. Общие вопросы выполнения релейной защиты и автоматики

1.1. Назначение релейной защиты

Основным назначением релейной защиты (РЗ) является выявление места возникновения КЗ и быстрое автоматическое отключение выключателей поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части электрической установки или сети [5,6].

Кроме повреждений электрического оборудования могут возникать нарушения нормальных режимов его работы (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 т.д.). При нарушениях нормальных режимов работы электрического оборудования нет необходимости немедленного его отключения, так как эти явления не представляют непосредственной опасности для оборудования и могут самоустраниться.

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 требованиям [1, 2] силовое оборудование электростанций, подстанций и электрических сетей должно быть защищено от КЗ и нарушений нормальных режимов работы устройствами РЗ.

Свое название релейная защита получила от названия основного элемента схем защиты – реле, что в переводе с французского означало «перекладная лошадь». В настоящее время термином реле обозначается широкая группа автоматических приборов и устройств, используемых в релейной защите, автоматике, телемеханике, телефонии и других отраслях техники.

В релейной защите под термином «реле» обычно понимают автоматически действующее устройство, которое приходит в действие (срабатывает) при определенном значении воздействующей на него входной величины, которая называется «уставкой» реле. Так, например, реле максимального тока при увеличении тока в контролируемой цепи (куда включена токовая обмотка этого реле) до заданного значения, называемого током срабатывания (уставкой), замыкает своими контактами управляемую электрическую цепь.

Под устройством релейной защиты подразумевается совокупность реле, приборов и вспомогательных элементов, которые при повреждениях и ненормальных режимах работы оборудования должны действовать на отключение электрооборудования или на сигнал.

1.2. Краткая справка по истории развития релейной защиты

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.

Основные этапы развития техники РЗА следующие:

• Для защиты электрооборудования от КЗ в конце 19 века применялись плавкие предохранители.

• В 1901 г. появляются индукционные (дисковые) реле тока.

• В 1908 г. разрабатывается дифференциальный токовый принцип.

• В 1910 г. появляются токовые направленные защиты.

• В начале 20-х годов были разработаны первые дистанционные защиты.

• В 1923-1928гг предпринимаются первые шаги по использованию для защиты электронных устройств.

• В 1932г была разработана дистанционная защита на электронных лам-пах.

• В 70-е годы началось широкое применение для РЗА электронных уст-ройств, выполненных на дискретных полупроводниковых приборах.

• В 80-е годы началось применение микроэлектронных устройств РЗА на интегральных микросхемах.

• В начале 90-х годов и по настоящее время – внедряется новое поколение устройств РЗА, построенное на микропроцессорной элементной базе, так называемые цифровые реле защиты.

Таблица 1.1

Название

фирмы Страна

(город) Основные типы ЦР для защиты:

линии трансформатора двигателя

Areva (реле Micom) Р120, Р540 Р631 Р241

ABB Швеция REF54, REL52 RET 316 REM 542

АББ-Чебоксары Россия SРАС 801 SРАD 804 SРАJ 802

Merlin Gerin Франция Sepam2000 SO Sepam2000 ТO Sepam2000 МO

Siemens Германия 7SJ 511 7VT 512 7UM 513

GE США L60 F60 M60

SEL – SEL 543 SEL 551

Механотроника С.–Петербург БМРЗ 04 БМРЗ 05 БМРЗ ДС

Радиус Зеленоград Сириус-М Орион-М

Киевприбор Украина МРЗС 05; УЗА-10А.2(3)

РУП «Белэлектромонтажналадка» Беларусь МТЗ 610ЛВ, МР 730 МТЗ 610-5

Таким образом, в настоящее время в электроэнергетических системах одновременно эксплуатируются устройства РЗА построенные на различной элементной базе: электромеханические реле, блоки реле, шкафы и панели на интегральных микросхемах малой и средней степени интеграции (логические элементы и операционные усилители), а также перспективные защиты на микропроцессорной технике. Пока в действующих электроустановках до 95% эксплуатируются электромеханические защиты, однако, при реконструкции подстанций и строительстве новых энергетических объектов предпочтение отдают современным микропроцессорным защитам, на базе которых создаются автоматические системы управления и сбора информации (АСУ ТП).

Основные производители цифровых реле представлены в табл.1.1.

1.3. Повреждения и ненормальные режимы в системах электроснабжения.

Переходный процесс в электроэнергетической системе (ЭЭС) – процесс перехода от одного установившегося режима электроустановки к другому. Переходные процессы в ЭЭС оказывают существенное влияние на выбор структуры ЭЭС, выявление условий работы ЭЭС при аварийных режимах, а также на выбор средств управления, регулирования, релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Практические задачи, при решении которых инженер РЗА сталкивается с необходимостью количественной оценки тех или иных величин во время электромагнитного переходного процесса, разнообразны и многочисленны. Однако все они объединены целью обеспечения надежности работы отдельных элементов и всей ЭЭС в целом.

При проектировании ЭЭС электрооборудование выбирается в два этапа. Первый – предварительный выбор по параметрам длительных режимов, включая режимы перегрузки. Второй этап – проверка предварительно выбранного электрооборудования по условиям его работы при переходных режимах (процессах).

Наиболее часто встречающимися причинами возникновения переходных процессов являются:

– короткие замыкания в системе;

– включение и отключение двигателей и других крупных приемников электроэнергии, ЛЭП, генераторов, трансформаторов, автотрансформаторов;

– отключение или обрыв одной или двух фаз в трехфазной системе;

– несинхронные включения синхронных машин.

Повреждения – это аварийные режимы, требующие немедленного отключения оборудования.

Наиболее тяжелые нарушения нормальной работы ЭЭС вызываются короткими замыканиями. Поэтому электрооборудование выбирается по параметрам продолжительных режимов и проверяется по параметрам кратковременных режимов, определяющим из которых является режим КЗ.

При эксплуатации ЭЭС могут иметь место замыкания и короткие замыкания.

Замыкание – это всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановок между собой или с землей.

Короткое замыкание – это не предусмотренное нормальными условиями работы, замыкание между фазами, а в системах с заземленными нейтралями (или четырехпроводных) – также замыкание одной или нескольких фаз на землю (или на нулевой провод). При коротком замыкании токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Короткие замыкания бывают следующих видов: трехфазные, двухфазные, двухфазные на землю и однофазные. При определении параметров срабатывания защит в сетях 6…35 кВ расчетным видом является наибольший трехфазный ток КЗ, а при оценке чувствительности защит – наименьший двухфазный ток КЗ, а однофазные замыкания на землю не сопровождаются значительным увеличением тока.

В сетях 110 кВ и выше учитываются также значения токов КЗ на землю.

К ненормальным режимам работы электрооборудования относятся:

Перегрузка оборудования, вызванная увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальное значение тока, допускаемое для данного оборудования в течение неограниченного времени. Если ток, проходящий по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемой им дополнительной тепловой энергии температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимое значение, что приводит к ускоренному старению изоляции и токоведущих частей.

Время tдоп, допустимое для прохождения повышенных токов, зависит от их значения. Характер этой зависимости, определяемой конструкцией оборудования и типом изоляционных материалов, приведен на рис.1.1. Величина выделяемого тепла пропорциональна квадрату тока, и поэтому нагрев резко растет с увеличением кратности тока. Причиной сверхтока может быть увеличение нагрузки, или появление КЗ за пределами защищаемого элемента (внешнее КЗ). Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или отключению в пределах времени tдоп.

Повышение напряжения возникает на трансформаторах, генераторах и линиях высокого напряжения и может быть передано в распределительные сети. В распределительных сетях появляются дополнительные причины для повышения напряжения: неправильная работа РПН, влияние емкостной компенсации при внезапном сбросе нагрузки. В ряде случаев, величина такого напряжения может оказаться опасной для оборудования: электронных устройств, бытовых приборов, двигателей и трансформаторов.

Понижение напряжения особенно опасно для электродвигателей, которые для поддержания необходимой величины момента, увеличивают потребление тока, что приводит к их токовой перегрузке и выходу из строя. При понижении напряжения резко уменьшается светоотдача ламп накаливания и погасание газоразрядных ламп. Защита от понижения напряжения обычно применяется в сетях промышленного назначения, питающих электродвигатели, в особенности синхронные.

Режим работы двумя фазами происходит при обрыве фазы или перегорании предохранителя в питающей сети (неполнофазный режим). Двигатели при этом могут остаться в работе, если электромагнитный момент, развиваемый двигателем больше момента сопротивления механизма или остановиться. В обоих случаях ток резко возрастает, что приводит к перегрузке и перегреву двигателя и выходу его из строя. Поэтому часто двигатели снабжаются специальной защитой от работы в неполнофазном режиме. Для предотвращения возникшей перегрузки может быть использована защита от перегрузки, действующая на отключение с выдержкой времени. Эта защита должна быть установлена хотя бы в двух фазах, чтобы она не оказалась подключенной к оборванной фазе.

Качания в энергосистеме возникают при нарушении синхронной работы генераторов электростанций. Синхронизм в ЭЭС нарушается, например, при затяжных отключениях близких КЗ. При этом вектор ЭДС генератора, вблизи которого произошло КЗ, начинает отставать от вектора напряжения сети и в линии возникают качания, сопровождающиеся колебаниями напряжения и уравнительными токами. Уравнительный ток периодически с частотой менее 1Гц изменяется от нуля до максимального значения, величина которого может даже превысить ток КЗ на данной линии. После нескольких циклов качаний генератор втягивается в синхронизм. Качания - очень опасный ненормальный режим. Большинство устройств РЗ, реагирующих на величину тока или сопротивления, могут приходить в действие при качаниях. Поэтому необходимо принимать меры, исключающие ложные срабатывания защит при возникновении качаний.

Грозовые перенапряжения. Для защиты электрооборудования станций, подстанций и сетей от грозовых перенапряжений при прямых ударах молнии применяются грозозащитные тросы на воздушных линиях и специальные вентильные разрядники или нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) на подстанциях.

Коммутационные перенапряжения возникают вследствие неодновременности отключения или включения токов фаз коммутационными аппаратами. В этом случае уровень перенапряжения зависит от величины и скорости изменения тока. При коммутации вакуумными выключателями малых индуктивных токов (отключение ненагруженных силовых трансформаторов или запускаемых электродвигателей) при некоторых сочетаниях параметров присоединения и выключателя возможен разрыв тока не при переходе синусоиды тока через нуль, как в масляных и элегазовых выключателях, а в любой момент периода (срез тока), сопровождающийся значительными перенапряжениями, опасными для оборудования. Для защиты оборудования необходимо применение ограничителей перенапряжения ОПН.