16.5. 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 исполнительная часть которого производит в управляемых им цепях необходимые переключения, вызывающие соответствующие изменения тех или иных физических величин (тока, напряжения и т. д.).

Бесперебойность работы электроэнергетических установок 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.

Работу реле определяет его характеристика управления, выражающая связь между управляющей и управляемой величинами, например между током I и напряжением U (рис. 16.10). При увеличении управляющей величины до определенного значения, называемого параметром срабатывания (в данном примере — током срабатывания I_ср), управляемая величина не изменяется, т.е. U = U₁ = const. Но если управляющая величина достигает значения I_ср, исполнительная часть реле производит скачкообразное изменение управляемой величины U (например, включает или выключает электрическую цепь) до значения U₂. При дальнейшем увеличении тока напряжение не изменяется. Не влияет на U и уменьшение управляющей величины, пока I больше определенного значения, называемого параметром возврата, в примере — током возврата I_вз. Когда управляющая величина достигнет значения I = I_вз, исполнительная часть реле уменьшит управляемую величину до исходного значения U₁.

Отношение I_вз/I_ср = k_вз называется коэффициентом возврата реле. В зависимости от принципа действия и конструкции реле k =0,98 -0,3. Для надежности действия релейного устройства рабочее значение управляющей величины I_р, т. е. значение, при котором необходимо срабатывание реле, берется больше, чем I_ср. Отношение I_р/I_ср = k₃ называется коэффициентом запаса. Обычно k₃ = 3ё1.

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, если электрическая величина (например, ток) увеличивается 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 установке 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 реакции на самые незначительные повреждения в самом начале их возникновения. Чувствительность систем защиты является критерием их пригодности.

Надежность защиты — это 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.

Требования к релейной защите часто противоречивы в некоторых отношениях. Например, увеличение надежности посредством применения более грубых механизмов вызывает снижение чувствительности защиты, а повышение селективности использованием выдержки времени снижает

быстродействие защиты.

Применение выдержки времени является одним из простейших путей получения селективности отключений. Выдержка времени между моментом начала действия импульса управляющей величины (например, тока) на реле и моментом срабатывания исполнительной части реле создается 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 в системе релейной защиты. Выдержка времени может быть сделана независимой или зависимой от значения управляемой величины (тока при аварии).

Простым примером селективной защиты может служить защита радиальной сети с односторонним питанием от подстанции G максимальными токовыми реле с выдержкой времени (рис. 16.11, а). Селективность отключения достигается применением различных выдержек времени, тем больших, чем ближе пункт установки реле к источнику электроэнергии (рис. 16.11, б). Интервал времени Dt, равный разности времен срабатывания реле соседних участков сети, называется ступенью выдержки времени. Ее значение выбирается таким, чтобы реле предыдущего участка успело сработать и дуга в отключенном им выключателе оборвалась прежде, чем настанет время срабатывания реле следующего участка. При этом вся линия, кроме отключенного и следующих за ним участков сети, продолжает бесперебойно работать. Основным недостатком такой простой селективной защиты является чрезмерное повышение выдержки времени на участках вблизи источников электроэнергии. Это противоречит требованию быстродействия защиты. Обычно время отключения повреждения не должно превышать 0,04–0,16 с.

По виду управляющей величины реле защиты подразделяются на реле тока, реле напряжения, реле сопротивления (реагирующие на изменение соотношения между напряжением и током) и реле направления мощности.

Реле прямого действия воздействуют непосредственно на выключатель.

Реле косвенного действия контактами своей исполнительной части коммутируют 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.

Вторичнье реле подключаются к защищаемым объектам через измерительные трансформаторы тока и напряжения (см. § 9.17), 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 выпускаются двух видов — электромагнитные и индукционные. На рис. 16.12 схематически показано устройство максимального токового реле мгновенного действия электромагнитной системы. На собранном из листовой электротехнической стали магнитопроводе 1 находится обмотка 2. Между полюсами этого электромагнита установлен на оси Z-образный стальной якорь 3. Он удерживается в исходном положении пружиной 4, создающей противодействующий момент при повороте якоря из нулевого положения. Один конец пружины 4 закреплен на оси якоря, а второй конец соединен с указателем 7, последний связан с указателем тока срабатывания реле, перемещаемым вдоль шкалы 8. При отсутствии тока пружина 4 удерживает якорь прижатым 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 при помощи указателя 7. Это реле быстродействующее, но его контакты рассчитаны на замыкание цепи малой мощности, поэтому оно должно применяться в качестве реле косвенного действия. При срабатывании его контакты замыкают цепь тока промежуточного реле, а последнее своими достаточно мощными контактами замыкает цепь оперативного тока, отключающего выключатель. У такого реле может быть несколько замыкающих и размыкающих контактов. В частности, оно может одновременно замыкать цепи оперативного тока нескольких выключателей.

Если при отключении необходима небольшая выдержка времени, на магнитопровод промежуточного реле надевают 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 устанавливается индукционное реле. Его движущий механизм подобен механизму индукционного счетчика (см. § 12.8). 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 селективность и чувствительность защиты существенно уменьшаются.

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.

К зависимым источникам оперативного тока относятся 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 независимыми источниками 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 поддерживать необходимый оперативный ток в течение времени, достаточного для срабатывания защиты. Весьма ценно, что конденсаторы обеспечивают срабатывание защиты при полном исчезновении напряжения в питающей их сети переменного тока.