Релейная защита и автоматика

Назначение и  основные требования, предъявляемы к  РЗА

Электрические машины и  аппараты, линии электропередач и  другие части электрических установок  и электрических сетей постоянно  находятся под напряжением и  обтекаются током, вызывающим их нагрев. Поэтому в процессе эксплуатации могут возникать повреждения, приводящие к коротким замыканиям (КЗ).

Короткие замыкания возникают  из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала (включение под напряжение заземленного оборудования, отключения разъеденителей под нагрузкой) и другие причины.

В большинстве случаев  в месте КЗ возникает электрическая дуга с высокой температурой, приводящая 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.

КЗ в процессе эксплуатации возникают из-за повреждения изоляции, обрыва проводов, ошибочного действия персонала. КЗ сопровождаются большими токами, нагревающими неповрежденное оборудование, и глубокими снижениями напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов.

В большинстве случаев  развитие аварии может быть предотвращено  быстрым отключением поврежденного  участка электрической установки  или сети при помощи специальных  автоматических устройств, получивших название "Релейная защита", которые  действуют на отключение выключателей.

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 сокращаются размеры 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 изолированными нейтралями, 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, т.к. эти явления  не представляют непосредственной опасности  для оборудования и могут самоустраниться. Поэтому при нарушении нормального  режима работы на подстанциях с постоянным дежурным 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.

Вторым назначением релейной защиты является выявление нарушений  нормальных режимов работы оборудования и подача предупредительных сигналов обслуживающему персоналу или отключение оборудования с выдержкой времени.

Быстрота срабатывания является весьма важным свойством защиты при ее срабатывании в случаях  внутренних КЗ, это определяется тем, что ускорение отключения КЗ: 
- повышает устойчивость параллельной работы машин в системе и дает возможность увеличивать пропускную способность электропередач;

- уменьшает влияние понижения  напряжения на работу потребителей;

- уменьшает размеры разрушений  поврежденного элемента, что особенно  существенно для мощных, дорогостоящих  генераторов и трансформаторов;

- снижает вероятность перехода  к более тяжелому виду КЗ;

- повышает эффективность автоматического  повторного включения;

- может предотвращать возникновение  недопустимых внутренних перенапряжений  на электропередачах сверхвысоких  напряжений.

Приведенные соображения показывают, на сколько важно быстрое отключение КЗ. 
Время отключения повреждения Тоткл. складывается из времени срабатывания защиты Трз и времени отключения выключателя Твык.

В системах сверхвысоких напряжений, где требуется иметь Тоткл.<0.06 - 0.08 сек, при Твык. = 0.04 сек на долю РЗ остается 
Трз< 0.02 - 0.04 сек. В сетях 6-10 кВ определяющим является термическая стойкость аппаратов и проводников при КЗ, поэтому максимально допустимое Трз определяют исходя из максимально-возможного теплового импульса при КЗ.

Селективность или избирательность.

Селективностью называется способность релейной защиты выявлять место повреждения и отключать  его только ближайшими к нему выключателями.

Так при КЗ в точке К1 (см. рис.1) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита только на выключателе Q1 и отключить этот выключатель. При этом остальная неповрежденная часть электрической сети остается в работе.

Рис.1

Если же при КЗ в точке К1 раньше защиты выключателя Q1 или одновременно с ней подействует защита выключателя Q4 и отключит этот выключатель, то ликвидация аварии будет неправильной, т.к. кроме поврежденного электродвигателя М1 останется без напряжения неповрежденный электродвигатель М2. Такое действие защиты называется неселективным.

Из рисунка видно, что если при  КЗ в точке К1 подействует неправильно защита выключателя Q5 и отключит этот выключатель, то последствия такого неселективного действия будит еще более тяжелыми, т.к. без напряжения останутся оба неповрежденных электродвигателя М2 и М3.

Рассмотренный пример показывает какое важное значение имеет выполнение требования селективности для обеспечения правильной ликвидации аварии. 

Чувствительность.

Защита должна обладать такой чувствительностью к тем  видам повреждений и нарушений  нормального режима работы в данной электрической установке или  сети, на которые она рассчитана, чтобы было обеспечено ее действие в начале возникновения повреждения, чем сокращаются размеры повреждения  оборудования в месте КЗ.

Чувствительность защиты должна обеспечивать ее действие при повреждениях на смежных  участках.

Рис.2.

Так, если при повреждении в точке  К1 по какой либо причине не отключится выключатель Q1, то должна подействовать защита следующего к источнику питания выключателя Q3 и отключить этот выключатель, такое действие защиты называется дальним резервированием смежного или следующего участка.

Надежность.

Требование надежности состоит в том, что защита должна правильно и безотказно действовать  на отключение выключателей оборудования при всех его повреждениях и нарушениях нормального режима работы, для действия при которых она предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а так же при таких повреждениях и нарушениях нормального режима работы, при которых действие данной защиты не предусмотрено и должна действовать другая защита. Требование надежности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкцией аппаратуры, добротностью деталей и уровнем эксплуатации.

Требование селективности связано  с принципом действия РЗ, а требование надежности связано с ее техническим  совершенством и аппаратурной надежностью, т.е. свойством выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течении требуемого промежутка времени.

Устройства релейной защиты и автоматики для обеспечения надежности должны выполняться с применением высококачественных и надежно работающих компонентов, их монтаж должен быть надежным, т.е. таким, при котором исключаются обрыв  проводов, замыкание между ними, ложное срабатывание реле от механических воздействий и других помех. Существенное значение для надежности имеет правильная эксплуатация устройств релейной защиты, их состояние периодически проверяется.

 

Токовая отсечка

 

Основными видами повреждений линий  электропередачи, требующими их немедленного отключения, являются однофазные или  междуфазные КЗ. Защита линии должна выявить факт повреждений и подать сигнал на отключение поврежденной линии  от источников питания.

Для защиты линий от КЗ широкое распространение получили защиты, реагирующие на превышение тока в месте их включения некоторого зaрaнее установленного значения. Такие зашиты называются токовыми. Током срабатывания защит Iс.з. обычно называют минимальный ток в фазах линии, при котором защита может срабатывать.

Током возврата зашиты Iв.з., соответственно, называется максимальный ток в фазах линий, при котором защита возвращается в исходное состояние. Самой простой токовой защитой является токовая отсечка, являющаяся быстродействующей защитой, не имеющей выдержки времени. Селективное действие токовой отсечки без выдержки времени достигается тем, что ее ток срабатывания принимается большим максимального тока короткого замыкания, проходящего через защиту при повреждении вне защищаемого элемента. Действиe защиты при коротком замыкании на защищаемом участке обеспечивается благодаря тому, что ток КЗ в сети, а следовательно, и в защите увеличивается по мере приближения места короткого замыкания к источнику питания (см. рисунок), причем кривые изменения тока короткого замыкания имеют различную крутизну в зависимости от режима работы системы и вида КЗ (кривые 1 и 2 на рисунке, соответственно для максимального и минимального режимов).

 

 

Рис.1.

При этом Iс.з.=Кзап Iк.вн.max

При определении Iс.з. необходимо иметь в виду, что отсечка не имеет выдержки времени, поэтому в приведенном выражении ток Iк.вн. принимается равным начальному (t=0) действующему значению периодической составляющей тока внешнего короткого замыкания. Влияние апериодической составляющей учитывается коэффициентом Кзап. Ток срабатывания не зависит от режима работы и места повреждения. Отсечка срабатывает, когда ток, проходящий по защищаемой линии АБ (см.рисунок) больше или равен току срабатывания защиты, т.е. Iк => Iс.з.

В токовых отсечках защищаемая зона охватывает только часть линии, и  токовую отсечку без выдержки времени нельзя использовать в качестве единственной или основной защиты.

Однако в некоторых частных  случаях, например на радиальных линиях, питающих один трансформатор, с помощью  токовой отсечки можно защитить всю линию. Ток срабатывания при  этом выбирается по максимальному току короткого замыкания за трансформатором.

Рис.1

При выбранном таким образом  токе срабатывания мгновенная отсечка  будет надежно защищать всю линию, шины высшего напряжения подстанции и часть обмотки трансформатора. Основным недостатком токовой отсечки без выдержки времени является то, что она защищает только часть линии. Защищаемую зону можно увеличить путем создания у отсечки выдержки времени. Такая защита получила название токовой отсечки с выдержкой времени. На рисунке показана схема сети с двумя последовательно соединенными участками АБ и БВ, для защиты которых со стороны подстанции А и подстанции Б можно установить токовые отсечки без выдержки времени с токами срабатывания Iс.з.А и Iс.з.Б. Отсечки имеют защищаемые зоны соответственно LА1 и LБ1, которые охватывают только часть линии.

Однако защищаемую зону, например токовой отсечки со стороны подстанции А, можно удлинить, если в действии этой отсечки ввести замедление с таким расчетом, чтобы время ее срабатывания было больше времени действия токовой отсечки без выдержки времени, установленной у шин подстанции Б на некоторое время dt, называемое ступенью селективности

Рис.3

 

В общем случае от шин подстанции Б отходят несколько линий и, кроме того, к шинам могут быть подключены понижающие трансформаторы. При этом отсечка с выдержкой времени на подстанции А должна быть отстроена по времени от отсечек всех отходящих линий и от быстродействующих защит трансформаторов, а ее ток срабатывания должен быть выбран по наибольшему из токов КЗ, проходящих по линии АБ при повреждении в конце защищаемых зон отсечек отходящих линий и при коротком замыкании на шинах низшего напряжения трансформаторов.

Рис.4

 

Чувствительность токовой отсечки  с выдержкой времени определяется коэффициентом чувствительности Кч, равным отношению минимального тока КЗ к току срабатывания отсечки

Кч=Iк.з мин / I с.о.

В рассматриваемом примере чувствительность ТО с выдержкой времени проверяется  по металлическому короткому замыканию  в конце защищаемой линии АБ, при  этом коэффициенты чувствительности должны быть Кч ³ 1,3-1,5. Зона защиты отсечки с выдержкой времени превышает длину защищаемой линии. Оценивать нужно чувствительность в пределах защищаемой линии, для этой цели и ввели понятие коэффициента чувствительности. Расширить зону действия токовой отсечки можно, если дополнить ее измерительными реле напряжения - это токовая отсечка с блокировкой по напряжению. На рисунке показана линия с односторонним питанием, работающая в блоке с трансформатором, т.к. по мере приближения точки трехфазного короткого замыкания к шинам подстанции А остаточное напряжение Uост на шинах уменьшается согласно кривой 1 (имеется в виду действующее значение периодической составляющей напряжения для момента времени t=0). При других многофазных коротких замыканиях аналогично изменяется остаточное напряжение между поврежденными фазами. Обычно в схеме токовой отсечки используют три минимальных реле напряжения, включенных на соответствующие междуфазные напряжения. Параметрами отсечки без выдержки времени с блокировкой по напряжению является ток срабатывания Iс.з. и напряжение срабатывания Uс.з. Путем особого согласования их между собой удается расширить зону действия защиты, обеспечивая селективность при внешних коротких замыканиях и любых режимах работы питающей системы.