Релейная защита

Релейная защита (РЗ) — комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. Релейная защита осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить повреждённый участок и отключить его от электроэнергетической системы, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания).

Общие сведения

Основным назначением релейной защиты явялется выявление повреждений в энергосистеме и формирование управляющих воздействий для отключения выключателей и отделения повреждённого элемента от электрической сети.

Дополнительным назначением релейной защиты является выявление утяжелённых режимов работы элементов энергосистемы и выдача сигнала об этом оперативному персоналу.

На каждом из элементов энергосистемы в общем случае должны быть установлены основная и резервная защиты. Основной называют ту защиту, которая должна действовать раньше других при внутренних повреждениях в защищаемом элементе. Резервной называют ту защиту, действие которой предусмотрено вместо основной защищаемого и смежных элементов, а также при отказе действия выключателя.

Поколения устройств

Все устройства релейной защиты, установленные на линиях электропередач 110-500 кВ, можно разделить на несколько поколений:

• 1 поколение — электромеханические защиты. Выпускались в СССР длительное время, примерно с 1940-х до 1990-х годов. Установлены на абсолютном большинстве всех линий 110—500 кВ.
• 2 поколение — электронные защиты. Выпускались только в 1990-х годах. Поэтому установлены на небольшом количестве линий 110—500 кВ.
• 3 поколение — микропроцессорные защиты. Появились в России примерно с конца 1990-х годов, то есть, практически в 21 веке.

Назначение релейной защиты

Релейная защита — часть электрической автоматики, предназначенная для выявления и автоматического отключения поврежденного электрооборудования.

В виде исключения к устройствам РЗ относятся некоторые устройства, предназначенные не для выявления и отключения поврежденного электрооборудования, а для выявления ненормальных режимов работы электрооборудования (например, защита от перегрузки трансформатора).

Кроме того, в некоторых случаях, не требующих быстрого автоматического отключения поврежденного оборудования, устройства РЗ могут действовать не на отключение, а на сигнал (например, защита от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью).

Требования к релейной защите

К устройствам релейной защиты, действующим на отключение предъявляются четыре основных требования:

• Селективность.
• Чувствительность.
• Быстродействие.
• Надёжность.

Селективное действие

Селективное действие — это такое действие релейной защиты, при котором обеспечивается отключение только повреждённого элемента энергосистемы. Релейная защита может иметь два вида селективности:

• Абсолютную селективность. Защиты с абсолютной селективностью действуют принципиально только при повреждениях в их зоне. При повреждении соседних элементов энергосистемы такие защиты принципиально не работают.
• Относительную селективность. Защиты с относительной селективностью могут действовать при повреждениях не только в своей, но и в соседней зоне.

Для обеспечения селективного действия релейной защиты с относительной селективностью, такие защиты как правило, выполняются с выдержками времени, что является их недостатком. А защиты с абсолютной селективностью, как правило, выполняются без выдержки времени, что является их достоинством.

Защиты с относительной селективностью могут использоваться для обеспечения дальнего резервирования, а защиты с абсолютной селективностью — нет.

Быстродействие

Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов. Показателем быстродействия является время срабатывания защиты — это интервал времени от момента возникновения повреждения до момента отделения от сети повреждённого элемента.

В общем случае время отключения повреждённого элемента равно:

[math]\displaystyle t_{\text{откл}}= t_{\text{ср.з}} + t_{\text{з}} + t_{\text{выкл}} + t_{\text{д}}, [/math]

где [math]t_{\text{откл}}[/math] — время отключения; [math]t_{\text{ср.з}}[/math] — собственное время срабатывания защиты; [math]t_{\text{з}}[/math] — выдержка времени, установленная на защите; [math]t_{\text{выкл}}[/math] — собственное время срабатывания выключателя; [math]t_{\text{д}}[/math] — время горения дуги в выключателе.

Длительное существование режима КЗ может привести к следующим отрицательным последствиям:

1. Увеличение объема повреждения оборудования (чем дольше горит — тем больше выгорит).
2. Повреждение другого оборудования, по которому протекает ток КЗ.
3. Нарушение работы потребителей (из-за пониженного напряжения вблизи точки КЗ).
4. Нарушение устойчивости работы генераторов, электростанций, энергосистем.

Поэтому устройства РЗ должны выявлять и отключать поврежденное оборудование как можно быстрее. Практически времена срабатывания устройств РЗ находятся в диапазоне от сотых долей секунды до нескольких секунд.

С точки зрения быстродействия все защиты разделяются на два вида:

1. Защиты без выдержки времени: не имеют замедления с помощью реле времени. Юридически считается время срабатывания защиты ноль секунд, фактически у каждой защиты имеется собственное время срабатывания, не равное нулю. Ориентировочные собственные времена срабатывания защит:
   • электромеханические защиты: tСЗ ≈ 50-100 мсек.
   • электронные защиты: tСЗ ≈ 30-40 мсек.
   • микропроцессорные защиты: tСЗ ≈ 20-40 мсек.
2. Защиты с выдержкой времени: имеют замедление срабатывания с помощью реле времени. Выдержка времени защит составляет примерно от 0,3 до 9 сек.
   • В сетях 35 кВ и ниже вполне допустимо отключение повреждения с выдержкой времени до нескольких секунд.
   • В сети 110—220 кВ короткие замыкания отключаются устройствами РЗ, как правило, с временем, не превышающим одной секунды.
   • В сети 500 кВ, как правило, любое КЗ в любой точке отключается без выдержки времени.

Чувствительность

Релейная защита должна реагировать только на повреждение защищаемого элемента энергосистемы, а в случаях когда это предусмотрено, то и на соседних элементах.

Чувствительность устройства РЗ — способность устройства РЗ реагировать на возникновение КЗ или ненормального режима работы оборудования.

Устройство РЗ должно срабатывать:

1. При повреждении в любой точке защищаемого оборудования.
2. Во всех режимах работы защищаемого оборудования и энергосистемы.
3. При всех видах повреждений защищаемого оборудования, при которых данное устройство РЗ должно работать.

Имеются устройства РЗ, предназначенные для работы при всех видах повреждений, и имеются устройства РЗ, предназначенные для работы только при определенных видах повреждений (например, защита от трёхфазных КЗ, защита от междуфазных КЗ, защита от несимметричных КЗ, защита от КЗ на землю).

Надёжность

Надежность устройств РЗ — способность устройств выполнять заданные функции при заданных условиях эксплуатации.

Классификация неправильных случаев работы устройств РЗ:

1. Излишнее срабатывание защиты — когда через защиту протекал ток КЗ, но защита не должна была сработать. Например, при КЗ на одной линии электропередачи правильно сработала защита данной линии и отключила поврежденную линию, но одновременно с этим излишне сработала защита на другой линии и также отключила её.
2. Ложное срабатывание защиты — когда защита сработала при отсутствии тока КЗ, например, в нормальном режиме.
3. Отказ в срабатывании защиты — когда при КЗ на защищаемом элементе энергосистемы защита должна была сработать, но не сработала.

Излишнее и ложное срабатывания устройств РЗ в некоторой степени исправляются устройствами АПВ (излишне или ложно отключенная линия через несколько секунд включается от устройства АПВ) Отказ в срабатывании защиты приводит к тяжелым последствиям: развитие аварии, увеличение объёма повреждений. Поэтому когда речь идет о надежности устройств РЗ, основное внимание обращается на предотвращение именно отказов устройств РЗ, а не излишних и ложных срабатываний. И повышение надёжности работы устройств РЗ — это снижение вероятности их отказов.

Для предотвращения отказов защит применяются следующие технические мероприятия:

1. Ближнее резервирование защит.
2. Дальнее резервирование защит.

При ближнем резервировании защит для защиты одного элемента энергосистемы применяется не одно устройство РЗ, а два устройства РЗ: основная защита и резервная защита. Основной защитой называется защита, имеющая минимальное время срабатывания. Резервной называется защита, имеющая большее время срабатывания.

Недостатки ближнего резервирования защит:

1. Требуются дополнительные затраты на установку резервных защит.
2. Ближнее резервирование может оказаться неэффективным, например, при исчезновении оперативного тока на подстанции или при отсутствии сжатого воздуха для воздушных выключателей.

При дальнем резервировании защит устройство РЗ, предназначенное для защиты одного элемента энергосистемы, является резервной защитой для другого элемента энергосистемы.

Дальнее резервирование плохо тем, что при отказе защиты на одной ВЛ происходит погашение всей подстанции. Но зато, во-первых, не требуется дополнительных затрат, так как для дальнего резервирования используются существующие защиты, а во-вторых, дальнее резервирование обеспечивает отключение повреждения даже при полной неработоспособности выключателей и защит на подстанции, от которой отходит поврежденная линия.

Перечень базовых функций защит

В соотвествие со стандартом выделяют следующие функции релейной защиты:

Номер функции	Тип функции
21	Дистанционная защита, фазная
21G	Дистанционная защита от замыканий на землю
21P	Дистанционная защита от междуфазных замыканий
21N	Дистанционная защита от замыканий на землю
21FL	Определение места повреждения
25	Контроль синхронизма
27	Контроль минимального напряжения
27P	Контроль снижения фазного напряжения
27X	Контроль снижения напряжения собственных нужд
32	Контроль направления мощности
32F	Прямое направление мощности
32R	Обратное направление мощности
37	Контроль минимального тока или мощности
49	Тепловая перегрузка
50	Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени
50BF	Устройство резервного отключения выключателя
51	Максимальная токовая защита с зависимой выдержкой времени
59	Защита от перенапряжения
67	Токовая направленная защита
68	Блокировка при качаниях мощности
79	Автоматическое повторное включение
87	Дифференциальная токовая защита

Литература

1. Чернобровов Н. В., Семенов В. А. «Релейная защита энергетических систем»: Учеб. пособие для техникумов. — М.: Энергоатомиздат, 1998. −800с.: ил.

2. Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989.