МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ЗАЩИТЫ ШКАФОВ ТИПА

О.Н.ШЕЛУШЕНИНА

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Самара

Самарский государственный технический университет

МИНОБРНАУКИ РОССИИ   ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Электрические станции»

О.Н.ШЕЛУШЕНИНА

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ

ЭЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Самара

Самарский государственный технический университет

Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ

УДК 621.311:621.316.9(0758)

Ш44

О.Н.Шелушенина.

Микропроцессорные устройства релейной защиты элементов энергетической системы: учеб. пособие /Cост. О.Н. Шелушенина – Самара; Самар. гос. техн. ун-т, 2012. – 97 с.: ил.

ISBN 978-5

Рассматриваются принципы выполнения и методы расчета микропроцессорных защит линий электропередач напряжением 110 – 220 кВ и электрооборудования электрических станций и подстанций. Приведены примеры расчета защит.

Пособие предназначено для курсового проектирования, практических занятий и самостоятельной работы по курсу «Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики» для магистерской подготовки по направлению 140400.

Ил. 24, табл.6, библ. 19

УДК 621.311:621.316.9(0758)

Рецензент:

Составитель: канд. тех. наук О. Н. Шелушенина

Ó О.Н. Шелушенина, составление, 2012

Ó Самарский государственный

технический университет, 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие охватывает часть курса «Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики» для магистерской подготовки по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Пособие написано в соответствии с программой дисциплины и предназначено в помощь студентам при выполнении курсовой работы, для практических занятий и самостоятельной работы.

В пособии рассмотрены принципы выполнения микропроцессорных защит линий электропередач напряжением 110 – 220 кВ, трансформаторов, автотрансформаторов и сборных шин. Подробно рассмотрены методы расчета и выбора уставок защит, приведены технические данные и характеристики защит.

Для сокращения объема учебного пособия в нем рассмотрены защиты только фирмы «ЭКРА», г. Чебоксары, учитывая, что защиты этой фирмы являются наиболее востребованными в России для сетей напряжением 110 кВ и выше.

Пособие рассчитано на студентов, знакомых с основами релейной защиты и автоматики, поэтому пособие содержит лишь краткие сведения о защитах. Но методы расчета защит рассмотрены подробно и дополнены примерами.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время при проектировании и строительстве новых объектов энергетики используются, как правило, микропроцессорные устройства защит и автоматики. Микропроцессорными защитами заменяются также традиционные устройства на действующих энергетических объектах. Однако в существующих учебниках и учебных пособиях нет подробного изложения методов расчета уставок микропроцессорных защит. Указания по расчету защит даются в научных статьях, инструкциях по эксплуатации и руководящих указаниях фирм-изготовителей, что часто не доступно для студентов. В настоящем пособии даются методы расчетов защит, иногда упрощенные, но пригодные для курсового проектирования и практических занятий.

Расчет всех защит в настоящем пособии изложен в соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок» [1], «Электротехнического справочника» [2], «Руководящих указаний по релейной защите трансформаторов и автотрансформаторов» [3], рекомендаций по выбору уставок защит фирм-изготовителей микропроцессорных терминалов [6], [11].

В пособии рассмотрены микропроцессорные защиты линий 110 – 220 кВ с относительной селективностью: дистанционные и токовые (отсечка и токовая направленная защита нулевой последовательности). Даны методы и примеры расчета дистанционной защиты и токовой отсечки. Приведены характеристики и технические данные защит. Показаны принципы выбора основных защит с абсолютной селективностью для линий 110 – 220 кВ. Для трансформаторов подстанций показаны особенности и преимущества микропроцессорных дифференциальных защит, дана методика и пример расчета защиты. Рассмотрены также резервные защиты и защиты от перегрузки, даны методы и примеры расчета этих защит.

Рассмотрены принципы выполнения, особенности и преимущества микропроцессорных защит сборных шин, дана методика выбора уставок и пример расчета дифференциальной защиты с торможением для сборных шин 110 – 220 кВ.

В пособии приведены требования и ограничения, используемые при расчете токов короткого замыкания для выбора уставок релейной защиты, даны методы преобразования схем замещения.

В последней главе пособия приводятся варианты заданий и методические указания для выполнения курсовой работы по курсу «Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики».

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ЗАЩИТЫ ШКАФОВ ТИПА

ШЭ2607 011.021 и ШЭ2607 012.021 ФИРМЫ «ЭКРА»

Шкафы предназначены для защиты линий 110-220 кВ и управления линейным выключателем [9]. Шкаф состоит из двух комплектов (терминалов). Первый комплект (комплект А1) содержит:

- трехступенчатую дистанционную защиту от междуфазных КЗ;

- четырехступенчатую токовую направленную защиту нулевой последовательности от КЗ на землю;

- токовую отсечку.

Комплект А1 выполняет также функции автоматики управления выключателем (АУВ), АПВ и УРОВ.

Комплект А2 выполняет перечисленные выше функции защит, кроме того организует прием и передачу сигналов ВЧТО, а также автоматику разгрузки при перегрузке по току (АРПТ).

Комплект А1 имеет два обозначения:

ШЭ2607 011 – для выключателей с трехфазным приводом;

ШЭ2607 012 – для выключателей с пофазным управлением электромагнитами включения и отключения выключателей.

Конфигурация и схема подключения шкафа к трансформаторам тока и напряжения линии приведена на рис.1.1. Для выполнения АПВ с контролем напряжения на линии и с контролем синхронизма шкаф подключается к устройству (шкафу) отбора напряжения ШОН.

Дистанционная защита.

Дистанционная защита обоих комплектов включает:

- три основные направленные ступени и дополнительную ненаправленную ступень;

- блокировку при качаниях БК;

- блокировку при неисправностях в цепях переменного напряжения БНН;

-цепи логики.

Рис.1.1. Схема подключения защит шкафа ШЭ2607 011 к трансформаторам тока и напряжения

Каждая из ступеней содержит по три реле сопротивления, включенных на линейные напряжения и разности соответствующих фазных токов. Упрощенная структурная схема защиты приведена на

рис.1.2.

Блокировка при качаниях (БК) пускается при КЗ от чувствительного и грубого реле тока, которые реагируют на скорости изменения во времени векторов токов обратной DI₂ и прямой DI₁ последовательностей.

При КЗ БК срабатывает и вводит в работу быстродействующие (первая и вторая с меньшим временем) ступени на время от 0,2 до 1 с (элементы времени DT-6 и DT-7) с последующим выводом на время от 3 до 12 с (элемент DT-8).

Медленнодействующие ступени (II и III) вводятся при КЗ на время от 3 до 12 с (элемент времени DT-8).

Рис.1. 2. Урощенная структурная схема дистанционной защиты шкафа ШЭ 2607011.021 фирмы «Экра»

Блокировка при неисправностях в цепях напряжения (БНН) реагирует на обрыв одной, двух и трех фаз «звезды» и «разомкнутого треугольника» трансформатора напряжения. При нарушениях в цепях напряжения БНН действует без выдержки времени на вывод из работы всех ступеней защиты и с выдержкой времени 5-9 с, (элемент времени DT-5 (23)) на сигнал.

Блокировка срабатывает, если модуль напряжения на выходе ее измерительного органа превысит уставку :

;

Измерительный орган БНН сравнивает вектор напряжения, полученный из фазных напряжений «звезды», с вектором напряжения, образованным из линейных напряжений «разомкнутого треугольника».

Для стандартной схемы соединения вторичных обмоток трансформатора напряжения векторная диаграмма напряжений приведена на рис. 1.3, а. Напряжение на выходе блокировки будет равно:

, (1.1)

где - множитель для пересчета линейных напряжений «разомкнутого треугольника» в фазные напряжения.

Векторные диаграммы к алгоритму функционирования БНН приведены на рис.1.3, б.

Рис.1.3. Блокировка при неисправностях в цепях напряжения:

а – векторная диаграмма напряжений вторичных обмоток трансформатора напряжения; б – векторная диаграмма напряжений в БНН

Как видно из рис.1.3 в нормальном режиме напряжение измерительного органа равно нулю. На выходе БНН присутствует сигнал 0, на выходе элемента «И» 17 (рис.1.2) также сигнал 0, а на выходе «инвертора» 16 появится сигнал 1, который будет подан на элементы 10; 11; 13; и 15 и разрешит защите сработать.

При исчезновении любого из напряжений «звезды» или «разомкнутого треугольника» равенство (1.1) нарушается, появляется напряжение и блокировка срабатывает. На выходе БНН появляется сигнал 1, который через элемент 17 подается на элемент «инвертор» 16. На выходе элемента 16 появится сигнал 0, который, будучи подан на входы элементов 10, 11, 13, 15, запретит работать всем ступеням защиты. С выдержкой времени DT-5 (23) будет подан сигнал «Неисправность цепей напряжения». Накладкой ХВ-3 (рис.1.2) блокировку можно вывести из действия.

Цепи логики дистанционной защиты приведены на рис.1.2.

Сигналы при срабатывании трех измерительных органов I ступени (РСI – АВ, ВС, и СА) объединяются на элементе «ИЛИ» 1. I ступень срабатывает через логический элемент «И» 10 с выдержкой времени элемента DT-1 (19). Если I ступень действует без выдержки времени, то на DT-1 устанавливается минимальная уставка 0 с.

На два других входа элемента 10 приходят сигналы от БК и БНН.

Если I ступень действует с выдержкой времени при КЗ в I зоне, то за счет растяжения дуги возможен переход КЗ из первой во вторую зону. Чтобы при этом защита доработала с уставкой по времени I ступени, предусмотрен подхват отключающего импульса РС I ступени от РС ненаправленной ступени. При одновременном срабатывании РСI и РС ненаправленной ступени на выходе элемента «И» 4 появится сигнал 1, который подается на один из входов элемента 1 и удержит I ступень в сработанном состоянии до возврата РС ненаправленной ступени.

Вторая ступень может действовать с двумя выдержками времени:

с меньшей через элемент «И» 11 с выдержкой времени на элементе DT-2 (20) и с большей через элемент «И» 13 и элемент времени DT-3 (21). С помощью программной накладки ХВ-2 вторую ступень можно из действия вывести на элементе «И» 18.

Третья ступень действует через элемент «И» 15 с выдержкой времени DT-4 (22).

Каждая из ступеней ДЗ с соответствующей выдержкой времени через схему «ИЛИ» 25 действует в выходной блок защит на отключение линии и на светодиодную сигнализацию.

Работа защиты.

При КЗ в I зоне сработает РС I ступени и через элемент «ИЛИ» 1 сигнал поступит на элемент «И» 10.

Сработает блокировка при качаниях и на выходе БК_б появится сигнал пуска быстродействующих ступеней, который через элементы «ИЛИ» 5, «И» 9 поступит на элемент «И» 10.

На элементе «И» 9 производится дополнительный контроль срабатывания ненаправленной ступени. Сигнал с выхода элемента 9 подается на вход элемента 5, за счет чего разрешающий сигнал от БК_б будет удерживаться даже по истечение времени ввода и снимается при возврате РС ненаправленной ступени.

На третий вход элемента «И» 10 сигнал поступает от БНН при исправности цепей напряжения.

На выходе элемента «И» 10 появится сигнал, который пустит элемент времени DT-1(19), после его срабатывания сигнал через элемент «ИЛИ» 25 будет подан в выходные цепи на отключение линии.

Если введена вторая ступень с меньшим временем (накладка ХВ-2 замкнута), то при срабатывании РС II ступени сигнал через элемент «ИЛИ» 2 поступает на элемент «И» 11. Сигнал при срабатывании БК_б поступает на вход «И» 11 через элементы 5 и 9. На третий вход элемента 11 сигнал подан от БНН. На выходе элемента «И» 11 появится сигнал, который через элемент «И» 18 пустит реле времени DT-2 (20). Доработав, реле времени подаст сигнал на отключение через элемент «ИЛИ» 25.

Вторая ступень с большей выдержкой времени действует через элемент «И» 13. Эта ступень относится к медленнодействующим ступеням и вводится блокировкой при качаниях сигналом с выхода БК_м. Сигнал с БК_м поступает через элемент 12 на вход элемента «И» 13. Предусмотрено продление сигнала ввода от БК_м, для чего сигнал с выхода элемента «И» 13 подается на вход элемента 12. Сигнал ввода будет удерживаться до возврата РС II ступени.

На третий вход элемента «И» 13 сигнал поступает от БНН. На выходе элемента «И» 13 появится сигнал. Он пустит элемент времени DT-3 (21), после срабатывания которого защита подаст сигнал на отключение через элемент «ИЛИ» 25.

При КЗ в третьей зоне сработает РС III ступени, а также блокировка при качаниях БК_м, и ступень через элементы 14, 15, элемент времени DT-4 (22) и элемент «ИЛИ» 25 подаст сигнал на отключение линии.

В защите предусмотрены ускорения при включении выключателя и оперативное ускорение (на схеме не показаны).

Токовая отсечка.

Токовая отсечка состоит из трех реле максимального тока, включенных на токи фаз А, В и С, и объединенных по схеме ИЛИ 102), рис.1.4. Токовая отсечка может быть задействована постоянно или только при включении выключателя на время 1 – 2 с.

Рис. 1.4. Упрощенная структурная схема токовых защит

шкафа ШЭ2607 011 фирмы «ЭКРА»

Выбор режима ТО определяется программируемой накладкой ХВ53. Если накладка ХВ53 разомкнута, то отсечка будет действовать через элемент И (113) при включении выключателя.

При отключенном выключателе реле KQT (РПО – реле положения отключено) находится в сработанном состоянии, реле с выдержкой времени на возврат готово к действию (на выходе ДТ-10 (80) сигнал 1).

При включении выключателя реле KQT отпадает, на его выходе появляется сигнал 0. А на выходе реле времени ДТ-10 будет сохраняться сигнал 1 в течение времени действия реле времени на возврат. Если линия включается на КЗ, то отсечка срабатывает через элемент И (113).

Если накладка ХВ53 замкнута, то отсечка будет готова к действию через элемент И (114) постоянно.