Микропроцессорные устройства в релейной защите

Микропроцессорные устройства в релейной защите. Релейная защита родилась и развивалась на базе механических устройств, которые постепенно усложнялись до существующих сегодня многофункциональных механических комплексов.

Примерн о три десятилетия назад с развитием электронной промышленности появились устройства защиты на полупроводниковых элементах. Они не вытеснили полностью своих механических собратьев и до сегодняшнего дня эксплуатируются вместе с ними. Появление и бурное развитие цифровой микропроцессорной техники, компьютерных и информационных технологий привело к созданию устройств защиты нового поколения. Реле на механической и полупроводниковой элементной базе эксплуатируются уже не первый год и специалистам хорошо известны их до стоинства и недостатки, сильные и слабые стороны.

Рассмотрим основные особенности цифровых защит, и какие преимущества может дать их применение в энергетике. Заметим сразу, что алгоритмы работы устройств защиты на разной элементной базе одинаковы, отличаются только способы их реализации. Микропроцессорные устройства обладают следующими особенностями. Цифровые устройства компактны. Логика их работы реализуется посредством специального программного обеспечения. Конструктивно они состоят из одного или нескольких микропроцессоров, измерительных преобразователей, дискретных входов и выходных реле. Это позволяет разместить в одном корпусе различные виды защит и связать их на программном уровне, что приведет к уменьшению расхода металла, кабельной продукции и других материалов на изготовление и установку устройств.

При этом также уменьшаются собственное потребление устройств и необходимое место для их установки на пунктах и щитах управления силовым оборудованием.

Конструкци я цифровых защит дает возможность выпускать их в унифицированном исполнении с однотипным программным обеспечением. Это дает возможность упростить дальнейшую эксплуатацию при наличии на объекте большого количества микропроцессорных защит с различными функциями. Программное обеспечение позволяет производить изменение уставок и настроек, а также перепрограммирование функций защиты без изменения в схемах устройств.

Встроенный регистратор аварийных и эксплуатационных событий позволяет записывать все сообщения о работе устройст ва в нормальном и аварийном режимах, а также осциллограммы этих событий. Это дает возможность проводить более точный анализ работы защит и аварийных ситуаций в целом. Возможность измерения нормального и аварийного режима. Наличие жидкокристаллического дисплея на передней панели устройства и кнопок ручного управления позволят иметь доступ к информации о параметрах устройства и выдаваемых им сообщений.

Специальное программное обеспечение позволяет производить задание параметров устройства, а также считывание сообщений и д анных с помощью портативного компьютера. Это дает возможность не только ускорить процесс изменения уставок и параметров устройства, но и также сохранять все данные в электронном виде с возможностью последующего вывода на печать. Возможность объединения в единую сеть нескольких цифровых защит, осуществление передачи данных и управление этими устройствами с верхнего уровня.

Все эти особенности позволяют не только снизить затраты на техническое обслуживание, но и поднять на но вый более высокий уровень культуру эксплуатации энергетического оборудования. К факторам, сдерживающим широкое внедрение цифровой техники, можно отнести их относительно высокую цену, необходимость наличия на каждом энергетическом объекте и непосредственно у лиц, занимающихся эксплуатацией микропроцессорных устройств соответствующей компьютерной техники, а также необходимость обучения обслуживающего персонала.

Микропроцессорные устройства будут работать параллельно с существующими полупроводн иковыми комплексами, а затем и полностью заменят их. 7. Трансформаторы тока и схемы их соединений Трансформатор тока – важный элемент релейной защиты. Он питает цепи защиты током сети и выполняет роль датчика, через который поступает информация к измерительным органам устройств релейной защиты. Рис. 7.1 7.1. Принцип действия Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в силовую цепь. Вторичная обмотка замыкается на сопротивление нагрузки ZН – последовательно включенные реле и приборы.

Ток I1, протекая по обмотке, создаёт магнитный поток Ф1=I1, под воздействием этого потока во вторичной обмотке наводиться ЭДС Е2. По обмотке протекает ток I2. Если не учитывать потерь то: , (7.1) где – витковый коэффициент трансформации. В заводских материалах на трансформаторы тока указывают номинальный коэффициент трансформаци и. Если не учитывать потери, то nв=nт. В действительности же I2 отличается от расчетного значения.

Часть тока I1 тратиться на создание намагничивающего потока: (7.2) Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастет. Магнитопровод быстро расплавится. Кроме того на вторичной разомкнутой обмотке появиться высокое напряжение, достигающие десятков киловольт. Вторичная обмотка обязательно должна быть заземлена – если произойдет пробой изо ляции, то при заземленной вторичной обмотке получится короткое замыкание, защитная аппаратура отключит поврежденный трансформатор, заземление вторичной обмотке делается прежде всего для обеспечения техники безопасности.

Причиной погрешностей в работе трансформаторов тока является ток намагничивания. Чрезмерно большие погрешности могут вызвать неправильные действия релейной защиты, поэтому стараются уменьшить ток намагничивания. 7.2. Параметры, влияющие на уменьшение намагничивающего тока Ток Iнам состоит из акт ивной и реактивной составляющих.

Iа.нам – обусловлена активными потерями на гистерезис и от вихревых токов в магнитопроводе трансформатора тока. Iр.нам – создает магнитный поток, который индуктирует во вторичной обмотке ЭДС Е2. Для уменьшения Iа.нам магнитопровод выполняется из шихтованной стали. При насыщении Iнам возрастает значительно быстрее, чем поток Фт, что вызывает резкое увеличение погрешностей. (см. рис. 7.2 – характеристика намагничивания трансформатора тока.) Для ограничения погрешностей нужно уменьшить Ф т: Рис. 7.2 ФтЕ2=I2(Z2+Zн). (7.3) Этого можно добиться, либо снизив ток I2 за счет подбора соответствующего коэффициента трансформации (повысить nт для снижения кратности максимального первичного тока ), либо уменьшив сопротивление нагрузки вторичной обмотки Zн. Требования к точности трансформаторов тока, питающих релейную защиту Погрешность трансформаторов тока по току (I) не должна превышать 10%, а по углу (&# 61540;) – 7. Эти требования обеспечиваются, если Iнам0,1I1. Для каждого типа трансформаторов тока имеются определённые значения К1макс и Zн, при которых погрешность  будет равна 10%. Поэтому исходными величинами для оценки погрешности являются I1макс и Zн: Zн=Zр+Zп, (7.4) где Zп – сопротивление проводов, Zр – сопротивление реле. Для упрощения в рас четах сопротивления суммируются арифметически.

Предельные значения К1макс и Zн из условия 10% погрешности дают заводы, изготавливающие трансформаторы тока. Класс точности Выпускаются трансформаторы тока следующих классов точности: 0,5;1;3;10 (для подсоединения к ним измерительных приборов) и Р (для релейной защиты). Таблица 7.1 Класс Погрешность1 по току, % по углу,  0,5 0,5 40 1 &# 61617;1 80 3 3 Не нормируется Р Не нормируется При диапазоне первичных токов 0,1I11,2 от номинального.

Номинальная нагрузка – максимальная нагрузка, при которой погрешность равна значению, установленному для данного класса – Sн.ном(ВА) при I2ном=5А или 1А и cos=0,8: . (7.5) Кривые предельной кратности – К10=f(Zном) – приводятся в заводской документации (Рис.2.2.2). Имеются и другие характеристики, например зависимость I2=f(I1) (рис.7.3). Рис. 7.2 Рис. 7.3 7.3. Типовые схемы соединений трансформаторов тока 7.3.1. Соединение трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду Схема соединения представлена на рис. 7.3.1, векторные диаграммы иллюстрирующие работу схемы на рис. 7.3.2, 7.3.3, 7.3.4. В нормальном режиме (если он симметричный) (практически из–за погрешностей трансформаторов тока проходит небольшой ток – ток небаланса). Рис.7.3.1 Трехфазное КЗ Рис. 7.3.2. Двухфазное КЗ Рис. 7.3.3 Однофазное КЗ Рис. 7.3.4 Схема применяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных КЗ. Для каждой схемы соединений можно определить отношение тока в реле Iр к току в фазе Iф, это отношение называется коэффициентом схемы, для данной схемы kсх=1. 7.3.2. Соединение трансформаторов тока в треугольник, а обмоток реле в звезду Схема соединения представлена на рис. 7.3.1. Рис. 7.3.1 При трехфазном КЗ при симметричной нагрузке в реле проходит линейный ток в раз больше тока фазы и сдвинутый относительно него по фазе на 30. Особенности схемы: 1) токи в реле проходят при всех видах КЗ, защиты построенные по такой схеме реагируют на все виды КЗ; 2) отношение тока в реле к фазному току зависит от вида КЗ; 3) токи нулевой последовательности не выходят за пределы треугольника трансформаторов тока, не имея пути для замыкания через обмотки реле. Схема применяется в основном для дифференциальных защит трансформаторов и дистанционных защит.

Коэффициент схемы: . 8. Измерительные трансформаторы напряжения 8.1. Принцип действия Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполн ению аналогичны силовым трансформаторам.

На рис. 6.1.1 изображен двухобмоточный измерительный трансформатор.

Первичная обмотка w1 имеет несколько тысяч витков, вторичная w2 – несколько сотен.

Буквой А(а) на схемах принято обозначать начало первичной (вторичной) обмотки, буквой Х(х) – конец.

Напряжение вторичной обмотки можно определить как , (8.1) где – коэффициент трансформации измерительного трансформатора.

Рис. 8.1. 1 Для питания защит ТН могут устанавливаться на шинах электростанций и подстанций и питать защиты всех присоединений (рис. 8.1.2 а) или устанавливаться на каждом присоединении (рис. 8.1.2 б). а) б) Рис. 8.1.2 При переключении присоединений с одной системы шин на другую необходимо производить переключение питания её защит на ТН другой системы шин. Обычно такое переключение делается автоматически при операциях с разъединителями (рис. 8.1.3). Рис. 8.1.3 8.2. Погрешности трансформаторов напряжения Формула (8.1) справедлива лишь для идеал ьного трансформатора, однако за счет падения напряжения U в первичной и вторичной обмотках действительное значение вторичного напряжения . (8.2) Для уменьшения U необходимо уменьшать сопротивление обмоток Z1 и Z2, ток намагничивания IНАМ и ток нагрузки I2. ТН подразделяются на три класса: 0,5;1 и 3. В каталогах указывается номинальная мощность – максимальная нагрузка, которую может питать ТН в гарантированном классе точности.

Связь нагрузки с номинальной мощностью отображает формула . (8.3) 8.3. Схемы соединений трансформаторов напряжения 8.3.1. Схема соединения трансформаторов напряжения в звезду Схема предназначена для получения напряжения фаз относительно земли и линейных напряжений.

Заземление нейтрали первичной обмотки ТН и наличие нулевого провода во вторичной цепи является обязательным условием для получения фазных напряже ний относительно земли.

Обмотки реле 1,2,3 включены на фазные напряжения; 4,5,6 – на линейные напряжения. Соединение ТН по схеме Y/Y может выполняться по 6 и 12 группам.

Типовым является соединение по 12 группе. На рис. 6.3.1: F – плавкий предохранитель; FA – плавкий предохранитель в цепях релейной защиты Рассмотренная схема соединений может быть выполнена посредством трех однофазных ТН или одного трехфазного пятистержневого ТН (рис.8.3.2) Трехфазные трехстержневые ТН не применяются, так как в их магнитопроводе нет пути для замыкания магнитных потоков нулевой последовательности Ф0, создаваемых током I0 в первичных обмотках при замыкании на землю в сети. Поток Ф0 замыкается через воздух, это резко увеличивает IНАМ, вызывая недопустимый нагрев трансформатора.

Возможна дополнительная обмотка на основных или дополн ительных стержнях для получения напряжения нулевой последовательности (рис. 8.3.2). Рис. 8.3.1 Рис. 8.3.2 8.3.2. Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытый треугольник Два однофазных ТН включены на два междуфазных напряжения. Между проводами вторичной цепи включаются реле. Схема позволяет получить 3 междуфазных напряжения.

Рис. 8.3.3 8.3.3. Схема соединения трансформаторов напряжения в разомкнутый треугольник Схема соединения, показанная на рис. 8. 3.4, позволяет получить напряжение нулевой последовательности: (8.4) В нормальном режиме UP=0. Необходимым условием работы схемы является заземление нейтрали первичной обмотки ТН. При отсутствии заземления напряжение на реле будет отсутствовать. Для вторичной обмотки принимается UНОМ=100 В – для сетей с заземленной нейтралью и 100/3 В –для изолированной.

Практически в нормальных условиях напряжение на реле составляет Uнб = 0,5 2 В. При однофазном КЗ в сети с заземленной нейтралью (рис. 8.3.5): UA=0; UB+UC=UФ=UP. В сети с изолированной нейтралью (рис. 8.3.6): UP=3UФ, поэтому у ТН, предназначенных для таких сетей, вторичные обмотки имеют увеличенный в 3 раза коэффициент трансформации (например: 6000/100/3). Рис. 8.3.4 Рис. 8.3.5 Напряжение нулевой последовательности может быть получено и от специальных обмоток трехфазных ТН ( см. рис. 8.3.2). Чаще всего применяются ТН с двумя вторичными обмотками.

Одна соединяется по схеме звезды, а вторая – разомкнутым треугольником (см. рис. 8.3.1 б). Вторичные обмотки ТН подлежат обязательному заземлению. Оно является защитным, обеспечивая безопасность персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Обычно заземляется нулевая точка звезды или один из фазных проводов. В проводах, соединяющих точку заземления с обмотками ТН, не должно быть коммутационных и защитных аппаратов. 8.4. Контроль за исправностью цепей напряжения Повреждения во вторичных цепях ТН (КЗ и обрывы) могут вывести из строя оборудование релейной защиты или привести к неправильным её действиям.

При КЗ опасно увеличивается ток, для защиты оборудования устанавливают предохранители или автоматы. Повреждения вторичных цепей искажают величину и фазу вторичного напряжения, что приводит к неправильной работе защиты. При обрыве фазы напряжение, подводимое к обмоткам реле, исчезает, что воспринимается защитой как КЗ в сет и. Для предотвращения ложных действий предусматриваются специальные устройства (блокировки). Одна из простейших схем сигнализации обрыва в цепях ТН приведена на рис. 6.4.1. Рис. 8.4.1 На рис. 8.4.2 изображена принципиальная схема блокировки защиты при повреждении в цепях ТН типов КРБ–11 и КРБ–12. Рис. 8.4.2 В нормальном режиме напряжение на реле KV0 отсутствует.

При обрыве одной или двух фаз возникает U0, под влиянием которого в реле KV0 появляется ток и оно срабатывает, давая сигнал и выводя защиту из работы.

Реле KV0 действует не только при обрывах, но и при КЗ на землю в первичной сети; чтобы предотвратить блокирование защиты при этом, ставится реле KVА, реагирующее на появление тока I0 в первичной сети. Рассмотренные блокировки, не реагирующие на одновременный обрыв всех трех фаз цепи напряжения, на трехфазное КЗ во вторичных цепях и обрыв нулевого провода, выпускаются Чебоксарским электроаппаратным заводом. Контроль цепей разомкнутого треугольника Контроль производится путем периодического измерения напряжения небаланса.

При исправной цепи UНБ=1 3 В. При нарушении цепи показания пропадают. Для контроля применяются и более сложные устройства. Для трансформаторов напряжения с двумя вторичными обмотками: Y/Y/ – Схема с семиобмоточным трансформатором или схема с тремя однофазными трансформаторами. Сложные схемы применяются для блокировки защит на ЛЭП 220 кВ и выше. 9. Реле Реле – автоматические приборы управления, обладающие релейным действием, т.е. скачкообразным изменением состояния управляемой цепи (например, её замыкание или размыкание) при заданных значениях величин, характеризующих определенное отклонение режима контролируемого объекта.

Типы реле: Электрические – реагируют на электрические величины. Механические – реагируют на неэлектрические величины: скорость истечения жидкости или газа, уровень жидкости. Тепловые – реагируют на количество выделенного тепла и ли изменение температуры. 9.1. Электромагнитные реле тока и напряжения 9.1.1. Принцип действия Существуют три основные разновидности конструкций электромагнитных реле: 1) с втягивающимся якорем; 2) с поворотным якорем; 3) с поперечным движением якоря.

Каждая конструкция содержит: электромагнит, состоящий из стального сердечника и обмотки, стальной подвижный якорь, несущий подвижный контакт, неподвижные контакты и противодействующую пружину. Проходящий по обмотке ток Iр создает намагничивающую силу Iрр, под действием которой возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник электромагнита, воздушный зазор и якорь.

Якорь намагничивается и притягивается к полюсу электромагнита, переместившись в конечное положение, якорь своим подвижным контактом замыкает неподвижные контакты реле. Ток срабатывания Iср – наименьший ток, при котором реле срабатывает, Iср – это ток, при котором электромагнитная сила превосходит силу сопротивлен ия пружины, трения и массы. Ток срабатывания регулируют: изменяя количество витков обмотки реле, Iср меняется ступенчато; регулируя пружину, Iср меняется плавно.

Ток возврата – при уменьшении тока в обмотках реле происходит возврат притянутого якоря в исходное положение под действием пружины. Iвоз – наибольший ток в реле, при котором возвращается в начальное положение. Коэффициент возврата . (9.1) У реле, реагирующих на возрастание тока (максимальных реле), Iср> Iвоз &#61614; kвоз<1. По мере перемещения якоря воздушный зазор уменьшается, магнитное сопротивление уменьшается.

Электромагнитный момент увеличивается, а сила противодействующей пружины остается постоянной, возникает избыточный момент. Для возврата якоря необходимо уменьшить ток. Реле минимального действия – реле, действующее при уменьшении тока. Для срабатывания необходимо уменьшить ток до значения, при котором момент пружины превзойдет электромагнитный момент. Iср – наибольший ток, при котором отпа дает якорь реле. Iвоз – наименьший ток, при котором втягивается якорь реле, Iвоз>Iср &#61614; kвоз>1. 9.1.2. Работа электромагнитного реле на переменном токе (9.2) Электромагнитная сила FЭ имеет пульсирующий характер.

Притянутый якорь реле непрерывно вибрирует. Это вызывает дребезг контактов при срабатывании, что приводит к их подгоранию, изнашиваются оси. При большом моменте инерции якоря он не успевает следовать за быстрыми изменениями знака результирующей силы. Если же момент инерции якоря недостаточен, то для устранения вибрации применяют расщепление магнитного потока обмотки на две составляющие, сдвинутые по фазе. Расщепление магнитного потока производится либо с помощью короткозамкнутого витка (рис. 3.1.4), либо обмотка реле выполняется двумя параллельными секциями с разным угловым сдвигом (рис. 9.1.5). Рис. 3.1.4 Рис. 9.1.5 9.2.