1.1. Определения основных понятий

Ненормальные режимы обычно связаны с относительно небольшими отклонениями величин напряжения, тока и (или) частоты от допустимых значений [2]. К ненормальным режимам относят перегрузки, однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, а также понижение уровня масла в расширителе масляного трансформатора [3].

Повреждения чаще всего сопровождаются значительным увеличением тока в элементах энергосистемы и глубоким понижением напряжения. Наиболее частыми и опасными повреждениями являются короткие замыкания (КЗ).

Аварии — это нарушения работы электроэнергетической системы или ее части, сопровождающиеся недоотпуском электроэнергии потребителям или недопустимым ухудшением ее качества, разрушением основного оборудования, возникновением угрозы здоровью и жизни людей. Ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждений, а вовремя не выявленные повреждения могут приводить к возникновению аварий.

Релейная защита — это комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого выявления и отделения от сети поврежденных элементов этой сети при их повреждениях и в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы исправной части сети.

Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. На рис. 1.1 приведена схема электрической сети, содержащей линии электропередачи W1—W6 разных уровней напряжения, трансформаторы Т1—Т4, электродвигатель М1, предохранители F1—F3, коммутационные аппараты и эквивалентный источник питания ЕС. Отдельные устройства релейной защиты, установленные на отдельных элементах электроэнергетических систем (генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи, электродвигателях и др.), объединены в единую систему релейной защиты общей целью функционирования.

В соответствии с этим принципом отдельные устройства релейной защиты (например, УРЗ-1—УРЗ-13) функционально связаны между собой практически только общей логикой действий. Причем каждое устройство релейной защиты для локализации повреждения может воздействовать только на коммутационные аппараты того объекта, на котором это устройство установлено.

Система релейной защиты, как правило, включает в себя устройства, разные не только по принципам выявления повреждений, но и по способам воздействия на контролируемый объект. Так, единой логике действий должны подчиняться как сложнейшие многофункциональные устройства релейной защиты, воздействующие на выключатели и другие аппараты управления, так и простейшие защитные устройства (например, предохранители), в которых функции выявления и коммутации поврежденной электрической цепи совмещены. На рис. 1.1 предохранители F1, F2, F3 показаны в цепях питания трансформаторов Т2—Т4.

В некоторых случаях устройства релейной защиты формируют лишь световые и звуковые сигналы, а отделение поврежденного элемента от исправной части электрической сети может производиться вручную оперативным персоналом.

Согласованность действий устройств, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, как правило, достигается за счет определенных параметров срабатывания (без применения физических каналов связи). Эти параметры, в основном, определяют точность и эффективность действия всей системы релейной защиты. В свою очередь, это определяет живучесть электроэнергетических систем и степень риска развития аварийных ситуаций при возникновении повреждений.

Логические связи действуют в любых условиях и не подвержены воздействию внешних электрических и электромагнитных помех. Во многом благодаря этому свойству релейная защита имеет высочайшую степень надежности.

 

1.2. Основные свойства релейной защиты

Селективность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выявлять и отделять от электрической сети только поврежденные элементы. Другими словами, селективность — это избирательность действия.

Средства релейной защиты могут обладать абсолютной или относительной селективностью.

Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от сети поврежденных элементов. Быстродействие показывает, насколько быстро средства релейной защиты реагируют на возникновение тех или иных видов повреждений.

Показателем быстродействия является время срабатывания защиты — это интервал времени от момента возникновения повреждения до момента отделения от сети поврежденного элемента. Наиболее быстродействующие защиты имеют время срабатывания tC3 = = 0,04-0,10 с. Медленные защиты могут иметь время срабатывания до нескольких секунд.

От релейной защиты не во всех случаях требуется высокое быстродействие. При возникновении некоторых ненормальных режимов достаточно дать предупредительный сигнал дежурному персоналу. На энергетических объектах без постоянного дежурного персонала производится отключение неисправного оборудования, но обязательно с выдержкой времени [3].

Чувствительность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для нее зоны действия в минимальном режиме работы энергосистемы. Другими словами, защита должна чувствовать те виды повреждений и ненормальных режимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой электрической системы.

Показателем чувствительности является коэффициент чувствительности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание контролируемой величины) определяется как отношение минимально возможного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому повреждению, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).

Например, коэффициент чувствительности максимальной токовой защиты линии электропередачи, работающей в сети с глухозаземленной нейтралью, определяется так:

В ряде случаев оценивается также чувствительность к повреждениям на соседнем (следующем по отношению к источнику) защищаемом объекте (т. е. в режиме дальнего резервирования).

Надежность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты действовать правильно и безотказно при всех видах повреждений и ненормальных режимов, для устранения которых она предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено [3]. Иными словами, надежность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выполнять свои функции в условиях эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки.

Показателями надежности являются время безотказной работы и интенсивность отказов — количество отказов за единицу времени.

Так как неправильно действующая защита может сама служить причиной возникновения аварий, ее надежность должна быть обеспечена в достаточно высокой степени. Например, для защит линий электропередачи предельно допустимым считается один отказ за десять лет работы, а для защит генераторов — один отказ за несколько сотен лет.

 

1.3. Основные виды повреждений, которые выявляют средства релейной защиты

Наиболее тяжелыми видами повреждений любой энергосистемы являются КЗ. Самыми тяжелыми и разрушительными из них являются трехфазные КЗ (рис. 1.2, а). При расчете токов КЗ, как правило, вводят определенные допущения [6]. Так, обычно не учитывают переходное сопротивление в месте КЗ и активную составляющую внутреннего сопротивления генератора, а сопротивления всех трех фаз считают одинаковыми. С учетом таких допущений трехфазное КЗ является симметричным, то есть EA = ЕВ = EC = ЕФ; IА = IB = IС.

Ток трехфазного КЗ:

где xг — внутреннее индуктивное сопротивление генератора (активным обычно пренебрегают);

rЛ и хЛ — соответственно, активное и индуктивное сопротивления линии.

Меньшую опасность с точки зрения устойчивости параллельной работы генераторов представляют двухфазные КЗ (рис. 1.3, а). При таком КЗ ток в неповрежденной фазе практически отсутствует (IA ≈ 0), а в поврежденных фазах токи равны по величине (ÍB = −ÍC, рис. 1.3, б). Ток двухфазного КЗ:

Ток однофазных КЗ в сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 1.4) следует находить с учетом сопротивления цепи заземления (żЗ = rЗ + j × хЗ):

В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью однофазные замыкания короткими не являются (так как проводимость в месте повреждения не шунтирует источник питания) и обычно не требуют быстрого отключения (рис. 1.5, а). Такой ненормальный режим работы указанной сети (сети с малым током замыкания на землю) принято называть однофазным замыканием на землю.

В месте замыкания возникает емкостной ток IЗ обусловленный распределенными емкостями фазных проводников сети относительно земли. В сущности, это однофазный ток (ток нулевой последовательности), распределенный между тремя фазами. Вторым проводником для этого тока является земля и заземленные грозозащитные тросы линий электропередачи (если они имеются).

При расчете этого тока обычно пренебрегают активными и реактивными сопротивлениями генератора и линии, поскольку они значительно меньше емкостного сопротивления сети. Ток замыкания на землю равен геометрической сумме токов в фазах A и B (ÍCA и ÍCB соответственно) и противоположен им по фазе (рис. 1.5, б):

Основные неблагоприятные факторы, возникающие при однофазных замыканиях на землю, — повышение напряжений неповрежденных фаз относительно земли до линейных и сравнительно небольшой емкостной ток в месте замыкания. Они способствуют возникновению других, более тяжелых видов КЗ и затрудняют поиск повреждения.

В электрических сетях напряжением 6-35 кВ начинает широко применяться резистивное заземление нейтрали [7]. Различают следующие виды такого заземления:

низкоомное резистивное заземление нейтрали. Нейтраль сети соединяется с землей через небольшое сопротивление. При однофазном замыкании на землю возникает значительный ток, достаточный для работы релейной защиты на отключение;

высокоомное резистивное заземление нейтрали. Нейтраль сети соединяется с землей через большое сопротивление (соизмеримое с емкостным сопротивлением фаз относительно земли). Ток, возникающий при однофазном замыкании на землю, достаточен для определения поврежденного присоединения и работы релейной защиты на сигнал;

комбинированное заземление нейтрали. Этот вид заземления осуществляется путем присоединения высокоомного резистора параллельно дугогасительному реактору (ДГР). Он позволяет снижать уровень перенапряжений при неточной настройке реактора, а также способствует работе на сигнал простых релейных защит.

Способы реализации резистивного заземления связаны с особенностями устройства электрических сетей. В сетях, где нет выводов нейтралей обмоток (это, как правило, сети 6-10 кВ), заземляющий резистор подключается к искусственной нулевой точке, образованной первичными обмотками специального трансформатора заземления нейтрали (ТЗН) со схемой соединения обмоток «звезда с нулевым выводом/треугольник» (рис. 1.6, а).

Если имеется трехобмоточный силовой трансформатор с выведенной на крышку трансформатора нейтралью обмотки (обычно в сетях 20 и 35 кВ), то заземляющий резистор присоединяется к этому выводу (рис. 1.6, б).

Комбинированное заземление осуществляется путем подключения заземляющего резистора параллельно ДГР к имеющимся электрическим цепям (рис. 1.7, а и б).

Определить токи при однофазных замыканиях на землю в этих электрических сетях можно следующим образом.

В сети с непосредственным присоединением резистора к нейтрали трансформатора на основе схемы замещения (рис. 1.8) комплексные токи в месте повреждения и в заземляющем резисторе соответственно определяются так:

Здесь g и gN — соответственно проводимости места повреждения и заземляющего резистора; g = 1/Rп, где R п — сопротивление в месте повреждения; gN = 1/RN, где RN — сопротивление заземления нейтрали; ÚN и ÚЗ — векторы напряжений нейтрали и поврежденной фазы относительно земли соответственно; ĖС — вектор фазной э.д.с. поврежденной фазы С; С — емкость фазы относительно земли.

При низкоомном заземлении нейтрали ωС << gN. Поэтому можно принять ωС = 0. Тогда векторы токов в месте повреждения и в заземляющем резисторе равны и определяются так:

Для действующих значений этих токов можно записать:

При стационарных металлических замыканиях gN << g и g + gN ≈ g. В этих условиях действующие значения токов в месте повреждения и в заземляющем резисторе можно определить так:

Токи при однофазных замыканиях на землю в сетях с резистивным заземлением искусственной нулевой точки можно определить по аналогичной методике.

В реальных условиях, как правило, z0Т << RN (где z0Т — сопротивление нулевой последовательности заземляющего трансформатора) и z0Т можно принять равным нулю. Тогда для тока в месте установки защиты при стационарном металлическом однофазном замыкании на землю можно записать:

Реже возможны и другие, более сложные виды замыканий, представляющие собой различные сочетания рассмотренных выше: трехфазное КЗ на землю (рис. 1.9, а), двухфазное КЗ на землю (рис. 1.9, б), двойное КЗ на землю (рис. 1.9, в).

Перечисленные замыкания могут иметь место как в сетях с глухозаземленной нейтралью, так и в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью.