История релейной защиты

Поколения устройств РЗА. Начальный этап электромеханической МТЗ
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig)

Статья была опубликована в июньском номере журнала в 2010 году

Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич

Источник www.museumrza.ru

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 рис взрыва. На рисунке 1 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 коротком замыкании расцепитель воздействовал на привод. Без применения напряжения питания и измерительных трансформаторов механизм расцепления был достаточно прост. Характеристики были сравнимы с характеристиками предохранителя.

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. 1). Разрывная способность составляла до500 I^ном (номинальные токи от 6 до 1250 A) с коэффициентом возврата в 0,85.

Другие технические данные: уставка 1 - 2 I^ном ; 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 Ниагара-Фолс Пауэр изготовила в 1895-1897 г. первые генераторы мощностью 5000 л.с. – по одному в год. В последующие годы строительство шло быстрее, и к 1900 г. 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.
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, руководителем по электрической части компании Ниагара-Фолс Пауэр (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
Power 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. Состояние – в «взведенном» положении

Рисунок 8. Поляризованное реле, 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

Другой возможностью был синхронизированный индукционный мотор (Рис. 24). Требуемый момент для спуска создавался пружиной d, растягиваемой соленоидом c. Совершенно другое решение предлагалось компанией GEC. 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 Сименс предпочитала использовать энергию пружины. Увеличение момента могло компенсироваться натяжением шнура с помощью конусного винта. Компания GEC решила проблему с моментом с помощью диска с пазами. Реле максимального тока типа СО компании Вестингхаус с инверсной характеристикой времени осуществлялся с помощью контактной планки. Устройство с определением направления, выпускаемое также компанией Вестингхаус в 1920 показано ниже на рисунке.

Рисунок 11. Реле максимального тока типа СО, Вестингхаус, прим.1920 год

Рисунок 12. Реле CR, Вестингхаус, примерно 1920 год

Рисунок 13. Расцепитель с выдержкой времени, создаваемой шаром, 1891 год
Решение о применении выдержки времени для отключения батарей в случае повреждения на линии было предложено Г. Дедро (G.Dedreux) – (DRP59192)

Рисунок 14. Реле максимального тока RI, Олманна Свенска, примерно 1920 год

Рисунок 15. Реле Rs2, S&H, 1932 год

Рисунок 16. 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 в выпуске журнала «Мир РЗА», осень 2007) и релеe RS1.

МТЗ

Шведская компания Воттенфол управляла распределительными сетями, 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, реле RK3 компании ASEA, Реле Rs107 компании S & H имеет перекидывающий контакт (с подвижным компенсатором). 3-х фазное реле СОА компании Вестингхаус. Лоуренс и Скотт 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 рисунке 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 17. Реле Rs107, S&H, 1955 год

Рисунок 18. Реле максимального тока с инверсной характеристикой
Для задания тока использовалась определенная отпайка обмотки
Для задания времени: изменение хода контактов

Рисунок 19. Реле времени с индукционным двигателем

Рисунок 20. Реле максимального тока, GEC

Рисунок 21. 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.

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. Улучшилась система пуска, гарантируя стабильное поведение.

Рисунок 22. Биметаллическое реле

Рисунок 23. Реле COA, Westinghouse, примерно 1920 год

Рисунок 24. Реле RSZ3t, EAW, примерно 1970 год

Рисунок 25. Реле PL№ 69036G, AEG, 1914 год

Рисунок 26. 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.