1.5. Основные требования, предъявляемые к релейной защите
К релейной защите предъявляются следующие основные требования:
селективность; быстродействие; чувствительность; надежность.
1. Селективность или избирательность – это способность релейной защиты выявлять место повреждения и отключать его только ближайшими к нему выключателями (рис.1.2).
При КЗ в точке К1 (рис.1.2) для правильной ликвидации аварии должна подействовать защита на выключателе Q1 и отключить этот выключатель. При этом остальная неповрежденная часть электрической установки останется в работе. Такое избирательное действие защиты называется селективным.
Если же при КЗ в точке К1 раньше защиты выключателя Q1 подействует защита выключателя Q2 и отключит этот выключатель, то ликвидация аварии будет неправильной, так как кроме поврежденного электродвигателя M1, останется без напряжения неповрежденный электродвигатель М2. Такое действие защиты называется неселективным.
Из рис.1.2 видно, что если при КЗ в точке K1 подействует неправильно защита выключателя Q3 и отключит этот выключатель, то последствия такого неселективного действия будут еще более тяжелыми, так как без напряжения останутся оба неповрежденных электродвигателя М2 и МЗ. В технике релейной защиты принято называть предыдущая (нижестоящая) и последующая (вышестоящая) защиты на смежных линиях. Так на рис.1.2 у выключателя Q1 установлена предыдущая защита, а у выключателя Q2 – последующая. Нумерацию защит начинают от самой удаленной от источника питания защиты.
Рассмотренный пример показывает, что выполнение требования селективности имеет важное значение для обеспечения правильной ликвидации аварий.
1. Селективность РЗ означает, что автоматика должна выявить поврежденный участок и отключить только его. Для РЗ, действующей на сигнал, селективность — это способность однозначно указывать место возникновения ненормального режима.
На каждом элементе (линия, трансформатор, генератор и т.д.) устанавливается несколько комплектов РЗ. В зависимости от вида повреждения должен действовать только один из них.
Существует два вида селективности.
1) абсолютная селективность. Если по принципу своего действия защита срабатывает только при КЗ на защищаемом элементе, то ее относят к защитам, обладающим абсолютной селективностью.
Применяется несколько способов обеспечения селективности.
Селективность по принципу действия. По принципу действия защиты могут иметь абсолютную селективность (срабатывают только при КЗ в защищаемой зоне, например - газовая (ГЗ) или дифференциальная защиты трансформатора (ДЗТ), или относительную селективность (могут работать в качестве резервных при КЗ на смежных участках, например - максимальная токовая защита (МТЗ). Защита принципиально не срабатывает при КЗ вне зоны действия (например - зона действия дифференциальной защиты ограничивается местом установки питающих ее трансформаторов тока).
Селективность по чувствительности. Ток, напряжение или сопротивление срабатывания выбирается таким образом, чтобы последующая защита не действовала при КЗ на смежной линии или за трансформатором. Для этого, например токовая отсечка, отстраивается от токов КЗ в конце линии или за трансформатором и, следовательно, обладает селективностью по чувствительности.
Селективность по времени. Выдержка времени каждой последующей защиты, например, максимальной токовой защиты, выбирается на ступень селективности больше предыдущей защиты. Поэтому последующая защита не успевает сработать, так как ее опережает предыдущая защита линии при КЗ на ней. Этот принцип наиболее прост, однако имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что выдержка времени растет по мере приближения точки КЗ к источнику питания. Величина ступени селективности определяется точностью реле времени защиты, быстродействием примененного выключателя и для электромеханических защит составляет 0,5 с, а для современных микропроцессорных защит – 0.2…0.3 с.
Логическая селективность применяется в том случае если смежные, как в предыдущем примере, защиты объединены линией связи. При этом последующая защита сработает без выдержки времени (быстродействующая ступень) при условии, что не запустилась предыдущая защита. Пуск предыдущей защиты свидетельствует о том, что КЗ произошло на смежной линии и последующая защита переводится в режим временной селективности, т.е. она сработает, если откажет предыдущая защита или ее выключатель. Логическую селективность целесообразно применять на коротких линиях и при использовании цифровых реле, у которых есть специальный вход «логического ожидания».
2. Быстродействие - это свойство релейной защиты отключать повреждение с минимально возможной выдержкой времени, т.к. быстрое отключение поврежденного оборудования или участка электрической установки предотвращает или уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповрежденной части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов. Длительное протекание тока КЗ может привести к повреждению неповрежденных участков оборудования, линий, трансформаторов, по которым протекает ток КЗ вследствие термического перегрева оборудования. Допустимое время протекания тока через оборудование, не вызывающее его повреждения, указывается в ГОСТах на оборудование и находится в обратно-пропорциональной зависимости от величины тока КЗ (рис.1.1).
Для обеспечения устойчивости параллельной работы генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, по которым осуществляется параллельная работа и все другие части электрической установки или электрической сети должны оснащаться быстродействующей релейной защитой, время действия которой не должно превышать 0,1 с, а для линий сверхвысокого напряжения – не более 0,02 с.
3. Чувствительность - это свойство защиты надежно срабатывать при КЗ в конце защищаемого участка в минимальном режиме работы системы.
Защита должна обладать такой чувствительностью к тем видам повреждений и нарушений нормального режима работы в данной электроустановке или электрической сети, на которые она рассчитана, чтобы было обеспечено ее действие в начале возникновения повреждения. Чувствительность защиты должна также обеспечивать ее действие при повреждениях на смежных участках. Так, например, если при повреждении в точке K1 (рис.1.2) по какой-либо причине не отключится выключатель Q1, то должна подействовать защита следующего к источнику питания выключателя Q2 и отключить этот выключатель. Такое действие защиты называется дальним резервированием смежного участка.
Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувствительности (Кч), определяемым как отношение минимального значения контролируемой величины при КЗ в конце защищаемого участка к уставке защиты. Коэффициенты чувствительности нормируются [1] и минимальная их величина составляет при КЗ в защищаемой зоне Кч=1,5, в зоне резервирования – Кч=1,2, для быстродействующих дифференциальных защит Кч=2.
Коэффициент чувствительности учитывает погрешности реле, погрешности расчета параметров срабатывания РЗ, влияние переходного сопротивления и электрической дуги в месте КЗ.
Селективность автоматики.
АЧР действует при снижении частоты. Устройства АЧР имеют несколько уставок по частоте. Уставка – значение частоты, при котором должны отключаться потребители. При соответствующей частоте должна срабатывать соответствующая очередь АЧР.
Селективностью должна обладать делительная автоматика. Селективность заключается в том, что должна срабатывать определенная ДА.
2. Чувствительность – это способность автоматики реагировать на возможные повреждения в минимальных режимах работы системы электроснабжения.
Чувствительность
защиты оценивают коэффициентом
чувствительности. Коэффициент
чувствительности определяется отношением
минимального значения входной
воздействующей величины к установленному
на защите значению параметра срабатывания.
Например, для токовых защит
где Iкз - ток КЗ при минимальном режиме для самой удаленной точки защищаемого участка;
I сз – ток срабатывания защиты - ток в первичной цепи, при котором должна срабатывать защита.
4. 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 его повреждениях 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. Требование надежности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкций аппаратуры, добротностью деталей, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации.
4. Надежность
Устройства РЗИА должны правильно и безотказно выполнять свои функции при всех нарушениях нормального режима. Надежность обеспечивается следующим:
1) надежно работающими элементами (простая конструкция, меньшее число контактных систем);
2) правильная эксплуатация;
3) надежный монтаж.
Наименее надежным элементом является контактная система. Надежность можно повысить, заменив контактную систему логическими элементами. Например, электронными ключами. Состояние устройств автоматики систематически проверяется при эксплуатации. Надежность защиты оценивается числом правильных срабатываний от количества всех срабатываний.
Требуемое состояние устройств защиты поддерживается плановыми проверками релейной защиты, при которых необходимо выявить и устранить возникшие дефекты. У современных микропроцессорных устройств защиты существуют встроенные системы автоматической и тестовой проверки, которые позволяют быстро выявить появившиеся неисправности и тем самым предотвратить отказ или неправильную работу защиты. Глубина таких проверок может быть большой, но не 100%. Поэтому наличие тестовых проверок или автоматического контроля не исключает необходимости плановых проверок, но существенно уменьшают их частоту и объем проведения.
Для повышения надежности применяют принципы ближнего или дальнего резервирования.
Ближнее резервирование обеспечивается установкой на данном присоединении второй, резервной защиты, а для резервирования отказа выключателя - специального устройства резервирования отказа выключателя (УРОВ). При дальнем резервировании отказ защиты и выключателя резервируется защитой на вышестоящем, последующем элементе.
Дальнее резервирование обеспечить в ряде случаев принципиально сложно, а то и невозможно. При отсутствии такого резервирования, последствия отказа не резервируемых защит очень тяжелы: это выгорание секций шин и трансформаторов на питающих подстанциях, выгорание отходящей линии на большом протяжении. Поэтому следует стремиться к применению дополнительных средств ближнего и дальнего резервирования и отказываться от него только при полной технической невозможности.
1.6. Основные органы релейной защиты
Устройства релейной защиты состоят из следующих основных частей: пусковых органов; измерительных органов; логической части; исполнительной части;
Пусковые органы непосредственно и непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого оборудования и реагируют только 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), промежуточных и указательных реле и индикаторных светодиодов или жидкокристаллических дисплеев.
Исполнительная часть (выходной орган) выполняет действие на отключение (включение) выключателей или других внешних устройств.
1.7. Разновидности и назначение автоматики
К устройствам автоматики относят автоматическое повторное включение (АПВ) и автоматическое включение резервного питания, сокращенно - автоматический ввод резерва (АВР).
Практика эксплуатации энергосистем показала, что значительное число КЗ имеет неустойчивый проходящий характер. При снятии напряжения с поврежденной цепи электрическая прочность изоляции в месте повреждения быстро восстанавливается и цепь вновь включается устройством АПВ в работу без осмотра и ремонта.
Автоматический ввод резерва (АВР) подключает резервный источник питания (трансформатор, линию) при исчезновении питания от рабочего источника.
Существуют также следующие виды технологической автоматики:
• автоматическое регулирование возбуждения генераторов и синхронных двигателей (АРВ);
• автоматическое регулирование положения переключателя РПН силового трансформатора (АРНТ);
• автоматическую настройку дугогасящих катушек компенсации емкостного тока замыкания на землю в сети 6…35 кВ (АРК);
• автоматическую регулировку мощности батареи статических конденсаторов;
• автоматику охлаждения силовых трансформаторов;
• определение места повреждения на линии электропередачи (ОМП).
К противоаварийной режимной автоматике относят:
• автоматическую частотную разгрузку (АЧР);
• автоматическое включение потребителей, отключенных действием АЧР, после восстановления частоты (ЧАПВ);
• автоматическое регулирование частоты и активной мощности (АРЧМ) и т.д.
Автоматическое регулирование возбуждения генераторов и синхронных двигателей (АРВ). Автоматика управляет величиной тока возбуждения и воздействует на возбудитель, который создает ток в обмотке ротора генератора или синхронного двигателя. Измерительные органы АРВ контролируют напряжение и ток генератора и поддерживают напряжение на выводах генератора согласно принятому закону регулирования. Возбудителем может быть машина постоянного тока, машина переменного тока, после которой установлен выпрямитель, трансформатор с тиристорным управлением тока возбуждения.
Автоматическое регулирование напряжения силового трансформатора (АРНТ). АРНТ устанавливается на трансформаторах оснащенных РПН (регулятором под нагрузкой). Автоматика регулирует уровень напряжения на шинах НН или СН трансформатора путем переключения количества витков на стороне высшего напряжения (ВН) трансформатора. Обмотка трансформатора имеет несколько ответвлений, которые можно переключать под нагрузкой. Поскольку число витков изменяется на стороне высшего напряжения, регулирование получается обратным: наибольшему количеству витков на стороне ВН соответствует наименьшее напряжение стороны ВН. Нумерация ответвлений идет в обратном порядке: наибольшему числу витков соответствует наименьший номер ответвления (1), а наименьшему - наибольший номер ответвления (9, 19 и т.д.). Поэтому, для того чтобы поднять напряжение на стороне НН, нужно увеличить номер ответвления. Переключение ответвлений производится без разрыва цепи с помощью контакторов, расположенных в специальном отсеке РПН. Этот отсек герметически изолирован от масла в баке трансформатора и имеет свою специальную газовую защиту на случай повреждения в нем.
Автоматика настройки дугогасящих катушек для компенсации емкостного тока замыкания на землю в сети 6…35 кВ (АРК). Дугогасящая катушка (реактор) компенсации емкостного тока замыкания на землю (ДГК) включается в нейтраль специального трансформатора, подключенного к
сновные типы вторичных измерительных электромагнитных реле косвенного действия. Логические реле. Реле времени.