Релейная защита: определение, функции и принципы работы

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.

Классификация

Всё разнообразие приборов релейной защиты классифицируется по следующим основным признакам:

По типу подключения они бывают первичными и подключаются непосредственно в электрическую сеть. Вторичные приборы подсоединяются в неё с помощью трансформатора, дающего гальваническую развязку.

По исполнению они выпускаются электромеханическими: в них сеть замыкается и размыкается с помощью механических контактов. В современных электронных аппаратах цепью управляют полупроводники, при этом не происходит физического размыкания контактов.

По назначению оно может выполнять две задачи: логическую и измерительную функции. Логические приборы принимают решение на основе изменяющихся внешних характеристик системы. Измерительные аппараты производят только замер её значений.

По методу работы приборы классифицируются на прямые и косвенные изделия. Изделия прямого действия механически связаны с блоком отключения, а косвенные управляют механизмом отключения электропитания.

Виды

Релейная автоматика может осуществлять контроль за следующими основными параметрами линии электропередач и оборудования и при достижении опасных значений выполняет его отключение:

Максимальный ток. При достижении тока выше определенного значения срабатывает отключающее реле.

Направление мощности. Такой вид контроля помимо величины тока учитывает его направление.

Разница токов на входе и выходе в оборудование. Он бережет генераторы и трансформаторы с помощью сравнения параметров на входе и выходе. При достижении опасных характеристик производится отключение потребителей.

Логические приборы определяют места коротких замыканий и позволяют отключить опасный участок.

Пониженное и повышенное напряжение. При наличии коротких замыканий напряжение понижается. Повышение напряжения может быть вызвано ударом молнии. Любое изменение напряжения опасно для оборудования и электрических сетей. При изменении значений автоматика отключает линию.

Автоматическая разгрузка линии при снижении частоты тока в ней. При снижении частоты тока в электросети автоматика отключает часть потребителей. При повышении частоты необходимо наоборот нагружать сеть, для снижения частоты вращения генератора.

Исходя из этого перечня выполняемых задач, становится понятно, для чего нужна релейная защита. Но существуют изделия, которые осуществляют не выключение, а автоматическое подключение потребителей. Оно может осуществляться для повторного включения энергоснабжения через заданный интервал времени или для автоматического ввода резервной мощности. В этом случае в сеть вводится дополнительные генерирующие мощности для компенсации дефицита.

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.

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.);
• список элементов, может быть отдельно;
• параметрирование, изложенное в таблицах и логических схемах. Также могут выделяться отдельно.

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.

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.

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»

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

Автоматическое включение резерва в электросетях

Совсем не редкость, когда электроэнергия внезапно пропадает по тем или иным причинам, а затем ее может не быть в течение неопределенного времени. Данная ситуация может привести к серьезным негативным последствиям, особенно, если прервано электроснабжение важных энергоемких объектов производственного и другого назначения.

Поэтому для таких случаев предусмотрены источники резервного питания, куда входит дублирующая линия электропередачи, протянутая от другой подстанции. На некоторых объектах используются собственные генераторные установки высокой мощности. Переход на резервное питание должен быть быстрым и надежным, что вполне возможно, благодаря устройствам автоматического включения резерва или АВР.

АВР является одним из видов автоматики, защищающий систему электроснабжения и обеспечивающий быстрое подключение резервного питания. АВР отличаются максимально быстрым срабатыванием при отключении электроэнергии в центральной сети. Срабатывание происходит автоматически, без предварительного анализа причин, если заранее не установлена блокировка пуска от какой-либо конкретной защиты. Например, при включении дуговой защиты шин происходит блокировка запуска АВР, чтобы предотвратить дальнейшее развитие аварии. Задержка включения бывает необходима для завершения определенных производственных операций.