Основные требования, предъявляемые к релейной защите

В очередной статье из рубрики «РЗА для начинающих» мы познакомим Вас с основными требованиями, которые предъявляют к релейной защите.

Чаще всего выделяют следующие четыре основных требования:

• селективность;
• чувствительность;
• быстродействие;
• надежность.

Понятие релейной защиты и автоматики (РЗиА)

Правила техэксплуатации и устройства электроустановок (ПУЭ, ПТЭ) регламентируют применение релейных типов защиты. Данные приборы, а скорее, комплексы специальных элементов, часто совмещаются с автоматикой, поэтому сокращено называются РЗиА (а также это сокращение без «и» или РЗ).

По нормам ПТЭ силовые узлы и линии электроустановок — электростанций, подстанций, электросетей — защищаются от коротких замыканий (КЗ), ненормальных состояний, сверхнагрузок узлами РЗ и автоматики. Такие устройства интегрируются в конструкции, являются их частью (закладываются еще на стадии проекта), реже — монтируются к ним отдельно. Должны по правилам быть в постоянном состоянии готовности (ожидания), за исключением выводящихся из задействования согласно особенностям их задач, принципа конструкции, режимов энергообъектов, требованиям избирательности (селективности). Узлы сигнализации (предупреждение и сообщение о развитии поломок) должны также всегда быть готовыми к активации.

Где применяется

РЗиА ставят на электростанциях, генераторах, на любых электроустановках, на подобных габаритных мощных устройствах, то есть сфера использования не ограниченная, если релейная защита необходима по проекту. Область применения конкретизируется ПУЭ:

Содержание главы 3.2 ПУЭ:

Для чего применяется РЗиА

Что такое релейная защита объясним более конкретно, описывая ее назначение. При задействовании электрооборудования, сетей, всегда сохраняются риски их повреждений, некорректные режимы, часто их невозможно избежать или такие условия характерные для работы ЭУ. Наиболее критические — перегрузки и КЗ. Причины: пробои, повреждения изоляционных частей, разрывы, ошибки работников, например, отсоединение узлов под нагрузкой, неправильная подача на заземленные конструкции напряжения.

КЗ на участке, где оно возникло, провоцирует появление электродуги, термическое влияние которой ведет к, как правило, бесповоротному разрушению токоведущих элементов, изолирующих частей, электроустройств в целом (реже, но такие случаи весьма распространенные). При этом на поврежденный сегмент подводятся высокие токи короткого замыкания в тысячи ампер. Возникает почти моментальный нагрев, за секунды элементы накаляются. Термические процессы также повреждают исправные участки, происходит развитие неполадки, пожар. На связанных магистралях, объектах параметры электричества глубоко понижаются, что причиняет остановку электромоторов, функционирование параллельно задействованных конструкций, генерирующих приборов, критически нарушается.

В описанных ситуациях важно моментально остановить развитие последствий, обычно этого достаточно для полного предотвращения аварий. Указанное достигается оперативным отключением опасного участка ЭУ, сети — автоустройствами, функционирующими на расцепление контактов, обесточивание. Это и есть релейного типа защита, она же РЗ или РЗиА.

Задачи РЗ

РЗ деактивирует выключатели конструкции с неполадкой, при этом электродуга гаснет или даже не успевает возникнуть. Моментально останавливается течение ампер КЗ, параллельно на исправной части ЭУ или в сети восстанавливаются нормальные величины электричества. Минимизируются, исключаются повреждения оснащения с КЗ, нормализуется режим рабочего оборудования.

Задачи:

• выявляет точку КЗ, локацию поломки;
• быстро обеспечивает автоотключение, отделяет оснащение с небезопасным фактором, опасный сегмент от рабочих конструкций, сетей;
• фиксирует неполадку и сообщает о ней, предупреждает о возможности аварии;
• создает выдержку перед деактивацией, если это необходимо.

Особенности

Возможны и другие нарушения на ЭУ: перегрузка, замыкание различного рода, образование газовых масс в трансформаторах, понижения там объема масла и пр. Если такие неполадки не опасные, самоустраняются, может не требоваться моментальное обесточивание. Обычно при наличии на ЭУ постоянного обслуживания специалистами хватит выдачи им уведомления. В иных случаях достаточно отключения, но с паузой.

Реле РЗ — это приборы, узлы с автоматическим принципом, осуществляющие изменение характерного периодического типа («релейное действие», скачками) при установленной трансформации (модификации) наблюдающихся характеристик.

Проще говоря, РЗ при фиксации нарушений параметров ЭУ производит обесточивание, разводит контакты. Пример: реле при критическом возрастании Ампер на контролируемой цепи (туда заведена его токовая намотка) до прописанной отметки расцепляет соединения.

Прибор РЗ — это взаимодействующая система реле и узлов вспомогательных, автоматических, устройств, отключающих оборудование, когда оно повреждается, при ненормальных состояниях.

Селективность

Для понимания требования селективности рассмотрим рисунок

При коротком замыкании в точке К должна сработать защита на выключателе Q5 и дать команду на его отключение. При этом остальная неповрежденная часть электрической установки останется в работе. Такое действие защиты называется селективным.

Защиты, которые воздействуют на вышестоящие выключатели (расположенные ближе к источнику питания) срабатывать не должны.

Например, если сработают защиты на выключателе Q3, то вместе с поврежденным участком будет обесточен двигатель М2, который нормально находился в работе и повреждений в питающей его электросети не было. Такое действие защиты называется неселективным.

Вот еще один пример принципа селективности, хоть он и касается низковольтных защит.

Представим, что в квартире есть несколько линий от электрощитка к розеткам. Каждая линия защищается своим автоматическим выключателем. Также есть вводной автоматический выключатель, который питает всю квартиру.

При возникновении короткого замыкания на одной из линий должен отключиться автоматический выключатель только этой линии, а вводной автоматический выключатель должен остаться в работе. Это и будет селективная работа защит.

Селективность или избирательность — это способность релейной защиты выявлять место повреждения и отключать его только ближайшими к нему выключателями

Алексей Бобков

Автор статьи, инженер-проектировщик систем релейной защиты станций и подстанций

Виды

Сначала опишем отдельно логическую защиту для шин, сокращенно — ЛЗШ. Принцип: сравнивает состояние защит питающих частей и отходящих фидеров (отводов кабеля). Образец алгоритма: защита на одном из последних отключилась, значит, на нем КЗ; не стартовала на них вообще — КЗ на шинных элементах. При КЗ на отводе активируются защиты (токовые расцепители) на нем и на узлах питания участка (вводы ТТ, выключатели сегмента).

Далее, по факту сработки происходит блокировка отключения питающих частей без паузы. При КЗ на шинных частях распределительной схемы запуск РЗ на отводах не происходит, и при активации таковой на питающих узлах она допускается без выдержки.

Остальные виды релейной защиты:

Надежность

Вряд ли кому-то захочется иметь в своем распоряжении систему, которая может отказать в любой момент. А тем более, если от этой системы зависит целостность дорогостоящего оборудования. Ведь основной задачей релейной защиты является устранение ненормальных или аварийных режимов работы оборудования, которые могут привести к его повреждению и выходу из строя. И если в момент короткого замыкания, например, на линии, релейная защита откажет – не миновать тогда разрушений, убытков и других тяжелых последствий.

Поэтому надежность – главное требование к системам РЗА.

Надежность – это свойство защиты гарантированно выполнять свои функции на протяжении всего периода эксплуатации. Защита должна правильно и безотказно действовать на отключение выключателей оборудования при всех видах повреждений и нарушениях нормального режима работы и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима работы, при которых действие данной защиты не предусмотрено.

Достигается надежность релейной защиты путем применения нескольких комплектов защит (в случае отказа одного комплекта отработает другой), выполенением защит на разных принципах действия (токовые защиты, дифференциальные, дистанционые и т.д.).

Иногда для защиты объекта одновременно могут использоваться устройства защиты, выполненные на совершенно различной элементной базе – микропроцессорные и микроэлектронные, микропроцессорные и электромеханические. Хотя тенденция такова, что микропроцессорные защиты вытесняют все прочие виды реле.

Автоматика

Электроавтоматика, в отличие от РЗ, не только отключает оснащение, но и включает. В первую очередь, это автовключения: повторное (АПВ) и резерва питания (АВР).

Есть также разновидности с контролем персоналом оснащения релейной защиты, это автоматика:

• регулировка задействования генераторов, синхронных моторов (АРВ);
• для выключателей (АУВ), для резервирования их отказов (УРОВ);
• контроль позиций переключателей ТТ (АРНТ);
• настраивание дугогасящих обмоток (АРК), статконденсаторов;
• трансформаторное охлаждение;
• наладка (синхрон) генераторов;
• частотный старт гидрогенераторов (АЧП);
• выявление мест неполадок цепей (ОМП).

Противоаварийная:

• режимная: частотн. разгрузка (АЧР)
• задействование деактивированных АЧР систем (ЧАПВ);
• авторегулирование частоты и действующей мощности (АРЧМ);
• авторазгрузка по напряжению (ДАРН); по току (ДАРТ);

Устройство

Рассмотрим устройство в процессе описания действия РЗиА:

Требования к РЗиА

Требования к релейной защите исчерпывающе прописаны в ПУЭ (Р. 3 Гл. 3.2), а также в многочисленных пособиях — смысла дублировать их в статье нет. Обобщим их так, чтобы читатель смог сориентироваться, на что обратить внимание, быстро найти и уточнить их в указанных источниках.

Выполнением каких принципов обеспечивается работоспособность

Нарушения в работе РЗиА при некорректном подборе, монтаже, несоблюдении норм:

• ложные тревоги при исправной ЭУ и сети;
• ненужные активации, например, когда сработка исполнительных узлов излишняя;
• повреждения конструкции РЗ.

ПУЭ и связанные нормативные акты предъявляют требования, с помощью которых исключается перечисленное выше (касаются проекта, монтажа, настройки и запуска, техобслуживания):

• соблюдение по классам, уровням надежности;
• чувствительность;
• быстрота сработки;
• селективность — обеспечение уровней активации защиты в правильном порядке. Этот параметр тесно связанный с предыдущими двумя.

Надежность

Определяется такими характеристиками:

• безотказностью;
• соблюдением количества заложенных при создании РЗ циклов сработки;
• ремонтопригодностью;
• продолжительностью службы, сохраняемость. Ее должен гарантировать производитель, конструктор согласно ТУ (которая обязательно согласовывается с ГОСТами, ПУЭ) продукции. Изделие должно иметь паспорт и сертификат.

Каждая позиция имеет свою оценку, указанную в техдокументации, в утвержденном согласно нормативным документам проекте.

Есть 3 позиции по надежности при ТО и эксплуатации РЗ по активации: при КЗ внутренних на рабочих локациях, за их границами, при функционировании без неисправностей. Надежность бывает 2 типов: эксплуатационная и аппаратная.

Чувствительность

Требования, предъявляемые к РЗА, релейной защите в первую очередь касаются функциональных настроек, так как фиксация пороговых значений, нарушения уставок подразумевают наличие у РЗ определенной чувствительности.

Надо правильно определить, какая предполагаемая степень нарушения режима, перегрузки является опасной, и подобрать под нее соответственно настроенный вариант РЗ.

Есть уравнение для чувствительности (ее числового значения) при возникновении КЗ. Применяется специальная характеристика — Кч, коэффициент.

Кч = Iкз min/Iсз

Расчет: отношение наименьшего тока КЗ рабочего участка к величине тока активации. РЗ нормально функционирует при Iсз < Iкз min. Наиболее оптимальная чувствительность (коэфф.) — 1.5–2.

Быстродействие

Быстрота обесточивания имеет 2 составляющие:

• сработка защитных алгоритмов с командой на нижеуказанный узел;
• задействование привода выключателя.

Реагирование по времени регулируемое в диапазоне мин.-макс. значения в зависимости от возможностей устройства релейной защиты, применяемых элементов. Задержка сработки создается внедрением специальных реле с возможностью настройки, такая опция используется для наиболее отдаленных защит. РЗ размещенные ближе к месту неполадки, к защищаемому участку настраиваются на более короткий временной интервал активации или применяются без него.

Селективность

Второе название данной характеристики — избирательность. Опция позволяет определить место повреждения в схемах любой сложности.

Генератором вырабатывается и подается электричество потребителям на сегментах 1–3 (каждый со своей защитой). При КЗ на приборе потребителя на 3 промежутке, ток течет по всем узлам РЗ, начиная от источника энергии. В таких условиях целесообразно отключать цепь сегмента с неисправностью, например, электромотора, оставляя задействованными остальных исправных потребителей. С этой целью есть возможность делать уставки РЗ для каждой цепи. Обычно такие особенности закладываются еще на стадии проектирования.

Защита 5 3-го сегмента должна фиксировать токи неполадок раньше, и оперативнее активироваться, отключая поврежденные сегменты от цепей. Поэтому величины токово-временных уставок на каждом промежутке снижаются от генератора к потребителю. Прицип: чем дальше от локации поломки, тем меньшая чувствительность. Так одновременно реализуется резервирование, учитывающее возможность эффективной защиты при неполадках любых приборов, включая и системы РЗ более низкой ступени. Описанная схема означает, что при поломке самой защиты 5 сегмента 3 при аварии должны активироваться приборы защиты 3 или 4 промежутка 2. А эти секции, в свою очередь, подстраховываются защитными узлами сегмента 1.

Чувствительность

Релейная защита должна быть чувствительна к тем видам повреждений, от которых она защищает. “Чувствительна” в данном случае означает, что защита должна выполнить необходимое ей действие (выдать команду на отключение выключателя, подать звуковой сигнал) сразу при возникновении повреждения в защищаемом ей участке. В то же время защита не должна быть излишне чувствительной, то есть не должна работать в нормальном режиме, при кратковременных перегрузках.

Мерой чувствительности релейной защиты служит коэффициент чувствительность Кч, определяемый как отношение минимального значения контролируемой величины при КЗ в конце защищаемого участка к уставке защиты.

Значения коэффициента чувствительность для различных зон защиты нормируются в ПУЭ.

Минимальный коэффициент чувствительности при КЗ в основной зоне Кч=1.5, в зоне резервирования – Кч=1.2, для быстродействующих дифференциальных защит Кч=2.

Чувствительность — это свойство защиты надежно срабатывать при КЗ в конце защищаемого участка в минимальном режиме работы системы.

Нюансы управления

РЗ выполняется отдельным блоком, является самостоятельной схемой, несмотря на то, что зачастую интегрируется в саму конструкцию ЭУ. Такие узлы входят в общие комплексы, составляющие систему антиаварийного контроля энергосистемы, где все узлы взаимосвязаны, реализуют поставленные задачи вместе.

Ниже схема (упрощенно) функций и действий автоматики:

Схема

Разновидностей, комбинаций, мест релейной защиты на сетях и в ЭУ чрезвычайно много. Есть также стандартизированные варианты, своеобразные шаблоны — принципиальные схемы. Но независимо от сложности любой чертеж можно понять, только научившись его читать. Этот навык необходим для работы с РЗиА.

По важности и сложности «принципиалки» комплектов РЗиА вторые в проекте всей системы электрооборудования. Во всех случаях — при разработке или для проверки готовых схем потребуются хотя бы минимальные навыки в электротехнике. Даже специалистам порой сложно разобраться в схеме РЗ на элементарном вводе трансформаторов 10 кВ, не говоря уже в целом для подстанции 110/10 кВ.

Рассмотрим прием, упрощающий понимание чертежей. Нижеописанный метод стандартный и распространенный, он не наносит ущерб качеству анализа.

Разбивка схемы на части

Целая схема чрезвычайно сложная для восприятия, поэтому ее условно разделяют на обособленные участки и анализируют каждый отдельно.

Рассмотрим РЗиА с терминалами на микропроцессорах, разделим чертеж на 10 позиций:

• поясняющая;
• цепи: измерений (тока, напряжений);
• механизма выключателя;
• задействованного тока (оперативного), в том числе питание терминала;
• сигнализации;
• выходные, в том числе ТС и резерва;
• АСУ;
• вспомогательные (обогрев, свет, розетки и пр.);

Не каждый комплект РЗ содержит все 10 позиций, но отсутствие какой-либо должно быть обосновано, если же это невозможно сделать, то в наличии ошибка в схеме.

Указанный метод — это своеобразный чек лист, система анализа. Полученные результаты можно зафиксировать списком с галочками напротив пунктов и передать исполнителю перед конструированием.

Пример проверки: обосновывается отсутствие цепи привода в ТН 10 кВ (позиция 2 в разделе «цепи» списка) тем, что ячейка последнего без выключателя, и это логично. Если же ответа на поставленный вопрос, например, почему по вводу 10 кВ в РЗ отсутствуют данные параметрирования, нет, то в наличие ошибка, особенно для терминалов с гибкой логикой.

Типовые ошибки схем:

• в токовых цепях — неправильная полярность при подсоединении ТТ к терминалу;
• цепи привода — взвод (готовность к активации). Может быть неправильное смыкание, разомкнутость. Надо проверять сопоставляя с алгоритмом терминала;
• цепи оперативных токов — ключи контроля, режима управления (МУ/ДУ);
• цепи дуговой защиты, конструкции с генерированием особенно подвержены таким сложным ошибкам.

Пример разбивки схемы и прочтения

Для объяснения мы взяли популярный пример из интернета, к нему также в сети есть видеоматериалы. Схему покажем по частям (соединяются в горизонтальной плоскости), так как она достаточно большая.

Чертеж для РЗ с электромеханическими реле, выключателем ВВТЕЛ Тавридаэлектрик (без терминала, это не цифровая конструкция на микропроцессорах) линии 10 кВ на подстанции 110/10 кВ:

Вторая часть схемы:

Третья часть схемы:

Схема доступная в сети, для ее открытия потребуются специальные программы для чертежей. Далее, выделим и покажем части.

Поясняющая схема:

Измерительные цепи (электромеханика, МТЗ, МТО, цепи питания от переменного опертока привода выключателя, счетчики преобразователи):

Цепи привода (блок питания и управления, цепи электромагнитов):

Цепи оперативного тока (автомат, исполнительные реле, блок питания):

Дуговая защита относится к цепям опертока:

Цепи аварийной и предупредительной сигнализации световой, центральной (ниже):

Выходные цепи (в данном случае это то, что входит в телесигнализацию):

Вспомогательные цепи:

Перечень элементов:

В данном примере нет таблиц логики, данных параметрирования, цепей АСУ, параллельной защиты автоматики, так как эта релейная защита без терминала, не на микропроцессорах.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

КУРС ЛЕКЦИЙ

По релейной защите

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ

НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

При эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений иненормальных режимов работы.

Опасность
повреждений
и
ненормальных режимов работы
линий электропередач и электрооборудования заключается в следующем:

Повреждения

в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения в элементах энергосистемы.

Повышенный ток

выделяет большое количество тепла, вызывающее разрушения в месте повреждения и опасный нагрев неповреждённого оборудования, по которому этот ток проходит.

Понижение напряжения

нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы генераторов и энергосистемы в целом.

Ненормальные режимы работы

обычно приводят к отклонению величин напряжения, тока и частоты от допустимых значений, что создаёт опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а также угрожает повреждением оборудования и линий электропередачи.

Таким образом, повреждения нарушают работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждения или расстройства работы энергосистемы.

Для предотвращения опасных последствий повреждений и ненормальных режимов используется комплекс специальных автоматических устройств, получивший название релейная защита.

Своё название Релейная защита

получила от слова
«реле»,
представляющее собой автоматически действующее устройство, которое приходит в действие (срабатывает) при определенном значении воздействущей на него входной величины.
Релейная защита
является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надёжная работа современной энергосистемы. Она осуществляет непрерывный мониторинг за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы.

Основным назначением релейной защиты является:

— при возникновении повреждений выявлять и отключать повреждённый участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения;

— выявлять ненормальные режимы и, в зависимости от характера нарушения, производить операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подавать сигнал дежурному персоналу.

Релейная защита тесно связана с другими устройствами электроавтоматики – устройствами автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузкой (АЧР) и др. устройствами системной автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима работы электроэнергетических систем.

Трёхфазное к.з.

Трёхфазное к.з.(К(3))является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети:

; ;

Векторная диаграмма токов и напряжений при К(3)

приведена на рисунке 1.1 а.

Ток к.з., проходящий в каждой фазе, отстаёт от создающей его э.д.с. на одинаковый угол , определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыканий:

;

Все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х фазного к.з. равны нулю:

; ;

В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное к.з. представляет наибольшую опасность и является расчётным режимом при определении максимального тока к.з.

Двухфазное к.з.

При двухфазном к.з. (К(2)) токи и напряжения разных фаз не одинаковы.

В повреждённых фазах в месте двухфазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В

и
С
справедливы следующие соотношения:

— междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами;

— фазные напряжения замкнувшихся фаз.

Так же как и при трёхфазном к.з. фазные токи в повреждённых фазах отстают от создающей их э.д.с. на угол , определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

Векторная диаграмма токов и напряжений при двухфазном к.з. приведена на рис. 1.1 в. По мере удаления от места 2-х фазного к.з. фазные напряжения и и междуфазное напряжение будет увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное к.з.

Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

Векторная диаграмма токов и напряжений в месте 1-фазного к.з. фазы С

приведена на рисунке 1.1 г.

В месте 1-фазного к.з. фазы С

фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:

; ;

Ток к.з. протекает только в замкнувшейся на землю фазе С

:

;

Напряжения неповреждённых фаз а А

и
В
будут превышать э.д.с. соответствующих фаз из-за того, что в неповреждённых фазах наводится э.д.с. взаимоиндукции под действием тока к.з. протекающего в повреждённой фазе.

В некоторых случаях ток однофазного к.з. может быть больше тока трёхфазного к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем 3-х и 2-х фазные к.з., так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы.

Требования, предъявляемые к релейной защите.

Релейная защита выполняется в виде автономных устройств, устанавливаемых на элементах энергосистемы. Устройства релейной защиты реагируют на к.з. и ненормальные режимы и действуют на отключение выключателей защищаемых элементов.

Релейная защита должна срабатывать при повреждениях в защищаемой зоне (при внутренних повреждениях) и не должна срабатывать при повреждениях вне защищаемой зоны (при внешних повреждениях), а также при отсутствии повреждений.

Защиты подразделяют на основные и резервные.

Основной

называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов к.з. в пределах всего защищаемого объекта со временем, срабатывания меньшим, чем у других установленных защит.

Резервной

называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного объекта при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.

Основные требования к защите от к.з.:

Быстродействие.

Быстрое отключение повреждённого оборудования или участка электроустановки уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповреждённой части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом. Последнее условие является главным.

Допустимое время отключения к.з. по условию сохранения устойчивости зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является величина остаточного напряжения на шинах электростанций и узловых подстанций энергосистемы. Чем меньше остаточное напряжение, тем хуже условия устойчивости, тем быстрее нужно отключать к.з. ПУЭ рекомендуют определять остаточное напряжение на шинах электростанций и узловых подстанций при трёхфазных к.з. в интересующей нас точке сети. Если остаточное напряжение получается меньше 60% номинального, то для сохранения устойчивости следует применять быстродействующую защиту.

Полное время отключения повреждения tоткл

складывается из времени работы защиты
tз
и времени действия выключателя
tв
, разрывающего ток к.з.
tоткл
=
tз
+
tв
.

Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время действия 0,02-0,1 с.

Чувствительность.

Защита должна обладать такой чувствительностью в пределах установленной для неё зоны, чтобы обеспечивалось её действие в самом начале возникновения повреждения, чем сокращаются размеры повреждения оборудования в месте к.з.

Таким образом, чувствительность – это свойство защиты, обеспечивающее выявление повреждения электрооборудования в самом начале его возникновения.

Чувствительность защиты должна также обеспечивать её действие при повреждениях на смежных участках сети. Так, например, если при повреждении в токе К1

(рисунок 6) по какой-либо причине не отключается выключатель
В1
, то должна подействовать защита следующего к источнику питания выключателя
В4
и отключить этот выключатель. Такое действие защиты называется
дальним резервированием смежного или следующего участка.
Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при к.з. в конце установленной для неё зоны в минимальном режиме работы системы и при замыканиях через электрическую дугу

.

Чувствительность защиты можно оценить коэффициентом чувствительности Кч

. Для защит, реагирующих на ток к.з.

, где

Iк.min

– минимальный ток к.з.,
Iс.з
– ток срабатывания защиты.

Надёжность.

Требование надёжности состоит в том, что защита должна правильно и безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых её работа не предусматривалась

.

Ненадёжная защита сама становится источником аварий.

При эксплуатации возможны следующие виды отказов в функционировании устройств релейной защиты:

− отказы срабатывания

при требуемом срабатывании;

− излишние срабатывания

при повреждениях в защищаемой зоне с требованием несрабатывания;

− ложные срабатывания

при отсутствии повреждений в защищаемой зоне.

Требование надёжности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкцией аппаратуры, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации.

Требования к релейной защите от ненормальных режимов:

Защиты от ненормальных режимов также должны обладать селективностью

, достаточной
чувствительностью
и
надёжностью
. Но
быстродействия
у защит от ненормальных режимов, как правило,
не требуется
.

Ненормальные режимы часто носят кратковременный характер и самоликвидируются. Например, при кратковременных перегрузках при пуске асинхронного электродвигателя быстрое отключение не только не является необходимым, но и может причинить ущерб потребителям. Поэтому действие на отключение защит от ненормальных режимов должно производиться с выдержкой времени и только тогда, когда наступает опасность для защищаемого оборудования.

В случаях, когда устранение ненормального режима может произвести дежурный персонал электроустановки, защита от ненормальных режимов может выполняться с действием на предупредительный сигнал.

Реле

Основным элементом всякой схемы релейной защиты является реле. Под термином реле

принято понимать
автоматически действующий аппарат, предназначенный производить скачкообразное изменение состояния управляемой цепи при заданных значениях величины, характеризующей определенное отклонение режима контролируемого объекта.
Релейная защита и автоматика включает в себя комплекс реле различного назначения, которые действуют совместно в заданной последовательности (по заданной программе). Реле замыкают или размыкают различные электрические цепи или иным способом скачкообразно изменяют их состояние (например, скачкообразно изменяют их сопротивление), или механически воздействуют на силовые аппараты (выключатели и др.).

В устройствах релейной защиты применяются реле электрические, механические

и
тепловые.
Электрические реле

реагируют на электрические величины – ток, напряжение, мощность, частоту, сопротивление, угол между током и напряжением или двумя токами, или двумя напряжениями.

Механическое реле

реагируют на неэлектрические величины – давление, скорость истечения жидкости или газа, скорость вращения и т.д.

Тепловые реле

реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры.

Наибольшее распространение в релейной защите и автоматике получили электрические реле.

Оперативный ток

Реле косвенного действия воздействуют на включение и отключение выключателей через специальные включающие и отключающие электромагниты путём подачи в них тока, называемого оперативным током.

Оперативный ток также используется для питания вспомогательных реле в схемах релейной защиты и автоматики (промежуточных, реле времени, указательных), а также для работы световой и звуковой сигнализации

Таким образом,оперативным током

называется ток, питающий цепи дистанционного управления выключателями, оперативные цепи релейной защиты, автоматики и различные виды сигнализации.

Источники оперативного тока должны обеспечивать высокую степень надёжности, быть постоянно готовы к действию и обеспечивать необходимую величину напряжения или тока в обмотках электромагнитов включения и отключения коммутационных аппаратов

(выключателей и разъединителей).

Для управления выключателями и питания устройств РЗА в электроустановках используются два вида оперативного тока: постоянный и переменный.

Постоянный оперативный ток

Основными источниками постоянного оперативного тока являются аккумуляторные батареи (АБ) с зарядными устройствами. Стандартными величинами номинальных напряжений постоянного оперативного тока приняты 24, 48, 110 и 220 В.

Для питания устройств РЗА, управления выключателями, аварийной и предупредительной сигнализации, а также других устройств, требующих независимого источника постоянного тока создаётся распределительная сеть (рисунок 12). Для заряда АБ используются зарядные агрегаты выпрямительные или электромашинные.

Распределительная сеть постоянного оперативного тока делится на отдельные участки так, чтобы повреждение на одном из них не нарушало работу других.

Рисунок 12 – Пример принципиальной схемы распределительной сети постоянного тока.

Все потребители оперативного тока делятся по степени их ответственности на категории. Наиболее ответственными потребителями являются цепи оперативного

тока релейной защиты, автоматики и катушек отключения выключателей, питаемые от шинок управления ШУ

. Вторым очень важным участком являются цепи катушек включения, питаемые от отдельных шинок
ШВ
вследствие больших токов, потребляемых катушками включения масляных выключателей. Третьим, менее ответственным потребителем оперативного тока, является сигнализация, питающаяся от шинок
ШС
.

Обычно питание ответственных цепей осуществляется от двух аккумуляторных батарей работающих на разные секции щитов постоянного тока.

В распределительных сетях постоянного тока широко используется секционирование и резервирование.

На каждой линии, отходящей от шин щита постоянного тока, устанавливаются автоматические выключатели (или предохранители) осуществляющие защиту сети при к.з. на отходящих линиях.

Ток к.з. определяется по формуле:

, где

е

– э.д.с. одного элемента батареи, В;

Rэ – внутреннее сопротивление одного элемента батареи, Ом;

n – число элементов в цепи разряда, шт.;

– сопротивление цепи от шин батареи до места к.з. в оба конца, Ом.

ℓ – расстояние по трассе кабеля от шин батареи до места к.з., м;

γ – удельная проводимость, равная примерно 57 для меди и 34 для алюминия; м/Ом×мм2.

S — сечение жил кабеля, мм2.

Нарушение изоляции относительно земли сети постоянного тока может привести к замыканиям на землю и образованию обходных цепей и ложным отключением оборудования, поэтому щиты постоянного тока оборудуются устройствами контроля изоляции, осуществляющими непрерывный контроль состояния изоляции сети постоянного тока относительно земли.

Схема простейшего устройства контроля изоляции приведена на рисунке 13 и состоит из двух вольтметров, включенных между каждым полюсом и землёй.

Рисунок 13 – Схема контроля изоляции цепей постоянного тока с помощью двух вольтметров.

В нормальных условиях, когда сопротивления изоляции каждого полюса относительно земли R(+)

и
R(-)
одинаковы, напряжение каждого полюса относительно земли равно половине напряжения между полюсами, т.е.
U(+) =U(-) = 0,5U
.

Если один из полюсов, например (+), замкнётся на землю, т.е. R(+) = 0

, то соответственно
U(+)
также станет равным нулю, а напряжение
U(-)
возрастёт до полного напряжения между полюсами, т.е.
U(+) = 0 и U(-) = U
. Следовательно, при снижении сопротивления изоляции на одном из полюсов напряжение этого полюса относительно земли, равное в нормальном режиме
0,5U
, понижается, а напряжение другого полюса относительно земли увеличивается на ту же величину.

При помощи кнопок К(+)

и
К(-)
и вольтметров можно определить величину изоляции сети относительно земли (поочерёдно размыкаются кнопки
К(+)
и
К(-)
и записываются показания вольтметров
U(-)
и
U(+)
. Сопротивление изоляции сети относительно земли определяют по формулам:

; ,

где Rв – внутреннее сопротивление вольтметров;

В эксплуатации могут использоваться и другие устройства контроля изоляции, в том числе и автоматически действующие на предупредительный сигнал при снижении изоляции сети до определенного значения.

Аккумуляторные батареи являются независимыми наиболее надёжными источниками оперативного тока и поэтому они нашли широкое применение на электростанциях и подстанциях для питания оперативных цепей релейной защиты, автоматики и управления выключателями.

Однако аккумуляторные батареи имеют высокую стоимость, требуют специальное помещение и наличие зарядного устройства; а обслуживать их должен специально обученный квалифицированный персонал. Кроме того, выполнение распределительной сети постоянного тока требует большого количества контрольного кабеля.

В России питание оперативных цепей от источников постоянного оперативного тока получило распространение на электростанциях и на подстанциях напряжением 110 кВ и выше.

Переменный оперативный ток

Для питания оперативных цепей переменным током используется ток или напряжение сети. При этом в качестве источников переменного оперативного тока служат: трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд.

Трансформаторы тока являются надёжным источником питания оперативных цепей защит от к.з. При к.з. ток и напряжение на зажимах трансформатора тока увеличиваются и следовательно возрастает мощность трансформаторов тока чем обеспечивается надёжное питание оперативных цепей.

Схема питания оперативных цепей защиты переменным оперативным током непосредственно от трансформаторов тока показана на рисунке 14 а). В нормальном режиме катушка отключения выключателя 2

зашунтирована контактами реле
1
и ток в ней отсутствует. При к.з. реле
1
срабатывает, его контакты размыкаются, и ток от трансформаторов тока поступает в катушку отключения
2
, приводя её в действие.

Однако трансформаторы тока не обеспечивают необходимой мощности при повреждениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся увеличением тока. Их нельзя использовать для питания устройств релейной защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, защит от витковых замыканий электрических машин и для защит от ненормальных режимов электроустановок, таких как повышение или понижение напряжения и понижение частоты. В этих случаях в качестве источников оперативного тока должны использоваться трансформаторы напряжения или трансформаторы собственных нужд.

Схема питания оперативным током от трансформатора напряжения и от трансформатора собственных нужд приведена на рисунке 14 б), в). Схема б) применяется для питания оперативных цепей защит, а для питания цепей управления выключателями обычно используется схема в), где для питания цепей управления используется выпрямленный ток.

Рисунок14 – Схема питания оперативных цепей защиты переменным оперативным током

а) непосредственно от трансформаторов тока; б) от трансформаторов напряжения; в) от трансформатора собственных нужд

Однако, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд

непригодны для питания оперативных цепей защит от к.з. т.к. при к.з. напряжение сети резко снижается, и они могут использоваться для таких защит как, например, защиты от перегрузки, от замыканий на землю, повышения напряжения и др.

Помимо непосредственного использования мощности трансформаторов тока и напряжения можно использовать энергию, накопленную в предварительно заряженных конденсаторах. Заряд конденсатора обычно осуществляется в нормальном режиме от напряжения сети. При исчезновении напряжения на электроустановке запасённая конденсатором энергия сохраняется и её можно использовать для питания защит, которые должны работать при исчезновении напряжения.

Схема с питанием от заряженного конденсатора изображена на рисунке 15. Конденсатор 1

питается от трансформатора напряжения через выпрямитель
2
. В нормальном режиме конденсатор заряжен. При действии защиты он замыкается на катушку отключения, питая её током разряда.

Рисунок 15 – Схема питания оперативных цепей защиты переменным током с использованием энергии заряженного конденсатора

В России питание оперативных цепей от источников переменного тока получило широкое распространение в электрических сетях напряжением 6-35 кВ.

Трансформаторы тока

Трансформатором тока называется трансформатор, в котором при правильных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Выбор трансформаторов тока

Выбор трансформаторов тока для релейной защиты выполняется по следующему алгоритму:

1. Определяется рабочий ток защищаемого объекта I раб

.

2. По найденному значению тока и номинальному напряжению выбирается трансформатор тока.

3. Определяется максимально возможное значение тока повреждения защищаемого объекта I к.макс..

4. Рассчитывается кратность тока короткого замыкания как отношение

,

где I1.ном

– номинальный первичный ток ТТ.

5. Зная кратность К

, по кривой 10%-й погрешности определяется допустимая нагрузка
ZН. доп
для выбранного трансформатора тока.

6. Учитывая схему соединения ТТ, рассчитывается фактическая нагрузка трансформаторов тока ZН.факт.

и сравнивается с допустимой
ZН. доп.
7. Если ZН.факт ≤ ZН. доп

считается, что трансформатор тока удовлетворяет требованиям точности и его можно использовать для данной схемы защиты. Если
ZН.факт > ZН. доп
, то необходимо принять
меры для уменьшения нагрузки
. В качестве таких мер можно назвать следующие:

— выбор трансформатора тока с увеличенным значением коэффициента трансформации;

— увеличение сечения контрольного кабеля;

— использование вместо одного трансформатора тока группу трансформаторов, соединенных последовательно.

Нормальным режимом работы для ТТ

является режим короткого замыкания, в котором погрешности
ТТ
имеют наименьшие значения.

Работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой недопустима, т. к. в этом случае отсутствует размагничивающий поток в сердечнике ТТ

, что приводит к его насыщению, резкому росту тока намагничивания и, как следствие, недопустимому нагреву трансформатора и разрушению изоляции. Раскорачивание вторичной обмотки
ТТ
при наличии тока в первичной приводит к перенапряжению во вторичных цепях и пробою изоляции.

Трансформаторы напряжения

Трансформатор напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен обычному силовому трансформатору и состоит из: стального сердечника (магнитопровода), собранного из тонких пластин трансформаторной стали, и 2х обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Устройство и схема включения трансформатора напряжения изображены на рис. 2-1.

Первичная обмотка W1, имеющая очень большое число витков включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке W2, имеющей меньшее число витков, подключаются параллельно измерительные приборы и реле.

Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней э.д.с. Е, которая при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход трансформатора) равна напряжению на её зажимах U2хх.

Напряжение U2хх, меньше первичного напряжения U1 во столько раз, во сколько раз число витков вторичной обмотки W2 меньше числа витков первичной обмотки W1:

(2-1)

Отношения чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается nн:

Следовательно, можно записать:

(2-2)

Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка в виде приборов и реле, то напряжение на её зажимах U2 будет меньше э.д.с. на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки. Однако, это падение напряжения невелико и им можно пренебречь, тогда:

U1=U2nн; (2-3)

В паспортах на трансформаторы напряжения их коэффициенты трансформации указываются дробью, в числителе которой – номинальное первичное напряжение, а в знаменателе – номинальное вторичное напряжение.

Для правильного соединения обмоток ТН между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счётчиков выводы обмоток маркируются определенным образом: начало первичной обмотки – А, конец – Х; начало основной вторичной обмотки – a, конец – х; начало дополнительной обмотки a

д
, конец – x
д
.
Трансформаторы напряжения выполняются в однофазном или трёхфазном исполнении.

При включении однофазных ТН на фазные напряжения начала их первичных обмоток присоединяются к фазам, а концы собираются в нулевую точку.

При включении ТН на междуфазные напряжения начала первичных обмоток подключаются к начальным фазам в порядке их чередования (например, при включении 2-х однофазных ТН на междуфазные напряжения АВ и ВС при чередовании фаз А-В-С первый ТН включается началом первичной обмотки к фазе А, концом – к фазе В, а второй ТН – началом к фазе В и концом к фазе С).

При маркировке выводов вторичных обмоток трансформаторов напряжения за начало
а принимается тот вывод, из которого ток выходит, в то время когда в первичной обмотке ток проходит от начала А к концу Х (рис. 2-2).

Таким образом, правило маркировки обмоток трансформаторов напряжения следующее:

Если на первичной стороне ток входит в начало А, то началом вторичной обмотки а, будет тот её вывод, из которого в этот момент ток выходит.

При маркировке и включении обмоток по этому правилу направление тока в нагрузке (приборе или реле) при включении через ТНостанется таким же, как и при включении непосредственно в сеть.

Таблица 2-1

Допустимые погрешности ТН

Один и тот же трансформатор напряжения может работать с различным классом точности при изменении нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. Поэтому в паспортах и справочниках на ТН указывается два значения мощности: номинальная мощность, при которой трансформатор может работать в гарантированном классе точности и предельная мощность, при которой он может работать с допустимым нагревом обмоток.

Кроме основных погрешностей (по величине и углу) на работу релейной защиты и точность измерений влияют также дополнительные погрешности, связанные с падением напряжения в цепях напряжения от ТН до места установки панелей защиты или измерений. Так, для цепей напряжения релейной защиты нормируемое падение напряжение не должно превышать 3%, для щитовых электроизмерительных приборов не более 1,5%, а для счётчиков электроэнергии – не более 0,5%.

ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ

Основными видами повреждений линий электропередач являются междуфазные и однофазные к.з. Защита линии должна выявить факт возникновения повреждения и сформировать команду на отключение выключателей повреждённой линии от источников питания.

Для защиты линий от к.з. широкое распространение получили защиты, реагирующие на увеличение тока выше заранее установленного значения (уставки). Такие защиты называются максимальными токовыми защитами (МТЗ).

Максимальные токовые защиты могут быть реализованы с помощью различных технических средств:

− предохранителей с плавкими вставками;

− электромагнитных и тепловых расцепителей автоматических выключателей (автоматов);

− максимальных реле тока в совокупности с реле времени, промежуточными и указательными реле.

МТЗ широко используется в радиальных электрических сетях напряжением до 35 кВ.

В сетях напряжения до 1 кВ токовые защиты, как правило, выполняются на предохранителях или с помощью автоматических выключателей, а в сетях выше 1 кВ с использованием реле.

Автоматические выключатели (автоматы) представляют собой аппараты, состоящие из выключателя с мощной контактной системой для отключения токов к.з. и реле токовой защиты, действующих на отключение автомата при возникновении повреждения или перегрузки.

2. Автоматы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с плавкими предохранителями:

— готовность к быстрому включению немедленно после отключения защищаемой линии;

— способность отключать все три фазы защищаемого присоединения, в то время как перегорание предохранителя в одной фазе может привести к опасному режиму работы на 2‑х фазах для электродвигателей.

Наличие лучших защитных (время-токовых) характеристик автоматов, по сравнению с плавкими предохранителями предопределило широкое их применение в качестве основной токовой защиты в электрических сетях до 1 кВ.

Ток срабатывания защиты

Минимальный ток, при котором защита срабатывает называется током срабатывания максимальной токовой защиты.

Ток срабатывания МТЗ выбирается большим максимального рабочего тока защищаемой линии (максимального тока нагрузки) с учетом необходимости возврата защиты после отключения к.з. защитой предыдущего участка сети.

Для решения этой задачи необходимо выполнить следующие условия:

1. Ток срабатывания защиты должен быть больше максимального рабочего тока нагрузки:

Iс.з. > Iраб.макс (3-7)

2. После отключения внешнего к.з. пусковые органы защиты должны вернуться в исходное состояние:

(3-8)

3. При выборе тока срабатывания необходимо учесть увеличение тока при пуске двигателей:

(3-9)

Обычно значение Кс.зап. находится в пределах от 1,2 до