Назначение и эволюция

Первые средства, предназначенные для аварийного отключения нагрузки, применялись ещё на заре появления электроэнергии. Например, биографы Эдисона упоминали об одном интересном случае. В начале своего существования компания американского изобретателя производила электричество исключительно для освещения, таким образом создавая жёсткую конкуренцию с владельцами предприятий по производству топлива для газовых фонарей.

На одну из выставок они послали диверсантов, которые должны были устроить короткое замыкание на демонстрационном образце Эдисона с целью доказать публике ненадёжность новшества. Но включённые в цепь предохранители сработали, а затем были быстро и без труда заменены, что, наоборот, продемонстрировало сравнительную лёгкость и безопасность обращения с проводкой.

https://youtube.com/watch?v=MNg9tfbEuy4

В настоящее время вместо предохранителей используется сложный комплекс из защитных средств/ Назначение релейной защиты и автоматики — мгновенное обнаружения отклонений от штатных режимов в работе и немедленной изоляции аварийных компонентов от сети. Термин «релейная защита» в автоматике систем энергоснабжения — также выражение, применяемое лишь по традиции. Современные системы, контролирующие работу электрических установок, представляют собой сложные многофункциональные электронные устройства, а не набор электромеханических реле.

Суть релейной защиты и автоматики систем электроснабжения для чайников можно объяснить так: РЗиА не просто мускулы для обесточивания элементов согласно контрольным сигналам, а прежде всего, интеллектуальная система, непрерывно мониторящая энергетический комплекс на угрозу аварии и принимающая решение о необходимости тех или иных коммутаций.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ РЕЛЕЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Защитные устройства на базе реле разнообразны и могут быть построены по отличающимся принципиальным схемам, реализованным на различной элементной базе.

Общим для всех устройств релейной защиты является наличие одних и тех же функциональных блоков:

• измерительных органов;
• логики;
  исполнительных устройств;
• сигнализации.

Измерительный орган реле получает в непрерывном режиме информацию о состоянии контролируемого объекта, которым может быть отдельная установка, элемент или участок электрической сети. Существует несколько подходов к классификации структурных блоков релейных защит.

Измерительные релейные органы иногда называют пусковыми, но это не меняет сути. Контроль состояния объекта заключается в получении и обработке технических параметров электроснабжения – тока, напряжения, частоты, величины и направления мощности, сопротивления.

В зависимости от значения этих параметров, на выходе релейного органа измерения формируется дискретный логический сигнал («да», «нет»), который поступает в блок логики.

Логический орган, получив дискретную команду релейного блока измерения, в соответствии с заданной программой или логической схемой формирует необходимую команду исполнительному блоку или механизму.

Блок сигнализации обеспечивает работу сигнальных устройств, которые отображают факт срабатывания релейного защитного комплекта или отдельного его органа.

Для успешного выполнения своего предназначения, УРЗА должны обладать определёнными качествами. Выделяют четыре основных требования, которые предъявляются к аппаратуре РЗ. Рассмотрим их по отдельности.

Селективность.

Это свойство защитных систем заключается в выявлении повреждённого участка электрической сети и выполнении отключений в необходимом и достаточном объёме с целью его отделения. Если в результате работы защитной автоматики произошло излишнее отключение оборудования системы электроснабжения, такое срабатывание автоматики называется неселективным.

Различают системы защитной автоматики с абсолютной и относительной селективностью. К первому типу относятся устройства, реагирующие только на нарушения режима строго в пределах защищаемого участка.

Примером такой защитной системы может служить дифференциальный токовый защитный комплект, срабатывающая только при повреждениях между точками сети, в которых контролируется разность токов.

Относительной селективностью обладают системы максимального тока, которые, как правило, реагируют на нарушения режима на участках, смежных с непосредственно защищаемой ими зоной. Обычно во избежание неселективного срабатывания, такие системы автоматики имеют искусственную выдержку времени, превосходящую время срабатывания защитных комплектов на смежных участках.

Примечание. Искусственной называют выдержку времени, создаваемую специальными органами задержки срабатывания (реле времени).

Быстродействие.

Отключение повреждённого участка или элемента сети должно быть осуществлено как можно быстрее, что обеспечивает устойчивость работы остальной части системы и минимизирует время перерыва питания потребителей.

Главным показателем быстродействия служит время срабатывания защищающего устройства, которое отсчитывается от момента возникновения аварийного режима до момента подачи защитой сигнала на отключение выключателя.

Иногда время срабатывания системы автоматики трактуют как время между возникновением повреждения и отключением повреждённого участка, то есть, включают в него время работы выключателя.

Это не совсем верно, так как выключатель не является частью УРЗА и по его параметрам нельзя оценивать эффективность релейной защиты сетей и систем электроснабжения.

То есть, учитывать время отключения выключателя необходимо, но следует помнить, что это не характеристика РЗ. Для справки можно заметить, что время отключения выключателя значительно больше времени срабатывания собственно реле автоматики (без учёта искусственной задержки).

Чувствительность.

Данное качество характеризует способность системы автоматики к гарантированному срабатыванию во всей зоне её действия при всех видах нарушений режима, на которые данная автоматика рассчитана. Чувствительность системы автоматики является точным численным показателем, значение которого проверяется в расчётных режимах с минимальными значениями параметров её срабатывания.

Надёжность.

Универсальная характеристика всех технических устройств, заключающаяся в способности РЗ функционировать длительно и безотказно. В соответствии со своим основным предназначением.

Принцип действия

Непрерывный мониторинг всех элементов энергетической системы с реакцией на появление повреждений и аварийные режимы есть главные функции релейной защиты. В электрических цепях энергосистемы устанавливаются специальные выключатели. Они выполняют отключение токов, которые появляются в результате повреждений и аварий. Защита должна определить участок с повреждением и воздействием на ближайший выключатель, который способен отключить участок от энергосистемы выполнить отключение. Пример показан на изображении ниже:

Однако отключения это не единственное назначение релейной защиты. Защитные устройства должны различать свойства нарушения и по возможности либо автоматически выполнять действия для того чтобы нормальный режим в энергосистеме был восстановлен, либо сигнализировать соответствующим службам, которые смогут принять необходимые меры по этому нарушению.

В современных электросетях используются и другие группы устройств автоматики:

• автоматическое повторное включение;
• автоматическое включение резервного питания;
• автоматическая частотная разгрузка.

Эти три основные группы лишь часть перечня. Релейная защита имеет с ними наиболее тесное и первостепенное взаимодействие.

Наиболее часто защитные системы устраняют различные виды короткого замыкания, показанные на изображении ниже:

Причинами таких повреждений могут стать:

• межвитковые короткие замыкания в электрических двигателях и трансформаторах;
• разрушение изоляционного материала в токоведущих частях со временем и под воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды;
• механические повреждения;
• перенапряжения;
• состояние проводов линий электропередачи при сильном ветре и гололёде;
• оставленные подключенными и забытые после ремонта заземления.

В дополнение к перечисленным причинам повреждений в электрической сети могут возникать режимы с параметрами, выходящими за установленные значения для работающего оборудования, так называемые «ненормальные режимы»:

• сверхток, который превосходит номинальный ток и дополнительно нагревает токоведущие части, а также их изоляцию сокращая срок их нормальной работоспособности;
• перенапряжения, вызванные отключениями электрогенераторов и протяжённых высоковольтных линий электропередачи;
• нарушение правильной фазировки роторов электрогенераторов, работающих параллельно, что приводит к качаниям и понижению напряжения у потребителей электроэнергии;
• возникновение асинхронного режима в синхронном генераторе, что приводит к уменьшению напряжения у потребителей и вызывает риск потери устойчивости энергосистем с параллельно работающими электрогенераторами.

В зависимости от своего назначения системы защиты соответствуют:

• требованиям для ситуаций связанных с повреждениями;
• то же самое, но для ненормальных режимов.

В ситуациях с повреждениями релейная защита должна обладать

• избирательностью, иначе – «селективностью», чтобы максимально точно выбирать электрические цепи, связанные с местом повреждения и выполнять оптимальные отключения;
• быстродействием, поскольку большая электрическая мощность, расходуемая в месте повреждения, и тепло, связанное с ней, приводят к более разрушительным последствиям при увеличении времени отключения;
• чувствительностью, чтобы фиксировать повреждение на необходимом удалении от места его возникновения;
• надёжностью, чтобы срабатывание происходило только при возникновении повреждения в заданной области и не происходило по ошибке при его отсутствии.

При ненормальных режимах в целом требования такие же, как и для повреждений. Отличие заключается только в менее жёстких требованиях к быстродействию систем защиты.  В некоторых случаях отключение может быть сделано ручном режиме и от защиты необходимо получить лишь сигнал для этого.

Требования к защите

Предмет мониторинга для комплексов РЗиА — отклонения в работе силового электрооборудования. Их разделяют на 2 вида:

1. Повреждения. Основная причина — короткие замыкания и заземление фаз. Как правило, повреждение одного узла приводит к нарушениям работы остальной системы.
2. Ненормальные режимы. К ним относят все недопустимые отклонения от эталонных показателей работы элементов при отсутствии повреждений.

Повреждения и ненормальные режимы создают благоприятные условия для поломки или ускоренного износа электрооборудования, и процессы могут происходить очень быстро, буквально за миллисекунды. Поэтому своевременное обнаружение и правильная реакция систем контроля крайне важна для сохранения работоспособности всей системы. Поэтому существуют требования к релейной защите, на основании которой проектируется РЗиА систем энергоснабжения.

Надёжность и простота

Надёжность систем защиты — основное требование, определяющее безотказную работу всей энергетической системы. В упрощённом виде требование означает, что система защиты должна быть готова правильно функционировать в любое время и при любых неисправностях и ненормальных режимах работы энергосистемы, для которой она предназначена. Надёжность — количественный термин, определяемый статистическими данными. С ростом числа подключений и соединений, генераторов и трансформаторов требования к надёжности повышаются. Показатель достигается за счёт:

• удобства в монтаже;
• высокого качества контактов;
• пылезащищённости корпусов;
• применения качественных материалов для контактных групп;
• высокого качества изготовления;
• тщательного обслуживания и ухода.

Избирательность (селективность) и чувствительность

Избирательностью называют способность защиты безошибочно выбрать аварийную часть системы и изолировать неисправный элемент, не нарушая функционирование остальных. Качественная спроектированная и эффективная РЗА в состоянии верно отреагировать на сбой, не допуская обесточивания элементов без необходимости. Чувствительностью РЗА называют наименьшее значение величины, приводящей её в действие, при которой она включается в работу из-за появления тока короткого замыкания в зоне контроля.

На описанные параметры влияют такие факторы:

• погрешности измерений;
• погрешности в настройках;
• точность самих реле;
• окружающая среда;
• параметры расчёта неопределённости.

Факторы безопасности и чувствительности являются специфичными для каждого объекта. Ограничения могут корректироваться, например, требованиями к устойчивости работы или возможностями переключения на резервные источники питания. Контуры с высокой степенью чувствительности всегда относительно сложны, состоят из большого количества оборудования и недешевы. Подобная защита используется только в тех случаях, когда простые механизмы не могут быть применены по причине низкой чувствительности.

Быстродействие работы

Быстродействие заключается в скорости выявления и отключения аварийных элементов системы. Современные реле защиты делают это за промежуток времени меньший, чем один период промышленной частоты. Скорость крайне важна как фактор, позволяющий добиться:

• сокращения ущерба;
• повышения устойчивости систем электроснабжения;
• сокращения прерывания для потребителей;
• снижения вероятности развития одной неисправности в другую;

Назначение и применение

Все энергосистемы образованы электростанциями, подстанциями, линиями электропередачи и установками потребителей энергии. В результате тех или иных событий в каждой из перечисленных составляющих энергосистем могут возникать различные повреждения и аварии. При повреждениях токи могут многократно увеличиваться, а напряжение генерируемое электростанциями и далее на подстанциях уменьшаться до неприемлемой величины.

При этом возникает зона высоких температур и даже разрушения вблизи места повреждения. В зоне высоких температур оказываются провода линий электропередачи и оборудование, для которых увеличение температуры может быть опасным. А понижение напряжения связанное с такими процессами может привести к нарушению устойчивости параллельной работы электростанций и нарушить нормальную работу подключенных к ним потребителей.

Ещё больше усугубляет эти процессы изменения частоты напряжения, особенно в сторону уменьшения. При этом существенно увеличивается вероятность насыщения магнитопроводов электрических машин, что дополнительно увеличивает величину токов и расширяет зону высоких температур. Поэтому для сохранения целостности отдельных частей и энергосистемы в целом при возникновении повреждений и аварий, а также для сохранения нормального функционирования оборудования за пределами аварийного участка последний должен быть отключён и изолирован максимально быстро.

Многие аварийные ситуации поначалу являются допустимыми перегрузками. Однако просуществовав определённое время, такие перегрузки оборачиваются опасными последствиями. При своевременном изменении режимов перегрузки, можно было бы избежать их. Поэтому в случае необходимости лучше обесточить перегруженное оборудование. Обрабатывать данные и выполнять отключение в случае повреждений необходимо за доли секунды. Подобную скорость можно получить только средствами автоматизации.

Способ защиты, основанный на применении автоматических реле, называется релейной защитой.

Селективность

Селективностью, или избирательностью, называется действие защиты, обеспечивающее отключение только поврежденного элемента системы посредством его выключателей.
Существует два вида селективности:

1) Абсолютная селективность. Если по принципу своего действия защита срабатывает только при Коротком Замыкании (КЗ) на за­щищаемом элементе, то ее относят к защи­там, обладающим абсолютной селектив­ностью. Имеется ЛЭП, состоящая из трех участков. Произошло КЗ в точке К2. КЗ должна отключить РЗ выключателя Q5.  Если эта защита действует только на участке БВ, и не срабатывает при КЗ на участке ВГ, то она имеет абсолютную селективность.

2) Относительная селективность. Защиты, которые могут срабаты­вать как резервные при повреждении на смежном элементе, если это повреждение не отключается, называются относительно селективными. Произошло КЗ в точке К3. КЗ должна отключить РЗ выключателя Q8.  Если эта защита не действует, то КЗ должно отключиться защитой выключателя Q6, которая в данном случае будет работать как резервная и иметь относительную селективность.
Иногда в целях упрощения допускают неселективное действие защиты.

Таким образом, требование селективности является основным условием для обеспечения надежного питания потребителей.
Селективное действие защит при наличии резервного питания потребителей дает возможность исключить перерывы в их электроснабжении.
При отсутствии резервирования даже при селективном действии защит возможна потеря питания.
Т.к. повреждение на носят в основном проходящий характер наиболее эффективности в этом случае будет применение . АПВ обеспечивает 70-90% успешных повторных включений.
Требование селективности не должно исключать возможность действия защит как резервных в случаях отказа защит или выключателей смежных элементов. Пример: отказ защит 8 при К.З.в К3.

Надёжность

Надежность устройств РЗ — способность устройств выполнять заданные функции при заданных условиях эксплуатации.

Классификация неправильных случаев работы устройств РЗ:

1. Излишнее срабатывание защиты — когда через защиту протекал ток КЗ, но защита не должна была сработать. Например, при КЗ на одной линии электропередачи правильно сработала защита данной линии и отключила поврежденную линию, но одновременно с этим излишне сработала защита на другой линии и также отключила её.
2. Ложное срабатывание защиты — когда защита сработала при отсутствии тока КЗ, например, в нормальном режиме.
3. Отказ в срабатывании защиты — когда при КЗ на защищаемом элементе энергосистемы защита должна была сработать, но не сработала.

Излишнее и ложное срабатывания устройств РЗ в некоторой степени исправляются устройствами АПВ (излишне или ложно отключенная линия через несколько секунд включается от устройства АПВ) Отказ в срабатывании защиты приводит к тяжелым последствиям: развитие аварии, увеличение объёма повреждений

Поэтому когда речь идет о надежности устройств РЗ, основное внимание обращается на предотвращение именно отказов устройств РЗ, а не излишних и ложных срабатываний. И повышение надёжности работы устройств РЗ — это снижение вероятности их отказов.

Для предотвращения отказов защит применяются следующие технические мероприятия:

1. Ближнее резервирование защит.
2. Дальнее резервирование защит.

При ближнем резервировании защит для защиты одного элемента энергосистемы применяется не одно устройство РЗ, а два устройства РЗ: основная защита и резервная защита. Основной защитой называется защита, имеющая минимальное время срабатывания. Резервной называется защита, имеющая большее время срабатывания.

Недостатки ближнего резервирования защит:

1. Требуются дополнительные затраты на установку резервных защит.
2. Ближнее резервирование может оказаться неэффективным, например, при исчезновении оперативного тока на подстанции или при отсутствии сжатого воздуха для воздушных выключателей.

При дальнем резервировании защит устройство РЗ, предназначенное для защиты одного элемента энергосистемы, является резервной защитой для другого элемента энергосистемы.

Дальнее резервирование плохо тем, что при отказе защиты на одной ВЛ происходит погашение всей подстанции. Но зато, во-первых, не требуется дополнительных затрат, так как для дальнего резервирования используются существующие защиты, а во-вторых, дальнее резервирование обеспечивает отключение повреждения даже при полной неработоспособности выключателей и защит на подстанции, от которой отходит поврежденная линия.

Перечень базовых функций защит

В соотвествие со стандартом выделяют следующие функции релейной защиты:

Литература

1. Чернобровов Н. В., Семенов В. А. «Релейная защита энергетических систем»: Учеб. пособие для техникумов. — М.: Энергоатомиздат, 1998. −800с.: ил.

2. Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989.

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.

В общем случае время отключения повреждённого элемента равно:

\displaystyle
t_{\text{откл}}= t_{\text{ср.з}} + t_{\text{з}} + t_{\text{выкл}} + t_{\text{д}},

где t_{\text{откл}} — время отключения; t_{\text{ср.з}} — собственное время срабатывания защиты; t_{\text{з}} — выдержка времени, установленная на защите; t_{\text{выкл}} — собственное время срабатывания выключателя; t_{\text{д}} — время горения дуги в выключателе.

Длительное существование режима КЗ может привести к следующим отрицательным последствиям:

1. Увеличение объема повреждения оборудования (чем дольше горит — тем больше выгорит).
2. Повреждение другого оборудования, по которому протекает ток КЗ.
3. Нарушение работы потребителей (из-за пониженного напряжения вблизи точки КЗ).
4. Нарушение устойчивости работы генераторов, электростанций, энергосистем.

Поэтому устройства РЗ должны выявлять и отключать поврежденное оборудование как можно быстрее. Практически времена срабатывания устройств РЗ находятся в диапазоне от сотых долей секунды до нескольких секунд.

С точки зрения быстродействия все защиты разделяются на два вида:

1. Защиты без выдержки времени: не имеют замедления с помощью реле времени. Юридически считается время срабатывания защиты ноль секунд, фактически у каждой защиты имеется собственное время срабатывания, не равное нулю. Ориентировочные собственные времена срабатывания защит:
   • электромеханические защиты: tСЗ ≈ 50-100 мсек.
   • электронные защиты: tСЗ ≈ 30-40 мсек.
   • микропроцессорные защиты: tСЗ ≈ 20-40 мсек.
2. Защиты с выдержкой времени: имеют замедление срабатывания с помощью реле времени. Выдержка времени защит составляет примерно от 0,3 до 9 сек.
   • В сетях 35 кВ и ниже вполне допустимо отключение повреждения с выдержкой времени до нескольких секунд.
   • В сети 110—220 кВ короткие замыкания отключаются устройствами РЗ, как правило, с временем, не превышающим одной секунды.
   • В сети 500 кВ, как правило, любое КЗ в любой точке отключается без выдержки времени.

Классификация реле по принципу работы

Большинство защитных устройств в виде реле работает по принципам электромагнитной индукции, однако контролируемые признаки и способ реакции могут быть разными. На данный момент к наиболее популярным можно отнести виды релейной защиты, работающие по следующим схемам:

• Газовые. Также к этой группе можно отнести масляные датчики-контроллеры. В обоих случаях задача устройства заключается в фиксации утечек охлаждающих веществ трансформатора. В случае разгерметизации каналов подачи масла или газа реле автоматически отключает оборудование.
• Дифференциальные. Такие реле используются также в трансформаторах, генераторах и на подстанциях, контролируя токовые величины. Стандартная модель реакции предполагает отключение устройства, если входные величины имеют большую разницу с выходными показателями.
• Направленно максимальные. Простейшие реле, активизирующие защиту при фиксации избыточно высоких показателей напряжения, мощности или силы тока.
• Дистанционные. Блокировочные реле, которые фиксируют короткие замыкания и помехи в цепи, после чего отключают аппаратуру.
• Дуговые. Такие реле устанавливаются на комплектных трансформаторах и подстанциях. С помощью оптических датчиков и сенсоров давления они фиксируют признаки возгорания, запуская соответствующие системы пожаротушения.

Цифровые электронные системы

В настоящее время в работе находится немало систем, спроектированных и смонтированных десятки лет назад на основе простейших электромагнитных реле. Такая ситуация связана с длительным сроком службы и удовлетворительной надёжностью электромеханических устройств. Системы последних поколений производятся на базе электроники и цифровой техники. К их преимуществам можно отнести множество отличий от классических:

• содержат в себе меньше измерительных трансформаторов и позволяют использовать линейные преобразователи, такие как оптические трансформаторы тока и делители напряжения;
• обладают небольшим энергопотреблением в режиме контроля;
• предлагают большую точность и гибкость настроек;
• оснащены качественными интерфейсами и пультами дистанционного управления;
• как правило, дешевле при равных функциональных возможностях с электромеханическими.

Защита становится всё более сложной. Для неё разрабатывается специализированное программное обеспечение, и она строится на модульной основе. Современные продукты предполагают возможность коммуникации через интернет (в том числе и беспроводную) и программирование по USB. Конечно, использование высокотехнологичных защит предполагает обслуживание и поддержку от квалифицированных специалистов. В большинстве случаев проектирования и монтажа речь идёт о комплексном пакете, включающем оборудование, устройство его на месте работы, программирование и техническое обслуживание.