1. Выбор защит и электроавтоматики для сетей электроснабжения промышленных предприятий

1.1. Виды релейных защит. Устройство и принцип действия различных видов реле

Реле называется устройство, в котором осуществляется скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала под воздействием управляющего (входного) сигнала, изменявшегося непрерывно в определённых пределах.

Релейные элементы (реле) находят широкое применение в системах автоматики, так как с их помощью можно управлять большими мощностями на выходе при малых по мощности входных сигналах; выполнять логические операции; создавать многофункциональные релейные устройства; осуществлять коммутацию электрических цепей; фиксировать отклонения контролируемого параметра от заданного уровня; выполнять функции запоминающего элемента и т. д. Наибольшее применение реле находят в области релейной защиты и автоматики.

Классификация реле

Реле классифицируются по различным признакам: по виду входных физических величин, на которые они реагируют; по функциям, которые они выполняют в системах управления; по конструкции и т. д. По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические и т.д. реле. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.

Устройство реле

Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного. Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину. Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на

исполнительный элемент. Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом. Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству.

По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.

Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока). Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины.

По способу включения реле разделяются:

• Первичные – реле, включаемые непосредственно в цепь защищаемого элемента. Достоинством первичных реле является то, что для их включения не требуется измерительных трансформаторов, не требуется источников оперативного тока и не требуется контрольных кабелей.
• Вторичные — реле, включаемые через измерительные трансформаторы тока или напряжения.

Наибольшее распространение в технике релейной защиты получили вторичные реле, к достоинствам которых можно отнести: они изолированы от высокого напряжения, расположены в удобном для обслуживания месте, выполняются стандартными на ток 5(1) А или напряжение 100 В независимо от тока и напряжения первичной защищаемой цепи.

По исполнению реле классифицируются:

• Электромеханические или индукционные — с подвижными элементами.
• Статические — без подвижных элементов (электронные, микропроцессорные).

По назначению реле подразделяются:

• Измерительные реле. Для измерительных реле характерно наличие опорных элементов в виде калиброванных пружин, источников стабильного напряжения, тока и т.п. Опорные (образцовые) элементы входят в состав реле и воспроизводят заранее установленные значения (называемые уставкой) какой-либо физической величины, с которой сравнивается контролируемая (воздействующая) величина. Измерительные реле обладают высокой чувствительностью (воспринимают даже незначительные изменения контролируемого параметра) и имеют высокий коэффициент возврата (отношение воздействующих величин возврата и срабатывания реле, например, для реле тока — Кв=Iв / Iср).
• Реле тока реагируют на величину тока и могут быть: — первичные, встроенные в привод выключателя (РТМ); — вторичные, включенные через трансформаторы тока: электромагнитные — (РТ-40), индукционные — (РТ-80), тепловые (ТРА), дифференциальные — (РНТ, ДЗТ), на интегральных микросхемах — (РСТ), фильтр — реле тока обратной последовательности — (РТФ).
• Реле напряжения реагируют на величину напряжения и могут быть: первичные — (РНМ); — вторичные, включенные через трансформаторы напряжения: электромагнитные – (РН-50), на интегральных микросхемах — (РСН), фильтр — реле напряжения обратной последовательности — (РНФ).
• Реле сопротивления реагируют на величину отношения напряжения и тока — (КРС, ДЗ-10);
• Реле мощности реагируют на направление протекания мощности КЗ: индукционные – (РБМ-170, РБМ-270), на интегральных микросхемах — (РМ-11, РМ-12).
• Реле частоты реагируют на изменение частоты напряжения — на электронных элементах (РЧ-1, РСГ).
• Цифровое реле — это многофункциональное программное устройство, одновременно выполняющее функции реле тока, напряжения, мощности и т.д.

Реле могут быть максимальные или минимальные. Реле, срабатывающие при возрастании воздействующей на него величины, называются максимальными, а реле, срабатывающие при снижении этой величины, называются минимальными.

Логические или вспомогательные реле подразделяются на:

• Реле промежуточные передают действие измерительных реле на отключение выключателя и служат для осуществления взаимной связи между элементами релейной защиты. Промежуточные реле предназначены для размножения сигналов, полученных от других реле, усиления этих сигналов и передачи команд другим аппаратам: электромагнитные постоянного тока – (РП-23, РП-24), электромагнитные переменного тока – (РП-25, РП-26), электромагнитные постоянного тока с замедлением при срабатывании или отпадании – (РП-251, РП-252), электронные на интегральных микросхемах — (РП-18),
• Реле времени служат для замедления действия защиты: электромагнитные постоянного тока – (РВ-100), электромагнитные переменного тока – (РВ-200), электронные на интегральных микросхемах — (РВ-01, РВ-03 и ВЛ)
• Реле сигнальные или указательные служат для регистрации действия как самих реле, так и других вторичных аппаратов (РУ-21, РУ-1). По способу воздействия на выключатель реле разделяются:
• Реле прямого действия, подвижная система которых механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата (РТМ, РТВ)
• Реле косвенного действия, которые управляют цепью электромагнита отключения коммутационного аппарата.

Основные виды релейной защиты:

• Токовая защита – ненаправленная или направленная (МТЗ, ТО, МТНЗ).
• Защита минимального напряжения (ЗМН).
• Газовая защита (ГЗ).
• Дифференциальная защита.
• Дистанционная защита (ДЗ).
• Дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ).

1.2. Сборка схем включения вторичных обмоток трансформаторов тока, трансформаторов напряжения

Рисунок 1.  Устройство трансформатора тока Его схема замещения выглядит следующим образом:

Рисунок 2. — Схема замещения трансформатора тока

Здесь магнитная связь обмоток заменена электрической связью. Сопротивления первичной обмотки Z1 приведены к вторичной стороне через коэффициент пропорциональности; сердечник трансформатора тока (ТА) представлен в виде ветви Zµ. Все сопротивления имеют активноиндуктивный характер. Zµ состоит из активного сопротивления, обусловленного потерями энергии на нагрев сердечника, и индуктивного, обусловленного потерями на намагничивание стали сердечника.

Трансформаторы тока должны по возможности работать в прямолинейной части своей характеристики (пунктирная линия). При увеличении нагрузки на трансформаторы тока (увеличении I1 или увеличении Zн) точка работы уходит дальше от прямолинейной части в область насыщения. При этом увеличивается погрешность.

Максимальная токовая защита (МТЗ) предназначена для защиты от перегрузок соответствующих элементов СЭС, а также для защиты от КЗ в них. В качестве защиты от КЗ эти схемы, как правило устанавливаются в качестве резервной. Защиты бывают основными и резервными. Основные защиты устанавливаются для защиты от всех видов повреждений, и действует со временем меньшим чем резервные защиты. А резервные защиты вводятся в работу при неисправностях основных защит.

Рисунок 3. — Схема максимальной токовой защиты

При КЗ срабатывает токовое реле КА, подавая плюс на обмотку реле времени КТ. Далее плюс подается через выдержку времени через контакт реле времени на обмотку промежуточного реле КL, который в свою очередь посылает сигнал на отключение выключателя. Цепи включения и отключения выключателя потребляют большие токи до нескольких киловатт, поэтому в их цепях используют мощные промежуточные реле, а контакты токовых и реле времени не подходят для таких цепей.

Ток срабатывания МТЗ выбирается из следующих условий: ток срабатывания защиты должен быть больше максимального рабочего тока защищаемого оборудования. Если же это условие не будет выполнено, то при бросках тока защита может отключить защищаемый элемент при отсутствии повреждения.

I_{мах.раб.} – максимальный рабочий ток защищаемого элемента, К_сз. – коэффициент самозапуска электродвигателей энергосистемы, I_возв. – ток возврата реле, который меньше тока срабатывания (ток при котором контакты реле вернуться в первоначальное положение).

Коэффициент самозапуска электродвигателей учитывает увеличение тока при включении электродвигателей в сеть (так как пусковой ток двигателя намного больше рабочего).

Рисунок 4.— Схема энергосистемы

При КЗ на второй линии W2 ее МТЗ обязана сработать и отключить ее, при этом МТЗ первой линии W1 запущенное с момента возникновения КЗ обязана вернуться в исходное состояние.

Для того, чтобы защита первой линии надежно вернулось в исходное состояние (токовое реле КА) необходимо чтобы ток возврата этой защиты был больше, чем рабочий ток в послеаварийном режиме.

Рисунок 5.— График изменения напряжений и токов 1 – до аварийного режима.2 – аварийный режим,3 – послеаварийный режим.

Коэффициент возврата реле находится как:

(1)

Таким образом, выражение для тока срабатывания защиты МТЗ выглядит так:

(2)

где К_н – коэффициент надежности, который зависит от типа реле, К_н > 1. Для МТЗ принимается 1,2-1,3.

Схемы максимальных токовых защит.

В соответствии с источниками оперативного тока схемы подразделяются на:

1. МТЗ на постоянном оперативном токе.
2. МТЗ на переменном оперативном токе.

По исполнению МТЗ бывают: двухфазные и трехфазные.

2. Плановые и внеочередные осмотры электрооборудования

2.1. Основные неисправности трансформаторов

Основными видами повреждения в трансформаторах являются:

1. Короткие замыкания внутри корпуса и снаружи трансформатора.
2. Замыкания между витками в обмотках трансформатора.
3. Замыкания обмоток на землю.
4. Перегрузки, и сверхтоки, при протекании токов внешних КЗ по обмоткам трансформаторов и т.д.

Неисправности магнитопровода.

При эксплуатации межлистовая изоляция магнитопровода стареет, что может вызвать замыкание между листами магнитопровода. При межлистовых замыканиях увеличиваются потери холостого хода трансформатора, ухудшается качество масла: понижается пробивное напряжение, резко понижается температура вспышки, увеличивается кислотность.

Особенно тяжелая авария магнитопровода — пожар, который может произойти от возникновения замкнутых контуров в стали магнитопровода, при замыкании стяжных шпилек, активной стали каким-либо металлическим предметом — гаечным ключом, например. При пожаре в стали магнитопровода резко увеличиваются потери холостого хода трансформатора, масло темного цвета с резким неприятным запахом, сильно ухудшаются диэлектрические свойства масла. При пожаре в стали магнитопровода обыкновенно работает газовая защита трансформатора. Место повреждения можно определить после вскрытия трансформатора и проведения соответствующего опыта. В отдельных случаях трансформатор сильно гудит из-за ослабления прессовки магнитопровода.

Неисправности обмоток.

Витковое замыкание может возникнуть от естественного старения изоляции при длительной эксплуатации трансформатора, частых перегрузок, но чаще всего витковое замыкание — следствие динамических нагрузок, воспринимаемых обмоткой при коротких замыканиях со вторичной стороны трансформатора.

При витковом замыкании замкнутые накоротко витки чрезмерно перегреваются, из трансформатора выделяется горючий газ сероватого цвета, слышится «бульканье» масла. Если трансформатор не отключается защитой, то обмотки трансформатора могут полностью выйти из строя, так как витковое замыкание может перейти в междуфазное.

Междуфазное замыкание часто бывает в трансформаторах, когда ослаблена расклиновка, в момент короткого замыкания со вторичной стороны трансформатора. При задержке работы защит трансформатора (в момент междуфазного замыкания должны работать газовая, максимальная и дифференциальная защиты) его обмотки полностью выходят из строя вследствие сильного нагрева и динамических усилий от токов короткого замыкания.

Обрыв в обмотке трансформатора со стороны высокого напряжения всегда опасен, так как в момент обрыва всегда тянется дуга и обрыв обмотки в отдельных случаях может привести к междуфазному замыканию, если трансформатор не будет отключен защитой.

Пробой на корпус происходит вследствие неудовлетворительного состояния главной изоляции трансформатора — изоляции обмотки высшего напряжения от магнитопровода и обмотки низшего напряжения. При пробое на корпус в сельскохозяйственных трансформаторах с изолированной нейтралью на стороне высшего напряжения либо будет работать газовая защита, либо пробой можно обнаружить по приборам контроля изоляции.

Трансформаторное масло стареет: в нем появляется вода из атмосферы, всасываемая через консерватор — расширитель. При высоких температурах масло разлагается, темнеет, в нем появляются углерод, смолы, кислоты и т. п. Если своевременно не контролировать и не менять масло, то трансформатор выйдет из строя. Причина — замыкание обмоток на корпус и между собой.

Обрыв заземления магнитопровода чаще всего происходит при транспортировках трансформатора. Эта неисправность представляет опасность для изоляции обмоток при перенапряжениях. Неисправность проявляется так: при повышенных напряжениях внутри трансформатора слышны разряды — потрескивания.

Неисправности переключателей анцапф.

В обыкновенных силовых трансформаторах переключателем можно пользоваться только после отключения трансформатора от сети. Несоблюдение этого условия всегда обусловливает выход акцапфного переключателя из строя. В некоторых случаях вместе с переключателем выходит из строя часть обмотки трансформатора.

При нормальном пользовании анцапфным переключателем основная его неисправность — ослабление контактной системы, что может повлечь обрыв обмотки в месте слабого контакта переключателя. Во время ремонта трансформатора без вскрытия его активной части — магнитопровода с обмотками — качество контактной системы переключателя должно быть

проверено соответствующими измерениями, а при вскрытии активной части необходимо тщательно осмотреть переключатель.

Отсутствие герметичности.

Исправный трансформатор не должен иметь подтеков масла. При повреждении отдельных уплотнений в трансформаторе появляются подтеки. Причины: повреждены пробковые или резиновые прокладки между баком и крышкой трансформатора; между крышкой и изоляторами; крышкой и расширителем; течь масло может и через изоляторы с плохой армировкой или плохой заделкой головок; через трещины в баке и радиаторах.

Неисправность изоляторов.

Если изоляторы с трещинами, загрязнены с внешней или внутренней стороны, имеют плохой контакт между выводом от обмотки и проходной шпилькой или плохой контакт между питающей шиной и шпилькой, то все эти неисправности приводят к междуфазным коротким замыканиям на выводах и пробоям на корпус.