32. Назначение релейной защиты и основные требования, предъявляемые к нЕй

Нормальная работа электроустановок и потребителей электроэнергии нарушается при возникновении повреждений и ненормальных режимов, которые сопровождаются возрастанием тока, снижением или повышением напряжения и частоты. В этом случае возможны повреждения оборудования и нарушения синхронизма в электроэнергетической системе (ЭЭС). В связи с этим возникает необходимость в создании и применении различных автоматических устройств, защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Большинство повреждений в ЭЭС приводит к возникновению различного вида коротких замыкания (к.з.) - наиболее опасных и тяжелых видов повреждений, которые сопровождаются значительным возрастанием тока, снижением напряжения и сопротивления. Ток короткого замыкания (Iкз), протекая по элементам ЭЭС, может вызвать разрушения, размеры которых тем больше, чем больше величина Iкз и время его протекания. Последнее следует из электродинамического и термического действия Iкз.

Снижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей и может вызвать остановку асинхронных двигателей, что приводит к расстройству технологического процесса на предприятиях. Снижение напряжения может вызвать нарушение устойчивости в ЭЭС и привести к дальнейшему тяжелому развитию аварии.

Релейная защита (РЗ) представляет собой автоматическое устройство, предназначенное для защиты ЭЭС и ее элементов от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. РЗ производит автоматическую ликвидацию аварии (при возникновении ненормальных режимов) или ее локализацию (отключение поврежденного элемента).

Устройства РЗ и автоматики состоят из отдельных функциональных элементов, связанных между собой общей схемой (рис. 1) и предназначенных для решения стоящих перед ними задач.

Входной (воздействующей) величиной для РЗ является электрический параметр, определяемый типом РЗ. Так, например, для максимальных токовых защит, в качестве воздействующей (входной) величины принимается ток (I), проходящий через защищаемый элемент ЭЭС. Если величина I превысит установленное значение (Iуст), то происходит срабатывание пускового органа РЗ и сигнал (Z₁) поступает на логическую часть защиты (реле времени КТ). При срабатывании логической части вырабатывается сигнал Z₂, поступающий на исполнительную часть защиты, выполняющую функцию усилительного органа, - промежуточное реле KL (см. рис. 1).

Для сложных защит в качестве входных параметров могут использоваться несколько воздействующих величин. Так, например, для максимальных токовых защит с блокировкой по минимальному напряжению пусковой орган РЗ выполняется по схеме, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Пусковой орган для МТЗ с пуском по минимальному напряжению

Сигнал Z₁ на выходе пускового органа ПО появится, если одновременно будут сигналы на выходе пускового органа по току ( Х₁) и пускового органа по напряжению ( Х₂). В ЭЭС действие РЗ тесно связано с устройствами автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима и питания потребителей. Например, устройство АПВ силового трансформатора запускается при срабатывании его максимальной токовой защиты и блокируется при срабатывании основных защит трансформатора (дифференциальной и газовой).

РЗ должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Селективность (избирательность) - основное требование к РЗ. Заключается в способности РЗ отключать при к.з. только поврежденный элемент, хотя ток к.з. протекает и по другим неповрежденным элементам ЭЭС. Для различных типов защит селективность обеспечивается различными способами. При селективной работе РЗ не происходит излишних отключений оборудования и потребителей, тем самым минимизируется ущерб от аварийной ситуации.

2. Быстродействие - способность работать с минимально допустимой выдержкой времени. Без выдержки времени могут работать только защиты, обладающие абсолютной селективностью (дифференциальные, высокочастотные, первые ступени токовых защит - токовые отсечки). Для сетей с уровнем номинального напряжения 110-220 кВ предельное время отключения коротких замыканий составляет 0,3-0,5 с, а для сетей 330-500 кВ - 0,15 с. Такие жесткие ограничения по скорости отключения коротких замыканий в сетях высокого напряжения определяются в первую очередь условиями обеспечения динамической устойчивости в энергосистеме. На низких напряжениях (6-35 кВ) время отключения к.з. может достигать нескольких секунд. Быстродействие РЗ находится в противоречии с их селективностью.

3. Чувствительность - способность РЗ реагировать на те отклонения от нормального режима, которые возникают в результате повреждения. Для схемы ЭЭС (рис. 3) установлены токовые защиты Р31 и Р32, которые отличают нормальный режим от режима к.з. по возрастанию тока. Р31 служит для защиты линии АВ, а Р32 - ВС. Однако в случае возникновения к.з. на шинах С (в точке К2) и отказе Р32 или выключателя Q₂ ликвидация повреждения должна осуществляться Р31, которая при своем срабатывании дает сигнал на отключение Q₁, т.е. защита РЗ1 должна «чувствовать» короткое замыкание в конце смежной линии ВС (в точке К2), чтобы она смогла выполнить функции резервирования Р32.

Рис. 3. Схема ЭЭС и размещение токовых защит линий АВ и ВС (а) и схема замещения в аварийном режиме при К⁽³⁾ в точке К2 (б)

Так для токовой защиты ток срабатывания защиты Iсз - наименьший первичный ток, при котором приходят в действие ПО защиты. Ток срабатывания защиты должен быть меньше тока короткого замыкания для Р31 (точка К1). Для защит от междуфазных к.з. чувствительность проверяется по наименьшему току для двухфазного к.з., когда:

Коэффициент чувствительности защиты характеризует отношение величины контролируемого параметра в режиме к.з. к величине порога срабатывания защиты. Коэффициент чувствительности по току определяет, во сколько раз минимальный ток к.з. больше тока срабатывания защиты:

Выбор величины Iсз зависит от типа применяемой защиты. ПУЭ определяют, что Кч должен быть больше 1.5, если защита является основной (для к.з. в точке К1 защита Р31 - основная), и больше 1.2, если защита является резервной (для к.з. в точке К2 защита Р31 - резервная). Столь высокие требования к коэффициенту чувствительности объясняются тем, что ток к.з. в реальных условиях эксплуатации энергосистемы может быть существенно меньше расчетного I_кз^сз.

4. Надежность - способность защиты безотказно действовать в пределах установленной для нее зоны и не работать ложно в режимах, при которых действие РЗ не предусматривается. Иначе говоря, при функционировании РЗ не должно быть случаев отказов и ложной работы. Для повышения надежности работы РЗ используются устройства диагностики - тестового контроля и функционального диагностирования. Кроме того, повышению надежности способствует и перевод РЗ на новую современную элементную базу - интегральные микросхемы и микропроцессорную технику. Последнее улучшает и характеристики РЗ с точки зрения ее быстродействия и чувствительности, уменьшает вес и габариты устройств РЗ, сокращает потребление электроэнергии, облегчает ремонт и эксплуатацию устройств РЗиА.