Общие сведения о релейной защите в сетях 6-10 кВ
Электротехническое оборудование, непосредственно участвующее в процессе производства, преобразования, передачи и распределения электроэнергии (генераторы, трансформаторы, выключатели), называется первичным, а электрические схемы соединений этого электрооборудования — схемами электрических соединений первичных цепей. Монтаж первичных цепей выполняется шинами и кабелями.
Все устройства, аппараты и приборы, с помощью которых осуществляется управление первичным электрооборудованием и контроль за его работой, называют вторичными. К ним относят: приборы и аппараты дистанционного, автоматического и телемеханического управления; устройства сигнализации; релейную защиту и автоматику; электроизмерительные приборы; приборы и аппараты регулирования и контроля; источники и преобразователи электроэнергии, служащие для питания вторичных устройств (источники оперативного тока).
Связь между вторичными устройствами и первичным электрооборудованием, взаимодействие между отдельными аппаратами и приборами, передача ими аварийных и предупредительных сигналов, а также импульсов и команд на исполнительные механизмы и устройства осуществляются соединением этих приборов и аппаратов между собой и с исполнительными устройствами проводами и контрольными кабелями, которые составляют вторичные цепи.
Схемы электрических соединений вторичных устройств называют схемами вторичных цепей.
Аппараты и приборы вторичных устройств, расположенные в одном месте и относящиеся к одному и тому же присоединению, устанавливают на общей панели щита или пульта, в общем шкафу и др. Они соединяются между собой (в пределах панели) изолированными проводами. При расположении аппаратов и приборов в разных помещениях или на разных панелях их соединяют контрольными кабелями.
При эксплуатации действующих электроустановок могут быть повреждения и нарушения нормальных режимов их работы из-за неисправности изоляции или неправильных действий обслуживающего персонала, что приводит к коротким замыканиям и перегрузкам. Большинство повреждений связано с разрушением изоляции, что приводит к замыканиям между фазами или между фазами и землей. Распространенным видом ненормального режима является перегрузка, в результате которой возможен недопустимый перегрев и повреждение изоляции, сопровождающиеся замыканием на землю или между фазами. Для ликвидации аварий и нарушения нормальной работы, опасных для электрооборудования, во всех электрических цепях имеется защита.
В сетях напряжением до 1000 В для защиты от коротких замыканий и перегрузок устанавливают плавкие предохранители или автоматические выключатели с расцепителями, воздействующие на отключающий механизм автомата при прохождении токов к. з. или токов перегрузки. В электроустановках напряжением свыше 1000 В применяют релейную защиту; плавкие предохранители для защиты от коротких замыканий используют редко.
Релейной защитой называют специальное устройство, состоящее из реле и других аппаратов, которые предназначены для предотвращения аварий или их развития при повреждениях и ненормальных режимах работы, либо для обеспечения автоматического отключения поврежденной части электроустановки или сети. Основным элементом релейной защиты является реле. Если повреждение не представляет для установки непосредственной опасности, релейная защита должна привести в действие сигнальные устройства.
Автоматическое отключение защищаемого элемента служит для предотвращения развития аварии и сохранения в работе всех неповрежденных элементов электроустановки. Релейная защита, срабатывающая на сигнал, приводит в действие сигнальное устройство (звонок, сирену, световое табло), извещающее обслуживающий персонал о необходимости принятия мер для устранения неисправности и восстановления нормального режима работы защищаемого элемента или всей электроустановки.
В современных электрических системах релейная защита тесно связана с автоматикой, предназначенной для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы и питания потребителей, например устройство автоматического включения резервного питания (АВР) для электроприемников 1-и категории и автоматическое повторное включение (АПВ).
Устройство АВР служит для восстановления электроснабжения с помощью автоматического ввода резервного источника питания при отключении основного источника как на напряжение 6—10, так и на 0,23—0,4 кВ. Для автоматического включения резерва в сетях напряжением до 1 кВ в качестве коммутационных аппаратов применяют автоматические выключатели и контакторы, а в сетях напряжением 3—10 кВ — преимущественно выключатели с пружинным приводом, работающие на переменном оперативном токе.
На промышленных предприятиях автоматическое включение резерва выполняется главным образом на секционных выключателях. При отключении одной из питающих линий или трансформатора действием АВР включается секционный выключатель и восстанавливается электроснабжение обесточенной секции.
Устройство АПВ предназначено для наиболее быстрого восстановления электроснабжения объектов. Любое короткое замыкание в сети сопровождается действием соответствующей защиты и отключением линии, что приводит к перерыву электроснабжения объектов. Но в ряде случаев короткие замыкания носят кратковременный характер и нарушенная изоляция восстанавливается с помощью устройств АПВ, например при поверхностных разрядах на изоляторах, кратковременном перекрытии проводов воздушных линий и т. п.
Релейная защита служит для автоматического отключения с наименьшим временем защищаемого элемента при повреждении, а также при возникновении условий, угрожающих повреждением (например, при резком снижении уровня масла в трансформаторе) или нарушением нормального режима работы всей электроустановки (например, при недопустимости снижения напряжения или частоты), для сигнализации о нарушении нормального режима работы защищаемого элемента, а также о возникновении повреждения, не представляющего непосредственной опасности для элемента или всей электроустановки.
В соответствии с назначением релейная защита должна удовлетворять ряду требований, основными из которых являются быстрота, селективность и надежность действия, а также чувствительность.
Для ограничения размеров повреждений необходимо, чтобы короткое замыкание отключалось возможно быстрее. Однако не всегда можно выполнить защиту, обладающую одновременно быстродействием и селективностью, поэтому применяют релейную защиту, действующую с выдержкой времени.
Селективность, или избирательность,— это свойство защиты отключать только поврежденный участок электрической сети, оставляя включенными исправные линии. Достигается это настройкой защиты на определенные выдержки времени и ток срабатывания. При неселективном действии защиты могут отключаться выключатели неповрежденных соседних элементов сети или установки. Ступень селективности в электрических сетях напряжением 6—10 кВ обычно выбирают от 0,5 до 0,7 с.
Надежностью называется безотказное действие защиты во всех случаях, на которые она рассчитана. Не должно быть случаев неправильного действия защиты при возникновении повреждений или ненормальных режимов работы. Надежность защиты обеспечивается прежде всего простотой схемы, уменьшением числа реле и контактов, качеством аппаратуры и монтажных работ, правильной эксплуатацией.
Чувствительностью называют свойство защиты реагировать на самые незначительные повреждения и нарушения нормального режима работы, которые могут возникнуть на защищаемых элементах. Чувствительность релейной защиты должна обеспечить ее действие при минимальных токах к. з., т. е. при коротком замыкании в конце защищаемого участка или через какое-то переходное сопротивление.
Релейная защита состоит из основных и вспомогательных реле. Существует большое количество защит различного назначения, в частности в промышленных электроустановках применяют разнообразные релейные защиты.
Рис. 1. Схемы максимальной токовой защиты с реле прямого действия:
а — двумя, 6 — одним; 1 — трансформатор тока, 2 — выключатель, 3 — реле прямого действия
Наиболее распространена максимальная токовая защита от токов к. з. или с выдержкой времени, или с мгновенным отключением. Катушки реле включают в цепи вторичных обмоток трансформаторов тока.
Простейшая максимальная токовая защита выполняется с помощью двух или одного реле прямого действия, встроенных в привод выключателя. В схеме с двумя реле прямого действия (рис. 1, а) в их катушках проходит фазный ток, а в схеме с одним реле (рис. 1, б) его катушка для большей чувствительности защиты включена на разность токов двух фаз.
Встроенное реле прямого действия представляет собой электромагнит с сердечником. При прохождении нормального рабочего тока сердечник электромагнита не будет втягиваться внутрь катушки. В случае короткого замыкания сердечник втянется в катушку и освободит защелку привода, удерживающую выключатель во включенном положении, после чего выключатель под действием отключающих пружин отключится.
Для отключения с выдержкой времени к сердечнику электромагнита пристроен часовой механизм, удерживающий сердечник от мгновенного втягивания в катушку. Выключатель отключится только по истечении времени работы часового механизма.
Максимальная токовая защита выполняется так, чтобы при коротком замыкании сработала защита поврежденного оборудования электроустановки и отключила его выключатель. При отказе данной защиты должна сработать защита ближайшего к месту повреждения элемента электросети и отключить его выключатель.
Селективность срабатывания защиты обеспечивается разницей уставок по времени соседних ступеней на 0,5— 0,7 с, причем большую выдержку должна иметь ступень, отстоящая дальше от места повреждения. Максимальная токовая защита с реле прямого действия не всегда может обеспечить условия селективности или чувствительности защиты. Кроме того, не во все приводы могут быть встроены реле прямого действия. В этих случаях максимальная токовая защита осуществляется с помощью реле косвенного действия, которые обычно устанавливают в пределах распределительного устройства: в камерах КРУ, на фасадах и стенах камер, выходящих в коридор управления, и т. п. Защиту элементов с дистанционным управлением размещают также на панели щита управления.
Схема максимальной токовой защиты с одним реле косвенного действия на оперативном переменном токе от трансформаторов тока показана на рис. 2, а. Реле включено на разность токов двух фаз во вторичных обмотках трансформаторов тока. Отключение выключателей осуществляется отключающей катушкой привода. Нормально отключающая катушка обесточена, так как она зашунтирована замкнутыми контактами реле. В случае короткого замыкания в цепи защищаемого элемента реле срабатывает и размыкает контакты, шунтирующие отключающую катушку. При этом ток от трансформаторов тока пройдет через отключающую катушку привода, сердечник электромагнита втянется внутрь катушки и освободит защелку, в результате чего выключатель отключится.
Рис. 2. Схемы максимальной токовой защиты с реле косвенного действия и дешунтированием отключающей катушки контактами реле:
а — с одним реле, б — с двумя реле, в — с одним реле, но с двумя парами контактов
Схема такой же защиты с двумя реле косвенного действия показана на рис. 2, б. Каждое реле включено на фазный ток вторичной обмотки трансформаторов тока. При прохождении в каком-либо реле тока к. з. его контакты разомкнутся и дешунтируют цепь отключающей катушки выключателя, включенную на разность токов двух фаз.
Для защиты применяют индукционные токовые реле с выдержкой времени с усиленными размыкающими контактами. Контакты размыкаются с помощью диска, который приводится во вращение магнитным полем катушки реле при прохождении в ней тока к. з. После отключения выключателя диск под действием пружины возвращается в исходное положение, и контакты реле вновь замыкаются. Реле при очень больших токах к. з. мгновенно отключают выключатель, для чего в них встроен электромагнит токовой отсечки, при повороте якоря которого контакты мгновенно размыкаются.
Недостатком защиты с дешунтированием отключающей катушки нормально замкнутыми контактами реле является возможность ложного срабатывания ее при любом случайном размыкании контактов, например от вибрации. В схеме, показанной на рис. 2, в, этот недостаток устранен: дешунтирование отключающей катушки произойдет только после предварительного замыкания нормально разомкнутых верхних контактов и последующего размыкания нормально замкнутых нижних контактов реле. При случайном размыкании нижних контактов выключатель не отключится, так как цепь отключающей катушки останется разомкнутой.
В схемах максимальной токовой защиты часто применяют электромагнитные токовые реле без выдержки времени, работающие на принципе притяжения сердечника электромагнита при прохождении в обмотке реле тока к. з. В защитах с выдержкой времени электромагнитное реле применяют вместе с реле времени.
Газовая защита силовых трансформаторов осуществляется с помощью газового реле, устанавливаемого в рассечку трубопровода и соединяющего расширитель с баком трансформатора. Выделяющиеся газы приводят в действие простой механизм реле.
Рис. 3. Газовое реле ПГ-22:
1 — корпус, 2,5 — нижний и верхний ртутные контакты, 3 — опорный стержень для крышки, 4 — соединительный провод, 6 — крышка реле, 7 — фарфоровый изолятор, 8 — зажим, 9 — экран, 10 — рамка для рабочих элементов, 11, 16 — оси вращения верхнего и нижнего поплавков, 12, 15 — верхний и нижний поплавки, 13 — груз, 14 — скоба, 17—пробка спускного отверстия
Газовое реле (рис. 3) представляет собой металлический корпус (резервуар) 1, в который встроены два расположенных один над другим поплавка 12 и 15, снабженных ртутными контактами 5 и 2. Поплавки могут поворачиваться на осях 11 и 16, опирающихся на подшипники. Нормально корпус реле заполнен трансформаторным маслом, а ртутные контакты разомкнуты. При повреждениях в трансформаторе выделяющиеся газы поднимаются к расширителю, скапливаются в верхней части реле и вытесняют оттуда масло. Из-за понижения уровня масла верхний поплавок опускается, вращаясь вокруг оси, ртуть в его колбочке переливается, замыкает ртутные контакты и приводит в действие предупреждающую сигнализацию. При опускании нижнего поплавка замыкаются ртутные контакты, действующие на отключение трансформатора.
При коротком замыкании в трансформаторе процесс газообразования протекает интенсивно, под действием газов масло выбрасывается в сторону расширителя, оба поплавка опрокидываются и трансформатор отключается мгновенно.