Кратко изложены основы теории защит, используемых в электрических сетях напряжением 6—35 кВ. Рассмотрены токовые и дифференциальные защиты, устанавливаемые на линиях электропередачи и трансформаторах. Представлены подробно комментированные примеры расчета характеристик релейной защиты и выбора параметров срабатывания отдельных защит. Приведена методика решения комплексной задачи согласования защит в распределительной сети, содержащей взаимосвязанные линии электропередачи, трансформаторы и электрические нагрузки.
Книга предназначена для углубленного изучения теоретических и практических аспектов релейной защиты и может служить практическим пособием при выполнении расчетов параметров эксплуатируемых защит, а также при проектировании новых систем электроснабжения.
Для специалистов проектных организаций и предприятий, эксплуатирующих электрические сети и системы, преподавателей и студентов высших учебных заведений электроэнергетического профиля.
Введение
Электрические системы, в соответствии с их назначением, большую часть времени обеспечивают потребителей качественной электрической энергией. Но какими бы надежными ни были эти системы, в них неизбежно возникают повреждения и ненормальные режимы, которые, в свою очередь, могут приводить к возникновению аварий [1].
При возникновении повреждения или нежелательного режима управление электрическими системами должно осуществляться по особым алгоритмам. Это необходимо, чтобы и в экстремальных условиях все же обеспечить нормальное электроснабжение хотя бы части потребителей, предотвратить развитие аварии и снизить возможные объемы разрушения поврежденного электрооборудования. Для реализации этих особых алгоритмов управления используются средства противоаварийной автоматики, основу которых составляет релейная защита [1–5].
Релейная защита — это огромная управляющая система, представляющая собой совокупность согласованно и целенаправленно действующих взаимосвязанных разнообразных по природе элементов и автоматических устройств. Она охватывает практически все основные элементы электроэнергетической системы (крупные и мелкие) — от генераторов, вырабатывающих электрическую энергию, до приемников электрической энергии, преобразующих ее в другие виды энергии.
Независимо от того, какие принципы положены в основу отдельных устройств релейной защиты для выявления повреждений, система в целом должна безошибочно находить поврежденные элементы и отделять их от исправной части электроэнергетической системы. Ключевую роль в решении этой задачи играет логика целенаправленного взаимодействия устройств и параметры их срабатывания, обеспечивающие реализацию процедур взаимодействия.
Расчеты, выполняемые с целью определения конкретных значений параметров срабатывания устройств релейной защиты, имеют в связи с этим высочайшую практическую значимость и создают методическую базу для согласования устройств релейной защиты в единой электроэнергетической системе.
1. Основные понятия, термины и определения
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
Е
С
. 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.
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
t
C3
= = 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].
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
E
A
=
Е
В
=
E
C
=
Е
Ф
; I
А
=
I
B
=
I
С
.
Ток трехфазного КЗ:
где
x
г
— внутреннее индуктивное сопротивление генератора (активным обычно пренебрегают);
r
Л
и
х
Л
— соответственно, активное и индуктивное сопротивления линии.
