Релейная защита

Принципы построения релейной защиты (РЗ)

• Назначение РЗ и основные требования к защитным функциям
• Структура РЗ и ее основные элементы
• Основные требования к устройствам РЗ. Виды устройств РЗ

Цифровая релейная защита

В электрической части энергосистем могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций и подстанций линий электропередачи и электроустановок потребителей электроэнергии. Повреждения вызывают появление значительных аварийных токов и сопровождаются глубоким понижением напряжения на шинах электростанций и подстанций. Ток повреждения выделяет большое количество теплоты, которые вызывает сильное разрушение в месте повреждения и опасное нагревание проводов неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток проходит. Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы элементов энергосистемы.

Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и линий электропередачи. Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обеспечения нормальной работы неповрежденной части энергосистемы необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной части энергосистемы. Опасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно принять меры к их устранению, а при необходимости отключить оборудование, оказавшееся в недопустимом для него режиме.

Выявление и отключение повреждений следует производить очень быстро — в большинстве в течение сотых и десятых долей секунды, что может быть обеспечено только средствами автоматики. В связи с этим возникла необходимость в создании и применении автоматических устройств, защищающих энергосистему и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Первоначально в качестве подобной защиты применялись плавкие предохранители. Впоследствии были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи электрических автоматовреле. Такой способ получил название релейной защиты.

Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль за состоянием всех элементов энергосистемы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить поврежденный участок и отключить его от энергосистемы, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения.

При возникновении ненормальных режимов РЗ также должна выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо производить автоматические операции, необходимые для восстановления нормального режима, либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу, который должен принимать меры по ликвидации ненормальности.

Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем.

_Наверх

Релейную защиту можно рассматривать как управляющую систему, которая в общем случае получает информацию о токах, напряжениях и состоянии коммутационных элементов в отдельных частях энергосистемы. В результате обработки этой информации РЗ вырабатывает управляющие сигналы для выключателей (команды отключения или включения), а также различные сообщения, позволяющие фиксировать или анализировать процессы, протекающие в энергосистеме, и функционирование самой РЗ.

Каждое устройство РЗ, призванное обнаружить повреждение и дать команду на отключение силового выключателя, имеет три структурные части: измерительную (реагирующую), логическую (оперативную) и управляющую (исполнительную).

• Измерительная часть осуществляет непрерывный контроль за состоянием защищаемого объекта и, реагируя на появление в нем повреждения (или ненормального режима), срабатывает и выдает дискретные сигналы на вход логической части, приводящие ее в действие. В качестве контролируемых величин (входных сигналов) служит в зависимости от вида РЗ ток и/или напряжение защищаемого объекта. Эти величины в установках с рабочим напряжением выше 1000 В подводятся к измерительной части защиты через измерительные трансформаторы тока и напряжения.
• Логическая часть воспринимает дискретные сигналы измерительной части, производит с помощью логических элементов (реле) по заданной программе логические операции и подает выходной сигнал о срабатывании РЗ на управляющую часть.
• Управляющая часть служит для усиления сигнала логической части до значения, необходимого для отключения выключателя и приведения в действие других устройств (поскольку сигналы логической части, особенно при выполнении ее на полупроводниковых элементах, обычно имеют недостаточную мощность) и для размножения сигнала логической части.

Кроме того, в качестве структурной части РЗ следует назвать источник питания — специальный источник стабильного напряжения для приведения в действие элементов логической и управляющей частей, подачи команды на отключение выключателей, а также для питания полупроводниковых элементов измерительной и логической частей.

Устройство РЗ состоит из реле, соединенных между собой по определенной схеме. В практике релестроения используются три типа элементных баз:

• электромеханическая, которая может применяться для реализации всех функциональных частей и органов РЗ в виде электромеханических реле;
• полупроводниковая, которая может использоваться для реализации всех функциональных частей и органов РЗ в виде полупроводниковых элементов, аналоговых и цифровых микросхем;
• микропроцессорная, которая может использоваться для реализации измерительной и логической частей РЗ на базе систем, основным элементом которых являются микропроцессоры.

_Наверх

Основными показателями релейной защиты, характеризующими ее функции в энергосистеме, являются чувствительность и селективность. Первая — это свойство РЗ реагировать на возможные повреждения на защищаемом участке и достаточно быстро их отключать, с тем чтобы сохранялась работоспособность как отключенных, так и оставшихся в работе элементов сети; вторая — это свойство РЗ формировать команды отключения только поврежденного участка или минимального числа участков электрической сети вблизи места повреждения, с тем чтобы свести к минимуму недоотпуск электроэнергии потребителям.

Реализация этих функций осуществляется устройствами РЗ, которые должны удовлетворять ряду требований по обеспечению их правильного функционирования в реальных режимах работы энергосистемы. В соответствие со стандартом МЭК 50(448)-1995, неправильное функционирование защиты может выражаться в виде отказа защиты в функционировании или в непредусмотренном функционировании (излишнее действие). С точки зрения правильного функционирования к устройствам РЗ предъявляются следующие требования:

• статическая устойчивость функционирования как способность устройства РЗ сохранять стабильность измерения и обеспечивать точность измерения, характеристики, параметры и настройки, при условии, что эти входные величины являются установившимися; она определяется в основном выполнением требований по точности параметров, характеристик, настроек в заданных диапазонах входных сигналов;
• динамическая устойчивость функционирования, которая характеризует способность устройства РЗ обеспечивать свои функции с учетом переходных процессов, возникающих при коротком замыкании и коммутациях в энергосистеме и самом устройстве РЗ. Требование динамической устойчивости функционирования учитывается при разработке алгоритмов и конструкции устройств РЗ;
• устойчивость к влиянию внешней среды, среди видов воздействий которой — электрические, механические и климатические;
• надежность РЗ, под которой понимается вероятность выполнения ею требуемых функций при заданных условиях в течение заданного промежутка времени. Стандартом МЭК 50(448)-1995 определяются понятия надежности несрабатывания и надежности срабатывания.

Все РЗ делятся на основные и резервные. Основными называются РЗ, обеспечивающие отключение повреждений в пределах защищаемого элемента с требуемыми быстротой и чувствительностью. Резервными называются РЗ, осуществляющие резервирование основной РО в случае ее отказа или вывода из работы и защиту следующего участка в случае отказа его РЗ или выключателя.

По способу обеспечения селективности действия РЗ подразделяются на два вида — с абсолютной селективностью, зона действий которых не выходит за пределы защищаемого объекта, действия выполняются без выдержки времени; и с относительной селективностью, действующие при коротком замыкании как на защищаемом элементе, так и за его пределами, селективность обеспечивается при этом подбором выдержек времени.

Кроме того, по принципу действия измерительных органов, определяющих факт возникновения короткого замыкания и место его нахождения, различают группы РЗ, реагирующие на следующие факторы: увеличение тока, уменьшение сопротивления, появление разности токов по концам защищаемого участка, изменение фаз тока относительно напряжения.

_Наверх

Последнее десятилетие характеризуется широким применением в релейной защите цифровой (микропроцессорной) техники. Это обусловлено существенными преимуществами последней по сравнению с электромеханическими и электронными РЗ. В частности, эти преимущества заключаются в следующем:

• повышении аппаратной надежности, массы и габаритов устройств благодаря существенному уменьшению числа используемых блоков и соединений;
• существенном повышении удобства обслуживания и возможности сокращения обслуживающего персонала;
• расширении и улучшении качества защитных функций (чувствительности, селективности, статической и динамической устойчивости функционирования);
• возможности непосредственной регистрации процессов и событий и анализа возникших в энергосистеме повреждений;
• принципиально новых возможностей управления защитой и передачи от нее информации на географически удаленные уровни управления;
• технологичности производства.

Принципы построения и алгоритмы, используемые в цифровой релейной защите (ЦРЗ), во многом отличаются от применяемых в электромеханических и электронных релейных защитах, ввиду существенно различающихся технической основы и способов обработки информации. Входная информация, которую получает ЦРЗ, может в общем случае содержать следующие составляющие: аналоговые сигналы, характеризующие контролируемые величины энергосистемы; входная дискретная информация, в том числе сигналы от коммутационных аппаратов, других устройств РЗ и от обслуживающего персонала; цифровая информация от других устройств РЗ, характеризующая как текущие значения переменного тока, так и логические сигналы, получаемые посредством цифровых коммуникационных интерфейсов; управление настройками и параметрами ЦРЗ, осуществляемое обслуживающим персоналом или системами управления через коммуникационный интерфейс. Выходная информация ЦРЗ может быть представлена следующими пунктами: выходная дискретная информация (логические сигналы к другим защитам и на отключение выключателей); цифровая информация к другим устройствам, характеризующая в общем случае как текущие значения переменного тока, так и логические сигналы, и получаемая посредством цифровых коммуникационных интерфейсов; сообщения различных видов, в том числе логические выходные сигналы и цифровые данные, как то: визуальное наблюдение, запись измеряемых защитой аналоговых величин токов, напряжений, мощности и пр. в нормальном и аварийном режимах; др.

Среди основных структурных элементов ЦЗР можно выделить следующие функциональные блоки:

• аналоговые входы переменного тока, которые служат для ввода сигналов от измерительных трансформаторов тока и напряжения;
• элементы для цифровой обработки сигналов (преобразователи и усилители, микропроцессорный блок);
• дискретные входы, предназначенные для ввода логической информации, которая в дальнейшем используется в программной части для принятия решений;
• дискретные выходы, служащие для целей управления и сигнализации; 
• функциональная клавиатура управления, которая предназначена для ввода управляющей информации, такой как: изменение настроек и параметров защиты, ввод (вывод из действия) отдельных функций, ввод команд для управления коммутационными элементами присоединения, др.; 
• дисплей — предназначен для чтения сообщений защиты, а также используется как вспомогательное средство при всех операциях, выполняемых с помощью клавиатуры; 
• интерфейс обслуживания — представляет собой обычно последовательный порт на лицевой панели защиты и обеспечивает связь между защитой и компьютером; 
• системный интерфейс, обеспечивающий связь защиты с системой контроля и управления;
• функциональный интерфейс, который обеспечивает быстрый обмен информацией в общем случае о действиях отдельных функций защиты, сообщениях и состоянии контактов коммутирующих аппаратов с устройством защиты на другом конце защищаемого объекта.

_Наверх