РЗиА. Релейная защита и автоматика

Согласно требованием ПТЭ, силовое оборудование электростанций, подстанций и электрических сетей должно быть защищено от коротких замыканий и нарушений нормальных режимов работы устройствами релейной защиты и электроавтоматики. Устройства РЗА должны быть постоянно включены, кроме устройств, которые должны выводиться из работы в соответствии с назначением и принципом действия, режимом работы энергосистемы и условиями селективности. Устройства аварийной и предупредительной сигнализации должны быть всегда готовы к действию. Свое название релейная защита получила от названия основного элемента схем защиты – реле.

Назначение релейной защиты и электроавтоматики

Как уже говорилось ранее при эксплуатации энергетического оборудования и электрических сетей неизбежны их повреждения и не нормальные режимы. Наиболее опасными являются короткие замыкания, повреждения изоляции и перегрузки. Короткие замыкания возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала (включения под напряжение заземленного оборудования, отключения разъединителей под нагрузкой) и других причин. В большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга, термическое действие которой приводит к разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электрических аппаратов. При КЗ к месту повреждения подходят большие токи (токи КЗ), измеряемые тысячами ампер, которые перегревают неповрежденные токоведущие части и могут вызвать дополнительные повреждения, т. е. развитие аварии. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов. В большинстве случаев развитие аварий может быть предотвращено быстрым отключением поврежденного участка электрической установки или сети при помощи специальных автоматических устройств, действующих на отключение выключателей, и. получивших название релейная защита. При отключении выключателей поврежденного элемента гаснет электрическая дуга в месте КЗ, прекращается прохождение тока КЗ и восстанавливается нормальное напряжение на неповрежденной части электрической установки или сети. Благодаря этому минимизируются, или даже совсем предотвращаются повреждения оборудования, на котором возникло КЗ, а также восстанавливается нормальная работа неповрежденного оборудования. Таким образом, основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения КЗ и быстрое автоматическое отключение выключателей поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части электрической установки или сети. Кроме повреждений электрического оборудования могут возникать такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью, выделение газа в результате разложения масла в трансформаторе, или понижение уровня масла в его расширителе и др. В указанных случаях нет необходимости немедленного отключения оборудования, так как эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут самоустраниться. Поэтому при нарушении нормального режима работы на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом, как правило, достаточно дать предупредительный сигнал персоналу подстанции. На подстанциях без постоянного обслуживающего персонала и в отдельных случаях на подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом производится отключение оборудования, но обязательно с выдержкой времени. Таким образом, вторым назначением релейной защиты является выявление нарушений нормальных режимов работы оборудования, которые могут привести к аварии, и подача предупредительных сигналов обслуживающему персоналу, или отключение оборудования с выдержкой времени.
Согласно требованием ПТЭ, силовое оборудование электростанций, подстанций и электрических сетей должно быть защищено от коротких замыканий и нарушений нормальных режимов работы устройствами релейной защиты и автоматики. Устройства РЗиА должны быть постоянно включены, кроме устройств, которые должны выводиться из работы в соответствии с назначением и принципом действия, режимом работы энергосистемы и условиями селективности. Устройства аварийной и предупредительной сигнализации должны быть всегда готовы к действию. Свое название релейная защита получила от названия основного элемента схем защиты – реле. Историки утверждают, что реле впервые было разработано и построено русским ученым П.Л. Шиллингом в 1830-1832 гг. Это реле составляло основную часть вызывного устройства в разработанном им телеграфе. Первенство оспаривает известный физик Генри (его именем названа единица индуктивности), который сконструировал реле в 1835 году. В 1837 году аппарат получил применение в телеграфии, в связи с чем и получил название «реле», что в переводе с французского означало «перекладные лошади». В настоящее время термином реле обозначается широкая группа автоматических приборов и устройств, используемых в релейной защите, автоматике, телемеханике, телеграфии, телефонии и других отраслях техники. В отрасли релейной защиты термином реле обычно обозначают автоматически действующее устройство, производящее скачкообразное изменение (так называемое релейное действие) в управляющей системе при заданном изменении контролируемых параметров. Так, например, реле максимального тока при увеличении тока в контролируемой цепи (куда включена токовая обмотка этого реле) до заданного значения, называемого током срабатывания, замыкает своими контактами управляемую цепь. Под устройством релейной защиты подразумевается совокупность реле, приборов и вспомогательных элементов, которые при возникновении повреждений и ненормальных режимов работы оборудования должны действовать на его отключение или на сигнал.

Классификация реле защиты

По способу подключения реле бывают:

Первичные (прямое включение в цепь защищаемого элемента).
Вторичные (включение через измерительные трансформаторы тока, напряжения).

По исполнению реле бывают:

Электромеханические, с подвижными элементами и контактными системами.
Статические, без подвижных элементов и контактов (электронные,
микропроцессорные).

По назначению реле подразделяются на:

Измерительные реле (тока, напряжения, сопротивления, мощности, частоты,
температуры,
уровня) могут быть максимальные или минимальные.
Логические реле (промежуточные, двухпозиционные, времени, сигнальные).

Для измерительных реле характерно наличие опорных (образцовых) элементов в виде калиброванных пружин, источников стабильного напряжения, тока и т.п. Они входят в состав реле и воспроизводят заранее установленные значения (называемые уставкой) какой-либо физической величины, с которой сравнивается контролируемая величина. Измерительные реле обладают высокой чувствительностью (воспринимают даже не значительные изменения контролируемого параметра) и имеют высокий коэффициент возврата (отношение величины срабатывания и возврата). Максимальные реле срабатывают при повышении контролируемого параметра, а минимальные – при понижении. Логические реле служат для размножения импульсов, полученных от других реле, усиления этих импульсов и передачи команд другим аппаратам (промежуточные реле), создания выдержек времени между отдельными операциями (реле времени), и для регистрации действия как самих реле, так и других вторичных аппаратов (указательные реле).

По способу воздействия на выключатель:

Реле прямого действия подвижная система которых механически связана с
отключающим
устройством коммутационного аппарата (РТМ, РТВ).
Реле косвенного действия, которые управляют цепью электромагнита отключения.

Первичные реле подключаются непосредственно к главной электрической цепи. Вторичные реле подключаются к главной электрической цепи через измерительные трансформаторы (тока, напряжения). Выносные реле наиболее часто используют для защиты сетей напряжением выше 1 кВ. Встроенные защиты являются составными частями выключателей или их приводов. Защита, встроенная в автоматический выключатель напряжением до 1 кВ и действующая непосредственно на его отключение, называется расцепителем. Выносные защиты выполняются с помощью отдельных реле. Реле прямого действия действуют
непосредственно на отключение выключателя, так же, как и расцепители автоматов. Реле косвенного действия обеспечивают отключение выключателей путем воздействия на входящие в состав их приводов электромагниты отключения. Таким образом, расцепитель является встроенным первичным реле прямого действия. Вторичными встроенными реле прямого действия являются распространенные реле РТВ и РТМ, встраиваемые в приводы выключателей напряжением 6 – 10 кВ. Реле защиты, например, РТ-40, РН-50, серий РВ, РП являются выносными вторичными реле косвенного действия.

К релейной защите предъявляют следующие требования:

Чувствительность, т.е способность реагировать на повреждения в минимальных режимах при наибольших сопротивления до места повреждения. Часто чувствительность характеризуют коэффициентом чувствительности
Kч = I к min / Iср,
где Ik min – ток короткого замыкания в минимальном режиме (в наиболее удаленной точке, при учете сопротивления электрической дуги и др.), Iср – ток срабатывания защиты, т.е. ток, при котором измерительные реле производят переключение своих контактов ( срабатывают).
Быстродействие, т.е. максимально быстрое отключение поврежденной электрической цепи с целью обеспечения термической стойкости токоведущих частей и электрических аппаратов. Это необходимо для предотвращения возникновения пожаров в электроустановках.
Селективность, или избирательность, т.е. способность реагировать на повреждения на защищаемом участке (в зоне действия защиты) и, соответственно, не действовать при повреждениях вне зоны действия. Требование селективности объясняется стремлением свести к минимуму число отключенных потребителей и источников питания при КЗ.
Надежность, под которой понимают отсутствие неисправностей релейной аппаратуры, приводящих к отказам в действии (срабатывании) и неправильной работе устройств релейной защиты.

Релейная защита обычно функционирует совместно с электроавтоматикой, включающей в себя:

автоматический ввод резервного питания (АВР);

автоматическое повторное включение (АПВ) поврежденного элемента, например, воздушной линии;

автоматическая частотная разгрузка (АЧР), т.е. автоматическое отключение потребителей при опасном снижении частоты питающего напряжения энергосистемы.

На рис. 9.1 в качестве примера приведена однолинейная схема ТП с выключателем Q1 на стороне высшего напряжения.

РЗиА

На стороне низшего напряжения трансформатора Т1 подключены две радиальные линии W2 и W3. Защита от перенапряжений обеспечивается разрядником F1, ограничивающим перенапряжения, приходящие по линии W1. Ограничение производится до уровня, который выдерживает оборудование ТП. Релейная защита выполнена с помощью реле, расцепителей автомата QА1 и предохранителей F2, F3. На стороне ВН трансформатора Т установлены защиты I>> и I>, действующие на отключение выключателя Q1. Реле этих защит включены во вторичную цепь трансформатора тока ТА1 и реагируют на превышение током некоторых значений.

Значение тока или другой величины, при которых происходит переключение контактов реле, называют параметром срабатывания (в обиходной речи часто используют термин «уставка»). При срабатывании реле подается питание на электромагнит отключения выключателя Q1 (на рисунке не показан) и выключатель отключается. В результате поврежденный элемент (трансформатор) отключается от питающей сети. На стороне НН трансформатора основным аппаратом релейной защиты является предохранитель F2. Он отключает поврежденный участок за счет перегорания плавкой вставки. Отходящая линия W2 защищена с помощью расцепителей I>> и I> и автомата QА1. Указанные расцепители действуют на отключение QА1. Линия W3 защищена предохранителем F3. Рассмотренный пример является условным, так как обычно в ТП на стороне ВН выключатели не устанавливают. Этот пример служит лишь для облегчения понимания основных понятий релейной защиты.
Различают основные, резервные и дополнительные устройства релейной защиты. Основная защита предназначена для действия в пределах всего защищаемого элемента со временем, меньшим, чем у всех остальных защит. Резервная защита должна действовать вместо основной в случае ее отказа или вывода из работы. Резервная защита всегда имеет выдержку времени, т.е. срабатывает медленнее, чем основная защита. Дополнительная защита реагирует не на все повреждения или защищает только часть объекта (которую не может защитить основная защита). Дополнительная защита может не иметь выдержки времени. Различают защиты с абсолютной и относительной селективностью. У защит с абсолютной селективностью имеется четко выраженная зона действия, т.е. участок, на котором при повреждении защита срабатывает. Классическим примером защиты с абсолютной селективностью является продольная дифференциальная защита. На рис. 9.2 приведена в качестве примера упрощенная схема продольной дифференциальной защиты электродвигателя М.

Упрощение состоит в том, что показана цепь только одной фазы В защиты. Можно показать, что если точка КЗ находится между трансформаторами тока ТА1 и ТА2 (точка К2), то дифференциальное реле КА будет срабатывать. Участок цепи между ТА1 и ТА2, включающий в себя обмотку статора электродвигателя М, называется зоной действия защиты. Если же точка КЗ находится вне указанной зоны (точка К1), то защита не срабатывает. Термин «дифференциальная» означает реагирующую на разность чего-либо. В данном случае по реле защиты КА проходит разность токов в начале С2 и конце С5 фазы В обмотки статора М.
Защиты бывают индивидуальными и групповыми. Индивидуальная защита предназначена для действия при повреждении только на одном элементе сети. Групповая защита реагирует на повреждение нескольких элементов сети, например, всех отходящих от РУ линий. Примером групповой защиты является защита минимального напряжения секции или системы шин.

Рис. 9.2. Дифференциальная защита электродвигателя

РЗиА
Различают ближнее и дальнее резервирование. Если резервная релейная защита установлена в той же электроустановке, что и основная, и действует на отключение тех же коммутационных аппаратов, на которые действует основная защита, то ее называют защитой ближнего резервирования. Защита, действующая при повреждении данного элемента на отключение коммутационного аппарата смежного элемента, называется защитой дальнего резервирования.

В качестве примера на рис. 9.3 показана защита двух линий электропередачи W1 и W2 с односторонним питанием от системы С. В начале каждой линии установлены трансформаторы тока ТА1 и ТА2, к которым подключены основные защиты I >> (токовые отсечки ТО1 и ТО2) и резервные максимальные токовые защиты (МТЗ1 и МТЗ2) I > с выдержками времени ?t₁ и ?t₂. МТЗ2 является защитой ближнего резервирования для ТО2. МТЗ1 является защитой ближнего резервирования для ТО1 и дальнего резервирования для ТО2 и МТЗ2. С целью обеспечения дальнего резервирования МТЗ2 защита МТЗ1 должна срабатывать медленнее, чем МТЗ2, т.е. должно выполняться условие ?t₁ > ?t₂. Максимальные токовые защиты используют принцип относительной селективности, т.е. согласуются друг с другом по токам и времени срабатывания. Разность между выдержками времени ?t₁ и ?t₂ называют ступенью селективности. Указанную ступень стремятся сделать минимальной. В современных защитах не удается получить ступень селективности меньше чем 0,3–0,5 с, что объясняется погрешностями реле времени. Меньшая ступень относится к полупроводниковым, а большая – к электромеханическим реле времени.

РЗиА

Рис. 9.3. Принцип дальнего резервирования

Виды релейной защиты

Основные виды релейной защиты:

Максимальная токовая защита (МТЗ).
Направленная максимальная токовая защита.
Газовая защита (ГЗ).
Дифференциальная защита.
Дистанционная защита (ДЗ).
Дистанционная защита с ВЧ-блокировкой.
Дистанционная защита с блокировкой по оптическому каналу.
Логическая защита шин (ЛЗШ).
Дуговая защита.
Дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ)

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.

Электроавтоматика

Если назначением релейной защиты является в первую очередь отключение оборудования, то в функции электроавтоматики входит его включение. В чистом виде к электроавтоматике относят автоматическое повторное включение (АПВ) и автоматическое включение резервного питания или механизма (сокращенно автоматический ввод резерва — АВР). Существуют также некоторые виды технологической электроавтоматики, обслуживающиеся персоналом служб РЗА. К ним относят:

автоматическое регулирование возбуждения генераторов и синхронных двигателей (АРВ);
автоматика управления выключателем (АУВ);
устройство резервирования отказов выключателя (УРОВ);
автоматическое регулирование положения переключателя РПН силового трансформатора (АРНТ);
автоматическую настройку дугогасящих катушек компенсации емкостного тока замыкания на землю в сети 6-35кВ (АРК);
автоматическую регулировку батареи статических конденсаторов;
автоматику охлаждения силовых трансформаторов;
автоматическую точную синхронизацию генераторов;
автоматическую самосинхронизацию генераторов;
автоматический частотный пуск гидрогенераторов (АЧП);
определение места повреждения линий электропередачи (ОМП).

Кроме этого существует противоаварийная режимная автоматика.
К ней относят:

автоматическую частотную разгрузку (АЧР);
автоматическое включение потребителей, отключенных действием АЧР, после восстановления частоты (ЧАПВ);
автоматическое регулирование частоты и активной мощности (АРЧМ);
дополнительная автоматическая разгрузка по напряжению (ДАРН);
дополнительная автоматическая разгрузка по току (ДАРТ);

Имеется также противоаварийная системная автоматика: разгрузка электростанций,
предотвращение и прекращение асинхронного режима, предотвращение
недопустимого повышения напряжения в узле, балансировочная автоматика. Такие
устройства размещаются на крупных электростанциях и подстанциях сверхвысокого
напряжения

Основные органы релейной защиты

Устройства релейной защиты состоят, как правило, из таких основных
частей:

пусковых органов;
измерительных органов;
логической части;
исполнительной части;
передающей части.

Пусковые органы непосредственно и непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого оборудования и реагируют на возникновение КЗ и нарушения нормального режима работы. Пусковые органы выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др. На измерительные органы возлагается задача определения места и характера повреждения и принятие решения о необходимости действия защиты.
Измерительные органы также выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др. Функции пускового и измерительного органа могут быть объединены в одном органе. Логическая часть представляет собой схему, которая запускается пусковыми органами и, сопоставляя последовательность и продолжительность действия измерительных органов, производит отключение выключателей мгновенно или с выдержкой времени, запускает другие устройства, подает сигналы и производит прочие предусмотренные действия.
Логическая часть состоит в основном из элементов времени (таймеров), логических элементов, промежуточных и указательных реле. В аналоговых и микропроцессорных устройствах к ним добавляются дискретные входы и индикаторные светодиоды.
Исполнительная часть выполняет действие на отключение (включение) выключателей, или других внешних устройств.
Передающая часть используется в некоторых видах защит. Например, приемопередающая аппаратура ВЧ канала у дифференциально-фазных защит.