1.1 Назначение релейной защиты и автоматики
- Категория: В.Н. Копьев «Релейная защита. Принципы выполнения и приенения»
Энергетическая система представляет собой сложную многозвенную техническую систему, предназначенную для производства, распределения и потребления электроэнергии. Процессы, происходящие в энергосистеме, отличаются быстротой, взаимосвязанностью, единством процессов производства, распределения и потребления электроэнергии. Управление ими без применения специальных технических средств, называемых средствами автоматического управления, в большинстве случаев оказывается невозможным.
Условно, все устройства автоматики по своему назначению и области применения можно разделить на следующие две большие группы: местную и системную технологическую автоматику, местную и системную противоаварийную автоматику.
Технологическая автоматика обеспечивает автоматическое управление в нормальном режиме:
пуск блоков турбина-генератор и включение на параллельную работу синхронных генераторов;
автоматическое регулирование напряжения и реактивной мощности на шинах электростанции;
автоматическое регулирование частоты и обеспечения режима заданной нагрузки электростанции;
оптимальное распределение электрической нагрузки между блоками;
регулирование напряжения в распределительной сети;
регулирование частоты и перетоков мощности и т.п.
Назначением противоаварийной автоматики является предотвращение или наиболее эффективная ликвидация последствий аварий:
релейная защита электрооборудования от коротких замыканий и ненормальных режимов;
автоматическое повторное включение;
автоматическое включение резерва;
автоматическая частотная разгрузка;
автоматическая ликвидация асинхронного режима.
автоматика предотвращения нарушения устойчивости и т.д.
Из перечисленных видов устройств автоматики особо выделяется релейная защита, изучающая поведение электроэнергетической системы и ее элементов в режимах глубоких возмущающих воздействий и скачкообразных изменений электрических параметров. Эти возмущения вызываются различного рода короткими замыканиями, которых могут возникнуть по причинам:
пробоя или перекрытия изоляторов линий электропередач в случае грозовых перенапряжений или при их загрязнении;
обрыва проводов или грозозащитных тросов из-за обледенения и вибраций;
механических повреждений опор, поломке изоляторов разъединителей, схлестывании проводов;
ошибочного действия оперативного персонала;
заводских дефектов оборудования и ряда других факторов.
Управление энергосистемой при нарушении ее нормальных режимов тесно связано с работой релейной защиты. Поэтому изложения материала целесообразно начать с рассмотрения этого вида автоматики. Требование безаварийности и надежности энергоснабжения закладывается уже на стадии проектирования энергосистемы за счет оптимального выбора источника электроэнергии (уголь, газ, вода или другое), расположения электростанций, передачи мощности, учета характеристик нагрузок и перспектив их роста, способов регулирования напряжения и частоты, планированием режимов работы и т.п. И все же полностью исключить факт отказа оборудования из-за коротких замыканий нельзя.
На релейную защиту возлагаются следующие функции:
1.Автоматическое выявление поврежденного элемента с последующей его локализацией. Защита подает команду на отключение выключателей этого элемента, восстанавливая нормальные условия работы для неповрежденной части энергосистемы.
2.Автоматическое выявление ненормального режима с принятием мер для его устранения. Нарушения нормального режима в первую очередь вызываются различного рода перегрузками, которые не требуют немедленного отключения. Поэтому защита действует на разгрузку оборудования или выдает сообщение дежурному персоналу.
В качестве примера на Рис.1 представлено современное микропроцессорное реле, выпускаемое инженерно-производственной фирмой «РеонТехно», на Рис.2 — типовая панель защиты линии, выполненная на электромеханических реле на Рис.3 — многофункциональное устройство РЗА НТЦ «Механотроника».
Рис. 1. Микропроцессорные реле тока типа РСТ 80АВ, выпускаемое ИПФ «Реон-Техно»
Рис. 2. Типовая панель защиты линии, выполненная на электромеханических реле
Рис. 3. Многофункциональное цифровое устройство релейной защиты и автоматики НПЦ «Механотроника»
Оперативный ток и его источники
2014-02-12 14981 Оперативным называется ток, при помощи которого производится управление первичной коммутационной аппаратурой (выключателями, отделителями и т. д.), а также питание цепей релейной защиты и автоматики, разных видов управления и сигнализации. Основное требование – источники оперативного тока должны быть всегда готовы к действию во всех необходимых случаях (независимость от режима работы сети).
Используют два вида оперативного тока – постоянный и переменный.
1) Оперативный постоянный ток.
Источниками постоянного тока являются аккумуляторные батареи, работающие в режиме постоянного подзаряда. Рабочее напряжение батарей 110–220 В. В качестве подзарядного устройства используется мощный тиристорный преобразователь, снабженный элементным коммутатором, с помощью которого можно изменять число участвующих в химической реакции пластин. Для повышения надежности сеть оперативного тока секционируют на ряд участков, имеющих самостоятельное питание от сборных шин батареи.
Еще виды РЗА
Её техника используется для контроля работоспособности всех технологических систем, для охлаждения которых используются масла, в частности, трансформаторы. Поломка в них вызывает высокую температуру с выделением в атмосферу газов из состава масел. При этом охлаждающие средства теряют стандартный химический состав и снижают диэлектрические свойства.
На такие технологические сбои мгновенно реагирует механическая релейная защита. Она учитывает и изменения в химии газов, и продукты распада масел.
Можно отметить, что РЗА работает на подобных принципах и при появлении таких повышающих факторов:
- термо;
- давления той или иной среды или предпосылок от механики.
И это еще не все основные классификации релейных защит – поскольку данный формат статьи не позволяет нам более широко раскрыть РЗА.
Состав СОПТ
В общем случае система оперативного постоянного тока имеет в своем составе следующие компоненты:
Аккумуляторные батареи (АБ) – основной элемент СОПТ с напряжением 110 или 220 В, состоящие из аккумуляторов – химических источников энергии, допускающий многократный заряд и разряд.
Зарядное устройство (ЗУ).
Щит постоянного тока (ЩПТ) – комплектное низковольтное распределительное устройство шкафного исполнения, предназначенное для подключения источников питания (АБ и ЗУ) и распределения электроэнергии постоянного тока по группам электроприемников.
Шкафы распределения оперативного тока (ШРОТ) – предназначены для распределения электроэнергии по цепям питания конечныхэлектроприемников, размещения коммутационных и защитных отключающих аппаратов. ШРОТ должны иметь вводы питания от разных секций одного ЩПТ.
Система оперативного постоянного тока может иметь централизованную или децентрализованную структуру. В децентрализованной СОПТ применяется два и более гальванически развязанных комплектами источников постоянного тока, обеспечивающих питание отдельных групп электроприемников, в централизованной – один.
Область применения СОПТНа ПС 35 кВ и выше должна как правило применяться централизованная (общеподстанционная) система оперативного постоянного тока. При расположении РЗА присоединений ПС в отдельных РЩ, приближенных к первичному оборудованию, необходимо рассматривать целесообразность применения децентрализованной системы СОПТ, состоящей из гальванически не связанных АБ, расположенных в ОПУ и зданиях РЩ. На ПС напряжением 220 кВ и выше, ПС 110 кВ с 3-мя и более выключателями в РУ ВН применяются, как правило, две аккумуляторные батареи. На ПС с напряжением 35 кВ и остальных ПС 110 кВ – одну АБ. |
СОПТ с применением шкафов оперативного тока (ШОТ)
Одним из вариантов организации системы оперативного постоянного тока является использование серийно изготавливаемых шкафов оперативного постоянного тока (ШОТ). Преимуществами шкафного исполнения является удобство обслуживания, осмотра и ремонта при эксплуатации, компактность, относительно небольшая стоимость.
Шкаф оперативного тока – низковольтное комплектное устройство, включающее в себя зарядные устройства, аккумуляторную батарею и распределительное устройство постоянного тока. В зависимости от мощности и количества потребителей постоянного тока, а также индивидуальных требований, щит постоянного тока на основе ШОТ может иметь различную конфигурацию.
В качестве примера на рисунке 1 показан шкаф оперативного тока типа ШОТ-МТ-1 производства НПП «Микропроцессорные технологии» (рис.1) с применяемым оборудованием.
 | 1 – Аккумуляторные батареи 2 – Зарядно-выпрямительные устройства 3 – Вольтметры 4 – Лампы индикации 5 – Вентиляционная решетка 6 – Защитные аппараты 7 – Устройство АВР – применяется для организации надежного питания шкафа ШОТ-МТ-1 по схеме явного резервирования. |
Литература
- СТО 56947007-29.240.10.248-2017. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ (НТП ПС), 2017 г.
- СТО 56947007-29.120.40.041-2010 Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования.
- СТО 56947007-29.120.40.093-2011 Руководство по проектированию систем оперативного постоянного тока (СОПТ) ПС ЕНЭС. Типовые проектные решения.
Виды релейных защит и автоматики, оперативный ток
Релейная защита представляет собой совокупность одного или нескольких реле, устройств их питания и устройств, реагирующих на срабатывание реле. Устройства релейной защиты, автоматики, управления и сигнализации совместно с источниками питания, а также цепи электрических измерений и учета электроэнергии образуют систему вторичных цепей.
По роду контролируемой величины релейные защиты подразделяют на следующие виды:
а) токовые, в основном реагирующие на увеличение тока;
б) напряжения, в основном минимального напряжения;
в) мощности, в основном направления мощности;
г) реагирующие на величины сопротивлений защищаемых участков электрических сетей;
д) реагирующие на температуру защищаемых объектов.
По характеру защищаемого объекта релейные защиты бывают: устройства защиты генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и электрических сетей, шин РУ, электроприемников технологического оборудования, конденсаторных установок.
По принципу действия все релейные защиты можно подразделить на три класса по способу реагирования на изменение контролируемой величины на:
а) абсолютное значение контролируемой величины (ток, напряжение);
б) направление контролируемой величины (тока, мощности);
в) разность контролируемых величин (дифференциальные, балансные защиты).
Токовые защиты. Релейная защита, действующая при возрастании тока, называется максимальной защитой тока. Защита, срабатывающая при снижении тока, называется минимальной защитой тока. Основным элементом токовой защиты является реле тока. В зависимости от способа обеспечения селективности токовые защиты подразделяются на максимальные токовые защиты (МТЗ) и токовые отсечки (ТО). При МТЗ селективность защиты достигается выбором выдержки времени. Большая выдержка устанавливается у защиты, расположенной ближе к источнику питания. При ТО селективность обеспечивается выбором тока, обеспечивающим срабатывание защиты.
Токовая направленная защита действует в зависимости от величины тока и его фазы по отношению к напряжению на шинах подстанции, где защита установлена. Защита срабатывает, если ток будет превышать заданную величину, а его фаза будет соответствовать КЗ на защищаемом элементе. Такое действие защиты обеспечивается включением в схему реле направления мощности вместе с реле тока.
Дифференциальная защита основана на принципе сравнения токов или фаз токов по концам защищаемого участка или в соответствующих ветвях параллельно соединенных элементов электроустановки.
Защиты напряжения. Для защиты электрооборудования при изменении величины напряжения применяются реле напряжения. Защита, срабатывающая при уменьшении напряжения, называется минимальной защитой напряжения. Защита, действующая при превышении заданной величины напряжения, называется максимальной защитой напряжения.
Устройства автоматики.В электроустановках, наряду с устройствами релейной защиты, функционируют устройства автоматики. Для осуществления быстрого и бесперебойного электроснабжения в электроустановках применяют автоматическое повторное включение, автоматическое включение резерва, автоматическую разгрузку по току, автоматическое регулирование напряжения.
Устройства телемеханики. Телемеханика – совокупность технических средств и методов, позволяющих преобразовать информацию об удаленном на значительное расстояние объекте в электрические сигналы, передаваемые по линиям связи на диспетчерский пульт управления, или передавать команды объектам управления с пульта. Средствами телемеханики осуществляются телеуправление, телеизмерения и телесигнализация.
Оперативный ток.В схемах релейной защиты и автоматики реле косвенного действия, в отличие от реле прямого действия, воздействует на отключение и включение выключателей с помощью электромагнитов, питаемых от сети постоянного или переменного тока. Ток, при котором срабатывают реле управления и защиты, электромагниты выключателей, устройства сигнализации, называется оперативным током.
Надежным источником постоянного оперативного тока являются аккумуляторные батареи. Их недостатком является высокая стоимость. Они требуют специального помещения и зарядного устройства. В качестве зарядных агрегатов применяются генераторы постоянного тока с приводом от электродвигателя. Помещение аккумуляторной в условиях заряда и постоянного подзаряда относится к взрывоопасным класса В-1а и требуют надежной вентиляции. Поэтому аккумуляторные батареи используются в основном на мощных подстанциях с напряжением 35-220 кВ.
Логический элемент «НЕ»
Логическое «НЕ», или «инверсия», представляет собой элемент, который изменяет входной сигнал на противоположное состояние. Если на входе присутствует логическая «1», то на выходе будет логический «0», и наоборот, если на входе «0», то на выходе будет «1». На рис. 3 приведена схема реализации обработки сигналов с помощью реле KL, а также логический элемент «НЕ», который логически повторяет схему.
Очень часто логический элемент «НЕ» не обозначается на схемах как отдельный самостоятельный элемент, а указывается его сокращенное обозначение. На рис. 4 приведен пример логической схемы с элементом «И» и элементом «НЕ» на входе KL2.
Элемент «НЕ» обозначен как круг на входе KL2. Такое обозначение может встречаться на различных элементах, причем как на входе сигнала, так и на выходе. Такое сокращенное обозначение элемента «НЕ» очень часто применяется в логических схемах. Если вы только начинаете учиться читать такие схемы, рекомендую дорисовывать на входе элемент «НЕ» (как показано на рис. 5), так будет проще анализировать элемент «И» и элемент «НЕ».
Логические элементы «И», «ИЛИ», «НЕ» являются основными «рабочими лошадками» схем, и поэтому их надо хорошо понимать и правильно называть.
Элементы «И» и «ИЛИ» обычно называют, указывая количество входных сигналов: если элемент «ИЛИ» имеет 2 входа, то «2-ИЛИ» (произносится «два или»), если элемент «И» имеет 4 входа, то «4И» (произносится «четыре и»).
Если же на входах или выходах элемента «И» и «ИЛИ» выполнена инверсия (рис. 4), то обозначение инверсии присоединяют к имени элемента в начале для входа и в конце — для выхода. Т.е. элемент, показанный на рис. 4, имеющий 4 входа, можно назвать «4-НЕ-И» (произносится «четыре не и»), но чаще применяют просто «4-И» (т.к. из названия не ясно, на каком именно входе выполнена инверсия). Если инверсия выполнена на выходе элемента «И» с тремя входами, то такой элемент называют «3-И-НЕ» (произносится «три и не»).
Рис. 3. Логическое «НЕ» Рис. 4. Логические элементы «И» и «НЕ
Рис. 5. Логические элементы «И» и «НЕ
Классификация
Всё разнообразие приборов релейной защиты классифицируется по следующим основным признакам:
По типу подключения они бывают первичными и подключаются непосредственно в электрическую сеть. Вторичные приборы подсоединяются в неё с помощью трансформатора, дающего гальваническую развязку.
По исполнению они выпускаются электромеханическими: в них сеть замыкается и размыкается с помощью механических контактов. В современных электронных аппаратах цепью управляют полупроводники, при этом не происходит физического размыкания контактов.
По назначению оно может выполнять две задачи: логическую и измерительную функции. Логические приборы принимают решение на основе изменяющихся внешних характеристик системы. Измерительные аппараты производят только замер её значений.
По методу работы приборы классифицируются на прямые и косвенные изделия. Изделия прямого действия механически связаны с блоком отключения, а косвенные управляют механизмом отключения электропитания.
Органы и виды релейной защиты
Как известно, релейная защита предназначена для скорейшего автоматического отключения неисправных или повреждённых элементов электрической системы и своевременной сигнализации об отклонениях от нормального режима работы, но не требующих немедленного отключения.
Все функции релейной защиты исполняются следующими органами:
- Реле контроля и защиты.
Пусковые органы ведут постоянный мониторинг состояния и режима работы защищаемого участка электрической сети и срабатывают при возникновении коротких замыканий и ненормальных режимах работы. В электрических схемах реализуются в виде токовых реле, реле напряжения, мощности и др. - Задачей измерительных органов является выявление места, характера повреждений и принятие своевременного решения о необходимости действия защиты. В электрических схемах реализуются в виде токовых реле, реле напряжения, мощности и др.
- Логическая часть представляет собой схему, которая запускается в работу пусковыми органами, производит анализ действий измерительных органов и, на основе полученных данных выполняет предусмотренные протоколом действия. В электрических схемах реализуются в виде таймеров, логических элементов, промежуточных и указательных реле.
Для предупреждения превышения величины тока на защищаемом участке электрической сети используется токовая защита. Это один из вариантов релейной защиты, которая срабатывает при превышении величины тока на защищаемом участке сети, по отношению к току срабатывания или уставке. Принято различать максимальную токовую защиту и токовую отсечку.
Максимальная токовая защита (МТЗ) выполняется таким образом, что бы величина тока её срабатывания превышала максимальный рабочий ток не менее чем 1,2 – 2 раза ( с учётом коэффициентов надёжности, возврата и самозапуска реле ). Это позволит исключить возможность ложного срабатывания релейной защиты в условиях нормальной работы сети.
Величина уставки по времени срабатывания релейной защиты отличается от предыдущей и последующей на величину ступени селективности ∆t 0,2 – 1 секунд. Такая настройка позволяет первой сработать релейной защите, которая наиболее близко расположена к месту КЗ, а в случае отказа первой, сработает предыдущая, но через промежуток времени равный порогу селективности.
Важной характеристикой МТЗ принято считать её коэффициент чувствительности. Его определяют как отношение величины тока междуфазного КЗ к величине фактического тока срабатывания защиты
ПУЭ определяет эту величину не менее 1,5.
Токовая отсечка ( ТО ) – это вариант быстродействующей релейной защиты, срабатывающей без задержек времени, работа которой направлена на отключение наиболее тяжёлых вариантов КЗ. Коэффициент надёжности применяемых реле определяет величину кратности тока срабатывания в 1,1 и 1,2 по отношению к величине расчётного тока трёхфазного КЗ. Следовательно, зона уверенного действия токовой отсечки покрывает только 20 % всей защищаемой линии.
Такая ограниченность зоны действия является существенным недостатком работы ТО. Такое положение дел привело к тому, что ТО применяется только совместно с МТЗ в качестве второй ступени.
Работа защиты минимального напряжения ( ЗМН ) основана на контроле величины напряжения между фазами. При выходе из строя хотя бы одной фазы равенство напряжений между фазами нарушается – срабатывает механизм отключения и как следствие отключается напряжение питания.
Газовая защита устанавливается с целью защиты маслонаполненных трансформаторов от внутренних повреждений. При возникновении КЗ внутри трансформатора закипает масло и начинается усиленное выделение газов, что ведёт к повышению давления, что в конечном итоге может привести к выходу трансформатора из строя.
Газы направляются через реле, и под их давлением поворачивается чувствительный элемент, что ведёт к замыканию контактов. Далее вступает в работу типовая схема на отключение трансформатора.
Дифференциальную защиту принято считать основной автоматизацией релейной защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Она характеризуется абсолютной селективностью и быстродействием.
Принцип действия релейной защиты такого типа основан на сравнении величин токов, например, на разных концах защищаемого участка. Как только на защищаемом участке возникнет ток КЗ, сразу сформируется разностный ток и сработает система отключения. Недостатком служит необходимость отключения сразу после срабатывания.
Таким образом, виды и органы релейной защиты позволяют определить место возникновения КЗ и других нештатных состояний электрической сети, своевременно локализовать повреждённый участок и исключить его из работы.
Надёжность
Надежность устройств РЗ — способность устройств выполнять заданные функции при заданных условиях эксплуатации.
Классификация неправильных случаев работы устройств РЗ:
- 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.
- Ложное срабатывание защиты — когда защита сработала при отсутствии тока КЗ, например, в нормальном режиме.
- 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:
- Ближнее резервирование защит.
- 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:
- Требуются дополнительные затраты на установку резервных защит.
- 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.
