| Автоматизация управления системами электроснабжения ЗАЩИТА ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ Отчет по лабораторной работе | |
| Автор: drug | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: | Комментирии: 0 | 10-01-2013 10:42 |
Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
Уфимский государственный нефтяной технический университет
(Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г.Салавате)
Автоматизация управления системами электроснабжения
ЗАЩИТА ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Отчет по лабораторной работе № 3.
ЭАПП – 140610.65 – 04.03.000 ЛР.
Салават 2012 г.
ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ
ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Цель работы:
- изучить принцип действия защиты от замыканий на землю;
- изучить методы расчета и проверки уставок защиты;
- исследовать селективность и чувствительность защиты от замыканий на землю при различных видах повреждений.
1 Теоретические сведения
1.1 Общие сведения о однофазных коротких замыканий на землю
Однофазное замыкание на землю является наиболее частым видом повреждения в трехфазных электрических сетях всех классов напряжения.
В сетях с глухозаземленнойнейтралью (напряжением 110 кВ и выше, а также в сетях 0,4-0,23 кВ) однофазные короткие замыкания (КЗ) сопровождаются весьма большими токами, иногда превосходящими по значению даже токи трехфазных КЗ. Эти КЗ должны безусловно отключаться автоматически и как можно быстрее.
В электрических сетях 6-35 кВ России, работающих, как правило, с изолированной или компенсированной нейтралью, значения токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) невелики, они не превышают 20-30 А. Поэтому сети этих классов напряжения традиционно называют сетями с малым током замыкания на землю. Однако ОЗЗ представляют большую опасность для оборудования электрических сетей и для находящихся вблизи места ОЗЗ людей и животных. В связи с этим Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей требуют в одних случаях быстро автоматически отключать ОЗЗ, а в других - немедленно приступать к определению присоединения с ОЗЗ и затем отключать его [1].
Создать селективную (избирательную) и высокочувствительную защиту от ОЗЗ, пригодную для любых видов сетей с малым током замыкания на землю, до сего времени не удалось никому. Действительно, трудно создать универсальную защиту от ОЗЗ для таких разных типов электроустановок, как воздушные и кабельные линии, генераторы и электродвигатели, для таких разных режимов заземления нейтральных точек сети, как "изолированная нейтраль", "резонансно-заземленная нейтраль" или "резистивно-заземленная нейтраль" (нейтраль, заземленная через ограничивающее активное сопротивление - резистор).
Особые трудности при выполнении селективных защит от ОЗЗ имеют место в сетях 6(10) кВ с резонансно-заземленной нейтралью, где ток повреждения промышленной частоты полностью компенсируется током дугогасящего реактора (ДГР) и поэтому не может быть использован в качестве источника информации для защиты. Дополнительные трудности возникают при необходимости селективного определения присоединения с ОЗЗ в электрических сетях сложной конфигурации, при отсутствии на присоединении кабельной вставки, необходимой для установки трансформатора тока нулевой последовательности, при часто меняющейся первичной схеме защищаемой сети и в других случаях[2].
В России принято выполнять РЗ от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью с действием на сигнал . Дежурный персонал принимает меры к переводу нагрузки поврежденной ЛЭП на другой источник питания, разгружая поврежденную ЛЭП, и затем отключает ее. В современных разветвленных городских сетях 6-10 кВ эти операции требуют значительных переключений, затягивающих ликвидацию повреждений. Поэтому в автоматизированных сетях целесообразно применять селективную защиту с действием на отключение повреждения.
Защиты от замыканий на землю независимо от режима компенсации должны быть селективными, иметь высокую чувствительность; последнее вызывается тем, что токи, на которые реагирует РЗ, очень малы[3].
1.2 Токовая защита нулевой последовательности
Защита реагирует на составляющие НП полного естественного емкостного тока, проходящего по фазам защищаемого присоединения при замыканиях на землю. Схема РЗ дана на рисунке 1. Токовое реле КА служит измерительным органом РЗ оно действует на сигнал через реле времени КТ. Срабатывание РЗ фиксируется указательным реле КН.
а -подключение токового реле к ТНП(TAN); б- цепи оперативного тока
Рисунок 1 – Схема РЗ от замыканий на землю кабельной линии
Измерительный орган выполняется с помощью чувствительного токового реле мгновенного действия; используются электромагнитное реле РТ-40/0,2 и более чувствительное реле, выполненное на транзисторах типа РТЗ-50. Защита с РТЗ-50 может срабатывать при первичном токе порядка 1-2 А. Высокая чувствительность этого реле обеспечивается с помощью двухкаскадного усилителя постоянного тока, включенного через промежуточный трансформатор и выпрямительный мост. Питание полупроводниковой схемы осуществляется либо от делителя напряжения 110/220 В постоянного тока, либо выпрямленным напряжением переменного тока. Ток срабатывания реле плавно регулируется в пределах 10-60 мА. Мощность срабатывания реле около 12 мВ∙А.
Реле защиты РТЗ-51 от однофазных замыканий на землю, реагирующее на ток нулевой последовательности в установившемся режиме замыкания на землю, выполнено на базе ИМС(интегральная микросхема). Устройство реле РТЗ-51 поясняет функциональная схема реле, изображенная на рисунке 2. В соответствии со структурной схемой полупроводниковых реле тока ее можно подразделить на три функциональные части: воспринимающую входной сигнал, преобразующую его и сравнивающую преобразованный сигнал с заданной уставкой. Воспринимающая часть (как обычно, в полупроводниковых реле) выполняется в виде промежуточного трансформатора тока ТА, замкнутого на резистор R2, параллельно которому с помощью переключателей SB1-SB5 можно подключить резисторы R3-R7, предназначенные для дискретного регулирования уставки тока срабатывания реле. Диоды VD1, VD2 ограничивают уровень входного сигнала. При замыкании на землю входной сигнал в виде тока 3I0 поступает в первичную обмотку трансформатора ТА и преобразуется в напряжение на зажимах резистора R2 (uR2 = ioTAR2). Это напряжение поступает в преобразующую часть, состоящую из частотного фильтра Ф и усилителя А1. Фильтр пропускает ток 50 Гц и запирает выход в схему сравнения токов высших гармоник, если они имеются в токе замыкания на землю (3I0). Усилитель А1служит для повышения чувствительности реле к малым значениям тока Iз(1), на которые должно реагировать реле. В качестве усилителя А1используется операционный усилитель (ОУ). Сигнал с выхода А1поступает на схему сравнения, построенную аналогично типовому реле тока на ИМС.
Схема сравнения состоит из порогового элемента, выполненного на операционном усилителе А2, времяизмерительной цепи (образованной из резисторов R15, R16, диода VD5 и конденсатора С8) и триггера Шмитта, построенного на операционном усилителе A3 с положительной обратной связью. Выходной сигнал A3 воздействует на исполнительный орган, функции которого выполняет промежуточное реле KL, включенное в коллекторную цепь усилительного каскада на транзисторе VT1, Реле KLсрабатывает при появлении положительного сигнала на выходе A3.
В нормальном режиме, когда сигнал 3I0, поступающий на вход реле ТА отсутствует или меньше порога срабатывания компаратора А2, выходное напряжение операционного усилителя А2 имеет положительный знак, под действием которого конденсатор С8 заряжен и на его выходе устанавливается напряжение того же знака (+). При этом выходное напряжение A3 имеет отрицательную полярность, поэтому исполнительный орган (VT1 и KL) не работает.
При появлении воздействующего сигнала, превышающего опорное напряжение А2 (Uвх>Uоп), операционный усилитель переключается, его выходное напряжение становится отрицательным, конденсатор перезаряжается и на входе A3 появляется потенциал отрицательного знака. При этом на его выходе появляется напряжение положительного знака, что приводит к срабатыванию исполнительного органа.
Рисунок 2 – Функциональная схема реле типа РТЗ-51
Реле РТЗ-51 имеет шесть диапазонов срабатывания по току – от 0,02 до 0,12 А. Коэффициент возврата kв≈ 0,93. Потребляемая мощность питания на постоянном токе – не более 10 Вт, на переменном токе – не более 5 В∙А.
Селективность действия РЗ основана на различии абсолютных значений токов 3I0 в защищаемой ЛЭП при замыкании на ней и замыкании на землю внешнем (на других присоединениях). Условия работы РЗ поясняет распределение токов I0 на рисунках 3 и 4.
Ток срабатыванияРЗ каждой ЛЭП по условию селективности необходимо отстраивать от емкостного тока 3Iол, проходящего по защищаемой ЛЭП при замыкании на землю на других присоединениях, и от тока небаланса, появляющегося в ТНП при внешних междуфазных КЗ.
Если емкость фазы защищаемой ЛЭПравна CW2, то тогда при внешнем замыкании на землю установившийся ток в этой ЛЭП
3IoCW2= 3UфωCW2. (1)
В переходном режиме, возникающем в начальный момент повреждения и при замыкании через перемежающуюся электрическую дугу, возникают значительные броски емкостного тока во всех элементах сети, в 4-5 раз превышающие его установившееся значение. С учетом этого первичный ток срабатывания по первому условию
(2)
где Сз.л – емкость защищаемой ЛЭП;
kб — коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока IoC(в РЗ, работающей без выдержки времени, kб = 4 ÷ 5, при наличии выдержки kб = 1 ÷2 в зависимости от значений t3);
kH= 1,1 ÷ 1,2.
а – схема направленной защиты с реле направления
мощности нулевой последовательности
б – принципиальная схема включения
Рисунок 3 – Схема РЗ типа ЗЗП-1М
а – структурная схема
б – распределение емкостных токов при ОЗЗ
Рисунок 4 – Схема РЗ типа ЗЗП-1М
По второму условию
(3)
Приближенно , здесь Iнб наг – ток небаланса при токе нагрузки Iнаг, измеряется при наладке РЗ.
Обычно на длинных ЛЭП, имеющих большую С, ток Iсз, выбранный по (2), удовлетворяет условию (3).
Коэффициент чувствительности, равный отношению тока в поврежденной ЛЭП к Iс.з, должен быть не менее 1,25-1,5. Вследствие сложности оценки вторичного тока ТНП по первичному, реле регулируется на заданный ток Iс.зподачей тока в первичную цепь ТНП. Как уже отмечалось, токовая РЗ может применяться в некомпенсированных сетях при условии, что от шин подстанции отходит достаточное количество ЛЭП, при которомСоΣ>>Сол.
Токовая РЗ НП, выполненная по схеме на рисунке 1, применяется не только на кабельных, но и на воздушных ЛЗП 6-10 кВ. Рассмотренная защита используется в основном в сетях с изолированной нейтралью, где она реагирует на естественный емкостный ток. В компенсированных сетях для действия токовой защиты может использоваться остаточный ток перекомпенсации или активная составляющая тока ДГР, или активный ток при заземлении сети через резистор R[4].
1.3 Современные средства защиты от однофазного замыкания на землю на микропроцессорной основе
1.3.1 Микропроцессорное устройство «Сириус-ОЗЗ»
Микропроцессорное устройство «Сириус-ОЗЗ» (в дальнейшем – устройство) предназначено для определения наличия однофазного замыкания на землю на секциях шин подстанций, станций и распределительных пунктов напряжением 6 -10 кВ, а также индикации конкретного присоединения с однофазным замыканием на землю. Устройство работает на принципе определения фидера с максимальным уровнем суммы высших гармоник в токе нулевой последовательности. Устройство предназначено для установки в релейных отсеках КРУ(Комплектные распределительные устройства), КРУН(Комплектные распределительные устройства наружной установки) и КСО(камеры сборные одностороннего обслуживания),на панелях и в шкафах в релейных залах и пультах управления электростанций и подстанций 3–35 кВ.
Внешний вид микропроцессорного устройства«Сириус-ОЗЗ» представлен на рисунке 5.
Устройство работает на принципе определения фидера с максимальным уровнем суммы высших гармоник в токе нулевой последовательности в автоматическом режиме. Устройство подключается к двум трансформаторам напряжения ТН (причем как к выходам 3U0 разомкнутого треугольника, так и к «звезде» фазных напряжений с последующим расчетом напряжения нулевой последовательности внутри устройства) и к трансформаторам тока нулевой последовательности (ТТНП) отходящих присоединений с максимальным количеством до 24 для измерения токов 3I0.
Рисунок 5 -Микропроцессорное устройство «Сириус-ОЗЗ»
По принципу работы устройство работает тем точнее, чем больше фидеров на подстанции. На объектах с двумя присоединениями устройство будет неработоспособно. На работоспособность устройства не влияет факт и вид компенсации нейтрали сети.
Питание устройства осуществляется как от сети переменного оперативного тока напряжением 220 В, так и от постоянного или выпрямленного опертока [5].
1.3.2 Микропроцессорное устройство защиты Sepams40
Устройства защиты и измерения Sepam серии 40 предназначенадля эксплуатации электрических аппаратов и распределительных сетей промышленных установок и подстанций для всех уровней напряжения. В устройствах Sepam серии 40 воплощены наиболее полные, простые и надежные решения, адаптированные к высоким требованиям применения, когда необходимо обеспечить измерение токов и напряжения.
Внешний вид устройства защиты Sepams40 представлен на рисунке 6.
Sepam серии 40 полностью совместим со стандартом связи Modbus. Все данные, необходимые для дистанционного управления оборудованием с диспетчерского пункта, доступны благодаря порту связи Modbus, поддерживающему следующие функции:
- считывание данных измерений, аварийных сообщений, уставок и т.д.;
-запись команд телеуправления выключателя и т.д.
Устройства Sepam серии 40 могут выполнять следующие виды защит
- максимальная фазная токовая защита и защита от замыканий на землю с регулируемым временем возврата, с переключением групп активных уставок и логической селективностью;
- защита от замыканий на землю, нечувствительная к току включения трансформаторов;
- тепловая защит, учитывающая внешнюю рабочую температуру и работу вентиляции;
- направленная защита от замыканий на землю, адаптированная ко всем системам заземления нейтрали: изолированной, компенсированной или резонансно-заземленной;
- направленная защита в фазах с коррекцией по напряжению;
- защита по напряжению и частоте.
Рисунок 6 -устройство защиты Sepams40
Устройство позволяет фиксировать 3 типа следующей диагностической информации, что обеспечивает лучшую работу:
- диагностика сети и машины (ток отключения, контекст 5 последних отключений, коэффициент небаланса, запись осциллограмм аварийных режимов);
- диагностика коммутационного аппарата (кумулятивное значение токов отключения, контроль цепи отключения, время работы);
- диагностика устройства защиты и его дополнительных модулей (постоянное самотестирование, устройство отслеживания готовности).
2 Порядок выполнения лабораторной работы
1) Собрать схему лабораторных испытаний рисунок 16. (все модули стенда должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ!). Для создания короткого замыкания используется трехфазный выключатель Q4, на схеме показан вариант его подключения для имитации режима трехфазного короткого замыкания в конце линии электропередачи. При имитации однофазных и двухфазных КЗ на землю соответствующие полюса выключателя Q4 необходимо соединить с нейтралью модуля линии электропередач. Выключатель Q3 снабжен устройством защиты и управляется автоматически. Устройство защиты контролирует сумму токов трех фаз линии электропередачи (ток нулевой последовательности) и формирует управляющее воздействие на выключатель Q3. Удаленность до точки короткого замыкания можно регулировать с помощью изменения положения переключателя SА1 модуля линии электропередач. Нейтраль (общая точка) трансформатора со стороны вторичной обмотки необходимо соединить с нейтралью линии электропередач. В качестве нагрузки используется модуль активной нагрузки, схема соединения — звезда без нулевого провода. Для дистанционного/автоматического управления выключателями необходимо соединить разъемы ХS1 выключателей Q3 и Q4 с разъемами ХS3 и ХS4 модуля ввода-вывода соответственно.
2) Установить параметры линии электропередач: а) максимальное значение продольной составляющей (переключатель SА1 в положение 3); б) отключение поперечной составляющей (переключатель SА2 в положение 1).
3) Переключатель SА1 , модуля активной нагрузки, установить в положение1.
4) Перевести переключатели SА2 режима управления выключателями Q3 и Q4 в положение «Авт».
5) Перевести переключатель SА2 режима управления модулем трехфазной сети в положение «Руч».
6) На персональном компьютере запустить программный комплекс «DeltaProfi» (Пуск - Программы - Лабораторный комплекс - DeltaProfi). Открыть лабораторную работу командой «Работы - Релейная защита - Работа №5 Защита от однофазных коротких замыканий».
7) Включить питание стенда.
8) Включить выключатель модуля трехфазной сети (кнопка SВ1 на лицевой панели модуля трехфазной сети).
9) В программе «DeltaProfi» перевести защиту в режим работы «действие на сигнал» (двойной щелчок левой кнопкой мыши на прямоугольнике «ТЗНП», в появившемся диалоговом окне установить переключатель «Режим работы» в положение «сигнал»).
Рисунок 16 - Схема электрическая принципиальная
лабораторной установки
10)Запустить программу в работу кнопкой «Пуск» или командой главнго меню «Управление - Пуск» или горячей клавишей F5.
11) Дистанционно включить выключатель Q3 одинарным щелчком левой кнопки мыши по зеленому прямоугольнику с всплывающей подсказкой «Q3». Программа всегда отображает текущее состояние выключателя (зеленый - отключен, красный - включен). При правильно собранной схеме и выставленных параметрах выключатель Q3 должен включиться, а его цвет измениться на красный. При этом, на мнемосхеме отображаются текущие величины токов фаз А,В и С линии электропередачи, в данном случае, ток трехфазной нагрузки.
12) Открыть окно настройки защиты (двойной щелчок левой кнопкой мыши на прямоугольнике «ТЗНП»). Записать величину тока в обмотке реле (см. группу «Измерения» в окне параметров защиты) пропорциональную току нулевой, последовательности в режиме нагрузки I0нагр . Подать команду на включение выключателя Q4 для создания режима трехфазного короткого замыкания. Записать величину тока в обмотке реле пропорциональную току нулевой последовательности в режиме короткого замыкания Iокз . Отключить выключатель Q3. Отключить выключатель Q4. Остановить программу кнопкой «Стоп», командой главного меню «Управление - Стоп» или горячей клавишей F6.
13) Рассчитать ток срабатывания защиты по формуле
(4)
В качестве величины тока I_0взять максимальное из двух измеренных ранее значенийI0нагр,Iокз.Коэффициент надежностиКн принять равным 1,5.Коэффициент возврата реле тока Квоз принять равным 0,95.
Рассчитать ток срабатывания реле тока
Iср=Iсз/nт. (5)
Коэффициент трансформации трансформатора тока nт принять равным 1. Ввести расчетный ток срабатывания защиты в диалоговом окне параметров защиты.
14) Перевести защиту в режим действия на отключение. Запустить программный комплекс в работу командой «Пуск». Подать команду на включениевыключателя Q3. Создать короткое замыкание включением выключателя Q4. Убедится в том, что защита не срабатывает при трехфазном коротком замыкании. Отключить выключатель Q4, отключить выключатель Q3.
15) Провести испытания защиты при всех видах несимметричных коротких замыканий (двухфазные, однофазные, двухфазные на землю). В таблицу 1 заносить токи в обмотке реле (двойной щелчок левой кнопкой мыши на прямоугольнике «ТЗНП», в появившемся диалоговом окне см. группу «Измерения»),
16) Рассчитать коэффициенты чувствительности защиты для каждого вида повреждения. Полученные значения представить в таблице 2.
17) Закрыть программу «DeltaProfi», выключить компьютер. Отключить питание стенда. Разобрать схему лабораторных испытаний.
Таблица 2 — Испытание защиты от однофазных замыканий
Вид короткого замыкания Ток уставки, А Ток в обмотке реле, А
Замыкание фаз АВС 0,041 0,026
Замыкание фаз АВ 0,032 0,02
Замыкание фаз ВС 0,028 0,018
Замыкание фаз СА 0,033 0,021
Замыкание фазы А на землю 0,022 0,014
Замыкание фазы В на землю 0,024 0,015
Замыкание фазы С на землю 0,027 0,017
Замыкание фаз АВ на землю 0,03 0,019
Замыкание фаз ВС на землю 0,035 0,022
Замыкание фаз СА на землю 0,032 0,02
Вывод: проделав данную лабораторную работу, изучили принцип действия защиты от замыканий на землю, изучили методы расчета и проверки уставок защиты, исследовали селективность и чувствительность защиты от замыканий на землю при различных видах повреждений.
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
Уфимский государственный нефтяной технический университет
(Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г.Салавате)
Автоматизация управления системами электроснабжения
ЗАЩИТА ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Отчет по лабораторной работе № 3.
ЭАПП – 140610.65 – 04.03.000 ЛР.
Салават 2012 г.
ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ
ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Цель работы:
- изучить принцип действия защиты от замыканий на землю;
- изучить методы расчета и проверки уставок защиты;
- исследовать селективность и чувствительность защиты от замыканий на землю при различных видах повреждений.
1 Теоретические сведения
1.1 Общие сведения о однофазных коротких замыканий на землю
Однофазное замыкание на землю является наиболее частым видом повреждения в трехфазных электрических сетях всех классов напряжения.
В сетях с глухозаземленнойнейтралью (напряжением 110 кВ и выше, а также в сетях 0,4-0,23 кВ) однофазные короткие замыкания (КЗ) сопровождаются весьма большими токами, иногда превосходящими по значению даже токи трехфазных КЗ. Эти КЗ должны безусловно отключаться автоматически и как можно быстрее.
В электрических сетях 6-35 кВ России, работающих, как правило, с изолированной или компенсированной нейтралью, значения токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) невелики, они не превышают 20-30 А. Поэтому сети этих классов напряжения традиционно называют сетями с малым током замыкания на землю. Однако ОЗЗ представляют большую опасность для оборудования электрических сетей и для находящихся вблизи места ОЗЗ людей и животных. В связи с этим Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей требуют в одних случаях быстро автоматически отключать ОЗЗ, а в других - немедленно приступать к определению присоединения с ОЗЗ и затем отключать его [1].
Создать селективную (избирательную) и высокочувствительную защиту от ОЗЗ, пригодную для любых видов сетей с малым током замыкания на землю, до сего времени не удалось никому. Действительно, трудно создать универсальную защиту от ОЗЗ для таких разных типов электроустановок, как воздушные и кабельные линии, генераторы и электродвигатели, для таких разных режимов заземления нейтральных точек сети, как "изолированная нейтраль", "резонансно-заземленная нейтраль" или "резистивно-заземленная нейтраль" (нейтраль, заземленная через ограничивающее активное сопротивление - резистор).
Особые трудности при выполнении селективных защит от ОЗЗ имеют место в сетях 6(10) кВ с резонансно-заземленной нейтралью, где ток повреждения промышленной частоты полностью компенсируется током дугогасящего реактора (ДГР) и поэтому не может быть использован в качестве источника информации для защиты. Дополнительные трудности возникают при необходимости селективного определения присоединения с ОЗЗ в электрических сетях сложной конфигурации, при отсутствии на присоединении кабельной вставки, необходимой для установки трансформатора тока нулевой последовательности, при часто меняющейся первичной схеме защищаемой сети и в других случаях[2].
В России принято выполнять РЗ от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью с действием на сигнал . Дежурный персонал принимает меры к переводу нагрузки поврежденной ЛЭП на другой источник питания, разгружая поврежденную ЛЭП, и затем отключает ее. В современных разветвленных городских сетях 6-10 кВ эти операции требуют значительных переключений, затягивающих ликвидацию повреждений. Поэтому в автоматизированных сетях целесообразно применять селективную защиту с действием на отключение повреждения.
Защиты от замыканий на землю независимо от режима компенсации должны быть селективными, иметь высокую чувствительность; последнее вызывается тем, что токи, на которые реагирует РЗ, очень малы[3].
1.2 Токовая защита нулевой последовательности
Защита реагирует на составляющие НП полного естественного емкостного тока, проходящего по фазам защищаемого присоединения при замыканиях на землю. Схема РЗ дана на рисунке 1. Токовое реле КА служит измерительным органом РЗ оно действует на сигнал через реле времени КТ. Срабатывание РЗ фиксируется указательным реле КН.
а -подключение токового реле к ТНП(TAN); б- цепи оперативного тока
Рисунок 1 – Схема РЗ от замыканий на землю кабельной линии
Измерительный орган выполняется с помощью чувствительного токового реле мгновенного действия; используются электромагнитное реле РТ-40/0,2 и более чувствительное реле, выполненное на транзисторах типа РТЗ-50. Защита с РТЗ-50 может срабатывать при первичном токе порядка 1-2 А. Высокая чувствительность этого реле обеспечивается с помощью двухкаскадного усилителя постоянного тока, включенного через промежуточный трансформатор и выпрямительный мост. Питание полупроводниковой схемы осуществляется либо от делителя напряжения 110/220 В постоянного тока, либо выпрямленным напряжением переменного тока. Ток срабатывания реле плавно регулируется в пределах 10-60 мА. Мощность срабатывания реле около 12 мВ∙А.
Реле защиты РТЗ-51 от однофазных замыканий на землю, реагирующее на ток нулевой последовательности в установившемся режиме замыкания на землю, выполнено на базе ИМС(интегральная микросхема). Устройство реле РТЗ-51 поясняет функциональная схема реле, изображенная на рисунке 2. В соответствии со структурной схемой полупроводниковых реле тока ее можно подразделить на три функциональные части: воспринимающую входной сигнал, преобразующую его и сравнивающую преобразованный сигнал с заданной уставкой. Воспринимающая часть (как обычно, в полупроводниковых реле) выполняется в виде промежуточного трансформатора тока ТА, замкнутого на резистор R2, параллельно которому с помощью переключателей SB1-SB5 можно подключить резисторы R3-R7, предназначенные для дискретного регулирования уставки тока срабатывания реле. Диоды VD1, VD2 ограничивают уровень входного сигнала. При замыкании на землю входной сигнал в виде тока 3I0 поступает в первичную обмотку трансформатора ТА и преобразуется в напряжение на зажимах резистора R2 (uR2 = ioTAR2). Это напряжение поступает в преобразующую часть, состоящую из частотного фильтра Ф и усилителя А1. Фильтр пропускает ток 50 Гц и запирает выход в схему сравнения токов высших гармоник, если они имеются в токе замыкания на землю (3I0). Усилитель А1служит для повышения чувствительности реле к малым значениям тока Iз(1), на которые должно реагировать реле. В качестве усилителя А1используется операционный усилитель (ОУ). Сигнал с выхода А1поступает на схему сравнения, построенную аналогично типовому реле тока на ИМС.
Схема сравнения состоит из порогового элемента, выполненного на операционном усилителе А2, времяизмерительной цепи (образованной из резисторов R15, R16, диода VD5 и конденсатора С8) и триггера Шмитта, построенного на операционном усилителе A3 с положительной обратной связью. Выходной сигнал A3 воздействует на исполнительный орган, функции которого выполняет промежуточное реле KL, включенное в коллекторную цепь усилительного каскада на транзисторе VT1, Реле KLсрабатывает при появлении положительного сигнала на выходе A3.
В нормальном режиме, когда сигнал 3I0, поступающий на вход реле ТА отсутствует или меньше порога срабатывания компаратора А2, выходное напряжение операционного усилителя А2 имеет положительный знак, под действием которого конденсатор С8 заряжен и на его выходе устанавливается напряжение того же знака (+). При этом выходное напряжение A3 имеет отрицательную полярность, поэтому исполнительный орган (VT1 и KL) не работает.
При появлении воздействующего сигнала, превышающего опорное напряжение А2 (Uвх>Uоп), операционный усилитель переключается, его выходное напряжение становится отрицательным, конденсатор перезаряжается и на входе A3 появляется потенциал отрицательного знака. При этом на его выходе появляется напряжение положительного знака, что приводит к срабатыванию исполнительного органа.
Рисунок 2 – Функциональная схема реле типа РТЗ-51
Реле РТЗ-51 имеет шесть диапазонов срабатывания по току – от 0,02 до 0,12 А. Коэффициент возврата kв≈ 0,93. Потребляемая мощность питания на постоянном токе – не более 10 Вт, на переменном токе – не более 5 В∙А.
Селективность действия РЗ основана на различии абсолютных значений токов 3I0 в защищаемой ЛЭП при замыкании на ней и замыкании на землю внешнем (на других присоединениях). Условия работы РЗ поясняет распределение токов I0 на рисунках 3 и 4.
Ток срабатыванияРЗ каждой ЛЭП по условию селективности необходимо отстраивать от емкостного тока 3Iол, проходящего по защищаемой ЛЭП при замыкании на землю на других присоединениях, и от тока небаланса, появляющегося в ТНП при внешних междуфазных КЗ.
Если емкость фазы защищаемой ЛЭПравна CW2, то тогда при внешнем замыкании на землю установившийся ток в этой ЛЭП
3IoCW2= 3UфωCW2. (1)
В переходном режиме, возникающем в начальный момент повреждения и при замыкании через перемежающуюся электрическую дугу, возникают значительные броски емкостного тока во всех элементах сети, в 4-5 раз превышающие его установившееся значение. С учетом этого первичный ток срабатывания по первому условию
(2)
где Сз.л – емкость защищаемой ЛЭП;
kб — коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока IoC(в РЗ, работающей без выдержки времени, kб = 4 ÷ 5, при наличии выдержки kб = 1 ÷2 в зависимости от значений t3);
kH= 1,1 ÷ 1,2.
а – схема направленной защиты с реле направления
мощности нулевой последовательности
б – принципиальная схема включения
Рисунок 3 – Схема РЗ типа ЗЗП-1М
а – структурная схема
б – распределение емкостных токов при ОЗЗ
Рисунок 4 – Схема РЗ типа ЗЗП-1М
По второму условию
(3)
Приближенно , здесь Iнб наг – ток небаланса при токе нагрузки Iнаг, измеряется при наладке РЗ.
Обычно на длинных ЛЭП, имеющих большую С, ток Iсз, выбранный по (2), удовлетворяет условию (3).
Коэффициент чувствительности, равный отношению тока в поврежденной ЛЭП к Iс.з, должен быть не менее 1,25-1,5. Вследствие сложности оценки вторичного тока ТНП по первичному, реле регулируется на заданный ток Iс.зподачей тока в первичную цепь ТНП. Как уже отмечалось, токовая РЗ может применяться в некомпенсированных сетях при условии, что от шин подстанции отходит достаточное количество ЛЭП, при которомСоΣ>>Сол.
Токовая РЗ НП, выполненная по схеме на рисунке 1, применяется не только на кабельных, но и на воздушных ЛЗП 6-10 кВ. Рассмотренная защита используется в основном в сетях с изолированной нейтралью, где она реагирует на естественный емкостный ток. В компенсированных сетях для действия токовой защиты может использоваться остаточный ток перекомпенсации или активная составляющая тока ДГР, или активный ток при заземлении сети через резистор R[4].
1.3 Современные средства защиты от однофазного замыкания на землю на микропроцессорной основе
1.3.1 Микропроцессорное устройство «Сириус-ОЗЗ»
Микропроцессорное устройство «Сириус-ОЗЗ» (в дальнейшем – устройство) предназначено для определения наличия однофазного замыкания на землю на секциях шин подстанций, станций и распределительных пунктов напряжением 6 -10 кВ, а также индикации конкретного присоединения с однофазным замыканием на землю. Устройство работает на принципе определения фидера с максимальным уровнем суммы высших гармоник в токе нулевой последовательности. Устройство предназначено для установки в релейных отсеках КРУ(Комплектные распределительные устройства), КРУН(Комплектные распределительные устройства наружной установки) и КСО(камеры сборные одностороннего обслуживания),на панелях и в шкафах в релейных залах и пультах управления электростанций и подстанций 3–35 кВ.
Внешний вид микропроцессорного устройства«Сириус-ОЗЗ» представлен на рисунке 5.
Устройство работает на принципе определения фидера с максимальным уровнем суммы высших гармоник в токе нулевой последовательности в автоматическом режиме. Устройство подключается к двум трансформаторам напряжения ТН (причем как к выходам 3U0 разомкнутого треугольника, так и к «звезде» фазных напряжений с последующим расчетом напряжения нулевой последовательности внутри устройства) и к трансформаторам тока нулевой последовательности (ТТНП) отходящих присоединений с максимальным количеством до 24 для измерения токов 3I0.
Рисунок 5 -Микропроцессорное устройство «Сириус-ОЗЗ»
По принципу работы устройство работает тем точнее, чем больше фидеров на подстанции. На объектах с двумя присоединениями устройство будет неработоспособно. На работоспособность устройства не влияет факт и вид компенсации нейтрали сети.
Питание устройства осуществляется как от сети переменного оперативного тока напряжением 220 В, так и от постоянного или выпрямленного опертока [5].
1.3.2 Микропроцессорное устройство защиты Sepams40
Устройства защиты и измерения Sepam серии 40 предназначенадля эксплуатации электрических аппаратов и распределительных сетей промышленных установок и подстанций для всех уровней напряжения. В устройствах Sepam серии 40 воплощены наиболее полные, простые и надежные решения, адаптированные к высоким требованиям применения, когда необходимо обеспечить измерение токов и напряжения.
Внешний вид устройства защиты Sepams40 представлен на рисунке 6.
Sepam серии 40 полностью совместим со стандартом связи Modbus. Все данные, необходимые для дистанционного управления оборудованием с диспетчерского пункта, доступны благодаря порту связи Modbus, поддерживающему следующие функции:
- считывание данных измерений, аварийных сообщений, уставок и т.д.;
-запись команд телеуправления выключателя и т.д.
Устройства Sepam серии 40 могут выполнять следующие виды защит
- максимальная фазная токовая защита и защита от замыканий на землю с регулируемым временем возврата, с переключением групп активных уставок и логической селективностью;
- защита от замыканий на землю, нечувствительная к току включения трансформаторов;
- тепловая защит, учитывающая внешнюю рабочую температуру и работу вентиляции;
- направленная защита от замыканий на землю, адаптированная ко всем системам заземления нейтрали: изолированной, компенсированной или резонансно-заземленной;
- направленная защита в фазах с коррекцией по напряжению;
- защита по напряжению и частоте.
Рисунок 6 -устройство защиты Sepams40
Устройство позволяет фиксировать 3 типа следующей диагностической информации, что обеспечивает лучшую работу:
- диагностика сети и машины (ток отключения, контекст 5 последних отключений, коэффициент небаланса, запись осциллограмм аварийных режимов);
- диагностика коммутационного аппарата (кумулятивное значение токов отключения, контроль цепи отключения, время работы);
- диагностика устройства защиты и его дополнительных модулей (постоянное самотестирование, устройство отслеживания готовности).
2 Порядок выполнения лабораторной работы
1) Собрать схему лабораторных испытаний рисунок 16. (все модули стенда должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ!). Для создания короткого замыкания используется трехфазный выключатель Q4, на схеме показан вариант его подключения для имитации режима трехфазного короткого замыкания в конце линии электропередачи. При имитации однофазных и двухфазных КЗ на землю соответствующие полюса выключателя Q4 необходимо соединить с нейтралью модуля линии электропередач. Выключатель Q3 снабжен устройством защиты и управляется автоматически. Устройство защиты контролирует сумму токов трех фаз линии электропередачи (ток нулевой последовательности) и формирует управляющее воздействие на выключатель Q3. Удаленность до точки короткого замыкания можно регулировать с помощью изменения положения переключателя SА1 модуля линии электропередач. Нейтраль (общая точка) трансформатора со стороны вторичной обмотки необходимо соединить с нейтралью линии электропередач. В качестве нагрузки используется модуль активной нагрузки, схема соединения — звезда без нулевого провода. Для дистанционного/автоматического управления выключателями необходимо соединить разъемы ХS1 выключателей Q3 и Q4 с разъемами ХS3 и ХS4 модуля ввода-вывода соответственно.
2) Установить параметры линии электропередач: а) максимальное значение продольной составляющей (переключатель SА1 в положение 3); б) отключение поперечной составляющей (переключатель SА2 в положение 1).
3) Переключатель SА1 , модуля активной нагрузки, установить в положение1.
4) Перевести переключатели SА2 режима управления выключателями Q3 и Q4 в положение «Авт».
5) Перевести переключатель SА2 режима управления модулем трехфазной сети в положение «Руч».
6) На персональном компьютере запустить программный комплекс «DeltaProfi» (Пуск - Программы - Лабораторный комплекс - DeltaProfi). Открыть лабораторную работу командой «Работы - Релейная защита - Работа №5 Защита от однофазных коротких замыканий».
7) Включить питание стенда.
8) Включить выключатель модуля трехфазной сети (кнопка SВ1 на лицевой панели модуля трехфазной сети).
9) В программе «DeltaProfi» перевести защиту в режим работы «действие на сигнал» (двойной щелчок левой кнопкой мыши на прямоугольнике «ТЗНП», в появившемся диалоговом окне установить переключатель «Режим работы» в положение «сигнал»).
Рисунок 16 - Схема электрическая принципиальная
лабораторной установки
10)Запустить программу в работу кнопкой «Пуск» или командой главнго меню «Управление - Пуск» или горячей клавишей F5.
11) Дистанционно включить выключатель Q3 одинарным щелчком левой кнопки мыши по зеленому прямоугольнику с всплывающей подсказкой «Q3». Программа всегда отображает текущее состояние выключателя (зеленый - отключен, красный - включен). При правильно собранной схеме и выставленных параметрах выключатель Q3 должен включиться, а его цвет измениться на красный. При этом, на мнемосхеме отображаются текущие величины токов фаз А,В и С линии электропередачи, в данном случае, ток трехфазной нагрузки.
12) Открыть окно настройки защиты (двойной щелчок левой кнопкой мыши на прямоугольнике «ТЗНП»). Записать величину тока в обмотке реле (см. группу «Измерения» в окне параметров защиты) пропорциональную току нулевой, последовательности в режиме нагрузки I0нагр . Подать команду на включение выключателя Q4 для создания режима трехфазного короткого замыкания. Записать величину тока в обмотке реле пропорциональную току нулевой последовательности в режиме короткого замыкания Iокз . Отключить выключатель Q3. Отключить выключатель Q4. Остановить программу кнопкой «Стоп», командой главного меню «Управление - Стоп» или горячей клавишей F6.
13) Рассчитать ток срабатывания защиты по формуле
(4)
В качестве величины тока I_0взять максимальное из двух измеренных ранее значенийI0нагр,Iокз.Коэффициент надежностиКн принять равным 1,5.Коэффициент возврата реле тока Квоз принять равным 0,95.
Рассчитать ток срабатывания реле тока
Iср=Iсз/nт. (5)
Коэффициент трансформации трансформатора тока nт принять равным 1. Ввести расчетный ток срабатывания защиты в диалоговом окне параметров защиты.
14) Перевести защиту в режим действия на отключение. Запустить программный комплекс в работу командой «Пуск». Подать команду на включениевыключателя Q3. Создать короткое замыкание включением выключателя Q4. Убедится в том, что защита не срабатывает при трехфазном коротком замыкании. Отключить выключатель Q4, отключить выключатель Q3.
15) Провести испытания защиты при всех видах несимметричных коротких замыканий (двухфазные, однофазные, двухфазные на землю). В таблицу 1 заносить токи в обмотке реле (двойной щелчок левой кнопкой мыши на прямоугольнике «ТЗНП», в появившемся диалоговом окне см. группу «Измерения»),
16) Рассчитать коэффициенты чувствительности защиты для каждого вида повреждения. Полученные значения представить в таблице 2.
17) Закрыть программу «DeltaProfi», выключить компьютер. Отключить питание стенда. Разобрать схему лабораторных испытаний.
Таблица 2 — Испытание защиты от однофазных замыканий
Вид короткого замыкания Ток уставки, А Ток в обмотке реле, А
Замыкание фаз АВС 0,041 0,026
Замыкание фаз АВ 0,032 0,02
Замыкание фаз ВС 0,028 0,018
Замыкание фаз СА 0,033 0,021
Замыкание фазы А на землю 0,022 0,014
Замыкание фазы В на землю 0,024 0,015
Замыкание фазы С на землю 0,027 0,017
Замыкание фаз АВ на землю 0,03 0,019
Замыкание фаз ВС на землю 0,035 0,022
Замыкание фаз СА на землю 0,032 0,02
Вывод: проделав данную лабораторную работу, изучили принцип действия защиты от замыканий на землю, изучили методы расчета и проверки уставок защиты, исследовали селективность и чувствительность защиты от замыканий на землю при различных видах повреждений.
Не Пропустите:
- Отчет по лабораторной работе №3 ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
- ИЗУЧЕНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО РЕГИСТРАТОРА DX1012-2-4 Отчет по лабораторной работе № 1
- АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНЫХ КЗ В ЭЛ СЕТИ, ПИТАЮЩЕЙСЯ ОТ ИСТОЧНИКА БЕСКОНЕЧНОЙ МОЩНОСТИ
- Контрольные вопросы Короткое замыкание
- ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНО – ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСПОЯННОГО ТОКА Отчет по лабораторной работе