Чем определяется быстродействие защиты

Релейная защита

Релейная защита (РЗ) — комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. Релейная защита осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить повреждённый участок и отключить его от электроэнергетической системы, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания).

Общие сведения

Основным назначением релейной защиты явялется выявление повреждений в энергосистеме и формирование управляющих воздействий для отключения выключателей и отделения повреждённого элемента от электрической сети.

Дополнительным назначением релейной защиты является выявление утяжелённых режимов работы элементов энергосистемы и выдача сигнала об этом оперативному персоналу.

На каждом из элементов энергосистемы в общем случае должны быть установлены основная и резервная защиты. Основной называют ту защиту, которая должна действовать раньше других при внутренних повреждениях в защищаемом элементе. Резервной называют ту защиту, действие которой предусмотрено вместо основной защищаемого и смежных элементов, а также при отказе действия выключателя.

Поколения устройств

Все устройства релейной защиты, установленные на линиях электропередач 110-500 кВ, можно разделить на несколько поколений:

• 1 поколение — электромеханические защиты. Выпускались в СССР длительное время, примерно с 1940-х до 1990-х годов. Установлены на абсолютном большинстве всех линий 110—500 кВ.
• 2 поколение — электронные защиты. Выпускались только в 1990-х годах. Поэтому установлены на небольшом количестве линий 110—500 кВ.
• 3 поколение — микропроцессорные защиты. Появились в России примерно с конца 1990-х годов, то есть, практически в 21 веке.

Назначение релейной защиты

Релейная защита — часть электрической автоматики, предназначенная для выявления и автоматического отключения поврежденного электрооборудования.

В виде исключения к устройствам РЗ относятся некоторые устройства, предназначенные не для выявления и отключения поврежденного электрооборудования, а для выявления ненормальных режимов работы электрооборудования (например, защита от перегрузки трансформатора).

Кроме того, в некоторых случаях, не требующих быстрого автоматического отключения поврежденного оборудования, устройства РЗ могут действовать не на отключение, а на сигнал (например, защита от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью).

Требования к релейной защите

К устройствам релейной защиты, действующим на отключение предъявляются четыре основных требования:

• Селективность.
• Чувствительность.
• Быстродействие.
• Надёжность.

Селективное действие

Селективное действие — это такое действие релейной защиты, при котором обеспечивается отключение только повреждённого элемента энергосистемы. Релейная защита может иметь два вида селективности:

• Абсолютную селективность. Защиты с абсолютной селективностью действуют принципиально только при повреждениях в их зоне. При повреждении соседних элементов энергосистемы такие защиты принципиально не работают.
• Относительную селективность. Защиты с относительной селективностью могут действовать при повреждениях не только в своей, но и в соседней зоне.

Для обеспечения селективного действия релейной защиты с относительной селективностью, такие защиты как правило, выполняются с выдержками времени, что является их недостатком. А защиты с абсолютной селективностью, как правило, выполняются без выдержки времени, что является их достоинством.

Защиты с относительной селективностью могут использоваться для обеспечения дальнего резервирования, а защиты с абсолютной селективностью — нет.

Быстродействие

Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов. Показателем быстродействия является время срабатывания защиты — это интервал времени от момента возникновения повреждения до момента отделения от сети повреждённого элемента.

В общем случае время отключения повреждённого элемента равно:

где [math]t_<\text<откл>>[/math] — время отключения; [math]t_<\text<ср.з>>[/math] — собственное время срабатывания защиты; [math]t_<\text<з>>[/math] — выдержка времени, установленная на защите; [math]t_<\text<выкл>>[/math] — собственное время срабатывания выключателя; [math]t_<\text<д>>[/math] — время горения дуги в выключателе.

Длительное существование режима КЗ может привести к следующим отрицательным последствиям:

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

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

С точки зрения быстродействия все защиты разделяются на два вида:

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

Чувствительность

Релейная защита должна реагировать только на повреждение защищаемого элемента энергосистемы, а в случаях когда это предусмотрено, то и на соседних элементах.

Чувствительность устройства РЗ — способность устройства РЗ реагировать на возникновение КЗ или ненормального режима работы оборудования.

Устройство РЗ должно срабатывать:

1. При повреждении в любой точке защищаемого оборудования.
2. Во всех режимах работы защищаемого оборудования и энергосистемы.
3. При всех видах повреждений защищаемого оборудования, при которых данное устройство РЗ должно работать.

Имеются устройства РЗ, предназначенные для работы при всех видах повреждений, и имеются устройства РЗ, предназначенные для работы только при определенных видах повреждений (например, защита от трёхфазных КЗ, защита от междуфазных КЗ, защита от несимметричных КЗ, защита от КЗ на землю).

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 [1] выделяют следующие функции релейной защиты:

Номер функции	Тип функции
21	Дистанционная защита, фазная
21G	Дистанционная защита от замыканий на землю
21P	Дистанционная защита от междуфазных замыканий
21N	Дистанционная защита от замыканий на землю
21FL	Определение места повреждения
25	Контроль синхронизма
27	Контроль минимального напряжения
27P	Контроль снижения фазного напряжения
27X	Контроль снижения напряжения собственных нужд
32	Контроль направления мощности
32F	Прямое направление мощности
32R	Обратное направление мощности
37	Контроль минимального тока или мощности
49	Тепловая перегрузка
50	Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени
50BF	Устройство резервного отключения выключателя
51	Максимальная токовая защита с зависимой выдержкой времени
59	Защита от перенапряжения
67	Токовая направленная защита
68	Блокировка при качаниях мощности
79	Автоматическое повторное включение
87	Дифференциальная токовая защита

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.

Принцип работы и виды релейной защиты

В соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации, электрооборудования подстанций и электролиний должны быть защищены от различных аварийных ситуаций. Такой ситуацией может быть короткое замыкание, которое возникло вследствие пробоя изоляции, высокой нагрузки, ошибки обслуживающего персонала. Во время короткого замыкания появляется электрическая дуга, в результате которой нарушаются токоведущие части, изоляция, а также сами электрические приборы. Чтобы избежать таких повреждений, необходимо устанавливать защитные приспособления. Одним из таких аппаратов является релейная защита.

Устройство релейной защиты

Читайте также на сайте:

Релейная защита — назначение

Первостепенным назначением прибора является отключение неисправного элемента электролинии при возникновении короткого замыкания. Кроме этого реле способно своевременно обнаружить опасность и устранить ее.

В случае если неисправность не представляет большой опасности, реле об этом просигналит звуковым или световым обозначением. Ежели сбой в работе приведет к тяжелым последствиям для электрической сети и электрооборудования, то прибор мгновенно обесточит пораженный участок.

Защитное реле используются для контролирования направления мощности, обесточивания трансформаторов в случае выделения газа, защиты распределительных систем и трансформаторных станций от возникновения пожара. Одновременно с этим реле способно контролировать фазы на концах электрических цепей. При этом если токовая величина превышает установленное значение, защитное устройство сработает.

Релейная защита — требования

Релейная защита должна соответствовать ряду требований, которые содержат следующие принципы: принцип селективности, чувствительности, надежности, быстродействия. Приспособление должно вести контроль за работой электроприборов, вовремя реагировать в случае нарушения установленного режима, моментально отключать неисправный участок цепи, при этом подавая сигнал обслуживающему персоналу об аварийной ситуации.

Однако вышеперечисленные требования обладают техническими характеристиками, и могут привести к сбою в работоспособности.

Быстродействие релейной защиты

От этого требования зависит время срабатывания, вследствие чего и защита электроприборов. Чем раньше сработает защитное реле, тем самым оградит электрооборудование от поломки. Поэтому все электрооборудование должно быть оснащено релейной защитой. При этом время отключения составляет от 0,01 до 0,1 секунды.

Современная релейная защита

Проще говоря, это скорость, при которой защитное реле должно выявить и отключить поврежденные элементы. Коэффициент быстродействия это отрезок времени, который начинается с момента образования неисправности и до отключения неисправного элемента от электрической сети.

Ускорение выключения неисправности сокращает время работы нагрузки при сниженном напряжении, тем самым понижая степень повреждения неисправного компонента. Вследствие этого для электрической сети, имеющей напряжение 500 кВ быстродействие должно соответствовать 20 мс, а для электролинии в 750 кВ — не менее 15 мс.

Чувствительность релейной защиты

Данное требование должно обеспечивать защиту электрооборудования даже при минимальных показателях. То есть это восприимчивость реле к таким видам неисправностей, для которых оно предназначено.

Коэффициент чувствительности это отношение минимальной величины показателя, который сформировался в результате повреждения, к установленному значению.

Селективность релейной защиты

Этот принцип заключается в том, что в случае возникновения короткого замыкания, отключится только тот участок цепи, на котором образовалась данная ситуация. Все оставшееся электрооборудование остается в работоспособном состоянии.

Селективность подразделяется на абсолютную и относительную. Абсолютная селективность действует только на участке выполнения своих функций. К абсолютной селективности относятся все виды дифференциальных защит. Относительная характеристика действует на всей электролинии, при этом обесточивая не только свои участки, но и соседние. К такой селективности относятся дистанционная и максимальнотоковая защита.

Релейная защита — принцип работы

Конструкция реле имеют сложную и замысловатую схему, которая основана на электромеханических технологиях. Основные функции имеют следующие защитные схемы:

Релейная защита в электрошкафе

1. Наблюдательный блок. Этот блок проводит анализ протекающих в электрической сети, процессов. Мониторинг проводится путем проведения замеров, а затем передачей их в логический блок.
2. Логический блок сравнивает полученные результаты с максимально установленными показателями. Малейшее несовпадение с нормой приводит к срабатыванию защитного реле.
3. Исполнительный блок производит отключение электроприборов от сети. После того как блок логики передаст сигнал о несоответствии, исполнительный блок произведет мгновенное отключение. При этом отключение будет по заранее предусмотренной схеме с минимальными потерями для электрооборудования и обслуживающего персонала.
4. Сигнализационный блок. При возникновении аварии в системе срабатывает сигнализация в виде звука или света. При этом в памяти отпечатается произошедшие изменения. После устранения неисправности, сигнализация переводится в первоначальное положение. Это делается вручную оператором, что исключает потерю информации.

Одновременно с этим возможны сбои в эксплуатации релейной защиты и устройство не сработает. Отказ защитной системы может быть в следующих случаях:

• внутреннее повреждение системы защиты;
• ложные срабатывания без причины;
• многократность срабатывания, когда это вообще не требуется.

Поэтому правила эксплуатации предъявляют к данным защитным приборам вышеперечисленные требования. Помимо этих требований также при работе защитного реле работает принцип надежности. Этот принцип включает следующие аспекты: долгий срок службы; возможность ремонта при поломке; безотказность в использовании.

Релейная защита входит в систему противоаварийного управления. В конструкции данной системы каждый компонент связан друг с другом и выполняет свою функцию, при этом выполняется общая задача системы.

Требования к релейной защите

К устройствам релейной защиты предъявляют 4 основных требования:

1. Селективность – способность отключать только поврежденный участок сети.

Основное условие для обеспечения надёжного электроснабжения потребителей.

2. Быстродействие – главное условие для сохранения устойчивости параллельной работы генераторов. Уменьшается время снижения напряжения у потребителей, повышается эффективность АПВ, уменьшается ущерб для оборудования.

Критерий – остаточное напряжение не менее 60 % от номинального. Кроме того, нужно учитывать и время срабатывания выключателей:

tоткл=tз+tв, (1.1)

где tз – время действия защиты,

tв – время отключения выключателя – 0,15…0,06 с.

Быстродействующей считается защита, имеющая диапазон срабатывания – 0,1…0,2 с, самые быстродействующие – 0,02…0,04 с.

В ряде случаев требование быстродействия является определяющим.

Быстродействующие защиты могут быть и неселективными, для исправления неселективности используется АПВ.

3. Чувствительность – для реагирования на отклонения от нормального режима.

Резервирование следующего участка – важное требование. Если защита по принципу своего действия не работает за пределами основной зоны, ставят специальную резервную защиту.

Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при КЗ в конце установленной зоны действия в минимальном режиме системы.

Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом чувствительности kч:

где Iк.мин – минимальный ток КЗ,

Iс.з – ток срабатывания защиты.

4. Надежность. Защита должна безотказно работать при КЗ в пределах установленной для неё зоны и не должна ложно срабатывать в режимах, при которых её работа не предусматривается.

Основные требования к релейной защите

Перед тем как создавать какие-либо системы, вне зависимости от их назначения, необходимо четко представлять себе, каким основным требованиям они должны отвечать. Основные требования к системе релейной защиты это:

• Надежность;
• Быстродействие;
• Чувствительность;
• Селективность.

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.

Быстродействие

Есть такая поговорка “дорога ложка к обеду”. Она как нельзя лучше отражает требование быстродействия к релейной защите. Если произошла авария, протекают огромные токи, изоляция на грани воспламенения – необходимо немедленно отключать поврежденный участок. И чем быстрей, тем лучше. В противном случае оборудование может выйти из строя к моменту его отключения от сети. А иногда, при особо тяжелых авариях, запаздывание с отключением может привести к нарушению устойчивой работы генераторов и развалу энергосистемы на части.

Быстродействие — это свойство релейной защиты отключать повреждение с минимально возможной выдержкой времени.

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 К_ч, 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 К_ч=1.5, в зоне резервирования – К_ч=1.2, для быстродействующих дифференциальных защит К_ч=2.

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

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

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