История релейной защиты.
Поколения устройств РЗА. Начальный этап электромеханической МТЗ
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в июньском номере журнала в 2010 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Поколения защит
Развитие защит происходило в зависимости от развития энергосистем и применяемой техники. Прогресс в развитии и новые требования покупателей являлись базой для последующих улучшений.
В последних статьях мы рассматривали историю развития защит линий, генераторов и трансформаторов. В новых статьях будут рассматриваться поколения защит в общем. В этой статье мы поговорим о трех основных поколениях защит, показанных на Рисунке 3.
Прямое «расцепление» при увеличении тока
Высоковольтные предохранители были предшественниками наших устройств защиты. Они применялись в первичных цепях в начале прошлого века. Выключатели тогда в основном были масляными. Основным недостатком таких устройств был риск взрыва. На рисунке 5 показан пример такого выключателя. Устройство для напряжения 10 кВ, ток 300 A выпускалось в Германии компанией Sachsenwerk в Дрездене в 1910. Максимальный отключаемый ток составлял 15 кА. При КЗ расцепитель (смонтированный справа) воздействовал на привод. Без применения напряжения питания и измерительных трансформаторов механизм расцепления был достаточно прост. Характеристики были сравнимы с характеристиками предохранителя. Но проверка была непростой, так не могла производиться при работе, поэтому часто имели место ложные отключения.
Компания Oerlikon в 1912г начала выпуск расцепителя типа HZM. Он состоял из магнита, встроенного во ввод масляного выключателя и механизма расцепления. По мере улучшения масляных выключателей (для разрыва бОльших токов) также было необходимо и улучшение механизмов «расцепления». Согласно новых требований к тепловой и механической стойкости, в 1946г был выпущен расцепитель HJZ (Рис. 9). Разрывная способность составляла до500 Iном (номинальные токи от 6 до 1250 A) с коэффициентом возврата в 0.85.
Другие технические данные: уставка 1..2 Iном ; точность ± 2 % время работы 0.2…6 с (частота 50 Гц) или 5 с (60 Гц).
Рисунок 1. Баковый выключатель (масляный выключатель с расцепителем, ВВС, 1900)
Рисунок 2. Реле с независимой выдержкой времени - максимальный расцепитель
Circuit breakers – Выключатели
Contact Brush – Контактная щетка
Current transformers – ТТ
Switches – Переключатели (контакты)
Рисунок 3. Развитие технологий релейной защиты
Electromechanical relay – электромеханические реле
Static relay – статические (полупроводниковые) реле
Digital relay – цифровые реле
Рисунок 4. Реле с независимой выдержкой времени
Рисунок 5. Масляный выключатель
Расцепители по увеличению тока
Наиболее важным проектом в электроэнергетике в США в 1894 – 1900 г было строительство первой крупной ГЭС с использованием энергии Ниагарского водопада. Компания Niagara-Falls Power Co. изготовила в 1895-1897г первые генераторы мощностью 5000 л.с – по одному в год. В последующие годы строительство шло быстрее, и к 1900г в работе было 8 машин. Каждая машина выдавала два переменных напряжения (25 Гц, сдвинутые на 90°). Величина напряжения составляла 2.25 кВ, при токе 775 A. Распределение мощности было групповым, в группах из 2 или 3 машин. Группы не объединялись, для уменьшения рисков в случае КЗ. Генераторный выключатель работал на сжатом воздухе. Он состоял из двух полюсов с 4 разрывами в двух группах, подсоединенных к сопротивлению 1.2 Ом.
Таким образом, ток рвался 16 раз. Расстояние между одним контактом составляло 25 мм. Этим подразумевалось, что один контакт был рассчитан на мощность всей машины. Но, тем не менее, в случае аварийной ситуации предусматривалось дополнительное защитное устройство на сжатом воздухе, отключающее за короткое время возбуждение всей машины. Дополнительные контакторы отключали подключение к линии. Главный выключатель оставался подключенным. Отмечалось, что вся система, в соединении с командами из центра управления, работала правильно. Мощность от станции на Ниагаре в основном использовалась локально – для производства карбида через трансформаторы на напряжение 2.2 кВ. В 1899 г была подключена ЛЭП напряжением 11 кВ, в перспективе – на напряжение 22 кВ (Рис.6).
Для исключения перерывов электроснабжения были построены две параллельные линии. Это основное требование (дублирование) было базой для нескольких будущих определений, касающихся защиты. Также были объединены реле – реле максимального времени и реле реверса тока, как показано на рисунке. Реле на станции имели большую выдержку времени, чем другие реле в системе и другой защитный принцип. Отключающее устройство на принципе МТЗ с независимой выдержкой времени было изобретено Л.Б. Стиллвеллом (L.B.Stillwell), руководителем по электрической части компании Niagara-Falls Power Co. (1899, патент 633920). Как описано в патенте, устройство состоит из реле с независимой выдержкой времени с расцепителем от ТТ и возможностью регулировки времени. ТТ «запитывает» управляющий магнит и блок отключения при превышении тока. Отключающий магнит «закорочен» контактным диском. Отключающий магнит действует на отключение при превышении током заданного уровня спустя определенную выдержку времени. Устройства на Ниагарской ГЭС работали на этом принципе, но на постоянном токе. Устройства, выпускаемые компанией GEC (Рис. 2 и 4) работали с 2-х фазным отключением. Защита реверса тока также выпускалась компанией GEC.
Рисунок 6. Схема передачи от ГЭС Ниагара, 1899 год
Pwer House Niagara Falls – ГЭС
Normal Direction of Flow of Power – Нормальное направление передачи
Abnormal Flow of Power – Ненормальное направление передачи
Subetation Tonawanda – ПС Тонаванда
Subetation 1 Buggalo – ПС 1 Буггало
Subetation 2 Buggalo – ПС 2 Буггало
Time element circuit-breakers – Выключателеи с выдержкой времени
Reverse current circuit-breakers – Выключатели реверса тока
Рисунок 7. Реле реверса тока, США, примерно 1920 год. (Схематичный рисунок - США, примерно1920 год)
Состояние – в «взведенном» положении
Рисунок 8. Поляризованное реле,Westinghouse, примерно 1920 год
Рисунок 9. Расцепитель HIZ, Oerlikon, 1946 год
1/1а. Основание магнита, якорь
2. Токовые пружины
3. Рычаг
4. Кулачковое соединение
5/6. Наконечник
7. Ротор
8. Дополнительный рычаг
9. ВременнОе колесо
10. шнек
11/12. Рычаг удержания и расцепления
13. Соединитель
14. Пружина
15. Дополнительный якорь для быстрого расцепления
Рисунок 10. Анкерный механизм
Реле работало с небольшим двигателем от вентилятора. Принцип заключался в том, что при подключении переменного тока направление вращения двигателя постоянного тока изменялось. Якорь перемещался между двумя блоками. В случае реверса мощности подключалась дополнительная цепь и отключался автомат. См. Рис.12. Первый баковый масляный выключатель с прямым расцепителем (Рисунок 1) был выпущен А.Айхелем (A. Aichele), компания BBC уже в 1900 г. При включении поднимался тяжелый груз, поворачивался на 180° и «защелкивался». Расцепление запускалось тремя индукционными дисками (Ferraris-discs). Они располагались на одной оси и подсоединялись к рычагу с весом. Так как сначала был необходим подъем, то зависимая выдержка времени получалась автоматически. Пример расцепления для реле реверса тока показан на Рисунке 7a и 7b. На станциях постоянного тока для увеличения чувствительности могли применяться поляризованные реле (Рисунок 8).
Высоковольтное реле максимального тока
Интересным решением было использование «высоковольтного» реле максимального тока. Запускающий элемент находился под потенциалом высокого напряжения. С помощью веревки запускался элемент времени, размещенный под потенциалом земли, который и замыкал контакт силового выключателя. На Рис.11a /11b показано реле максимального тока плунжерного типа компании General Electric типа PM-33 (22-110 кВ).
Вторичные Реле
Когда Г.Бенишке (G. Benischke) в 1898г изобрел ТТ, то потребовалось два года для выпуска устройств защиты с ТТ. В начале 20-го века все производители распредустройств также выпускали и устройства защиты. Давайте укажем некоторые из них:
В Европе: AEG, BBC, Reyrolle, Siemens & Halske, Vogt & Haeffner A.G., Maschinenfabrik Oerlikon
В США: Компания General Electric Company, Westinghouse Electric & Manufacturing Co., Schweitzer and Conrad, Inc. Первые поколения реле защиты имели подвижную катушку и другие детали, как это описано в выпуске журнала «Мир РЗА», осень 2007. Другой возможностью были реле Феррари (Ferraris) (индукционные реле, Рис. 13). Токовое направленное реле компанииV&H (1920) показано на Рис. 14. Барабанчик Феррари под воздействием 4 механизмов с двумя обмотками напряжения и двумя тока. Рычаг, подсоединенный к нему, двигался согласно направлению мощности. На конце рычага была слюдяная пластинка, двигающаяся между двумя контактами. Благодаря этому замыкалась только цепь требуемого направления мощности. Конструкция реле максимального тока с выдержкой времени была предложена Чарльзом Брауном (Charles Brown) уже в 1902. В его патенте DP 143 556 применен диск Феррари, который поднимал вес (см. Рисунок 22 в выпуске журнала «Мир РЗА», осень 2007). Время регулировалось весом. Компанияч TOSHIBA с 1907г выпускало реле максимального тока плунжерного типа. Расцепители назывались «устройствами автоматического отключения для систем переменного тока” . Уже тогда существовал термин «селективность», но он применялся в телефонии (для различия прерывистых и постоянных токов).
В 1908 г Кульман (Kuhlmann) опубликовал в журнале ETZ (Германия) статью, где впервые использовал термины «независимая» и «инверсная» характеристики времени как для реле, так и расцепителей. Можно вспомнить, что ранее мы упоминали решение, предложенное Г.Дедро (G. Dedreux, Мюнхен), патент DRP 59192(1891) - Рис 18. Он предлагал вводить выдержку времени при отключении батарей в случае повреждения на линии. Основной частью был наклонный канал (d) с пружиной (f). При движении якоря перемещался шарик, давящий на пружину (k), тем самым разрывая цепь. Позднее стал использоваться механический анкер (как балансные пружины в часах, Рисунок 10).
Рисунок 11. Высоковольтное реле максимального тока РМ-33,GEC,1920 год
Рисунок 12. Реле реверса тока (Ниагарская ГЭС,GEC, 1899 год)
Рисунок 13. Реле Феррари (индукционное) с вращающимся диском
Рисунок 14. Реле направления тока (V&H Примерно 1920)
Рисунок 15. Реле времени GEC, примерно 1920 год
Другой возможностью был синхронизированный индукционный мотор (Рис. 24). Требуемый момент для спуска создавался пружиной d, растягиваемой соленоидом c. Совершенно другое решение предлагалось компанией GEC (Рисунки 15, 26). Втягивающийся якорь a работал совместно с сильфоном b, замедлявшим отключение. Время могло меняться изменением потока воздуха (c/d). Для растягивания компания AEG использовала силу веса, подвешенного на шнуре. Для уставки по току a – использовалась определенная отпайка обмотки, для уставки времени менялся ход контактов. Компания Siemens предпочитала использовать энергию пружины. Увеличение момента могло компенсироваться натяжением шнура с помощью конусного винта (Рис. 23). Компания GEC решила проблему с моментом с помощью диска с пазами (Рис. 25). Реле максимального тока типа СО компании Westinghouse с инверсной характеристикой времени показано на Рис. 16. Выбор тока запуска (4, 6, 8, 10 или 12 A) осуществлялся с помощью контактной планки. Устройство с определением направления, выпускаемое также компанией Westinghouse в 1920 показано на Рис.17.
Рисунок 16. Реле максимального тока типа СО, Westinghouse, прим.1920 год
Рисунок 17. Реле CR, Westinghouse, примерно 1920 год
Рисунок 18. Расцепитель с выдержкой времени, создаваемой шаром (G.Dedreux), 1891 год
Решение о применении выдержки времени для отключения батарей в случае повреждения на линии было предложено Г. Дедро (G.Dedreux) – (DRP59192)
Рисунок 19. Реле максимального тока RI, Allmanna Svenska, примерно 1920
год
Рисунок 20. Реле Rs2, S&H, 1932 год
Рисунок 21. Реле RK3, ASEA
Типичным для американских реле (вплоть до нынешних эл.мех. реле) является наличие больших по размерам тормозных магнитов.
В 1925 г компания S & H выпустила однофазное реле максимального тока RA1 (Рис. 21 в выпуске журнала «Мир РЗА», осень 2007) и релеe RS1 (на развороте).
МТЗ
Шведская компания Vattenfall управляла распредсетями, где установлены двухфазные реле с зависимыми времятоковыми характеристиками (Рис. 19). Реле выпускались шведским производителем Allmаnna Svenska. Реле времени Rs2 (S & H, 1931, 220 В пост.тока 0.25… 2.5 с, мощность контактов макс. 1000 ВА показано на Рис.20, реле RK3 компании ASEA на Рис. 21. Реле Rs107 (Рис. 22, 1955) компании S & H имеет перекидывающий контакт (с подвижным компенсатором). 3-х фазное реле СОА компании Westinghouse показано на Рис.28. Лоуренс и Скотт (Laurence and Scott) в 1889 предложили использовать эффект расширения при нагреве, патент DRP 53876.
Биметалл с нагревающей обмоткой и тепловая модель защищаемого объекта (например, двигателя) был использован в качестве теплового реле. Компанией AEGA в реле RSZ2t (1937) была решена основная проблема биметалла – медленное замыкание контакта. На Рис. 29 показано реле EAW RSZ3t компании-преемника AEG в ГДР - AEG-Berlin (1970). Интересным решением совмещения токового расцепления и реле времени является «часовой» расцепитель, выпускаемый компанией V&H в 1920-х (Рисунок 31, 33).
Рисунок 22. Реле Rs107, S&H, 1955 год
Рисунок 23. Реле максимального тока с инверсной характеристикой
Для задания тока: Использовалась определенная отпайка обмотки
Для задания времени: Изменение хода контактов
Рисунок 24. Реле времени с индукционным двигателем
Рисунок 25. Реле максимального тока, GEC
Рисунок 26. Электромагнитное реле GEC, примерно 1920 год
Adjusting Screw – Регулировочный винт
Bellows – Сильфон
Stationary Contacts – Неподвижные контакты
Movable Contact – Подвижный контакт
Contact Base – Основание контактов
Relay Frame – Основание реле
Plunger – Плунжер
Calibration Index – Калибровочные отметки
Calibration lock Nut – Стопорная гайка калибровки
Needle Valve – Иголочный клапан
lock Nut – Стопорная гайка
Time Element Support – Крепление элемента выдержки времени
Contact Leads – Выводы контактов
Line Terminal – Линейный ввод
Coil Terminal Stud – Винт клеммы катушки
Colibrating Tube – Калибровочная трубка
Colibrating Screw – Калибровочный винт
Магнит максимального тока A действует на рычаг a, и часовой механизм, заводимый ключом. После выдержки времени (1 ... 6 с или 2 ...12 с) начинает движение рычаг b, запуская переключатель.
Если перегрузка была кратковременной, то рычаг возвращается обратно. Если увеличение тока было вызвано КЗ, то рычаг действует мгновенно и отключает устройство. Одного подзавода хватало на 25 отключений от перегрузки. Если подзаводки было недостаточно, то последнее отключение было без выдержки времени и устройство было невозможно включить без подзаводки. Круглый корпус первых реле был в то время таким же, как и на ранее установленных измерительных приборов. Это было из-за того, что использовались одинаковые измерительные элементы. Реле перегрузки с независимой выдержкой времени компании Westinghouse (1910) показано на Рис. 34, а реле обратной мощности на Рис. 36.
В 1914 компания AEG усовершенствовала свое реле сверхтока PL№ 69036G (Рис.30). Диапазон уставок был между 5 A и 15 A, 0.5 с до 5 с или от 1 с до 10 с. Погрешность была ± 0.1 с. У реле не было градуировочной шкалы для уставок в амперах или секундах. Для регулировки уставок применялись небольшие диски с цифрами. Для перехода от цифр к величинам была необходима таблица. Также было усовершенствовано и реле с инверсной характеристикой. Оно работало на индукционном принципе. Управляющий магнит действовал на диск из алюминия (Рисунок 32). Улучшилась система пуска, гарантируя стабильное поведение.
Рисунок 27. Биметаллическое реле
Рисунок 28. Реле COA, Westinghouse, примерно 1920 год
Рисунок 29. Реле RSZ3t, EAW, примерно 1970 год
Рисунок 30. Реле PL№ 69036G, AEG, 1914 год
Рисунок 31. Первичный расцепитель, V&H примерно 1910 год
В конце 1920-х, в дополнение к указанным реле, компанией “Dr. Paul Mayer AG” выпускались, после слияния с AEG и другие реле. Эти устройства имели прямоугольный корпус, что позволяло легко устанавливать на панели разные типы или даже использовать общий корпус. Реле с независимой времятоковой характеристикой типа RSZ3 (Рис. 35) объединяло в одном корпусе защиту всей линии. Позднее выпускалось модернизированное реле RSZ3f (1935.) В 1960 (примечание: выпуск реле начат в 1964 году) Чебоксарский электроаппаратный завод (СССР) начало выпуск очень популярного реле максимального тока PT- 40 (0.2..200 A, Рис. 37).
В следующих статьях мы более детально рассмотрим защиты на электромеханике и внедрение электроники в реле.
Рисунок 32. Реле максимального тока с инверсной характеристикой Pl №69007 AEG, 1916 год
Рисунок 33. Реле с часовым механизмом V&H, примерно 1910 год
Рисунок 34. Реле перегрузки, Westinghouse, 1910 год
Рисунок 35. Реле RZ3, AEG, примерно 1930 год
Рисунок 36. Реле обратной мощности
Рисунок 37. Реле тока РТ-40, ЧЭАЗ, 1974 год
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в июньском номере журнала в 2012 году