Релейная защита для начинающих

Как работают релейная защита и автоматика

Первые эксперименты человека с электричеством и созданием цепей для прохождения тока сопровождались короткими замыканиями и неисправностями, во время которых приобретался опыт и знания, выявлялись закономерности протекающих процессов и вырабатывались правила эксплуатации.

На основе анализа допущенных ошибок начали создаваться устройства, предохраняющие оборудование и людей от электрического воздействия. Первыми такими приборами стали плавкие предохранители, которые перегорали при создании критических нагрузок, разрывая цепи электрического тока.

Более сложные защитные конструкции начали массово внедряться после 1891 года, когда в России по проекту Михаила Осиповича Доливо-Добровольского успешно транспортировали 220 кВт электрической энергии на 175 км с КПД в 77% на основе трехфазной системы напряжения, разработанной этим же ученым.

В основу работы защит был положен принцип реле — устройств, которые постоянно отслеживают какой-либо электрический параметр сети, а при достижении им критических величин срабатывают: резко меняют свое первоначальное состояние, коммутируя электрическую схему.

Первые устройства защит выполнялись на основе электромеханических конструкций реле, а специалистов, занимающихся их эксплуатацией стали называть термином «релейщики», который действует до настоящего времени.

Созданная в энергосистеме на основе постоянно приобретаемого опыта служба релейной защиты и автоматики (РЗА) занимается попутно другими сложными процессами:

системами управления, включающими местные, дистанционные и удаленные способы;

блокировками определенных устройств;

цепями сигнализации, позволяющими анализировать происходящие в сети события;

измерениями различных электрических величин в действующих схемах;

анализом качества произведенных замеров на основе метрологических эталонов;

некоторыми другими функциями.

Принципы построения схемы защитных устройств

Довольно громоздкая и сложная первоначальная база на основе электромеханических конструкций постоянно совершенствуется и модифицируется. Для работы защит вводятся новые технические разработки. В современных энергетических комплексах успешно сочетаются электромагнитные, индукционные, статические — полупроводниковые и микропроцессорные устройства.

Их объединяет практически не меняющийся базовый алгоритм процессов, который модернизируется для каждого конкретного случая. Основные функции защиты демонстрирует структурная схема.

Основные функции защитных устройтсв

Блок наблюдения

Его основная функция сводится к мониторингу происходящих электрических процессов в системе на основе замеров от измерительных трансформаторов тока и/или напряжения.

Выходные снимаемые сигналы с блока могут прямо передаваться логической схеме для сравнения с заданными пользователем величинами отклонений от номинальных значений, называемых уставками либо первоначально преобразовываться в цифровую форму.

Блок логики

Здесь осуществляется сравнение входящих сигналов с граничными характеристиками уставок. Малейшее совпадение между ними приводит к выдаче команды на срабатывание защит.

Блок исполнительный

Он постоянно поддерживается в готовности к срабатыванию по командам логического блока. При этом происходят переключения в схеме электроустановки по заранее предусмотренному алгоритму, исключающему повреждения оборудования и получение электротравм персоналом.

Блок сигнализации

Происходящие в системе процессы совершаются так быстро, что человек не способен их воспринимать своими органами. Для фиксации совершенных событий устанавливаются сигнальные устройства, которые используют методы визуального, звукового воздействия с сохранением в памяти схемы произошедших изменений.

Во всех конструкциях сигнализации перевод ее состояния после работы в исходное положение выполняется разово вручную оператором, что исключает потерю информации о работе защит автоматикой.

Принципы работы защит

Очень серьезное отношение к надежности и безопасности использования электроэнергии определило основные требования, которым должны отвечать системы релейной защиты. Однако они тоже являются техническими устройствами, а значит: обладают возможностями нарушения правильной работоспособности.

Отказ систем РЗА возможен при:

неисправностях внутри защит;

излишних срабатываниях, когда действие исполнительного органа не требуется;

ложной работе при отсутствии повреждений электрической системы.

Для исключения отказов в процессе эксплуатации проводится разработка проекта, монтаж, наладка с вводом в работу и обслуживание устройств релейной защиты с учетом выработанных требований к РЗА по:

избирательности с учетом иерархии схемы;

быстродействию, определяемому временем срабатывания;

чувствительностью к пусковым факторам;

Принцип селективности

Другое распространенное его название — избирательность. Эта характеристика позволяет точно выявить и локализовать место проявившейся неисправности в структурированной сети с любой иерархией.

К примеру, генератор передает электрическую энергию многим потребителям, расположенным на участках №1, 2 и 3, оборудованных своими защитами 1-2, 3-4 и 5 соответственно. При возникновении короткого замыкания внутри конечного потребителя на участке №3, токи повреждения пройдут по всем защитам схемы от источника.

Однако, в данной ситуации имеет смысл отключать конечный участок с поврежденным электродвигателем, оставляя в работе все действующие устройства. С этой целью вводятся разные уставки релейной защиты для каждой цепи на стадии проекта схемы.

Защитные устройства участка 5 должны раньше почувствовать токи неисправности и быстрее обеспечить их аварийное отключение от генератора. Поэтому в приведенной схеме величины уставок по току и времени на каждом участке уменьшаются от генератора к потребителю с соблюдением принципа: чем ближе к месту повреждения, тем выше чувствительность.

При этом выполняется принцип резервирования, учитывающий возможность отказа любых технических устройств, включая защитные системы более низкого уровня. Это значит: при неисправности защит 5 участка 3 короткое замыкание должны отключить устройства РЗА №4 или 5 линии №2, которые, в свою очередь, страхуются защитами участка №1.

Принцип быстродействия

Время отключения повреждения складывается минимум из двух факторов:

1. срабатывания защиты;

2. работы привода выключателя.

Первый параметр можно регулировать от минимального значения, обусловленного конструкцией защиты и количеством используемых элементов. Такими методами создается задержка времени на срабатывание включением в схему специальных регулируемых реле. Она используется для более дальних защит.

Близкорасположенные к месту повреждения устройства должны настраиваться на работу с минимально возможными интервалами времени на срабатывание.

Принцип чувствительности

Эта характеристика позволяет определять виды расчетных повреждений и анормальных ситуаций энергосистемы внутри действующей зоны защит.

Чувствительность устройств РЗА

Для определения ее численного выражения вводится коэффициент Кч, вычисляемый отношением минимальной величины тока КЗ для участка к значению тока срабатывания.

При этом устройства РЗА работают правильно при Icз

Противоаварийное управление

Любой блок релейной защиты не только является самостоятельной схемой, но объединяется в вышестоящие комплексы, составляющие в итоге систему противоаварийного управления энергосистемы. У нее каждый элемент взаимосвязан с другими компонентами и комплексно выполняет свои задачи.

Сокращенный перечень функций защит и автоматики демонстрирует упрощенная структурная схема.

Противоаварийное управление энергосистемы

Краткое изложение особенностей работы релейных защит и автоматики позволяет сделать вывод, что профессия релейщика требует постоянного изучения поступающего в эксплуатацию оборудования, совершенствования знаний и формирования прочных практических навыков.

Релейная защита. Виды и устройство. Работа и особенности

Согласно правилам эксплуатации электроустановок силовые устройства электрических сетей и электростанций должны быть обеспечены защитой от сбоев в эксплуатации и токов короткого замыкания. Средствами защиты являются специальные устройства, выполненные на основе реле, что оправдывает их название релейная защита и автоматика (РЗА). В настоящее время существует много различных устройств, способных в короткие сроки блокировать возникшую аварию в электрической сети, либо подать предупредительный сигнал о возникновении аварийного режима.

Виды релейной защиты

Релейная защита работает чаще всего совместно с автоматикой, и их устройство взаимосвязано со специфическими видами аварийных режимов сети:

• Уменьшение частоты тока, возникающей при внезапной перегрузке генераторов вследствие короткого замыкания, либо отключения части других источников из сети.
• Повышенное напряжение. Увеличение этого параметра на 10% уменьшает срок службы ламп освещения в два раза. Такой режим возникает при внезапной разгрузке сети.
• Токовая перегрузка способствует излишнему нагреванию изоляции проводников и кабелей, создает искрообразование в контактных соединениях.

Реле классифицируются по определенным признакам:

• Методу подключения: первичные, которые подключаются непосредственно в цепь устройства, и вторичные, которые подключаются посредством трансформатора.
• Типу исполнения: электромеханические, состоящие из подвижных контактов, отключающих цепь, и электронные, обесточивающие цепь с использованием полупроводниковых элементов.
• Назначению: измерительные, которые выполняют измерение параметров, и логические, которые подают сигналы и команды другим устройствам, выполняют задержку по времени.
• Методу работы: прямого действия, которые связаны с устройством отключения механическим путем, и косвенного действия, которые управляют электрической цепью электромагнита, обесточивающего сеть питания.

Релейная защита и автоматика бывают различных видов:

• Максимальная токовая защита, включается при достижении определенной величины тока, заданной при настройке.
• Направленная наибольшая токовая защита, кроме настройки тока учитывает направление мощности.
• Дифференциальная, применяется для защиты сборки генераторов, трансформаторов, шин путем сравнения величин токов на выходе и входе. При разнице, превышающей заданное значение, срабатывает релейная защита.
• Газовая и струйная, применяется для обесточивания трансформатора и других устройств, работающих в емкостях с маслом. При возникновении неисправностей образуется повышенная температура, и из масла выделяются газы, снижается диэлектрическое свойство масла и разлагается его химический состав. На такие аварийные режимы срабатывают механические реле, которые действуют с учетом возникновения газа в емкости, а также веществ, образующихся при разложении масла. При срабатывании защиты подается команда на действие логической схемы.
• Логическая, защищает шины, применяется для определения места короткого замыкания на питающих линиях, которые отходят от шин электростанции, и на шинах.
• Дистанционная, имеющая блокировку по оптическому каналу, является более надежным способом защиты, в отличие от дистанционной защиты с ВЧ блокировкой, так как электрические помехи не оказывают большого влияния на оптический канал.

Дистанционная с ВЧ блокировкой, применяется для обесточивания воздушных линий при возникновении коротких замыканий.

Некоторые виды автоматики предназначены для подачи электроэнергии, в отличие от релейной защиты:

• Автоматическая частотная разгрузка, выключает электрические устройства при снижении частоты тока в сети.
• Автоматическое повторное включение, используется на линиях электропередач выше 1000 вольт, а также в сборках трансформаторов, электродвигателей и шин подстанций.
• Автоматический ввод резерва, применяется при коммутации генератора в сеть в качестве резервного источника питания электроэнергией.

Устройство

Электромеханические конструкции релейной защиты постоянно модернизируются и совершенствуются. Внедряются инновационные технологические разработки и проекты. В новейших энергетических системах объединены статические, индукционные, электромагнитные устройства с микропроцессорными и полупроводниковыми элементами.

Однако основной смысл и порядок работы релейной защиты для всех новых устройств остается неизменным. Схема структуры релейной защиты показана на рисунке.

1 — Электрический сигнал
2 — Блок наблюдения электрических процессов
3 — Блок логики и анализа
4 — Исполнительный блок
5 — Сигнальный блок

Блок наблюдения

Главной функцией этого блока является мониторинг электрических процессов, происходящих в электрической системе, путем измерений такими устройствами, как трансформаторы напряжения и тока.

Сигналы выхода на блоке могут передаваться непосредственно логическому блоку для сравнения параметров с настроенными пользователем значениями отклонений от нормальных значений, которые называются уставками. Также сигналы блока наблюдения могут сначала преобразовываться в цифровой вид, а затем передаваться дальше.

Блок логики

В этом блоке выполняется сравнение поступивших сигналов с предельными значениями уставок. Даже незначительное совпадение этих параметров между собой приводит к возникновению команды на срабатывание защиты.

Исполнительный блок

Этот блок все время находится в состоянии, готовом к срабатыванию, при поступлении команды от блока логики. При срабатывании осуществляются переключения цепи электроустановки по запланированному алгоритму, который составлен по принципу недопущения неисправностей электрооборудования и удара электрическим током работников.

Сигнальный блок

В электрической системе все процессы происходят очень быстро, поэтому человек не в состоянии воспринимать их. Чтобы сохранить происходящие в системе события, применяют специальные сигнальные устройства. Которые работают путем звукового и визуального оповещения, а также сохраняют все происходящие события в памяти устройства.

Все виды устройств после их срабатывания переводятся в исходное состояние оператором вручную. Это позволяет гарантированно сохранить информацию о действии автоматики и релейной защиты.

Принципы работы

Релейная защита может иметь нарушения в своей работоспособности, которые выражаются следующими факторами:

• Ложные срабатывания при исправной электрической системе и отсутствии каких-либо повреждений.
• Излишние сработки, когда не требуется работа исполнительного блока.
• Повреждения внутри устройства защит.

Чтобы исключить отказы при функционировании релейной защиты, вырабатываются специальные требования к ней при проектировании, установке, настройки с запуском в работу, и техническом обслуживании:

• Надежность функционирования.
• Чувствительность к моменту запуска оборудования.
• Быстродействие (время сработки).
• Селективность.

Принцип надежности

Этот принцип определяется:

• Безотказностью в эксплуатации.
• Пригодностью к ремонту.
• Долгим сроком службы.
• Сохраняемостью.

Каждый из этих факторов имеет свою оценку.

Обслуживание и эксплуатация релейной защиты имеет три варианта надежности по срабатыванию при:

1. Внутренних КЗ в рабочей зоне.
2. Возникновении внешних КЗ за границей рабочей зоны.
3. Работе без неисправностей.

Надежность устройств защиты бывает:

• Эксплуатационная.
• Аппаратная.

Принцип чувствительности

Этот принцип дает возможность определить виды предполагаемых расчетных повреждений и ненормальных режимов энергетической системы в рабочей зоне защиты.

Кч = Iкз min/Iсз

Чтобы определить его числовое значение, используется коэффициент Кч. Коэффициент рассчитывается отношением наименьшего тока короткого замыкания рабочей зоны к величине тока срабатывания. Релейная защита работает в нормальном режиме при:

Релейная защита (РЗА): виды, устройство и основные принципы

Силовое оборудование электросетей и электрических станций всегда должны быть защищены от сбоев при эксплуатации и короткого замыкания. Таким средством является релейная защита и автоматика (РЗА).

Производители предлагают огромное количество устройств, которые могут заблокировать внезапную аварию в электросети или, например, предупредить с помощью звукового либо светового сигнала о появлении аварийной ситуации.

Чаще всего релейная защита функционирует с автоматикой, а их совместная работа связана с различными типами аварийных ситуаций:

1. уменьшение частоты электрического тока, которая появляется при возникшей перегрузке генератора из-за короткого замыкания или отсоединения определенной части разных устройств из сети.
2. увеличенное напряжение появляется из-за возникшей разгрузки электросети.
3. при токовой перегрузке возникает опасный нагрев изоляции кабеля, появляются искры.

Основные виды РЗА:

• МТЗ – максимальная токовая защита. Срабатывает в тот момент, когда ток достигает определенного установленного значения.
  направленная МТЗ. Дополнительно осуществляет контроль за направлением мощности.
• ГЗ – газовая защита. Необходима для отключения трансформатора при появлении различных повреждений в следствии образования опасных газов.
• ЛЗШ – логическая защита шин. Необходима для поиска места, где происходит короткое замыкание.
• дифференциальная защита. Необходима для предохранения трансформаторов, генераторов и шин, сравнивает величины тока на входе и выходе.
• ДФЗ – дифференциально-фазная защита. Контролирует фазы тока с обеих сторон линии. Если они отклоняются от заданных параметров, то срабатывает защита.
• ДЗ – дистанционная защита. При коротком замыкании срабатывает при снижении сопротивления сети.
• ДЗ с ВЧ-блокировкой. При коротких замыканиях используется для отключения подачи тока на воздушных линиях.
• удаленная защита. Применяется в ситуациях, когда требуется быстрая скорость реакции и особая чувствительность.
• защита минимального напряжения. Отключает оборудование в том случае, когда напряжение падает ниже установленного минимального значения.
• защита максимального напряжения. Срабатывает, когда напряжение увеличивается и начинает превышать допустимое значение.

Также релейная защита разделяется по основным признакам:

1. По способу подключения: первичная и вторичная.
2. По функциональным признакам: логические и измерительные.
3. По типу исполнения: электронные и электромеханические.
4. По способу воздействия: прямое или косвенное.

Особенности конструкции релейной защиты

Устройство РЗА непрерывно совершенствуется благодаря внедрению инновационных технологий. Но основные принципы и элементы конструкции остаются неизменными.

Структуру релейной защиты можно представить в виде схемы:

Электрический сигнал — Модуль наблюдения процессов — Узел логики и анализа — Исполнительный блок — Сигнальный блок

Блок наблюдения проводит мониторинг всех процессов в электрике за счет трансформаторов тока и напряжения, которые проводят измерения. В узле логики и анализа сравниваются поступившие сигналы с максимальным показателем уставок. Защита будет срабатывать, даже если имеется небольшое совпадение данных значений. Исполнительный блок всегда находится в состоянии готовности, ожидая сигнала от логического блока. Сигнальный блок функционирует при помощи света или звука.

Когда пройдет полный цикл срабатывания защиты, специалист ручным способом переводит устройство в первоначальное состояние.

Основные принципы работы

Бывают ситуации, когда нарушается работоспособность релейной защиты. Это происходит по разным причинам: ложное срабатывание, неисправности в самом реле и т.д. Чтобы не допускать снижения трудоспособности РЗА, изготовителями разрабатываются различные принципы и требования, которые необходимо соблюдать при установке, эксплуатации и обслуживании.

Существует несколько основных принципов:

• принцип надежности. Релейная защита должна бесперебойно выполнять все задачи, заложенные производителем.
• принцип селективности (избирательный принцип). Релейная защита должна безошибочно находить и устранять место, где произошло повреждение сети.
• принцип быстродействия. Время от обнаружения повреждения до полного обесточивания должно быть максимально минимизировано.
• принцип чувствительности. Он позволяет определять типы всевозможных повреждений с помощью коэффициента, величина которого должна соответствовать 1,5-2.

Основные понятия о релейной защите

Основным видом электрической автоматики, направленной на сохранение работоспособности современных энергетических систем и её элементов, является релейная защита. Защищает она электрическое оборудование от опасных последствий ненормальной работы. За счёт релейной защиты происходит полная ликвидация аварийных режимов путём отключения от сети, тем самым также происходит изоляция повреждённого элемента от сети электроснабжения. Она тесно работает с другими видами защит такими как:

1. АПВ — автоматическое повторное включение;
2. АВР — автоматическое включение резерва;
3. АЧР — автоматическая частотная разгрузка.

Данные защиты предусмотрены и чётко регламентированы в правилах устройства электроустановок (ПУЭ). Представляет собой она электрическую схему, которая состоит из одного или группы реле срабатывающих только при определённых аварийных условиях. При этом все ее сработанные виды должны быть визуально зафиксированы за счёт сигнальных реле, которые называются блинкерами. В состав релейной защиты могут быть включены как одиночные реле, так и целые группы, состоящие из нескольких десятков реле. Это количество зависит от сложности включаемого потребителя и важности схемы электроснабжения. За счёт неё происходит определение аварийного или повреждённого участка цепи, а также характер неисправности.

Назначение релейной защиты

Во время проектирования любой электрической схемы снабжения обязательным является расчет релейной защиты автоматики (РЗА). Если сказать простыми словами, то она служит для того, чтобы при коротком замыкании, или другом ненормальном режиме работы в схеме потребителя, эти перегрузки не повлияли на работы другого оборудования. Если они, конечно, завязаны все в одной энергетической системе.

При возникновении короткого замыкания напряжение в цепи падает, зато ток возрастает до максимального значения. Этот факт может повлечь за собой не только возгорание, но и выход со строя всей питающей сети, если бы в таких аварийных случаях релейная защита вовремя не отключала данный повреждённый участок. Для начинающих упрощённую РЗА в действии можно увидеть в быту при замыкании фазного и нулевого провода. При этом отключается автомат, питающий данную сеть, в котором установлена токовая отсечка. Аварийных ситуаций на подстанции или на производстве может быть больше это и перенапряжение, и выделение газа при неисправности трансформатора и т. д.

Работа и назначение релейной защиты организована на постоянном контроле, а также оценке технических и электрических параметров оборудования и цепи, которую она должна защищать. Зачастую устройства данной релейной автоматики скомпонованы в элементах электрических сетей и объединены в единую систему.

Требования к релейной защите

Главная её задача — это надёжно защищать оборудование и цепи электроснабжения от работы в неисправном, аварийном состоянии. Соответственно к ней существует ряд требований, выполнение которых проверяется регулярно лабораторией или специальными службами. Вот основные требования к релейной защите:

1. Быстродействие. Способность защиты работать с минимальной выдержкой времени после наступления аварийной ситуации. Правда, одни из них специально разработаны на срабатывание с определённой установленной выдержкой времени это зависит от условий работы электрооборудования и назначения конкретного вида релейной защиты;
2. Селективность. Это вид избирательности защиты, направленный на отключение только определённых ближайших участков к месту аварии или короткого замыкания;
3. Чувствительность. Способность защиты направленная на реагирование её только на данные отклонения, на которые она настроена;
4. Надёжность. Безотказность системы защит и недопущение ложных срабатываний.

От этих четырёх основных требований напрямую зависит эффективность функционирования релейной защиты любого электрического оборудования и цепей.

Классификация реле

Все применяемые реле в системе могут быть выполнены на основе определённого оборудования. Релейная защита может быть выполнена на следующих типах реле:

Электромеханической конструкции. Принцип их действия основан на притягивании и отпускании подвижной части реле при прохождении, через катушку электромагнита, электрического тока. При этом происходит размыкание или замыкание контактов;

• Полупроводниковые. Они изготавливаются на основе полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров) которые выполняют роль электрического ключа в схеме;
• Цифровые. Основаны на работе микропроцессорной техники, обработка данных происходит не в аналоговом, а в цифровом формате, образуя блок релейной защиты. Существует возможность программирования таких цифровых устройств, что добавляет в работу РЗА автоматизации без участия персонала.

Устройства РЗА можно разделить также и по сложности их применения. К простым относятся:

1. Максимальная токовая или токовая отсечка. Она применяется даже в обычных автоматических выключателях, применяемых в быту;
2. От минимального и максимального напряжения. В быту это так называемые устройства барьеры.
3. Дифференциальная, которая основана на сравнении токов, проходящих по каждой из фаз;
4. Газовая. Это одна из разновидностей защит трансформаторов от выхода из нормального рабочего режима работы;
5. Замыкание на землю. Срабатывает при пробивании изоляции или касании токопроводящих частей к земле.

Сложные виды РЗА включают в свой состав:

1. Устройства контроля изоляции как цепей постоянного таки переменного тока;
2. Системы отбора напряжения;
3. Различные системы контроля температур, давления и других параметров оборудования;
4. Контроль и наблюдение за сопротивлением изоляции цепей аккумуляторных батарей и т. д.

Чтобы добиться надёжности и правильной работы электрических аппаратов входящих в данную защиту, нужно чтобы все элементы были выполнены из качественных комплектующих таких как реле, трансформаторов тока и т. д. В настоящее время релейная защита это очень популярная и востребованная часть электроэнергетики.

Релейная защита. Общие принципы построения

ЧТО ТАКОЕ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ВООБЩЕ?

Ажурные опоры линий электропередачи, хитроумные переплетения проводов, фантастические конструкции подстанций и электростанций — все это яркие приметы современной электроэнергетики, выделяющие её особым своеобразием.

Потоки электрической энергии, рождаясь на электрических станциях, растекаются к городам и заводам, разделяются на ручьи и проникают в каждый дом, к каждому потребителю электрической энергии. Все элементы этой огромной системы большую часть времени работают безупречно и слаженно.

Но, какими бы надёжными не были электроэнергетические системы, в них неизбежно возникают повреждения и ненормальные режимы, которые в свою очередь могут приводить к возникновению аварий. При этом управлять электроэнергетическими системами нужно так, чтобы потребители не замечали последствий этих повреждений и нежелательных возмущающих воздействий. Из-за дефицита времени и необходимости высочайшей точности действий в этих условиях управление осуществляется автоматически с помощью устройств автоматики и релейной защиты.

При возникновении повреждения или нежелательного режима управление электрическими системами должно осуществляться по особым алгоритмам. Это необходимо, чтобы и в экстремальных условиях всё же обеспечить нормальное электроснабжение (пусть не абсолютно всех) потребителей, предотвратить развитие аварии и снизить возможные объёмы разрушения повреждённого электрооборудования.

Релейная защита — это огромная управляющая система, представляющая собой совокупность согласованно и целенаправленно действующих взаимосвязанных (разнообразных по природе) элементов и автоматических устройств [1]. Она охватывает практически все основные элементы электроэнергетической системы (крупные и мелкие), от генераторов, вырабатывающих электрическую энергию, до приёмников электрической энергии, преобразующих её в другие виды энергии.

Независимо от того, какие принципы положены в основу отдельных устройств релейной защиты для выявления повреждений, система в целом должна безошибочно находить повреждённые элементы и отделять их от исправной части электроэнергетической системы. Ключевую роль в решении этой управленческой задачи играет логика целенаправленного взаимодействия устройств и параметры их срабатывания, обеспечивающие реализацию процедур взаимодействия.

Расчёты, выполняемые с целью определения конкретных значений параметров срабатывания устройств релейной защиты, имеют в связи с этим высочайшую практическую значимость и образуют методическую базу согласования устройств релейной защиты в единой системе.

ЧТО ДОЛЖНА ЗАМЕЧАТЬ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА?

Ненормальные режимы обычно связаны с относительно небольшими отклонениями величин напряжения, тока и (или) частоты от допустимых значений [2]. К ненормальным режимам относят перегрузки, однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, а также понижение уровня масла в расширителе масляного трансформатора [3].

Повреждения чаще всего сопровождаются значительным увеличением тока в элементах энергосистемы и глубоким понижением напряжения. Наиболее частыми и опасными повреждениями являются короткие замыкания.

Аварии — это нарушения работы электроэнергетической системы или её части, сопровождающиеся недоотпуском электроэнергии потребителям или недопустимым ухудшением её качества, разрушением основного оборудования, возникновением угрозы здоровью и жизни людей. Ненормальные режимы создают условия для возникновения повреждений, а вовремя не выявленные повреждения могут приводить к авариям.

Релейная защита — это комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы исправной части этой системы.

КАК ОРГАНИЗОВАНА РАБОТА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ?

Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. На рисунке приведена схема электрической сети, содержащей линии электропередачи разных уровней напряжения W1 — W6, трансформаторы Т1 — Т4, электродвигатель М1, предохранители F1 — F3, коммутационные аппараты и эквивалентный источник питания Е_С. Отдельные устройства релейной защиты (УРЗ), установленные на элементах электроэнергетических систем (генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи, электродвигателях и др.), объединены в единую систему релейной защиты общей целью функционирования.

В соответствии с этим принципом отдельные устройства релейной защиты (например, УРЗ-1 — УРЗ-13) функционально связаны между собой практически только общей логикой действий. Причём каждое устройство релейной защиты для локализации повреждения может воздействовать только на коммутационные аппараты того объекта, на котором оно установлено.

Необходимо отметить, что система релейной защиты, как правило, включает в себя устройства не только разные по принципам выявления повреждений, но и разные по способам воздействия на контролируемый объект. Так, единой логике действий должны подчиняться как сложнейшие многофункциональные устройства релейной защиты, воздействующие на выключатели и другие аппараты управления, так и простейшие защитные устройства (например, предохранители), в которых функции выявления и коммутации повреждённой электрической цепи совмещены. На рисунке предохранители F1, F2, F3 показаны в цепях питания трансформаторов Т2 — Т4.

В некоторых случаях УРЗ формируют лишь световые и звуковые сигналы, а отделение повреждённого элемента от исправной части электрической сети может производиться вручную оперативным персоналом.

Согласованность действий устройств, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, как правило, достигается за счёт определённых параметров срабатывания (без применения физических каналов связи). Эти параметры в основном определяют точность и эффективность действия всей системы релейной защиты. В свою очередь это определяет живучесть электроэнергетических систем и степень риска развития аварийных ситуаций при возникновении повреждений.

Логические связи действуют в любых условиях и не подвержены воздействию внешних электрических и электромагнитных помех. Во многом благодаря этому свойству релейная защита имеет высочайшую степень надёжности.

КАКИМИ ОСНОВНЫМИ СВОЙСТВАМИ
ОБЛАДАЕТ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА?

Селективность — это свойство релейной защиты, характеризующее её способность выявлять и отделять от электроэнергетической системы только повреждённые элементы. Другими словами, селективность — это избирательность действия. Средства релейной защиты могут обладать абсолютной или относительной селективностью.

Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов. Быстродействие показывает, насколько быстро средства релейной защиты реагируют на возникновение тех или иных видов повреждений.

Показателем быстродействия является время срабатывания защиты. Это интервал времени от момента возникновения повреждения до отделения от сети повреждённого элемента. Наиболее быстродействующие защиты имеют время срабатывания 0,01—0,1 с. Медленные защиты могут иметь время срабатывания до нескольких секунд.

Следует отметить, что не во всех случаях от релейной защиты требуется высокое быстродействие. При возникновении одного из ненормальных режимов обычно достаточно дать предупредительный сигнал дежурному персоналу. На энергетических объектах без постоянного дежурного персонала производится отключение неисправного оборудования, но обязательно с выдержкой времени [3].

Чувствительность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для неё зоны действия в наиболее неблагоприятном для срабатывания режиме работы электроэнергетической системы. Другими словами, защита должна чувствовать те виды повреждений и ненормальных режимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой электрической системы.

Показателем чувствительности выступает коэффициент чувствительности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание контролируемой величины) определяется как отношение минимально возможного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому повреждению, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).

Например, коэффициент чувствительности максимальной токовой защиты, установленной на линии электропередачи, определяется как отношение значения минимального тока короткого замыкания при повреждении в конце контролируемой защитой линии к значению тока срабатывания защиты.

В ряде случаев оценивается также чувствительность к повреждениям на соседнем (следующем по отношению к источнику) защищаемом объекте (т.е. в режиме дальнего резервирования).

Надёжность — это свойство релейной защиты, характеризующее её способность действовать правильно и безотказно при всех видах повреждений и ненормальных режимов, для действия при которых данная защита предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено [3]. Иными словами, надёжность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выполнять свои функции в условиях эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки.

Показателями надёжности выступают время безотказной работы и интенсивность отказов — количество отказов за единицу времени.

Так как неправильно действующая защита может сама служить причиной возникновения аварий, её надёжность должна быть обеспечена в достаточной мере. Например, для защит линий электропередачи предельно допустимым считается один отказ за десять лет работы, а для защит генераторов — один отказ за несколько сотен лет.

Каждое свойство, в принципе, должно рассматриваться применительно к состоянию и виду функционирования релейной защиты. Детализация свойств может быть выполнена по общепринятой форме [1] как показано в таблице. Первые три свойства, характеризующие технические свойства релейной защиты, объединяются понятием «техническое совершенство».

ЛИТЕРАТУРА

1. Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем: учеб. для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 528 с.
2. Чернобровов Н.В. Релейная защита: учеб. пособие для техникумов. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1974. — 680 с.
3. Беркович М.А., Молчанов В.В., Семёнов В.А., Основы техники релейной защиты. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 376 с.

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter

Релейная защита и автоматика

Релейная защита — комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить повреждённый участок и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания).

Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем.

Содержание

Требования к релейной защите

Быстродействие

Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов. Показателем быстродействия является время срабатывания защиты — это интервал времени от момента возникновения повреждения до момента отделения от сети повреждённого элемента.

Селективность (избирательность)

Селективность — свойство релейной защиты, характеризующее способность выявлять поврежденный элемент электроэнергетической системы и отключать этот элемент только ближайшими к нему выключателями. Это позволяет локализовать повреждённый участок и не прерывать нормальную работу других участков сети.

Чувствительность

Чувствительность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для неё зоны действия в минимальном режиме работы энергосистемы. Другими словами — это способность чувствовать те виды повреждений и ненормальных режимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой электрической системы. Показателем чувствительности выступает коэффициент чувствительности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание контролируемой величины) определяется как отношение минимально возможного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому повреждению, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).

Надёжность

Надежность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты действовать правильно и безотказно во всех режимах контролируемого объекта при всех видах повреждений и ненормальных режимов для действия при которых данная защита предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено. Иными словами, надежность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выполнять свои функции в условиях эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки. Основные показатели надёжности — время безотказной работы и интенсивность отказов (количество отказов за единицу времени).

Резервирование следующего участка

Резервирование следующего участка — важное требование. Если защита по принципу своего действия не работает за пределами основной зоны, ставят специальную резервную защиту.

Основные органы релейной защиты

Пусковые органы

Пусковые органы непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого участка цепи и реагируют на возникновение коротких замыканий и нарушения нормального режима работы. Выполняются обычно с помощью реле тока, напряжения, мощности и др.

Измерительные органы

Измерительные органы определяют место и характер повреждения и принимают решения о необходимости действия защиты. Измерительные органы также выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др. Функции пускового и измерительного органа могут быть объединены в одном органе.

Логическая часть

Логическая часть — это схема, которая запускается пусковыми органами и, анализируя действия измерительных органов, производит предусмотренные действия (отключение выключателей, запуск других устройств, подача сигналов и пр.). Логическая часть состоит, в основном, из элементов времени (таймеров), логических элементов, промежуточных и указательных реле, дискретных входов и аналоговых выходов микропроцессорных устройств защиты.

Пример логической части релейной защиты

Катушка реле тока K1 (контакты А1 и А2) включена последовательно со вторичной обмоткой трансформатора тока ТА. При коротком замыкании, на участке цепи, в котором установлен трансформатор тока, возрастает сила тока, и пропорционально ей возрастает сила тока во вторичной цепи трансформатора тока. При достижении силой тока значения установки реле K1, оно сработает и замкнёт рабочие контакты (11 и 12). Цепь между шинами +EC и -EC замкнётся, и запитает сигнальную лампу HLW.

Данная схема приведена как простой пример. В эксплуатации используются более сложные логические схемы.

Основные механизмы релейной защиты

Токовая защита

Токовая защита — это разновидность релейной защиты, которая реагирует на превышение тока на защищаемом участке сети по отношению к току срабатывания, или уставке. В зависимости от того, каким образом обеспечивается селективность действия с последующей (от источника питания) защитой, различают максимальную токовую защиту (МТЗ) и токовую отсечку (ТО). В радиальных (разомкнутых) сетях на ВЛ класса напряжения 6-10 кВ и выше наиболее распространённым вариантом организации защит от трёхфазных и междуфазных коротких замыканий является применение двухступенчатой защиты, включающей МТЗ и ТО. Для реализации МТЗ в ряде случаев применяются реле с зависимой от времени защитной характеристикой, а для ТО — всегда с независимой. При этом защита может выполняться на двух отдельных реле, или на одном реле, совмещающем обе ступени (например, РТ-80 и РТ-90), а также на базе цифровых многоступенчатых реле (SPAC и др.).

Максимальная токовая защита (МТЗ) — селективность действия обеспечивается за счёт задержки по времени срабатывания. Выбор тока срабатывания МТЗ осуществляется таким образом, чтобы его значение превышало максимальный рабочий ток в месте установки защиты на величину, которая зависит от коэффициентов надёжности и возврата реле, а также от коэффициента самозапуска (обычно не менее, чем в 1,2 — 2,0 раза). Это исключает возможность ложного действия защиты в нормальном режиме работы сети. При протекании тока КЗ срабатывание реле, как было отмечено ранее, происходит с определённой задержкой. Уставка по времени срабатывания предыдущей (от источника питания) защиты должна быть больше, чем уставка последующей, на величину так называемой ступени селективности Δt (порядка 0,2 — 1,0 с — в зависимости от типа реле, на базе которых выполнены защиты). Таким образом, в радиальных секционированных сетях при коротком замыкании в конце линии первой должна сработать ближайшая к месту возникновения КЗ защита, а в случае её отказа (через промежуток времени, равный ступени селективности) — предыдущая защита. Очевидно, что недостатком МТЗ является «накопление» задержек по времени, т.е. увеличение времени срабатывания защиты при переходе от конца линии к источнику. Следует учитывать, что токи короткого замыкания тем выше, чем ближе место возникновения КЗ к источнику питания. Таким образом, в радиальных секционированных сетях время отключения повреждённой линии посредством сигнала МТЗ при наиболее тяжёлых КЗ вблизи питающих шин может оказаться неприемлемым с точки зрения термической стойкости оборудования. Считается нормальным, если максимальная уставка по времени срабатывания не превышает 2,0 — 2,5 с. Коэффициент чувствительности МТЗ определяется как отношение тока междуфазного КЗ в конце защищаемой зоны к фактическому току срабатывания защиты, и в соответствии с требованиями ПУЭ (см. п.3.2.1. — 4.1.) должен составлять не менее 1,5 (для зоны дальнего резервирования в пределах действия последующей защиты — около 1,2).

Токовая отсечка (ТО) — селективность действия обеспечивается за счёт отстройки от максимального тока КЗ в конце защищаемой зоны. ТО представляет собой быстродействующую защиту, которая срабатывает без задержки по времени, и отключает наиболее тяжёлые короткие замыкания вблизи питающих шин. Величина тока срабатывания отсечки должна приблизительно в 1,1 — 1,2 раза превышать расчётный ток трёхфазного КЗ в конце зоны действия ТО (т.е. в месте установки последующей защиты); указанная кратность определяется коэффициентом надёжности применяемых реле. Коэффициент чувствительности ТО, исходя из п.3.2.26. ПУЭ, может быть рассчитан как отношение тока трёхфазного КЗ в месте установки защиты к фактическому току срабатывания отсечки, и должен составлять не менее 1,2. Иначе говоря, зона действия токовой отсечки должна покрывать около 20% от длины линии. Недостатком токовой отсечки является ограниченность зоны действия, поэтому она применяется только совместно с МТЗ в качестве второй ступени; при этом ТО обладает абсолютной селективностью, т.к. величина тока КЗ вне защищаемой зоны всегда меньше тока срабатывания отсечки.

Реле токовой защиты с высоковольтной изоляцией — специальные реле тока с высоковольтной изоляцией (от 5 до 100 кВ) между входом (катушкой управления) и выходом (герконом). В некоторых конструкциях катушка отсутствует и источником управляющего сигнала служит высоковольтная токоведущая шина. Эти реле тока, получившие название «геркотронов» или «высоковольтных изолирующих интерфейсов», предназначены для защиты от перегрузок по току мощных высоковольтных источников питания, рентгеновской аппаратуры, мощных лазеров, радаров, радиопередающих устройств, электрофизической аппаратуры. Они выполнены в виде компактных модулей, включаемых напрямую в разрыв токовой цепи, находящейся под высоким потенциалом, а их выходной контакт — напрямую в низковольтную цепь. Впервые эти устройства были разработаны и внедрены В. И. Гуревичем. Они защищены многочисленными авторскими свидетельствами на изобретения и патентами. Их описания можно найти в книгах В. И. Гуревича (см. ниже).