17.5. Реле и релейная защита

Реле — это аппарат, который при определенном воздействии на его воспринимающую часть той или иной физической величины (тока, напряжения, частоты, силы света, температуры, давления и т. п.) срабатывает и его исполнительная часть производит в управляемых им цепях необходимые переключения, вызывающие соответствующие изменения тех или иных физических величин (тока, напряжения и т. д.). Бесперебойность работы электроэнергетических установок автоматически обеспечивается релейной защитой. Часто — это очень сложная совокупность реле, автоматически воздействующих на выключатели электротехнических установок при их повреждении (коротком замыкании токоведущих частей оборудования, замыкании на землю, ненормальном изменении напряжения, изменении направления передачи энергии и т. п.). Релейная защита сигнализирует о нарушении нормального режима работы; она же затем совместно с устройствами автоматики выполняет повторное включение элементов системы электроснабжения (трансформаторов, питающих линий и т. п.), автоматически включает резервные источники электрической энергии и разгружает систему электроснабжения при недостатке мощности.

Общая основная характеристика реле — это характеристика управления, выражающая связь между воздействующей физической величиной / и управляемой величиной U (рис. 17.10). При увеличении воздействующей величины до определенного значения, называемого параметром, срабатывания (в частности, током срабатывания I_ср), управляемая величина не изменяется, т. е. пока I< I_ср, управляемая величина U0 = const. Но когда управляющая величина достигает значения I_ср, исполнительная часть реле производит скачкообразное изменение управляемой величины U (например, включает или выключает электрическую цепь) до значения U_K. Дальнейшее увеличение I не изменяет U. Не влияет на U и уменьшение управляющей величины, пока / больше определенного значения, называемого параметром возврата I_Р3 (в частности, током возврата). Когда управляющая величина достигает значения I = I_вз, исполнительная часть реле уменьшает управляемую величину до исходного значения U_o.

Отношение I_вз/I_ср = k_вз называется коэффициентом возврата реле. В зависимости от принципа действия и конструкции реле коэффициент возврата может иметь значение k_вз = 0,98 ÷ 0,3.

Для надежности действия релейного устройства рабочее значение Ip управляющей величины, т. е. значение, при котором необходимо срабатывание реле, берется больше, чем I_ср. Отношение I_р/I_ср = k₃ называется коэффициентом запаса. Обычно k₃ = 3 ÷ 1

Реле защиты электротехнических устройств в зависимости от характера изменения управляющей величины, вызывающего их срабатывание, в основном разделяются на максимальные, минимальные и дифференциальные. Максимальное реле срабатывает, когда электрическая величина (например, ток) повышается сверх определенного значения I_ср. Минимальное реле срабатывает, когда электрическая величина (например, напряжение) уменьшается ниже определенного установленного значения. Дифференциальное реле реагирует на разность двух механических моментов, создаваемых в нем действием двух сравниваемых однородных электрических величин.

Основные требования, предъявляемые к релейной защите, это селективность (избирательность), быстрота действия, надежность и чувствительность.

Селективность действия защиты состоит в том, что поврежденный элемент установки отключается от источников электроэнергии ближайшими к нему выключателями, благодаря чему авария нарушает режим нормального электроснабжения минимального числа потребителей.

Быстрота действия защиты необходима для того, чтобы уменьшить размеры разрушений поврежденного участка тепловым действием тока, ослабить влияние понижения напряжения, вызванного аварией, на работу других потребителей электроэнергии, улучшить качество электрического освещения и т. д.

Чувствительность защиты необходима для того, чтобы она реагировала на самые незначительные повреждения в самом начале их возникновения. Чувствительность систем защиты является критерием их пригодности.

Надежность защиты — безотказность срабатывания при аварии. Надежнее защита, в которой применено минимальное число реле, взаимодействующих возможно проще. Для обеспечения высокой надежности применяется резервная защита, отключающая поврежденные устройства в случае отказа основной защиты.

Эти требования часто противоречивы в некоторых отношениях. Например, увеличение надежности посредством применения более грубых механизмов вызывает снижение чувствительности защиты, а повышение селективности посредством использования выдержки времени снижает быстродействие защиты.

Применение выдержки времени является одним из простейших путей получения селективности отключений. Выдержка времени обеспечивается тем, что благодаря применению соответствующих приспособлений между моментом воздействия импульса воздействующей величины (например, тока) на реле и моментом срабатывания исполнительной части реле проходит строго определенный промежуток времени, создаваемый не только естественными инерционными свойствами механизма реле, но и специальными приспособлениями. Такие приспособления могут быть встроены в само реле (реле с выдержкой времени) или их роль исполняет специальное реле времени, являющееся частью системы релейной защиты. Выдержка времени может быть сделана независимой или зависимой от значения входного импульса (тока при аварии).

Простым примером селективной защиты может служить защита посредством максимальных токовых реле с выдержкой времени отдельных реле (рис. 17.11). При защите радиальной сети с односторонним питанием от подстанции Г селективность отключения достигается применением различных выдержек времени, тем больших, чем ближе пункт установки реле к источнику электроэнергии — подстанции Г. Выдержку времени защиты наиболее удаленного участка А можно принять равной нулю; следовательно, время срабатывания защиты этого участка определяется лишь собственным временем срабатывания реле t₁ (у современных быстродействующих реле t, = 0,02 ÷ 0,12 с).

Рассмотрим простейший случай независимой выдержки времени. При этом условии выдержка реле, защищающего следующий участокВ, должна быть больше, чем t₁, на определенное значение ∆t, называемое ступенью выдержки времени. При аварии в пределах участка А импульс получают воспринимающие части всех реле линии AD, так как через все эти реле проходит ток аварийного участка А. Но ступени выдержки времени должны быть выбраны так, чтобы реле / успело сработать и дуга в отключенном им выключателе оборвалась прежде, чем настанет время срабатывания любого другого реле. После срабатывания реле 1 отсчет времени в механизмах всех остальных реле прекратится и вся линия, кроме отключенного участка А, будет продолжать бесперебойно работать. Следовательно, ступень выдержки времени ∆t должна быть несколько больше полного времени отключения повреждения (обычно 0,04—0,16 с). Основным недостатком такой простой селективной защиты является чрезмерное повышение выдержки времени на головных участках вблизи источников электроэнергии. Это противоречит требованию быстродействия защиты.

По виду воздействующей величины реле защиты подразделяются на реле тока, реле напряжения, реле сопротивления (реагирующее на изменение соотношение между напряжением и током) и реле направления мощности.

Реле прямого действия воздействуют непосредственно на выключатель. Реле косвенного действия контактами своей исполнительной части коммутирует цепи оперативного (вспомогательного) тока, а последний воздействует на отключающий механизм выключателя.

Первичные реле включаются непосредственно в защищаемую цепь. Этим упрощается устройство защиты, но при высоком напряжении трудно постоянно контролировать исправность первичного реле, так как оно находится под высоким напряжением.

Вторичные реле подключаются к защищаемым объектам через измерительные трансформаторы тока и напряжения (см. § 8.17), что делает безопасным надзор за ними. В большинстве случаев в устройствах релейной защиты применяются вторичные реле косвенного действия.

В реле могут быть применены самые различные движущие механизмы. Реле тока косвенного действия в СССР выпускаются электромагнитные и индукционные. На рис. 17.12 схематически показано устройство максимального токового реле мгновенного действия электромагнитной системы. Собранный из листовой электротехнической стали магнитопровод 1 снабжен обмоткой 2. Между полюсами этого электромагнита установлен на оси Z-образный стальной якорь 3. Он удерживается в исходном положении; пружиной, создающей противодействующий момент при повороте якоря из нулевого положения. Один конец пружины 4 закреплен на оси якоря а второй конец соединен с поводком 7, последний связан с указателем тока срабатывания реле перемещаемым вдоль шкалы 8. При отсутствии тока пружина 4 удерживает якорь прижатом к упорному штифту 9. Когда вращающий момент, создаваемый током в катушке 2 становится больше противодействующего момента, создаваемого пружиной, якорь поворачивается и подвижные контакты 5 замыкают неподвижные контакты 6 — реле срабатывает. Ток срабатывания реле можно регулировать, изменяя затяжку пружины 4 посредством поводка 7. Это реле быстродействующее, но его контакты рассчитаны на замыкание цепи малой мощности, поэтому оно должно использоваться как реле косвенного действия. При срабатывании его контакты замыкают цепь тока промежуточного реле, а последнее своими достаточно мощными контактами замыкает цепь оперативного тока, отключающего выключатель. Такое реле может быть снабжено несколькими замыкающими и размыкающими контактами. В частности, оно может одновременно замыкать цепи оперативного тока нескольких выключателей.

Если при отключении необходима небольшая выдержка времени, промежуточное реле снабжается короткозамкнутым проводящим контуром, надетым на магнитопровод; этот контур представляет собой короткозамкнутый виток. При помощи такого устройства, замедляющего нарастание магнитного потока, можно получить выдержки времени порядка 0,1 или 0,2 с. Если необходима большая выдержка времени, то применяется реле времени.

В качестве вторичного реле прямого действия с регулируемой выдержкой времени часто применяется индукционное реле. Его движущий механизм подобен механизму индукционного счетчика (см. § 12.9). Это реле обладает относительно мощными контактами, благодаря чему его исполнительная часть может непосредственно замыкать цепь оперативного тока выключателя. При таком устройстве защиты нет нужды ни в промежуточном реле, ни в реле времени, но при этом существенно уменьшаются селективность и чувствительность защиты.

Релейная защита состоит из двух групп электрических цепей: цепей переменного тока, соединяющих реле с источниками информации о состоянии защищаемого объекта, и цепей оперативного тока, обеспечивающих срабатывание отключающих устройств с необходимыми последовательностью и селективностью.

Источники оперативного тока (постоянного или переменного) могут быть зависимыми и не зависимыми от режима работы и состояния первичных цепей защищаемой установки.

Зависимыми источниками оперативного тока являются трансформаторы напряжения, трансформаторы тока и специальные трансформаторы.

Независимыми источниками оперативного тока служат аккумуляторные батареи, но применение их очень существенно усложняет оборудование и обслуживание, поэтому такие источники применяются лишь на крупных и особо ответственных объектах.

Почти независимым источником оперативного тока являются конденсаторные батареи емкостью 25—500 мкФ на напряжение до 400 В. Во время нормальной работы установки конденсаторы заряжаются от трансформаторов напряжения через выпрямители. Затем они могут удерживать необходимый заряд в течение нескольких часов. При срабатывании защиты они обеспечивают необходимый оперативный ток на время, вполне достаточное для срабатывания всех видов защиты. Весьма ценно, что конденсаторы в таких условиях обеспечивают срабатывание защиты при полном исчезновении напряжения в питающей их сети переменного тока.