Н.В.ЧЕРНОБРОВОВ В.А.СЕМЕНОВ

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

Допущено Министерством топлива

и энергетики Российской Федерации

в качестве учебного пособия

для энергетических специальностей

средних профессиональных учебных заведений

МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ 5

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ 5

1.2. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ 6

1.3. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ КЗ 8

1.4. НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ 15

1.5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УСТРОЙСТВАМ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ 16

1.6. СТРУКТУРНЫЕ ЧАСТИ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЗ 19

1.7. ВИДЫ УСТРОЙСТВ РЗ 22

1.8. ИЗОБРАЖЕНИЕ СХЕМ РЗ НА ЧЕРТЕЖАХ 22

1.9. ИСТОЧНИКИ И СХЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА 23

Вопросы для самопроверки 25

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ 27

2.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ РЕЛЕ 27

2.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ 28

2.3. КОНСТРУКЦИИ РЕЛЕ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПРИНЦИПЕ 33

2.4. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ РЕЛЕ (ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ) 34

2.5. УКАЗАТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ 38

2.6. РЕЛЕ ВРЕМЕНИ 39

2.7. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ РЕЛЕ 40

2.8. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ 41

2.9. РЕЛЕ ТОКА НА ИНДУКЦИОННОМ ПРИНЦИПЕ 43

2.10. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ ТОКА СЕРИЙ РТ-80 И РТ-90 44

2.11. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ 46

2.12. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЕ 49

2.13. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ 50

2.14. ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИО 52

2.15. АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИО 56

2.16. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В УСТРОЙСТВАХ РЗ 59

2.17. ПРОСТЕЙШИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ НА ОУ 61

2.18. СХЕМЫ СРАВНЕНИЯ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 69

2.19. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ НА ИМС 72

2.20. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ (РЕЛЕ) С ДВУМЯ ВХОДНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ 77

2.21. ЭЛЕМЕНТЫ ЛОГИЧЕСКОЙ И ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЧАСТЕЙ УСТРОЙСТВ РЗ 82

2.22. ОРГАНЫ ЛОГИКИ НА ИМС 86

Вопросы для самопроверки 91

ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И СХЕМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЯ 92

3.1. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И ИХ ПОГРЕШНОСТИ 92

3.2. ПАРАМЕТРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УМЕНЬШЕНИЕ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО ТОКА 95

3.3. ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА, ПИТАЮЩИХ РЗ 96

3.4. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И ДОПУСТИМОЙ ВТОРИЧНОЙ НАГРУЗКИ 98

3.5. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА 101

3.6. НАГРУЗКА ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА 107

3.7. ФИЛЬТРЫ СИММЕТРИЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКОВ 109

3.8. НОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРВИЧНОГО ТОКА 111

Вопросы для самопроверки 112

МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА 114

4.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ЗАШИТ 114

4.2. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАШИТА ЛЭП 114

4.3. СХЕМЫ МТЗ НА ПОСТОЯННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ 115

4.4. ПОВЕДЕНИЕ МТЗ ПРИ ДВОЙНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ 120

4.5. ВЫБОР ТОКА СРАБАТЫВАНИЯ 121

4.6. ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ ЗАЩИТЫ 124

4.7. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С ПУСКОМ ОТ РЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ 125

4.8. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ НА ПЕРЕМЕННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ 127

4.9. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ С РЕЛЕ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ 138

4.10. ОБЩАЯ ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МТЗ 139

Вопросы для самопроверки 139

ТОКОВЫЕ ОТСЕЧКИ 140

5.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ОТСЕЧЕК 140

5.2. СХЕМЫ ОТСЕЧЕК 140

5.3. ОТСЕЧКИ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ НА ЛИНИЯХ С ОДНОСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ 141

5.4. НЕСЕЛЕКТИВНЫЕ ОТСЕЧКИ 142

5.5. ОТСЕЧКИ НА ЛИНИЯХ С ДВУСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ 143

5.6. ОТСЕЧКИ С ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ 143

Вопросы для самопроверки 145

ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И СХЕМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЯ 146

6.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ 146

6.2. ПОГРЕШНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ 147

6.3. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ 148

6.4. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЦЕПЯХ ТН И КОНТРОЛЬ ЗА ИХ ИСПРАВНОСТЬЮ 150

6.5. ЕМКОСТНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ 152

6.6. ФИЛЬТР НАПРЯЖЕНИЙ ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 153

Вопросы для самопроверки 155

ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА 156

7.1. НЕОБХОДИМОСТЬ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ В СЕТЯХ С ДВУСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ 156

7.2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ 157

7.3. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ 158

7.4. ПОВЕДЕНИЕ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ, ВКЛЮЧЕННЫХ НА ТОКИ НЕПОВРЕЖДЕННЫХ ФАЗ 159

7.5. СХЕМЫ НАПРАВЛЕННОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ 160

7.6. ВЫБОР УСТАВОК СРАБАТЫВАНИЯ 161

7.7. МЕРТВАЯ ЗОНА 163

7.8. ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТСЕЧКИ 163

7.9. ОЦЕНКА ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ 164

Вопросы для самопроверки 164

ЗАЩИТА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ 165

8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 165

8.2. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 167

8.3. ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 168

8.4. ОТСЕЧКИ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 171

8.5. СТУПЕНЧАТАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 172

8.6. ВЫБОР УСТАВОК ТОКОВЫХ ЗАЩИТ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 173

8.7. ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТОКОВЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАЩИТ НП 177

Вопросы для самопроверки 177

ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ 179

9.1. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ 179

9.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ 183

9.3. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ 183

9.4. ФИЛЬТРЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 184

9.5. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 186

9.6. НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА 188

9.7. ЗАЩИТА, РЕАГИРУЮЩАЯ НА ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ТОКА В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ 189

9.8. ЗАЩИТЫ, РЕАГИРУЮЩИЕ НА ТОКИ ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА 192

Вопросы для самопроверки 194

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ 196

10.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ 196

10.2. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ 197

10.3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ 201

10.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ РЕЛЕ С ТОРМОЖЕНИЕМ 202

10.5. ПОЛНАЯ СХЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ 203

10.6. УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ПРОВОДОВ 204

10.7. ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ ТИПА ДЗЛ 205

10.8. ОЦЕНКА ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ 209

10.9. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ПОПЕРЕЧНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 209

10.10. ТОКОВАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАШИТА 210

10.11. НАПРАВЛЕННАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА 212

10.12. ОЦЕНКА НАПРАВЛЕННЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ 220

Вопросы для самопроверки 220

Глава первая общие понятия о релейной защите

1.1. Назначение релейной защиты

В электрической части энергосистем могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций (ЭС) и подстанций (ПС) линий электропередачи (ЛЭП) и электроустановок потребителей электроэнергии.

Повреждения вызывают появление значительных аварийных токов и сопровождаются глубоким понижением напряжения на шинах ЭС и ПС. Ток повреждения выделяет большое количество теплоты, которое вызывает сильное разрушение в месте повреждения (точка К) и опасное нагревание проводов неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток проходит (рис. 1.1).

Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы ЭС энергосистемы (ЭСС).

Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости ЭЭС, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и ЛЭП.

Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обеспечения нормальной работы неповрежденной части ЭЭС необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной части ЭЭС.

О пасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно принять меры к их устранению (например, снизить ток или напряжение при их увеличении), а при необходимости отключить оборудование, оказавшееся в недопустимом для него режиме.

Рис.1.1. Схема участка энергосистемы

Выявление и отключение повреждений следует производить очень быстро – в большинстве случаев в течение сотых и десятых долей секунды, что может быть обеспечено только средствами автоматики. В связи с этим возникла необходимость в создании и применении автоматических устройств, защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Первоначально в качестве подобной автоматики (защиты) применялись плавкие предохранители. Впоследствии были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи электрических автоматов-реле. Такой способ защиты получил название релейной защиты.

Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль за состоянием всех элементов ЭЭС и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить поврежденный участок (например, на рис.1.1 трансформатор ТС) и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели Q, предназначенные для размыкания токов повреждения.

При возникновении ненормальных режимов РЗ также должна выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо производить автоматические операции, необходимые для восстановления нормального режима, либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу, который должен принимать меры к ликвидации ненормальности.

Релейная зашита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем. Она тесно связана с другими видами электрической автоматики, предназначенной для предотвращения развития аварийных нарушений и быстрого восстановления нормального режима работы ЭЭС и электроснабжения потребителей: автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резервных источников питания (АВР), автоматической частотной разгрузки (АЧР) и др.