Раздел 5. Релейная защита.

5.1. 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 (КЗ) - наиболее опасных и тяжелых видов повреждений, которые сопровождаются значительным возрастанием тока, снижением напряжения и сопротивления. Ток короткого замыкания ( ), протекая по элементам ЭЭС, может вызвать разрушения, размеры которых тем больше, чем больше величина и время его протекания. Последнее следует из электродинамического и термического действия .

Снижение напряжения при КЗ 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. 5.1) 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 ( ), то происходит срабатывание пускового органа РЗ и сигнал ( ) поступает на логическую часть защиты (реле времени KT). При срабатывании логической части вырабатывается сигнал , поступающий на исполнительную часть защиты, выполняющую функцию усилительного органа, - промежуточное реле KL (см. рис. 5.1).

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. 5.2.

Сигнал на выходе пускового органа (ПО) появится, если одновременно будут сигналы на выходе пускового органа по току ( ) и пускового органа по напряжению ( ).

В ЭЭС действие РЗ тесно связано с устройствами автоматики, предназначенными для быстрого автоматического восстановления нормального режима и питания потребителей.

РЗ должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Селективность (избирательность) - основное требование к РЗ. Заключается в способности РЗ отключать при КЗ только поврежденный элемент, хотя ток КЗ 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 КЗ 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.5.3) установлены токовые защиты РЗ1 и РЗ2, которые отличают нормальный режим от режима КЗ по возрастанию тока. РЗ1 служит для защиты линии АВ, а РЗ2 - ВС. Однако в случае возникновения КЗ на шинах С (в точке К2) и отказе РЗ2 или выключателя ликвидация повреждения должна осуществляться РЗ1, которая при своем срабатывании дает сигнал на отключение , т.е. защита РЗ1 должна «чувствовать» короткое замыкание в конце смежной линии ВС (в точке К2), чтобы она смогла выполнить функции резервирования РЗ2.

Так для токовой защиты ток срабатывания защиты - наименьший первичный ток, при котором приходят в действие ПО защиты. Ток срабатывания защиты должен быть меньше тока короткого замыкания для РЗ1 (точка К1). Для защит от междуфазных КЗ чувствительность проверяется по наименьшему току для двухфазного КЗ, когда

; (5.1)

; (5.2)

. (5.3)

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

К_ч^I . (5.4)

Выбор величины зависит от типа применяемой защиты.

ПУЭ определяют, что К_ч^I должен быть больше 1,5, если защита является основной (для КЗ в точке К1 защита РЗ1 - основная), и больше 1,2, если защита является резервной (для КЗ в точке К2 защита РЗ1 - резервная). Столь высокие требования к коэффициенту чувствительности объясняются тем, что ток КЗ в реальных условиях эксплуатации энергосистемы может быть существенно меньше расчетного .

4. Надежность - способность защиты безотказно действовать в пределах установленной для нее зоны и не работать ложно в режимах, при которых действие РЗ не предусматривается. 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.

Существует два способа изображения реле на схемах: совмещенный и раздельный. При совмещенном способе катушки и контакты реле изображаются на одном рисунке (рис. 5.4, а). Условно считают, что катушки реле расположены в нижней части, там же указывается количество катушек. В верхней части рисунка изображаются контакты реле, их может быть несколько. В средней части расположено условное обозначение реле по ГОСТ (КА - реле тока; КU - реле напряжения).

При раздельном способе катушки реле и его контакты распложены в той части схемы, которая соответствует порядку работы устройства релейной защиты. Способ изображения катушек реле приведен на рис. 5.4, б.

Схемы релейной защиты, содержащие большое число отдельных реле, чаще всего изображаются раздельным способом.