Com'è la protezione del relè delle linee elettriche

Il trasporto continuo e affidabile di elettricità ai consumatori è uno dei compiti principali che vengono costantemente risolti dagli ingegneri energetici. Per fornirlo sono state realizzate reti elettriche costituite da sottostazioni di distribuzione e linee elettriche di collegamento. Per spostare l'energia su lunghe distanze, vengono utilizzati supporti a cui sono sospesi i fili di collegamento. Sono isolati tra loro e il terreno da uno strato di aria ambiente. Tali linee sono chiamate linee aeree dal tipo di isolamento.

Se la distanza dell'autostrada di trasporto è breve o per motivi di sicurezza è necessario nascondere la linea elettrica nel terreno, vengono utilizzati i cavi.

Le linee elettriche aeree e in cavo sono costantemente sotto tensione, il cui valore è determinato dalla struttura della rete elettrica.

Scopo della protezione del relè delle linee elettriche

In caso di guasto dell'isolamento in qualsiasi punto di un cavo o di una linea aerea estesa, la tensione applicata alla linea crea una corrente di dispersione o di cortocircuito attraverso la sezione danneggiata.

Le ragioni della rottura dell'isolamento possono essere vari fattori che sono in grado di eliminare o continuare il loro effetto distruttivo. Ad esempio, una cicogna che vola tra i fili di una linea elettrica aerea crea un circuito fase-fase con le sue ali e ustioni, cadendo nelle vicinanze.

Oppure un albero che cresceva molto vicino al supporto, durante un temporale, è stato abbattuto sui fili da una folata di vento e li ha causati un cortocircuito.

Nel primo caso, il cortocircuito si è verificato per un breve periodo di tempo ed è scomparso, e nel secondo, la violazione dell'isolamento era di natura a lungo termine e richiedeva la rimozione da parte del personale di manutenzione.

Tali danni possono causare gravi danni alle centrali elettriche. Le correnti dei cortocircuiti risultanti hanno un'enorme energia termica, che può bruciare non solo i fili delle linee elettriche, ma anche distruggere le apparecchiature elettriche delle sottostazioni elettriche.

Per questi motivi, eventuali danni alle linee elettriche che si verificano devono essere riparati immediatamente. Ciò si ottiene rimuovendo la tensione dalla linea guasta sul lato alimentazione. Se una tale linea elettrica riceve energia da entrambi i lati, entrambi devono essere diseccitati.

Le funzioni di monitoraggio costante dei parametri elettrici dello stato di tutte le linee elettriche e di rimozione della tensione da esse da tutti i lati in caso di situazioni di emergenza sono assegnate a sistemi tecnici complessi, tradizionalmente chiamati protezione relè.

L'aggettivo "relè" deriva dalla base elementare basata sui relè elettromagnetici, i cui progetti sono nati con la comparsa delle prime linee elettriche e sono in fase di miglioramento fino ad oggi.

Dispositivi di protezione modulari, ampiamente introdotti nella pratica degli ingegneri energetici basato su tecnologia a microprocessore e tecnologia informatica non escludono una completa sostituzione dei dispositivi a relè e, secondo consolidata tradizione, vengono introdotti anche nei dispositivi di protezione a relè.

Principi di protezione del relè

Autorità di monitoraggio della rete

Per monitorare i parametri elettrici delle linee elettriche è necessario disporre di strumenti per la loro misurazione, in grado di monitorare costantemente eventuali deviazioni dalla modalità normale della rete e allo stesso tempo soddisfare le condizioni per un funzionamento sicuro.

Nelle linee elettriche con tutte le tensioni, questa funzione è assegnata ai trasformatori di misura, classificati in trasformatori:

• corrente (TT);

• tensione (TV).

Poiché la qualità dell'operazione di protezione è di primaria importanza per l'affidabilità dell'intero sistema elettrico, ai TA e ai TV di misura vengono imposti maggiori requisiti di precisione di funzionamento, che sono determinati dalle loro caratteristiche metrologiche.

Le classi di precisione dei trasformatori di misura da utilizzare nei dispositivi di protezione e automazione dei relè (protezione e automazione dei relè) sono standardizzate dai valori «0,5», «0,2» e «P».

Trasformatori di tensione dello strumento

Una vista generale dell'installazione dei trasformatori di tensione sulla linea aerea da 110 kV è mostrata nella foto sotto.

Qui si può vedere che i TV non sono installati da nessuna parte lungo una linea di estensione, ma sul quadro di una sottostazione elettrica. Ogni trasformatore è collegato tramite i suoi terminali primari al corrispondente conduttore della linea aerea e del circuito di terra.

La tensione convertita dagli avvolgimenti secondari viene emessa attraverso gli interruttori 1P e 2P attraverso i corrispondenti conduttori del cavo di alimentazione. Per l'uso in dispositivi di protezione e misurazione, gli avvolgimenti secondari sono collegati secondo lo schema "stella" e "triangolo", come mostrato nella foto per VT-110 kV.

Diminuire perdita di tensione e il funzionamento preciso della protezione del relè, viene utilizzato un cavo di alimentazione speciale e vengono imposti maggiori requisiti per la sua installazione e funzionamento.

I TV di misura vengono creati per ogni tipo di tensione di linea e possono essere commutati secondo diversi schemi per eseguire compiti specifici. Ma funzionano tutti secondo il principio generale di convertire il valore lineare della tensione della linea di trasmissione in un valore secondario di 100 volt, copiando accuratamente ed enfatizzando tutte le caratteristiche delle armoniche primarie su una certa scala.

Il rapporto di trasformazione di VT è determinato dal rapporto tra le tensioni di linea dei circuiti primario e secondario. Ad esempio, per la linea aerea da 110 kV considerata, è scritto come segue: 110000/100.

Trasformatori di corrente dello strumento

Questi dispositivi convertono anche il carico della linea primaria in valori secondari con la massima ripetizione di eventuali variazioni delle armoniche della corrente primaria.

Per facilitare il funzionamento e la manutenzione delle apparecchiature elettriche, vengono installati anche sui dispositivi di distribuzione delle sottostazioni.

Trasformatori di corrente Sono inclusi nel circuito della linea aerea in modo diverso rispetto ai TV: essi con il loro avvolgimento primario, che di solito è rappresentato da una sola spira sotto forma di un filo di corrente continua, vengono semplicemente tagliati in ogni filo della fase della linea.Questo può essere visto chiaramente nella foto sopra.

Il rapporto di trasformazione CT è determinato dal rapporto tra la selezione dei valori nominali nella fase di progettazione della linea elettrica. Ad esempio, se la linea di alimentazione è progettata per trasportare 600 ampere e 5 A verranno rimossi dal secondario TA, viene utilizzata la designazione 600/5.

In elettricità, sono accettati due standard per i valori delle correnti secondarie utilizzate:

• 5 A per tutti i TA fino a 110 kV inclusi;

• 1 A per linee 330 kV e superiori.

Gli avvolgimenti secondari TT sono collegati per il collegamento a dispositivi di protezione secondo diversi schemi:

• stella piena;

• stella incompleta;

• triangolo.

Ogni composto ha le sue caratteristiche specifiche e viene utilizzato per determinati tipi di protezione in modi diversi. Nella foto è mostrato un esempio di collegamento di trasformatori di corrente e bobine di relè di corrente a un circuito a stella completa.

Questo è il filtro armonico più semplice e più comune utilizzato in molti circuiti di relè di protezione. In esso, le correnti di ciascuna fase sono controllate da un relè separato con lo stesso nome e la somma di tutti i vettori passa attraverso la bobina inclusa nel filo neutro comune.

Il metodo di utilizzo dei trasformatori di misura di corrente e tensione consente di trasferire i processi primari che si svolgono sulle apparecchiature di potenza al circuito secondario su una scala accurata per il loro utilizzo nell'hardware di protezione del relè e la creazione di algoritmi per il funzionamento della logica dispositivi per eliminare i processi di equipaggiamento di emergenza.

Autorità preposte al trattamento delle informazioni ricevute

Nella protezione del relè, l'elemento di lavoro principale è un relè, un dispositivo elettrico che svolge due funzioni principali:

• monitora la qualità del parametro osservato, ad esempio corrente, e in modalità normale mantiene stabilmente e non modifica lo stato del suo sistema di contatto;

• quando viene raggiunto un valore critico chiamato set point o soglia di risposta, commuta immediatamente la posizione dei suoi contatti e rimane in questo stato fino a quando il valore osservato non ritorna nel range normale.

I principi della formazione di circuiti per la commutazione di relè di corrente e tensione nei circuiti secondari aiutano a comprendere la rappresentazione delle armoniche sinusoidali mediante quantità vettoriali con la loro rappresentazione in un piano complesso.

Nella parte inferiore dell'immagine è mostrato un diagramma vettoriale per un tipico caso di distribuzione di sinusoidi in tre fasi A, B, C nella modalità di funzionamento dell'alimentazione del consumatore.

Monitoraggio delle condizioni dei circuiti di corrente e tensione

In parte, il principio dell'elaborazione dei segnali secondari è mostrato nel circuito per l'accensione degli avvolgimenti CT e relè secondo lo schema a stella piena e VT dell'ORU-110. Questo metodo consente di aggiungere vettori nei seguenti modi.

L'inclusione della bobina del relè in una qualsiasi delle armoniche di queste fasi consente di controllare completamente i processi che si svolgono in essa e di disattivare il circuito dal funzionamento in caso di incidenti. Per fare ciò, è sufficiente utilizzare progetti adeguati di dispositivi a relè per corrente o tensione.

Gli schemi di cui sopra sono un caso speciale dell'uso versatile di diversi filtri.

Metodi di controllo della potenza che passa attraverso la linea

I dispositivi di protezione del relè controllano il valore della potenza in base alle letture di tutti gli stessi trasformatori di corrente e tensione.In questo caso vengono utilizzate formule e rapporti noti di potenza totale, attiva e reattiva tra loro e i loro valori espressi dai vettori di correnti e tensioni.

Resta inteso che il vettore corrente è formato dalla fem applicata alla resistenza di linea e supera in egual misura le sue parti attive e reattive. Ma allo stesso tempo, nelle sezioni con componenti Ua e Up, si verifica una caduta di tensione secondo le leggi descritte dal triangolo di tensione.

L'energia può essere trasferita da un'estremità all'altra della linea e persino invertita durante il trasporto dell'elettricità.

I cambiamenti nella sua direzione sono il risultato di:

• commutazione di carichi da parte del personale operativo;

• fluttuazioni di potenza nel sistema dovute agli effetti di transitori e altri fattori;

• comparsa di modalità di emergenza.

I relè di potenza (PM) che operano come parte del sistema di protezione e automazione del relè tengono conto delle fluttuazioni nelle sue direzioni e sono configurati per funzionare quando viene raggiunto il valore critico.

Metodi di controllo della resistenza di linea

I dispositivi di protezione a relè che calcolano la distanza dalla posizione del cortocircuito in base alle misurazioni della resistenza elettrica sono chiamati distanza o protezione DZ in breve. Usano anche circuiti di trasformatori di corrente e tensione nel loro lavoro.

Per misurare la resistenza, utilizzare Un'espressione della legge di Ohmdescritto per la sezione circuitale in esame.

Quando una corrente sinusoidale passa attraverso la resistenza attiva, capacitiva e induttiva, il vettore di caduta di tensione su di esse devia in direzioni diverse. Questo viene preso in considerazione dal comportamento del relè di protezione.

Secondo questo principio, molti tipi di relè resistivi (RS) funzionano nei dispositivi di protezione e automazione dei relè.

Metodi di controllo della frequenza di linea

Per mantenere la stabilità del periodo di oscillazione delle armoniche della corrente trasmessa attraverso la linea elettrica, vengono utilizzati relè di controllo della frequenza. Funzionano sul principio del confronto dell'onda sinusoidale di riferimento prodotta dal generatore integrato con la frequenza ottenuta dai trasformatori di misura lineari.

Dopo aver elaborato questi due segnali, il relè di frequenza determina la qualità dell'armonica osservata e, quando viene raggiunto il valore impostato, cambia la posizione del sistema di contatto.

Caratteristiche del controllo dei parametri di linea tramite protezioni digitali

Anche gli sviluppi dei microprocessori che sostituiscono le tecnologie dei relè non possono funzionare senza valori secondari di correnti e tensioni, che vengono rimossi dai trasformatori di misura TT e VT.

Per il funzionamento delle protezioni digitali, le informazioni sulla sinusoide secondaria vengono elaborate mediante metodi di campionamento, che consistono nel sovrapporre un'alta frequenza su un segnale analogico e fissare l'ampiezza del parametro controllato all'intersezione dei grafici.

Grazie alla piccola fase di campionamento, ai metodi di elaborazione rapidi e all'uso del metodo di approssimazione matematica, si ottiene un'elevata precisione di misurazione delle correnti e delle tensioni secondarie.

I valori numerici così calcolati vengono utilizzati nell'algoritmo per il funzionamento dei dispositivi a microprocessore.

La parte logica della protezione e dell'automazione dei relè

Dopo che i valori iniziali delle correnti e delle tensioni dell'energia elettrica trasmessa lungo la linea elettrica sono stati modellati dai trasformatori di misura selezionati per l'elaborazione da parte dei filtri e ricevuti dagli organi sensibili dei dispositivi a relè per corrente, tensione, potenza, resistenza e frequenza, è il turno dei circuiti dei relè logici.

Il loro design si basa su relè che funzionano da una fonte aggiuntiva di tensione costante, raddrizzata o alternata, che è anche chiamata operativa, e i circuiti da essa alimentati sono operativi. Questo termine ha un significato tecnico: molto velocemente, senza inutili ritardi, per eseguire i propri cambi.

La velocità di funzionamento del circuito logico determina in gran parte la velocità dell'arresto di emergenza e quindi il grado delle sue conseguenze distruttive.

Nel modo in cui svolgono i loro compiti, i relè che lavorano nei circuiti operativi sono chiamati intermedi: ricevono un segnale dal dispositivo di protezione di misurazione e lo trasmettono commutando i loro contatti agli organi esecutivi: relè di uscita, solenoidi, elettromagneti per la disconnessione o la chiusura degli interruttori di potenza .

I relè intermedi di solito hanno diverse coppie di contatti che funzionano per creare o interrompere un circuito. Sono utilizzati per riprodurre simultaneamente i comandi tra diversi dispositivi di protezione a relè.

Nell'algoritmo di funzionamento della protezione del relè, viene spesso introdotto un ritardo per garantire il principio di selettività e per formare la sequenza di un determinato algoritmo. Blocca il funzionamento della protezione durante il setup.

Questo ingresso di ritardo viene creato utilizzando speciali relè temporali (RV) dotati di un meccanismo di clock che influisce sulla velocità dei loro contatti.

La parte logica della protezione del relè utilizza uno dei tanti algoritmi progettati per diversi casi che possono verificarsi su una linea elettrica di una certa configurazione e tensione.

A titolo di esempio, possiamo dare solo alcuni nomi del funzionamento della logica di due protezioni a relè basate sul controllo della corrente della linea elettrica:

• interruzione di corrente (indicazione della velocità) senza ritardo o con ritardo (garantisce la selettività RF), tenendo conto della direzione della potenza (dovuta al relè RM) o senza di essa;

• la protezione di massima corrente può essere fornita con gli stessi controlli del sezionatore, completa o meno di controlli di bassa tensione di linea.

Elementi di automazione di vari dispositivi vengono spesso introdotti nel funzionamento della logica di protezione del relè, ad esempio:

• richiusura dell'interruttore di potenza monofase o trifase;

• accendere l'alimentazione di backup;

• accelerazione;

• scarico di frequenza.

La parte logica della protezione di linea può essere realizzata in un piccolo compartimento relè direttamente sopra l'interruttore di alimentazione, tipico per i quadri completi esterni (KRUN) con tensione fino a 10 kV, oppure occupare più pannelli 2x0,8 m nella sala relè .

Ad esempio, la logica di protezione per una linea 330 kV può essere posizionata su quadri di protezione separati:

• Riserva;

• DZ: remoto;

• DFZ — fase differenziale;

• VCHB: blocco ad alta frequenza;

• OAPV;

• accelerazione.

Circuiti di uscita

I circuiti di uscita fungono da elemento finale della protezione lineare del relè e la loro logica si basa anche sull'utilizzo di relè intermedi.

I circuiti di uscita formano l'ordine di funzionamento degli interruttori di linea e determinano l'interazione con connessioni adiacenti, dispositivi (ad esempio, protezione contro la rottura dell'interruttore - intervento di emergenza dell'interruttore) e altri elementi di protezione e automazione del relè.

Le protezioni di linea semplici possono avere un solo relè di uscita che fa scattare l'interruttore. Nei sistemi complessi con protezione ramificata vengono creati circuiti logici speciali che funzionano secondo un determinato algoritmo.

La rimozione definitiva della tensione dalla linea in caso di emergenza viene effettuata tramite un interruttore di potenza, che viene attivato dalla forza dell'elettromagnete di intervento. Per il suo funzionamento vengono fornite catene portacavi speciali, in grado di sopportare carichi potenti.Ki.