТ

		

		Сучасні мікроелектронні реле виготовляють у вигляді єдиного блоку, який складається з плат, скріплених між собою за допомогою різьбових стійок. 

		Пристрій призначений для використання в схемах релейного захисту і протиаварійної автоматики для захисту електричних машин, трансформаторів і ліній електропередач при коротких замиканнях.

		Пристрій забезпечує:

	токову відсічку (ТВ) з тимчасовою затримкою 70-100 мс чи 150-200 мс, яка задається з переду панелі;

	направлений захист від замикання на землю;

	захист від перегрузу лінії;

	спрацювання МТЗ чи ТВ за найбільшим із вхідних токів;

	функцію однократного АПВ.

	Пристрій УЗА-АТ містить в собі дискретний вхід, який забезпечує індикацію спрацювання, розмножування і розповсюдження вихідного сигналу зовнішнього захисту (наприклад дуговий).

	Технічні дані пристрою УЗА-АТ наведені в таблиці 7.1.

	

	Таблиці 1 - Технічні дані пристрою УЗА-АТ

	Уставка струму спрацювання, А

	Уставка витримки часу, с

	Уставка струму відсічки, крат.

	Уставка АПВ, с

	Діап., А

	Кількість

	Дскр., А

	Діап., с

	Кількість

	Діап.

	Діап., крат

	Кількість

	Дискр., крат

	Діап., с

	Кількість

	Дискр., с

	Ін=5А

	Ін=1А

	

	Ін=5А

	Ін=1А

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	1-2,27

	0,4-0,91

	128

	0,01

	0,004

	0,3-25,8

	256

	0,1

	2-17,75

	64

	0,25

	0,5-8

	16

	0,5

	2-4,54

	0,8-1,82

	128

	0,02

	0,008

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	4-9,08

	1,6-3,63

	128

	0,04

	0,016

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	8-18,16

	3,2-7,26

	128

	0,08

	0,032

	

	

	

	

	

	

	

	

	

		
Схему підключення пристрою УЗА-АТ показано на рисунку 2.

		

		

		Рисунок 2 - Схема підключення реле УЗА-АТ