Релейная защита: определение, функции и принципы работы

Органы и виды релейной защиты

Как известно,  релейная защита предназначена для скорейшего автоматического отключения неисправных или повреждённых элементов  электрической системы и своевременной сигнализации об отклонениях от нормального режима работы, но не требующих немедленного отключения.

Все функции релейной защиты исполняются следующими органами:

1. Реле контроля и защиты.
   Пусковые органы ведут постоянный мониторинг  состояния и режима работы защищаемого участка электрической сети и срабатывают при возникновении коротких замыканий и ненормальных режимах работы. В электрических схемах реализуются в виде токовых реле, реле напряжения, мощности и др.
2. Задачей измерительных органов является выявление места, характера повреждений  и  принятие своевременного решения о необходимости действия защиты. В электрических схемах реализуются в виде токовых реле, реле напряжения, мощности и др.
3. Логическая часть представляет собой схему, которая запускается в работу пусковыми органами, производит анализ действий измерительных органов и, на основе полученных данных выполняет предусмотренные протоколом действия. В электрических схемах реализуются в виде таймеров, логических элементов, промежуточных и указательных реле.

Для предупреждения превышения величины тока на защищаемом участке электрической сети используется токовая защита.  Это один из вариантов релейной  защиты, которая срабатывает  при превышении величины тока на защищаемом участке сети, по отношению к току срабатывания или уставке.  Принято  различать максимальную токовую защиту и токовую отсечку.

Максимальная токовая защита (МТЗ) выполняется таким образом, что бы величина тока её срабатывания превышала  максимальный рабочий ток не менее чем  1,2 – 2 раза ( с учётом коэффициентов надёжности,  возврата и самозапуска реле ). Это позволит исключить возможность ложного срабатывания релейной защиты в условиях нормальной работы сети.

Величина уставки по времени срабатывания релейной защиты отличается от предыдущей и последующей на величину ступени селективности  ∆t 0,2 – 1 секунд. Такая настройка позволяет первой сработать релейной защите, которая наиболее близко расположена к месту КЗ, а в случае отказа первой, сработает предыдущая, но через промежуток времени равный порогу селективности.

Важной характеристикой МТЗ принято считать её коэффициент чувствительности. Его определяют как отношение величины тока междуфазного КЗ к величине фактического тока срабатывания защиты

ПУЭ определяет эту величину не менее 1,5.

Токовая отсечка ( ТО ) – это вариант быстродействующей релейной защиты, срабатывающей без задержек времени, работа которой направлена  на отключение наиболее тяжёлых вариантов КЗ. Коэффициент надёжности применяемых реле определяет величину кратности тока срабатывания в 1,1 и 1,2 по отношению к величине расчётного тока трёхфазного КЗ. Следовательно, зона уверенного действия токовой отсечки покрывает только 20 % всей защищаемой линии.

Такая ограниченность  зоны действия является существенным недостатком  работы ТО. Такое положение дел привело к тому, что ТО применяется только совместно с МТЗ в качестве второй ступени.

Работа защиты минимального напряжения ( ЗМН ) основана на контроле величины напряжения между фазами.  При выходе из строя хотя бы одной фазы равенство напряжений между фазами нарушается – срабатывает механизм отключения и как следствие отключается напряжение питания.

Газовая защита устанавливается с целью защиты маслонаполненных трансформаторов от внутренних повреждений. При возникновении КЗ внутри трансформатора закипает масло и начинается усиленное выделение газов, что ведёт к повышению давления, что в конечном итоге может привести к выходу трансформатора из строя.

Газы направляются через реле, и под их давлением поворачивается чувствительный элемент, что ведёт к замыканию контактов. Далее вступает в работу типовая схема на отключение трансформатора.

Дифференциальную защиту принято считать основной автоматизацией релейной защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Она характеризуется  абсолютной селективностью и быстродействием.

Принцип действия релейной защиты такого типа основан на сравнении величин токов, например, на разных концах защищаемого участка. Как только на защищаемом участке возникнет ток КЗ, сразу сформируется разностный ток и сработает система отключения. Недостатком служит необходимость отключения сразу после срабатывания.

Таким образом, виды и органы релейной защиты позволяют определить место возникновения КЗ и других нештатных состояний электрической сети,  своевременно локализовать повреждённый  участок и исключить его из работы.

1.1 Назначение релейной защиты и автоматики

Категория: В.Н. Копьев «Релейная защита. Принципы выполнения и приенения»

Энергетическая система представляет собой сложную многозвенную техническую систему, предназначенную для производства, распределения и потребления электроэнергии. Процессы, происходящие в энергосистеме, отличаются быстротой, взаимосвязанностью, единством процессов производства, распределения и потребления электроэнергии. Управление ими без применения специальных технических средств, называемых средствами автоматического управления, в большинстве случаев оказывается невозможным.

Условно, все устройства автоматики по своему назначению и области применения можно разделить на следующие две большие группы: местную и системную технологическую автоматику, местную и системную противоаварийную автоматику.

Технологическая автоматика обеспечивает автоматическое управление в нормальном режиме:

• пуск блоков турбина-генератор и включение на параллельную работу синхронных генераторов;

• автоматическое регулирование напряжения и реактивной мощности на шинах электростанции;

• автоматическое регулирование частоты и обеспечения режима заданной нагрузки электростанции;

• оптимальное распределение электрической нагрузки между блоками;

• регулирование напряжения в распределительной сети;

• регулирование частоты и перетоков мощности и т.п.

Назначением противоаварийной автоматики является предотвращение или наиболее эффективная ликвидация последствий аварий:

• релейная защита электрооборудования от коротких замыканий и ненормальных режимов;

• автоматическое повторное включение;

• автоматическое включение резерва;

• автоматическая частотная разгрузка;

• автоматическая ликвидация асинхронного режима.

• автоматика предотвращения нарушения устойчивости и т.д.

Из перечисленных видов устройств автоматики особо выделяется релейная защита, изучающая поведение электроэнергетической системы и ее элементов в режимах глубоких возмущающих воздействий и скачкообразных изменений электрических параметров. Эти возмущения вызываются различного рода короткими замыканиями, которых могут возникнуть по причинам:

• пробоя или перекрытия изоляторов линий электропередач в случае грозовых перенапряжений или при их загрязнении;

• обрыва проводов или грозозащитных тросов из-за обледенения и вибраций;

• механических повреждений опор, поломке изоляторов разъединителей, схлестывании проводов;

• ошибочного действия оперативного персонала;

• заводских дефектов оборудования и ряда других факторов.

Управление энергосистемой при нарушении ее нормальных режимов тесно связано с работой релейной защиты. Поэтому изложения материала целесообразно начать с рассмотрения этого вида автоматики. Требование безаварийности и надежности энергоснабжения закладывается уже на стадии проектирования энергосистемы за счет оптимального выбора источника электроэнергии (уголь, газ, вода или другое), расположения электростанций, передачи мощности, учета характеристик нагрузок и перспектив их роста, способов регулирования напряжения и частоты, планированием режимов работы и т.п. И все же полностью исключить факт отказа оборудования из-за коротких замыканий нельзя.

На релейную защиту возлагаются следующие функции:

1.Автоматическое выявление поврежденного элемента с последующей его локализацией. Защита подает команду на отключение выключателей этого элемента, восстанавливая нормальные условия работы для неповрежденной части энергосистемы.

2.Автоматическое выявление ненормального режима с принятием мер для его устранения. Нарушения нормального режима в первую очередь вызываются различного рода перегрузками, которые не требуют немедленного отключения. Поэтому защита действует на разгрузку оборудования или выдает сообщение дежурному персоналу.

В качестве примера на Рис.1 представлено современное микропроцессорное реле, выпускаемое инженерно-производственной фирмой «РеонТехно», на Рис.2 — типовая панель защиты линии, выполненная на электромеханических реле на Рис.3 — многофункциональное устройство РЗА НТЦ «Механотроника».

Рис. 1. Микропроцессорные реле тока типа РСТ 80АВ, выпускаемое ИПФ «Реон-Техно»

Рис. 2. Типовая панель защиты линии, выполненная на электромеханических реле

Рис. 3. Многофункциональное цифровое устройство релейной защиты и автоматики НПЦ «Механотроника»

Простые и сложные устройства РЗА.

Согласно рекомендаций фирмы ОРГРЭС ( УДК 621.316.925.2), в качестве простых устройств РЗА названы:
— максимальные токовые защиты с пуском по напряжению и без него (кроме направленных) и токовые отсечки, а так же аналогичные им ;- защиты минимального и максимального напряжения без контроля перетока мощности;- дифференциальные токовые отсечки и защиты с реле  РНТ;- трехфазное простое АПВ и АВР;- газовая защита;- устройства защиты от замыканий на землю ,контролирующие один параметр и действующие на сигнал или отключение.
Все остальные устройства РЗА отнесены к разряду сложных.
Кроме этого существует термин прочая электроавтоматика, к ней можно отнести:
— автоматические осциллографы;- устройства сигнализации замыкания на землю;- контроль изоляции постоянного тока (на аккумуляторных батареях);- устройство питания постоянного тока (ШУОТы), щиты постоянного тока ГЩУ;- устройство питания выпрямленным током (БПТ, БПН, БПЗ,БПНС, УСН);- шкафы отбора напряжения (ШОНы);- выпрямительные подзарядные агрегаты типа ВАЗП, ВУК;- схемы управления выключателями на постоянном оперативном токе;- схемы управления выключателями на переменном оперативном токе;- схемы автоматики ТН 110-220 кВ.

Какие преимущества дает УРОВ?

Изначально УРОВ, в виде панели с электромеханическими реле, применялось на подстанциях и станциях с РУ 220 кВ и выше. Его применение обусловлено повышенными требованиями к надежности отключение короткого замыкания за наименьший промежуток времени.

Представьте, что на линии 220 кВ, в соответствии с принципом ближнего резервирования, установлены комплекты основной (ДФЗ) и резервных защит (ДЗ, ТЗНП, ТО), и все это бесполезно из-за механической неисправности привода выключателя. Сигнал на отключение защитами выдан, но ничего не происходит, и линия продолжает «гореть».

Остается надежда только на защиты дальнего резервирования, которые установлены на противоположных концах соседних линий.

По требованию дальнего резервирования эти защиты обязаны чувствовать КЗ на смежной лини и устранять их. Но во-первых, выдержки времени в этом случае могут быть достаточно большими (особенно, если ДЗ или ТЗНП начинают чувствовать КЗ только после отключения некоторых параллельных линий). А во-вторых, дальнее резервирование удается обеспечить не всегда. К тому же при действии защит дальнего резервирования происходит отключение множества выключателей на разных подстанциях, что затрудняет работу диспетчера при локализации аварии.

В таких случая, требуется меры по усилению ближнего резервирования, т.е. установке устройства резервирования при отказе выключателя.

УРОВ принимает команду отключения выключателя от защит и если через время Туров отключения не происходит, то устройство дает команду на отключение смежных выключателей. Просто и надежно

При этом время отключения от УРОВ всегда определено как сумма времени действия собственной защиты присоединения плюс ступень селективности. К тому же УРОВ «использует» чувствительность своей защиты, которая выше, чем у защиты дальнего резервирования.

На напряжении 110 кВ и ниже УРОВ использовался реже из-за стоимости панели и отсутствия жестких требований к скорости отключения, как на сверхвысоком напряжении. Ведь панель УРОВ стоит денег и занимает место.

Однако, с развитием микропроцессорной техники функция УРОВ стала практически бесплатной. Распределенный алгоритм УРОВ стал использоваться в логике терминалов, а «снаружи» остались только шинки и ключи ввода/вывода. Сегодня УРОВ применяют на всех классах напряжения, начиная с 6 кВ.

Давайте рассмотрим, что дает УРОВ на стандартной подстанции по схеме «6-1» (одна секционированная система шин 6 кВ).

1 случай (удаленное КЗ на линии 1)

При возникновении короткого замыкания на линии 1 в зоне действия МТЗ (конец линии), защита срабатывает с выдержкой времени 0,9 с. При отказе выключателя алгоритм УРОВ отключит вводной выключатели через время Тзащ. = Тмтз + Туров = 0,9 + 0,3= 1,2 с.

Если алгоритм УРОВ отсутствует, то МТЗ ввода отключит КЗ через 1,5 с (дальнее резервирование).

Таким образом, мы получаем выигрыш 0,3 с.

Также обратите внимание, что здесь для пуска алгоритма мы используем МТЗ линии, а не ввода, что дает значительно большую чувствительность. Особенно сильна эта разница будет для секций 6 кВ с двигателями

2 случай (близкое КЗ на линии 1)

При возникновении короткого замыкания на линии 1 в зоне действия отсечки (начало линии), защита срабатывает с выдержкой времени 0,1 с. При отказе выключателя алгоритм УРОВ отключит вводной выключатели через время Тзащ. = Тто + Туров = 0,1 + 0,3= 0,4 с.

По дальнему резервированию мы так же получим 1,5 с, т.е. теперь выигрыш уже 1,1 с.

Очевидно, что и на 6 кВ применение УРОВ дает преимущество в быстродействии и чувствительности

При всех своих плюсах УРОВ — достаточно «опасная» функция и применять ее нужно обдуманно. Следует помнить, что при срабатывании УРОВ полностью отключает участок сети с блокировкой любой автоматики восстановления питания, такой как АПВ и АВР. Это означает невозможность быстрого восстановления нормального режима и массовый недоотпуск электроэнергии (особенно если нижестоящие потребители не имеют своих АВР).

В связи с этой особенностью при пуске УРОВ, помимо контроля тока через выключатель, применяют различные способы ограничения возможности излишнего действия.

О логике и схемах УРОВ мы поговорим в следующей статье

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.

Принципы проектирования

Несмотря на то, что на фото все блоки релейной защиты выглядят одинаково, выпускается они в различных конфигурациях и разными производителями. При проектировании к любым компонентам применяются одинаковые требования к работоспособности.

Чтобы оборудование исправно работало и не давало ошибочных срабатываний при проектировании необходимо придерживаться следующих четырех требований. Это надежность, чувствительность к срабатыванию, быстродействие и селективность. Надежность характеризуют следующие свойства: безотказность, ремонтопригодность, длительный срок эксплуатации и сохранность.

Чувствительность характеризует процентное превышение измеряемого параметра, необходимое для срабатывания. Быстродействие определяется сложением времени срабатывания логического блока управления и времени необходимого для выключения системы.

В некоторых случаях требуется задержка срабатывания. Для этого в него вводятся специальные реле. В большинстве случаев требуется мгновенное срабатывание. В новых выпускаемых конструкциях добиваются сокращения этого времени и достижения максимального быстродействия.

Селективность или избирательность позволяет локализовать место аварии. Благодаря резервированию неисправный участок отключается, и электроэнергия подается в обход его по исправным каналам. Конструкция устройств должна при необходимости позволять оперативно исключать аварийные участки и перенаправлять электроэнергию по резервным каналам.

Надежность ЛЗШ

ЛЗШ, с точки зрения тестирования на работоспособность, имеет отличие от прочих видов защит. Она редко срабатывает при испытаниях сотрудниками измерительных лабораторий. Объясняется это тем, что ЛЗШ отводится менее значимая роль, соответственно, она имеет более длительные по времени выдержки срабатывания и просто не успевает опередить другие виды защит.

Чаще всего логическая защита шин даёт сбой вследствие КЗ трансформатора тока либо его виткового замыкания. К счастью, происходит такое довольно редко. В этом случае трансформатор просто не в состоянии корректно измерить протекающий через контролируемую им шину ток. Поэтому не может сформироваться сигнал блокировки защиты ЛЗШ, что приводит к её непреднамеренному срабатыванию.

Важно! Перед отключением проводов от трансформатора тока его выводы требуется замкнуть между собой. В противном случае в обмотке ТТ возможно наведение высоковольтного потенциала, который опасен для жизни обслуживающего персонала и может привести к повреждению оборудования. ЛЗШ является сравнительно простой и действенной системой по обеспечению бесперебойной работы энергосистемы

Её применение ощутимо снижает негативные последствия аварийных ситуаций, а также существенно уменьшает риск их возникновения

ЛЗШ является сравнительно простой и действенной системой по обеспечению бесперебойной работы энергосистемы. Её применение ощутимо снижает негативные последствия аварийных ситуаций, а также существенно уменьшает риск их возникновения.

Структурная схема устройства релейной защиты

В настоящее время в нашей стране и мире находится в эксплуатации огромное множество устройств РЗА различных классов, типов и модификаций. С момента своего появления устройства РЗА эволюционировали от электромеханических до статических, и далее – цифровых, наиболее современных.

Внешний облик и составные элементы устройств в процессе их эволюции претерпели значительные изменения, однако общая структурная схема устройства остается неизменной и по сей день.

Рисунок 1. Структурная схема устройства РЗА

Измерительные (пусковые) органы обеспечивают непрерывный контроль состояния защищаемого объекта (линии, трансформатора, двигателя и др.) с помощью измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), от которых к ним поступают сигналы вторичных токов и напряжений в реальном времени.

ТТ и ТН выполняют гальваническую развязку цепей защиты и измерения от сети высокого напряжения и уменьшают измеряемые сигналы до приемлемого уровня.

Измерительные органы вычисляют значения подаваемых на устройство РЗА токов и напряжений, а также производных параметров, таких как мощность, сопротивление и др. Далее устройство выполняет сравнение полученных значений с уставками и формирует признаки срабатывания пусковых органов.

Так, например, признак срабатывания пускового органа тока максимальной токовой защиты формируется, если любой из фазных токов превышает значение уставки, заданной в устройство РЗА.

Логическая часть получает информацию о признаках срабатывания пусковых органов, положении выключателя, состоянии защищаемого объекта и смежных с ним (если это необходимо).

В зависимости от состояния полученных сигналов и последовательности их поступления логическая часть формирует управляющие воздействия в соответствии с алгоритмом функционирования, заложенным в устройстве РЗА.

Например, логическая часть максимальной токовой защиты обеспечивает контроль состояния вольтметровой блокировки и реле направления мощности, задержку срабатывания защиты или ее отсутствие при опробовании присоединения, а также формирование сигнала отключения выключателя.

Исполнительные органы, роль которых чаще всего выполняют различные промежуточные реле, обеспечивают связь устройства РЗА с выключателем защищаемого присоединения, системой центральной сигнализации и другими объектами.

Местная сигнализации о срабатывании устройства РЗА осуществляется с помощью Сигнальных органов, выполняемых в виде световых индикаторов. Срабатывание сигнальных органов осуществляется непосредственно по сигналам логической части или через исполнительные органы.

Принципы действия релейной защиты

Основные принципы действия релейной защиты:

• Максимальная токовая защита (МТЗ). Критерием срабатывания является достижение током определённого значения (уставки).
• Направленная максимальная токовая защита. Работа направленной МТЗ предусматривает также и контроль направления мощности.
• Газовая защита (ГЗ). Предназначена для отключения трансформаторов при возникновении внутренних неисправностей, которым сопутствует газовыделение.
• Дифференциальная защита. Применяется в основном для защиты генераторов, трансформаторов и сборных шин, при этом производится сравнение токов на входе в защищаемый элемент и на его выходе, при отличии этих параметров на величину равную или большую уставки, происходит срабатывание защиты.
• Дистанционная защита (ДЗ). Срабатывает при уменьшении сопротивления линии, что происходит при возникновении КЗ.
• Дистанционная защита с ВЧ-блокировкой. Обычно дистанционная защита с ВЧ-блокировкой выполняется в комплексе с защитой от замыканий на землю. ВЧ-блокировка защит предназначена для ускорения отключения КЗ. Если на защищаемой ВЛ с двух сторон установлены ДЗ и ЗЗ, то КЗ на этой ВЛ обычно отключается 1-3 ступенями этих защит с выдержкой времени примерно от 0 до нескольких секунд. Использование ВЧ-блокировки ДЗ и ЗЗ обеспечивает двухстороннее отключение ВЛ без выдержки времени при любом виде КЗ в любой точке защищаемой ВЛ.
• Дистанционная защита с блокировкой по оптическому каналу. Также в настоящее время получили широкое распространение защиты с блокировкой по оптическому кабелю. Они являются достойной альтернативой защитам с ВЧ- блокировкой, т.к. в случае их применения отпадает необходимость обслуживать оборудование ВЧ-присоединения, а также возрастает надёжность работы защит по причине более стабильной работы оптического канала, т.к. оптический канал менее подвержен воздействию электрических помех.
• Логическая защита шин (ЛЗШ). Принцип действия логической защиты шин основан на сравнении поведения защит питающих элементов и отходящих фидеров: защита одного из отходящих фидеров запустилась – КЗ на отходящем фидере, не запустилась ни одна из защит отходящих фидеров – КЗ на шинах. При коротком замыкании на отходящем фидере пускаются зашиты (срабатывают токовые реле) на этом фидере и на питающих элементах секции (ввод трансформатора или секционный выключатель). При КЗ на отходящем фидере по факту пуска его защиты блокируется отключение питающих элементов без выдержки времени. При КЗ на шинах распредустройства защиты отходящих фидеров не пускаются, и при пуске защиты питающего элемента разрешается ее работа без выдержки времени на отключение.
• Дуговая защита. Дуговая защита применяется в основном для защиты от возгорания КРУ и КТП 6,3 и 10,5. Она устанавливается в ячейках присоединений и реагирует на повышенную освещённость с помощью оптических датчиков или на избыточное давление с помощью датчиков давления (клапанов). Дополнительным входным параметром дуговой защиты является срабатывание токовой защиты (контроль по току), он применяется для исключения возможности ложных срабатываний.
• Дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ) Принцип работы основан на контроле фаз тока на обоих концах линии, в случае, когда фазы тока отличаются на величину равную или большую уставки, происходит срабатывание защиты.