МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Курский государственный технический университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Курский государственный технический университет
Кафедра «Электроснабжение»
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» всех форм обучения
Часть 2
Курск 2007
2
Составители: Ларин О.М., Рыбалкин О.М.
УДК 621.316
Рецензент
Кандидат технических наук В.И. Бирюлин
Релейная защита и автоматика [Текст]: методические указания
к выполнению лабораторных работ, часть 2 / сост.: О.М. Ларин,
О.М. Рыбалкин; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2007.
Содержат сведения по выполнению лабораторных работ по
дисциплине «Релейная защита и автоматика».
Предназначены для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» всех форм обучения.
Текст печатается в авторской редакции
ИД № 06430 от 10.12.01.
Подписано в печать Формат 60х84 1/16. печать офсетная.
Усл. печ. л. Уч.-изд.л Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно.
Курский государственный технический университет.
Издательско-полиграфический центр Курского
государственного технического университета. 305040, г. Курск,
ул. 50 лет Октября, 94.
3
Лабораторная работа № 8
Исследование реле направления мощности
Цель работы - ознакомиться с конструкцией и работой реле
направления мощности типа РБМ-171; со способами проверки,
настройки и регулировки этих реле; собрать схемы испытаний, провести опыты по снятию рабочих характеристик реле; построить рабочие характеристики реле.
Пояснения к работе
В лабораторной работе используется реле направления мощности типа РБМ-171. Эти реле применяются в различных устройствах
релейной защиты для определения направления мощности при КЗ.
Реле действует на индукционном принципе.
Конструкция реле показана на рис. 8.1. Магнитопровод 1,
набранный из листов стали, имеет четыре выступающих полюса.
Между полюсами для уменьшения сопротивления магнитному потоку расположен неподвижный стальной сердечник 2. В воздушный
зазор, образованный полюсами и сердечником, помещается подвижный элемент реле - алюминиевый барабан 3, поворачивающийся вокруг оси 6.
Обмотка тока реле состоит и3 двух секций 5, расположенных
на противоположных полюсах. Секции обмотки соединены последовательно. Обмотка питается от вторичной обмотки трансформато-
4
ра тока, установленного в цепи защищаемой линии.
Обмотка напряжения реле выполняется из четырех секций 4,
соединенных последовательно. Секции обмотки располагаются на
ярме. Такое расположение по сравнению с расположением обмотки
на полюсах позволяет увеличить общее число витков обмотки - это
приводит к увеличению магнитного потока, а, следовательно, и к
повышению чувствительности реле. Обмотка напряжения реле питается от трансформатора напряжения защищаемой линии.
Существенным недостатком рассматриваемой конструкции реле является возможность появления самохода. Самоходом называется возникновение дополнительного вращающего момента при наличии питания только одной обмотки, когда основной вращающий
момент не создается. Причиной возникновения самохода является
асимметрия магнитной системы. При идеально выполненном реле,
воздушный зазор между всеми полюсами и сердечником одинаковый, сердечник расположен строго в центре, магнитная система
симметрична - самоход отсутствует.
Устранение самохода производится поворотом стального сердечника вокруг его оси. Сердечник имеет срез, с помощью которого
можно выравнивать величину магнитного сопротивления, сведя к
минимуму асимметрию магнитной системы. Спиральная пружина
реле 7 должна быть при этом полностью ослаблена.
Порядок выполнения
1. Ознакомиться с конструкцией реле направления мощности;
5
записать паспортные данные и зарисовать схему внутренних соединений реле.
Рис. 8.1. Устройство реле направления мощности
6
2. Собрать схему для проведения испытаний по рис. 8.2.
3. Установить в обмотке тока Iр = Iном, провести опыт по снятию угловой характеристики реле. Опытные данные занести в табл.
8.1. По опытным данным рассчитать мощность срабатывания реле,
результаты расчетов занести в табл. 8.1. Построить угловую характеристику реле Ucр =f(φp) в прямоугольных и полярных координатах. Отметить на угловой характеристике зону работы реле, зону недействия, линию максимальных моментов и угол максимальной
чувствительности. Опыт провести два раза - для прямого подключения обмотки напряжения и подключения ее через добавочный резистор.
Таблица 8.1. Угловая характеристика реле
φp, град
Ucр, В
Scр, ВА
4. Определить мощность срабатывания реле, для чего установить Iр = Iном и φp = φм.ч., плавно увеличивая напряжение, подводимое к реле, снять значение напряжения, при котором реле замыкает
контакты. Результат занести в табл.8.2. Уменьшая напряжение,
найти момент размыкания контактов, значение напряжения при
этом занести в табл.8.2. Опыт повторить для нескольких значений
токов, указанных преподавателем. По опытным данным рассчитать
мощность срабатывания реле и коэффициент возврата; результаты
расчетов занести в табл.8.2. Построить характеристику Sср = f(Iр).
7
Рис. 8.2. Схема испытания реле направления мощности
8
Таблица 8.2 Мощность срабатывания реле
Iр, А
Ucр, В
Uраз, В
Scр, ВА
Кв
5.Сделать вывод о пригодности реле к использованию.
Содержание отчета
1. Тип и технические данные испытываемого реле.
2.Схема внутренних соединений.
3.Таблицы с опытными и расчетными данными.
4 Графики Uср = f(φp), Sср = f(Iр).
5. Вы воды по работе.
Контрольные вопросы
1.Принцип действия реле направления мощности.
2.Как регулируется угол максимальной чувствительности реле?
3.Назначение дополнительных резисторов в реле
9
Лабораторная работа № 9
Исследование токовой поперечной дифференциальной
направленной защиты
Цель работы - ознакомиться со схемой и принципом действия
токовой поперечной дифференциальной направленной защиты; выбрать параметры защиты; провести экспериментальную проверку
действия защиты при повреждениях, изменяя при этом значения токов и фазы токов в линиях при повреждениях, в различных точках.
Пояснения к работе.
Токовые поперечные дифференциальные направленные защиты применяются на параллельных линиях с самостоятельными выключателями; на каждой линии.
Защита содержит два органа:
1. Орган, определяющий возникновение повреждения в зоне
действия защиты, - реле, включенное на разность токов защищаемых линий.
2. Орган, осуществляющий избирательное отключение одной
из двух параллельных линий, - реле направления мощности.
При выборе параметров защиты необходимо определить ток
срабатывания пускового органа по двум условиям, а для установки
на реле тока срабатывания выбрать наибольшее значение:
а) отстройка от максимального рабочего тока
10
I СР  К Н  I раб. max /( К В  N ТА )
(9.1)
где Кн - коэффициент надежности, равный 1,3;
Кв - коэффициент возврата, равный 0,85;
Nта - коэффициент трансформации трансформатора тока, равный 1;
Iраб max - максимальный рабочий ток при работе одной линии.
б) отстройка от тока небаланса
I СР  К Н  I нб. max . расч
(9.2)
где. Iнб max расч - максимальный расчетный ток небаланса;
I нб. max . расч  ( К ОДН  К А  f i  I КЗ . ВН . max )
где Iкз вн max - максимальное значение тока внешнего КЗ, равное 16А;
fi - погрешность трансформатора тока, равная 0,1;
Кодн - коэффициент однотипности;
Ка – коэффициент апериодической составляющей.
Кодн*Ка=1.
Если выполнение защиты с учетом (9.2) приводит к недопустимому загрублению защиты, применяется блокировка по напряжению, а уставка срабатывания токового реле принимается по (9.1).
Чувствительность токовой дифференциальной поперечной
направленной защиты линий считается приемлемой, если зоны действия защит, установленных с противоположных сторон линии, перекрывают друг друга, т.е. суммарная длина зон каскадного действия будет определяться как
11
Рис. 9.1. Структурная схема защиты
LК.Д. = L1К.Д.+ L2К.Д.>1,2L
(9.3)
где L - длина защищаемой линии;
L1К.Д. - длина зоны каскадного действия первой защиты;
L2К.Д. - длина зоны каскадного действия второй зашиты.
Токовая дифференциальная поперечная направленная защита
обладает мертвой зоной и зоной каскадною действия. Под мертвой
зоной понимается участок линии около шин приемной подстанции,
при трехфазном КЗ, на которое не срабатывает защита из-за отказа в
работе органа направления мощности.
Под зоной каскадного действия понимается участок линии
12
вблизи шин приемной подстанции, при повреждении на котором
защита со стороны питающей подстанции придет в действие только
после того, как поврежденная линия будет отключена от шин приемной подстанции.
Порядок выполнения
1. Ознакомиться с принципом действия защиты, по заданной
структурной схеме (рис. 9.1) составить, совмещенную и развернутую принципиальные схемы защиты.
2. Определить ток срабатывания пускового органа защиты.
3. Проверить действие защиты путем создания на лабораторном стенде КЗ при помощи тумблеров, во время проверки действия
защиты измерять значения и фазы токов в линиях I1, I2 и разности
токов ΔI. Результаты занести в табл. 9.1.
Таблица 9.1. Значения и фазы токов
Точка
КЗ
I1
значение фаза
I2
значение фаза
ΔI
значение фаза
4. По результатам измерений построить векторные диаграммы.
5. Сделать выводы по работе в целом.
13
Содержание отчета
1. Совмещенная и развернутая принципиальные схемы зашиты.
2. Расчёт параметров защиты.
3. Таблица с опытными данными.
4. Векторные диаграммы.
5. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Назначение и принцип действия токовой дифференциальной
поперечной направленной защиты линий.
2.
Достоинства
токовой
дифференциальной
поперечной
направленной защиты линий.
3. В чем проявляется каскадное действие защиты?
4. Почему после вывода из работы одной из параллельных линий защита отключается?
14
Лабораторная работа № 10
Защита асинхронного двигателя
Цель работы - ознакомиться со схемой и принципом действия
токовых защит асинхронного двигателя; выбрать параметры зашиты; провести экспериментальную проверку действия защит при повреждениях.
Пояснения к работе.
Асинхронные электродвигатели широко используются для
вращения различных механизмов. В процессе эксплуатации электродвигателей могут иметь место повреждения обмоток, а также ненормальные режимы работы.
Наиболее опасными повреждениями являются многофазные
короткие замыкания. Они вызывают значительные разрушения и сопровождаются понижением напряжения в питающей сети, нарушая
нормальную работу остальных потребителей. Для защиты от этих
видов повреждений служит токовая отсечка.
Одним из наиболее распространенных видов ненормального
режима является перегрузка, вследствие которой возможны недопустимый перегрев и повреждение изоляции обмоток, сопровождающиеся замыканием на землю или между фазами. Защита от перегрузки может выполняться с действием на отключение, на разгрузку
или на сигнал. Такой защитой является максимальная токовая защи-
15
та.
Токовая отсечка и максимальная токовая защита двигателя
обычно выполняются одним токовым реле типа РТ-80.
Порядок выполнения
1. Ознакомиться со структурной схемой защиты и управления
асинхронным двигателем (рис. 10.1), на ее основе составить, принципиальную схему защиты и управления.
2. Используя исходные данные из табл. 10.1, рассчитать ток
срабатывания токовой отсечки, ток и время срабатывания максимальной токовой защиты, определить коэффициенты чувствительности выбранных защит.
3. Настроить реле защиты на выбранные параметры.
4. Проверить действие защиты при различных повреждениях,
создавая КЗ и перегрузку соответствующими переключателями на
стенде.
5. По результатам работы сделать выводы.
Таблица 10.1 Исходные данные
Iном, А
3
Iпуск, А
11
I 2х-фазного КЗ, А
80
16
Рис. 10.1. Структурная схема защиты и управления асинхронным двигателем
Содержание отчета
1. Структурная и принципиальная схемы защиты и управления
асинхронным двигателем.
17
2.Результаты расчетов параметров защиты.
3.Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Всегда ли можно выполнить защиту асинхронного двигателя
по схеме включения индукционного реле на разность токов двух
фаз?
2. Во время работы асинхронного двигателя произошел обрыв
одной из питающих фаз. Какая защита будет действовать?
3. Защита двигателей от КЗ выполнена с помощью отсечки,
встроенной в реле РТ-80 с ограниченно-зависимой характеристикой,
имеющей в независимой части выдержку времени, равную 4 с.
Можно ли использовать это реле для защиты от перегрузки?
4. В схеме защиты от КЗ асинхронного двигателя напряжением
6 кВ и номинальным током 80 А предполагается использовать реле
РТ-85 с усиленной контактной системой, позволяющей коммутировать токи до 150 А включительно. Схема выполняется в однорелейном исполнении с дешунтированием катушки отключения выключателя при срабатывании. Каким должен быть минимальный коэффициент
трансформации трансформаторов тока, если ток при 3х-
фазном КЗ на выводах двигателя равен 3300 А?
18
Лабораторная работа №11
Трехступенчатая токовая защита линий с односторонним
питанием
Цель работы - ознакомиться со схемой и принципом действия
трехступенчатой токовой зашиты; выбрать параметры защиты; провести экспериментальную проверку действия защиты при повреждениях в различных точках.
Пояснения к работе
Токовые защиты широко применяются в распределительных
сетях 6-35 кВ радиальной конфигурации с односторонним питанием, с включением реле тока на полные токи фаз.
Токовая зашита со ступенчатой характеристикой выдержки
времени представляет собой сочетание максимальной токовой защиты (МТЗ) и токовой отсечки (ТО).
В качестве первой ступени используется ТО. Второй ступенью
двухступенчатой защиты является МТЗ. В трехступенчатой защите
вторая ступень представляет собой отсечку с выдержкой времени,
МТЗ образует третью ступень.
В настоящей работе рассматривается МТЗ с независимой характеристикой выдержки времени. Она осуществляется посредством
реле тока без замедления (пусковой орган) и отдельного реле времени (орган выдержки времени) и имеет следующие параметры:
19
- ток срабатывания, выбирается таким образом, чтобы защита
надежно возвращалась в начальное положение после отключения
внешних КЗ в режиме, сопровождающемся токами самозапуска двигателей потребителей, и не срабатывала при успешном АПВ;
- выдержку времени, выбираемую по ступенчатому принципу,
согласно которому каждый последующий по направлению к источнику питания комплект защиты имеет время срабатывания на ступень выдержки времени больше предыдущего комплекта защиты с
наибольшей выдержкой времени.
ТО имеет только один орган - пусковой. Он выполняется с помощью реле максимального тока. Параметром срабатывания ТО является ток срабатывания, который отстраивается от максимального
тока в месте установки зашиты при КЗ в начале предыдущего участка сети.
ТО с выдержкой времени применяется в трехступенчатых защитах, и параметры ее срабатывания, ток и выдержка времени, отстраиваются от тока и времени срабатывания первой ступени
предыдущей защиты.
Параметры действия всех защит определяются по нижеприведенным формулам.
Ток срабатывания реле тока МТЗ определяется как
I СР  К Н  К З  К СХ  I раб. max /( К В  N ТА ) , А
(11.1)
где Кн - коэффициент надежности, принимается равным 1.2; Кз
- коэффициент запуска, задается по табл. 11.1; Ксх - коэффициент
схемы; Iраб max - максимальный рабочий ток защищаемой линии,
задается по табл. 11.1; Кв - коэффициент возврата, определяется по
20
техническим данным реле тока; NТА - коэффициент трансформации
трансформатора тока, задается по табл. 11.1.
Время срабатывания реле времени МТЗ определяется как
tcpMT3 = tcp.пред + Δt, с
(11.2)
где tcp.пред - максимальная выдержка времени защиты предыдущего участка сети; Δt - ступень селективности (равна 0,5 с).
Ток срабатывания реле тока ТО определяется как
I СР  К Н  К СХ  I КЗ .ВН / N ТА , А
(11.3)
где Кн - коэффициент надежности, принимается равным 1,21,3; Ксх - коэффициент схемы; Iкз.вн - ток трехфазного КЗ в конце
защищаемого участка, задается по табл. 11.1; NТА - коэффициент
трансформации трансформатора тока, задается по табл.11.1.
Ток срабатывания ТО с выдержкой времени определяется как
I ТО 2  К Н  I ТО1.пред , А
(11.4)
где Кн - коэффициент надежности, принимается равным 1,051,1; IТО1.пред - ток срабатывания первой ступени предыдущего участка.
Таблица 11.1 Исходные данные
Вариант
Iраб max3
Iраб max2
Iраб max1
К2
1
60
110
180
2,1
2
160
240
300
2,2
3
70
130
190
2,1
4
120
170
230
2,4
5
100
150
210
2,2
6
130
170
250
2,3
7
200
300
400
1,8
8
50
90
140
1,5
Время срабатывания ТО с выдержкой времени определяется
21
как
tТО2 = tТО1.пред + Δt, с
(11.5)
где tТО1.пред - время действия первой ступени защиты предыдущего участка сети; Δt -ступень селективности (равна 0,5 с).
Ток трехфазного КЗ в точках К-1 - 1000 А, К-2 - 1500 А, К-3 2500 А (рис. 11.1). Максимальная выдержка времени защиты линии
Л-3 задается преподавателем.
Порядок выполнения
1. Снять кожухи со всех токовых реле и реле времени.
2. Установить на реле расчетные установки.
3. Подать питание 220 В на стенд и включить выключатели линий.
4. Проверить действие защит при КЗ в различных точках поочередным включением рубильников. Во время КЗ проследить и.
затем записать, какие реле пришли в действие. После срабатывания
защиты и отключения КЗ - отключить рубильник, имитирующий
КЗ. Вернуть схему в исходное положение для чего включить выключатель, отключенный защитой. Если защиты срабатывают неселективно, то выяснить причину их неселективного действия.
5. Проверить чувствительность и резервирование действия защит при КЗ на смежных участках.
6. По окончании работы отключить питание стенда и установить на место снятые кожухи реле.
7. По заданной структурной схеме трехступенчатой токовой
22
защиты составить принципиальную схему.
8. Самостоятельно рассчитать, коэффициенты чувствительности.
9. Сделать выводы по всей работе.
Содержание отчета
1. Исходные данные к выполнению работы.
2. Схема защищаемой линии.
3. Расчетные данные по защитам.
4. Принципиальная схема трехступенчатой токовой защиты.
5. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. По каким соображениям в сетях с малыми токами замыкания
на землю защиты выполняются двухфазными, а не трехфазными?
2. Какие значения должен иметь коэффициент чувствительности?
3. Достоинства и недостатки МТЗ и ТО.
4. Почему ток срабатывания реле тока МТЗ оказывается обратно пропорциональным коэффициенту возврата реле тока?
23
Рис. 11.1. Структурная схема защиты линии
24
Лабораторная работа №12
Исследование дифференциального токового реле
типа РНТ-565
Цель работы - ознакомиться с устройством дифференциального
токового реле с быстронасыщающимся трансформатором тока, собрать схему испытаний, провести опыты по определению характеристик срабатывания и загрубления реле, рассчитать значения МДС
срабатывания и загрубления.
Пояснения к работе
Дифференциальные токовые реле с быстронасыщающимся
трансформатором тока типа РНТ-565 применяются в дифференциальных токовых защитах трансформаторов, генераторов, шин.
Устройство реле показано на рис. 12.1. Оно состоит из промежуточного быстронасыщающегося трансформатора тока (БНТ) и
исполнительного органа - токового реле типа РТ-40 (КА), резистора
Rш для регулирования тока срабатывания и резистора Rк для отстройки от апериодической составляющей тока.
Магнитная система БНТ выполнена трехстержневой. На среднем стержне расположены первичные обмотки: дифференциальная
или рабочая - Wд и две уравнительные Wyр1 и Wyр2. Здесь же расположена первая секция короткозамкнутой обмотки Wк. На крайних
стержнях расположены вторичная обмотка W2 и вторая секция ко-
25
роткозамкнутой обмотки Wк.
Дифференциальная и уравнительные обмотки имеют ответвления и секционирование, как показано на схеме внутренних соединений (рис. 12.2). Изменение числа витков производится при помощи
регулировочных винтов, устанавливаемых в контактные гнезда,
причем в каждой секции обмотки должен быть регулировочный
винт, чтобы избежать разрыва цепи.
БНТ служит для отстройки защиты от бросков тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение, а также от
токов небаланса при внешних КЗ. В этих случаях апериодическая
составляющая тока насыщает магнитопровод и ослабевает трансформация периодической составляющей тока.
Дифференциальная обмотка включается на разность токов сторон защищаемого объекта. Уравнительные обмотки реле используются для выравнивания магнитных потоков, созданных токами,
проходящими в плечах дифференциальной защиты. Короткозамкнутая обмотка используется для отстройки от переходных режимов.
Регулирование тока срабатывания реле осуществляется изменением числа витков дифференциальной обмотки. МДС срабатывания составляет 100 А*витков. Ток срабатывания можно определить
как
I СР  100 / W Д , А
(12.1)
где Wд - число витков дифференциальной обмотки.
При включении последовательно двух обмоток, уравнительной
и дифференциальной, в уравнение (12.1) подставляется сумма их
витков.
26
Рис. 12.1 Устройство реле РНТ-565
Рис. 12.2. Схема внутренних соединений реле РНТ-565
27
Порядок выполнения
1. Ознакомиться с устройством реле, нарисовать схему внутренних соединений.
2. Собрать схему для определения характеристики срабатывания по рис. 12.3. Опыт провести только с дифференциальной обмоткой, а затем с последовательно включенными дифференциальной и
уравнительной обмотками, результаты измерений занести в табл.
12.1. По опытным данным рассчитать значения МДС срабатывания
и занести в табл. 12.1.
Таблица 12.1 Характеристика срабатывания
Число витков
Число витков Число витдифференциальной уравнительной
ков реле,
обмотки, Wд
обмотки, Wур W=Wд+Wур
Ток срабатывания, Iср, А
МДС срабатывания,
Fср=Iср*W
3. Собрать схему для определения характеристики загрубления
реле по рис. 12.4. Для заданных значений витков дифференциальной
и уравнительной обмоток провести опыт в следующем порядке
установить ток в уравнительной обмотке, найти значение тока срабатывания. Затем, последовательно устанавливая значение тока в
уравнительной обмотке, определить значения тока срабатывания.
Рассчитать по опытным данным МДС срабатывания и загрубления, результаты занести в табл. 12.2.
28
Таблица 12.2 Характеристика загрубления
Число витков
Число витков
дифференциальной уравнительной
обмотки, Wд
обмотки, Wур
Измерения
Ток срабатыТок уравнивания, Iср, А
тельной обмотки, Iур, А
Расчеты
МДС срабаМДС затывания,
грубления
Fср=Iср*W
Fз=Iур*Wу
По результатам расчетов построить график зависимости
Fср=f(Fз).
4. По полученным результатам сделать вывод о состоянии реле.
Содержание отчета
1. Тип испытываемого реле.
2. Схема внутренних соединений реле.
3. Таблицы с опытными и расчетными данными.
4. График зависимости Fср=f(Fз).
5. Выводы по работе в целом.
Контрольные вопросы
1. Назначение реле РНТ-565.
2. Как установить заданный ток срабатывания реле?
3. Как реле отстраивается от бросков тока намагничивания?
4. Назначение резисторов.
29
Рис. 12.3. Схема определения характеристики срабатывания
реле PHТ -565
30
Рис. 12.4.Схема определения характеристики загрубления реле
РНТ-565.
31