Релейная защита — это совокупность специальных устройств, автоматически реагирующих на отклонения режима от заданных параметров. В зависимости от назначения защита может работать на сигнал или отключение. Защиты от коротких замыканий трансформаторов и кабельных линий работают на отключение. Защита кабельных линий от замыканий на землю работает на сигнал.
Релейная защита должна удовлетворять следующим требованиям: селективности — должна отключать только поврежденный участок; быстродействия — иметь заданное время срабатывания; чувствительности — реагировать на заданные изменения параметров режима; надежности — иметь весьма низкую вероятность отказа или неправильной работы.
Релейные защиты подстанций сети города предусматривают включение реле во вторичные цепи трансформаторов тока или напряжения. Такое включение позволяет изолировать реле от высокого напряжения, а следовательно, ремонтировать и проверять их без отключения защищаемого элемента сети, изготовлять реле на один номинальный ток (5А) или одно напряжение (100 В) независимо от первичных величин.
В подстанциях сети города нашли применение как реле прямого действия, непосредственно воздействующие на механизм расцепления привода, так и реле косвенного действия, воздействующие на промежуточные реле, подающие оперативный ток на отключающие катушки привода. Оперативный ток необходим для обеспечения работы устройств автоматики и дистанционного управления выключателями.
Источником оперативного тока в РП и ТП сети города являются измерительные трансформаторы тока и напряжения. В отдельных случаях используются аккумуляторные батареи и предварительно заряженные конденсаторы.
Наиболее распространенными видами релейных защит, применяемых в электрических сетях города, следует считать максимальную токовую и максимальную направленную защиты. Максимальная токовая защита реагирует на увеличение тока сверх определенного значения. Она призвана защищать сеть от перегрузок и коротких замыканий. Для обеспечения селективности максимальные токовые защиты выполняются с выдержками времени. Выдержки времени изменяются ступенями, нарастающими по мере удаления выключателя от токоприемника и приближения к центру питания. Ступень селективности принимается равной 0,5—0,7 с. На рис. 1 приведен пример распределения выдержек времени максимальных токовых защит.
На рис. 2 показаны схемы максимальной токовой защиты с двумя реле РТВ, подключенными к трансформаторам тока 77, и защиты от замыканий на землю с одним указательным реле РУ, подключенным к обмотке трансформатора нулевой последовательности ТТЗ.
Рис. 1. Пример распределения выдержек времени максимальных токовых защит участка сети:
ЦП1, ЦП2 — питающие центры; РП1, РП2 — распределительные подстанции; ТП — трансформаторная подстанция
Рис. 2. Схемы максимальной токовой защиты и защиты от замыканий на землю
Максимальная направленная защита (рис. 15) реагирует на увеличение тока и изменение направления, мощности при КЗ. Она используется для защиты параллельно работающих линий. Повреждение одной из параллельно работающих линий будет сопровождаться увеличением тока и изменением на одном участке направления потока мощности. Реле мощности среагирует на это изменение, сработает и обеспечит отключение поврежденной линии. Это свойство направленной защиты позволяет использовать ее для автоматизации сети.
Автоматизация сети города достигается как параллельной работой питающих линий, так и автоматическим включением резерва.
Основными видами АВР на напряжении 6—10— 20 кВ являются следующие:
АВР одностороннего действия на резервной связи, обеспечивающее бесперебойность питания только одной подстанции или одной ее секции (рис. 13, а);
АВР на секционном выключателе, обеспечивающее бесперебойность питания обеих секций РП или ТП, работающих нормально раздельно (рис. 13, б);
АВР двустороннего действия на резервной связи, обеспечивающее бесперебойность питания двух РП (рис. 13, в). Работа АВР для обеспечения бесперебойного питания РП1 соответствует работе АВР одностороннего действия. Обеспечение бесперебойности питания РП2 производится путем автоматического включения выключателя резервной связи. При этом требуется установка в РП2 релейного устройства, отключающего выключатель питающего кабеля в случае его повреждения. В отличие от обычных схем АВР это устройство не может получать оперативный ток от трансформатора напряжения, так как в РП2 нет второго источника питания. Поэтому таким устройством может быть или максимальная токовая направленная защита на переменном оперативном токе или защита минимального напряжения, выполненная на реле непосредственного действия.
Включение резерва в РП выполняется выключателем с пружинными или грузовыми приводами, а в ТП также и выключателями нагрузки, у которых для этого переставляется пружина.
Все схемы АВР допускают включение резервного питания на КЗ, которое затем отключается под действием максимальной токовой защиты. Питание схем АВР производится от трансформаторов напряжения, подключенных всегда к одним и тем же фазам (для обеспечения согласованности их работы в различных аварийных режимах). В трансформаторных подстанциях для контроля наличия напряжения на шинах может использоваться силовой трансформатор.
В целях упрощения все схемы АВР после срабатывания не обеспечивают самовосстановления и должны подготавливаться к дальнейшей работе вручную.
Схема, изображенная на рис. 13, а, работает следующим образом. При исчезновении напряжения на шинах РП реле времени РВ замыкает свои контакты и через указательное реле РУ обеспечивает питание катушки отключения КО, отключающей выключатель В1. При этом его вспомогательными контактами замыкается цепь включающей катушки КВ выключателя резервной линии В2, включающего резервную связь. Если АВР произойдет до отключения КЗ, то выключатель В2 отключается от максимальной защиты.
При АВР на секционном выключателе (см. рис. 13,6) исчезновение напряжения на питающем кабеле А приводит к срабатыванию реле РВ1, контакты которого через указательное реле РУ1 обеспечивают питание отключающей катушки К01 и отключение выключателя В1. Отключаясь, выключатель замыкает своими вспомогательными контактами БВ1 цепь включающей катушки секционного выключателя КВС. Происходит автоматический ввод резерва. Если секционный выключатель включится на КЗ, то он отключится под действием максимальной токовой защиты. Работа схемы при исчезновении напряжения на питающем кабеле Б или при КЗ на шинах секции РП секции Б происходит аналогично.
На схеме, изображенной на рис. 1.13, в, работа АВР для обеспечения бесперебойного питания РШ соответствует работе обычного АВР одностороннего действия. Обеспечение бесперебойного питания РП2 достигается следующим образом. При исчезновении напряжения на питающем кабеле РП2 одновременно исчезает напряжение и на резервной связи, что приводит к работе АВР в РП1. Реле времени РВ2 через указательное реле РУ2 обеспечивает питание катушки включения КВ2 и тем самым включение выключателя В2 резервной связи. Второй распределительный пункт РП2 получает напряжение.
Если включение выключателя В2 резервной связи в РШ происходит на КЗ, то поврежденный питающий кабель в РП2 избирательно отключается направленной защитой, а питание РП2 сохраняется от РШ по резервной связи.
При коротком замыкании на шинах РШ работа двустороннего АВР соответствует работе АВР одностороннего действия. При коротком замыкании на шинах РП2 выключатель В1 питающего кабеля отключается от защиты. Одновременно с этим исчезают напряжения и на резервной связи, что приводит к включению выключателя В2 резервной связи. Если короткое замыкание не устранилось, то В2 отключается от защиты.
Показанные на рис. 13 рубильники Р1 и Р2 служат для выведения АВР из работы.
В схемах АВР в качестве резервных связей могут использоваться кабели, соединяющие РП через ряд трансформаторных подстанций. Загрузка основного и резервного кабелей не должна быть больше допустимой. В условиях действующих сетей выполнять это требование очень трудно. Приходится идти на кратковременную перегрузку кабеля, принимая одновременно меры к его разгрузке.
Автоматизация сети города должна быть согласована с автоматической частотной разгрузкой (АЧР) на центрах питания. Взаимно резервирующие друг друга кабели должны иметь одинаковую очередность отключения от действия АЧР.
Основными достоинствами рассмотренных схем АВР являются простота и возможность использования для резервирования РП, питающихся с разных центров питания. Недостатками этих схем являются кратковременный перерыв в подаче электроэнергии и необходимость восстановления готовности к повторному срабатыванию вручную.
При автоматизации особо ответственных РП предусматривается комплексное использование схем параллельно работающих питающих кабелей и АВР. Такое комбинированное использование схем позволяет сохранить автоматизацию при повреждении одного из параллельно работающих кабелей в схеме, где они резервируют РП с одним питающим кабелем. Это достигается путем перевода АВР одностороннего действия на двустороннее благодаря специальной релейной приставке.
Параллельная работа питающих кабелей может осуществляться по двум схемам: параллельная работа кабелей, питающих один РП (рис. 14,а); параллельная работа кабелей, питающих различные РП через нормально замкнутую связь (рис. 14,6). Схемы обеспечивают бесперебойность питания РП путем автоматического двустороннего отключения поврежденного кабеля от действия релейной защиты. Избирательное отключение поврежденного кабеля производится максимальной токовой направленной защитой, действующей без выдержки времени при прохождении тока КЗ от шин РП к месту повреждения. Отключение поврежденной связи производится максимальной защитой, поскольку ее выдержки времени меньше выдержек времени максимальных защит питающих кабелей, а максимальная токовая направленная защита других линий при этом не работает, так как проходящие по ним токи не меняют направления.
Схема максимальных токовых направленных защит с оперативным переменным током приведена на рис. 15.
Рис. 13. Схемы автоматического включения резерва:
а — одностороннего действия на резервной связи; б — на секционном выключателе; в — двустороннего действия на резервной связи; BI, В2, ВС— выключатели; ТН — трансформатор напряжения; P. P1, Р2 — рубильники; РВ, РВ1, РВ2 — реле времени; РУ, РУ1, РУ2— реле указательные; КО — катушка отключения; КВ — катушка включения
Одна из обмоток трансформатора тока питает токовые реле и реле направления мощности, а другие обмотки, соединенные на разность токов, питают промежуточные реле. При срабатывании защиты контакты основных реле .Схемы замыкают цепь вторичной обмотки трансформатора промежуточного реле. Реле срабатывает и переключает контакты. В первую очередь происходит замыкание замыкающего контакта и цепи отключающей катушки, чем подготавливается цепь отключения, а затем уже без разрыва токовой цепи размыкается контакт, шунтировавший катушку. После этого через отключающую катушку начинает проходить ток, приводя к отключению выключателя. Параллельная работа питающих кабелей позволяет произвести отключение питающей поврежденной линии, не нарушая электроснабжения.
Рис. 14 Схемы параллельной работы питающих кабелей
Рис. 15. Схема максимальной токовой направленной защиты:
РТ — реле токовое: МН — реле направленное; РП — реле промежуточное; КО — катушка отключения; РУ — реле указательное; В — выключатель. Индексы «к» и еж» обозначают фазы линии
Недостатком таких схем является увеличение токов КЗ в сети и как следствие необходимость применения более мощной аппаратуры, а также необходимость питания потребителя от одного ЦП.
Для автоматизации электрических сетей города широко используются схемы АВР на низшем напряжении. Нашли применение следующие варианты схем:
а) взаимное резервирование двух трансформаторов с использованием контакторных станций;
б) АВР на резервной связи;
в) взаимное резервирование двух ТП;
г) АВР на секционном выключателе. Автоматическое включение резерва в этих схемах
производят автоматы или контакторы. Контактор основного питания и контактор резерва, связанные ошиновкой, образуют станцию управления. Станции управления выпускаются нашей промышленностью на номинальный ток до 1000 А.
В нормальном режиме контактор основного питания удерживается во включенном положении своей защелкой, а цепь его включающей катушки разомкнута на вспомогательных контактах. Контроль наличия напряжения на основном питании производится промежуточным реле. При исчезновении напряжения по основному питанию промежуточное реле отпадает и своими замкнувшимися контактами подает напряжение от цепи резервного питания на отключающую катушку защелки. Одновременно с этим для обеспечения возможности снятия защелки подается кратковременно напряжение на выключающую катушку контактора. При снятии защелки происходит переключение ее вспомогательных контактов, которые разрывают цепь включающей катушки и замыкают цепь удерживающей катушки резервного контактора. Отключаясь, контактор основного питания своими вспомогательными контактами разрывает цепь катушки защелки. Механизм защелки и ее вспомогательные контакты при отключенном положении контактора основного питания остаются в верхнем положении. При появлении напряжения по основному питанию схема самовосстанавливается.
Рис. 16. Схема взаимного резервирования двух трансформаторов с помощью станций управления:
Tl Т2 — силовые трансформаторы; КО — контактор основной; КР — контактор резерва: РУН — распредустройство; РП1. РП2, РПЗ, РП4, РП5 — промежуточные реле; Al, А2, A3 — автоматические выключатели; П — предохранители: БКР — вспомогательные контакты резервного контактора; БКО — вспомогательные контакты основного контактора
Станции управления хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, и АВР на низшем напряжении получило широкое распространение.
Схема взаимного резервирования двух трансформаторов является самой распространенной при автоматизации ТП. Она выполняется на двух станциях управления (рис. 16). Мощность автоматизируемых трансформаторов (загрузка которых в аварийном режиме не должна превышать 150%), должна быть увязана с мощностью контакторов станций управления. Если часть нагрузок трансформаторов может быть не резервирована, то загрузка трансформаторов в нормальном режиме может быть и 100% (рис. 17). В схемах взаимного резервирования двух трансформаторов они могут иметь различные первичные напряжения, например 6 и 10 кВ.
Рис. 17. Схема, позволяющая иметь 100 %-ную загрузку трансформаторов:
Г/. Т2 — силовые трансформаторы; КО — контактор основной; КР — контактор резерва; П — предохранитель
Схема одностороннего резервирования ТП по кабелю низшего напряжения применяется редко. По этой схеме могут автоматизироваться ТП, питающиеся от разных лучей и имеющие один трансформатор. Нагрузка автоматизируемых трансформаторов не должна быть больше номинального тока основного контактора станции управления.
Схема (рис 18) взаимного резервирования двух ТП по кабелю низкого напряжения применяется для автоматизации однотрансформаторных подстанций, включенных в разные цепочки (лучи) кабельных линий. Используются контакторы без защелок и механической блокировки, в цепи управления которых дополнительно установлены промежуточные реле. Они контролируют наличие напряжения на кабеле связи. Нормально распределительное устройство низшего напряжения каждой ТП питается от трансформатора через контактор основного питания. Резервная связь подключена к контакторам резервного питания и находится под напряжением от ТП1, имея деление на отключенном контакторе 7772. Резервный контактор в 777/ имеет уменьшенное собственное время включения по сравнению с временем включения резервного контактора 7/72. Это достигается сокращением хода подвижной системы контактора примерно на 20 мм путем установки накладки. В процессе эксплуатации деление может перемещаться из одного ТП в другое.
Рис. 18. Схема взаимного резервирования двух ТП по кабелю низшего напряжения:
КО — контактор основного питания; КР — контактор резервного питания: Р1. Р2, РЗ — рубильники; РП — промежуточное реле
Схема работает следующим образом: при исчезновении напряжения в ТП2 отпадает контактор основного питания и своими вспомогательными контактами включает контактор резервного питания, восстанавливая питание 7772. Если напряжение в ТП2 появится вновь, то схема восстанавливается, т.е. контактор основного питания включится и своим вспомогательными контактами отключит контактор резервного питания. При исчезновении напряжения в 777/ одновременно отпадут оба контактора — основного и резервного питания. Резервная связь останется также без напряжения. Отпадут одновременно реле контроля напряжения в обеих ТП, замыкая свои контакты, в ТП2 замкнувшиеся контакты подают напряжение на катушку контроля резервного питания контактора и он включится, подав напряжение на кабель связи. При этом реле РП сразу сработает и разомкнет свои контакты, но они будут уже зашунтированы вспомогательными контактами контактора резервного питания. Одновременно в ТП1 включится контактор резервного питания, восстановив питание токоприемников. При одновременном исчезновении напряжения а обеих ТП все контакторы отпадают и схема ждет появления напряжения. Если напряжение появится первоначально только в одной какой-либо ТП, то в ней происходит включение сначала контактора основного питания, а затем и контактора резервного питания. После этого в другой ТП происходит включение контактора резервного питания. Напряжение в обеих ТП восстанавливается. При появлении напряжения во второй ТП схема восстанавливается с делением сети в той ТП, в которой напряжение появляется во вторую очередь. Если напряжение появится в обеих ТП одновременно, то в них включаются контакторы основного питания. При этом начинают включаться также контакторы резервного питания, но контактор в ТП1, включится быстрее. Оба промежуточных реле контроля напряжения разомкнутся и включение контактора резервного питания в ТП2 не произойдет.
Повреждение на шинах какой-либо ТП вызывает сгорание предохранителей высшего напряжения трансформаторов и автоматическое включение резервного питания на КЗ с последующим сгоранием предохранителей в цепи кабеля связи. Повреждение кабеля связи вызывает последовательное сгорание его предохранителей с обеих сторон. На ТП, где имеется деление сети, предохранители сгорят после включения цепи на КЗ.
При коротких замыканиях в сети не только происходит автоматическое отключение поврежденного участка, но и автоматически, без участия оперативного персонала восстанавливается питание потребителей, включаются резервные кабельные линии, переводится питание с одного трансформатора на другой. Происходящие при этом изменения схемы приводят к перераспределению нагрузок, а иногда и к значительным перегрузкам оборудования и кабелей. О всех изменениях, происходящих в сети, дежурный персонал должен узнавать как можно быстрей, с тем чтобы своевременно принять необходимые меры. Быструю передачу информации о состоянии сети на диспетчерский пункт может обеспечить телемеханика. Учитывая, что телемеханизация сети требует значительных затрат, ее внедрение должно быть подтверждено технико-экономической целесообразностью.
Объем телемеханизации должен быть минимальным и учитывать категорийность потребителей, степень автоматизации сети, особенность оперативного управления и специфические условия эксплуатации. Наиболее часто телемеханизация городских электросетей включает сигнализацию положения выключателей РП, сигнализацию однофазных замыканий на землю, измерения нагрузок кабельных присоединений и управление отдельными выключателями.
В качестве каналов связи для телемеханики могут использоваться кабельные и воздушные линии связи, высокочастотные каналы по линиям электропередачи высокого напряжения и радиорелейные линии. В условиях города с развитой телефонной сетью целесообразнее всего для телемеханики абонировать каналы телефонной сети.
Выбор типа устройства телемеханики определяется в основном объемом телемеханики, каналами связи и спецификой сети.