1.6. Релейная защита

Системы электроснабжения — это сложный производственный комплекс, все элементы которого участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями которого являются быстротечность явлений и неизбежность повреждений аварийного характера — коротких замыканий в электрических установках. Поэтому надежное и экономичное функционирование систем электроснабжения возможно только при широкой их автоматизации. Для этой цели используется комплекс автоматических устройств, состоящий из устройств автоматического управления и устройств автоматического регулирования.

Среди устройств автоматического управления первостепенное значение имеют устройства релейной защиты, действующие при повреждении электрических установок. Релейная защита нашла применение в системах электроснабжения раньше других устройств автоматического управления. Наиболее опасные и частые повреждения—короткие замыкания между фазами электрической установки и короткие замыкания фаз на землю в сетях с глухозаземленными нейтралями. Возможны и более сложные повреждения, сопровождающиеся короткими замыканиями и обрывом фаз. В электрических машинах и трансформаторах наряду с указанными повреждениями возникают замыкания между витками одной фазы. Вследствие короткого замыкания нарушается нормальная работа системы электроснабжения с возможным выходом синхронных генераторов, компенсаторов и электродвигателей из синхронизма и нарушением режима работы потребителей. Опасность представляет также термическое и динамическое действие тока к.з. как непосредственно в месте повреждения, так и при прохождении его по неповрежденному оборудованию.

Для предотвращения развития аварии и уменьшения размеров повреждения при к.з. необходимо быстро выявить и отключить поврежденный элемент системы электроснабжения. В ряде случаев повреждение должно быть ликвидировано в течение долей секунды. Очевидно, что человек не в состоянии справиться с такой задачей. Определяют поврежденный элемент и воздействуют на отключение соответствующих выключателей устройства релейной защиты с действием на отключение. Основным элементом релейной защиты является специальный аппарат—реле. В некоторых случаях выключатель и защита совмещаются в одном устройстве защиты и коммутации, например в виде плавкого  предохранителя.

Иногда в эксплуатации возникают ненормальные режимы, вы­званные перегрузкой оборудования или внешними короткими замыканиями, возникающими в других элементах. При этом по неповрежденному оборудованию проходят значительные токи (сверхтоки), которые приводят к преждевременному старению изоляции, износу оборудования. Сверхтоки, вызванные внешними короткими замыканиями, устраняются после отключения поврежденного элемента собственной защитой. От сверхтоков перегрузки на соответствующем оборудовании должна предусматриваться защита, действующая на сигнал. При этом оперативный персонал принимает меры к разгрузке оборудования или к его отключению. При отсутствии постоянного дежурного персонала защита должна действовать на автоматическую разгрузку или отключение.

Устройства релейной защиты должны выполнять определеннные  функции. Такими функциями являются срабатывание при повреждении защищаемого элемента системы электроснабжения (внутренние повреждения) и несрабатывание при коротких замыканиях за пределами этого элемента (внешние к.з.), а также в нормальных режимах. Иногда допускается срабатывание защиты и при внешних к.з. На каждом элементе системы электроснабжения обычно устанавливают основную и резервную защиты. Основная защита предназначена для действия при к.з. в пределах всего защищаемого элемента с временем, меньшим, чем у других защит, а резервная защита работает вместо основной в случае ее отказа или вывода из работы. Такое резервирование называется ближним. К резервной защите обычно предъявляется требование срабатывать и при повреждениях на смежных элементах в случае отказа их собственных защит или выключателей. При этом резервная защита выполняет дальнее резервирование. В условиях эксплуатации в силу ряда причин защита может не справиться с заданными функциями: не сработать при повреждении в пределах защищаемого элемента (отказ срабатывания); сработать при внешних к.з. (излишнее срабатывание) и при отсутствии повреждений в системе электроснабжения (ложное срабатывание). Все эти неправильные действия называются отказом функционирования защиты. С целью ограничения отказов функционирования защите придаются определенные свойства. Основные из них селективность, устойчивость функционирования, надежность функционирования.

Под селективностью понимают высшее свойство релейной защиты, действующей на отключение, определять поврежденный элемент и отключать только его. Для релейной защиты, действующей на сигнал, селективность-это способность однозначно указывать место возникновения ненормального режима и конкретно элемент системы электроснабжения, требующий вмешательства персонала. На каждом элементе системы электроснабжения (генератор, трансформатор, линия и др.) устанавливается один или несколько комплектов релейной защиты, которые должны отключать защищаемый элемент при повреждениях в нем или подавать сигнал о ненормальном режиме защищаемого элемента. Если по принципу своего действия защита срабатывает только при к.з. на защищаемом элементе, то ее относят к защитам, обладающим абсолютной селективностью. Защиты, которые могут срабатывать как резервные при повреждении на  смежном элементе, если это повреждение не отключается, называются относительно селективными.

При коротких замыканиях на защищаемом элементе устойчивость функционирования характеризуется чувствительностью. Под чувствительностью релейной защиты понимается ее способность реагировать на возможные повреждения в минимальных режимах работы системы электроснабжения, когда изменение воздействующей величины минимально.

Чувствительность защиты оценивают коэффициентом чувствительности. Он регламентирует отношение между значением воздействующей величины при металлическом коротком замыкании в защищаемой зоне и установленным на защите значением параметра ее срабатывания. Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) определены необходимые минимальные коэффициенты чувствительности для различных защит и защищаемых элементов.

Надежность функционирования. В устройствах релейной защиты и автоматики сигналы в процессе преобразования и передачи могут искажаться и ослабляться из-за помех и неисправностей отдельных функциональных элементов, что приводит к отказам функционирования, поэтому устройства защиты и автоматики должны выполняться с определенной степенью надежности. Под надежностью систем энергетики понимают свойство объекта выполнять задание функции в заданном объеме при определенных условиях эксплуатации. Это определение можно распространить и на устройства релейной защиты и автоматики, учитывая специфику их функционирования. Очевидно, что для обеспечения требуемой надежности устройства релейной защиты и автоматики должны выполняться с применением высококачественных и надежно работающих реле и других элементов. Их монтаж должен быть надежным, т. е. таким, при котором исключаются обрыв проводов, замыкание между ними, срабатывание реле от механических воздействий и других помех.

Основные принципы действия релейной защиты

Так как при коротких замыканиях в системе электроснабжения обычно возрастает ток и снижается напряжение, входными сигналами измерительной части устройств релейной защиты являются воздействующие величины, сформированные с использованием токов и напряжений защищаемых элементов. Характер воздействующей величины в той или иной мере определяет принцип действия защиты. По способу обеспечения селективности при внешних к.з. защиты, как указывалось выше, относят к двум группам: защиты с относительной селективностью и защиты с абсолютной селективностью. Рассмотрим принципы их выполнения.

Защиты с относительной селективностью. В эту группу входят токовые, токовые направленные и дистанционные защиты. Очевидно, сюда можно отнести и защиты напряжения. Общим для всех этих защит является то, что время срабатывания защиты зависит от расстояния между местом ее включения и точкой к.з. С увеличением расстояния увеличивается и время срабатывания. Это, а также соответствующий выбор параметров срабатывания измерительных органов обеспечивают селективное действие защиты при внешних к. з. Для обеспечения селективности направленных защит необходимо дополнительно контролировать направление мощности короткого замыкания. Время срабатывания защиты принято называть выдержкой времени. Распространение получили защиты со ступенчатыми, непрерывно зависимыми и комбинированными  характеристиками выдержек времени.

Токовые защиты. Токовыми называются защиты, для которых воздействующей величиной является ток, проходящий в месте их включения. Первыми токовыми защитами, и вообще первыми защитами, были плавкие предохранители. В системах электроснабжения, особенно в сетях напряжением до 1 кВ, они и сейчас широко применяются наряду с устройствами токовой релейной защиты, измерительными органами которой выступают измерительные реле тока. Они включаются на полные токи фаз и на их симметричные составляющие. Параметрами защиты, требующими определения, являются ток срабатывания, выдержка времени и коэффициент чувствительности. Под током срабатывания защиты I_с.з понимают минимальный ток в фазах защищаемого элемента (первичный ток), при котором защита срабатывает, т. е. на ее выходе появляется воздействие на отключение выключателя. Ток, проходящий при этом в реле (измерительном органе тока), называется током срабатывания реле I_с.р. Параметром защиты является так же ток возврата I_в.з. Это максимальный ток в фазах защищаемого элемента, при котором защита возвращается в исходное состояние после действия. Ток в измерительном органе (реле тока), соответствующий току возврата защиты, называется током возврата реле I_в.р.

Токовые направленные защиты, как и токовые, обычно выполняются трехступенчатыми. Однако поведение защит, при к.з. определяется не только значением тока повреждения, но и направлением мощности короткого замыкания в месте их включения. Контроль направления мощности к.з. становится необходим, если защищаемый элемент имеет двустороннее питание.

Дистанционные защиты. При к.з. в связи с увеличением тока I и уменьшения напряжения U в защищаемом элементе отношение U/I в месте включения защиты оказывается меньше этого отношения в нормальном режиме. Оно уменьшается по мере приближения точки к.з. к источнику питания. Поэтому защиту от к.з можно выполнить реагирующей на изменение указанного отношения, которое, называется ее характеристической величиной. Такая защита называется дистанционной: при выполнении определенных условий отношение подведенных к реле напряжения и тока пропорционально расстоянию (дистанции) от места включения защиты до точки к.з. соответствующие измерительные реле называются минимальными реле сопротивления. Иногда в схему защиты вводят пусковой орган, например реле тока. Дистанционные защиты выполняют ненаправленными и направленными со ступенчатыми, непрерывно зависимыми и комбинированными характеристиками выдержек времени.

 Защиты напряжения. Для них воздействующей величиной является напряжение цепи в месте включения защиты, поэтому в качестве измерительного органа защиты используют реле напряжения, которые срабатывают, если напряжение в месте включения защиты достигает заданного значения. В системах электроснабжения наиболее распространена минимальная защита напряжения. Она обычно содержит две ступени.

Защиты с абсолютной селективностью основаны на сравнении однородных электрических величин по концам защищаемого участка или в соответствующих ветвях параллельно соединенных  элементов электрической установки, или же в нескольких элементах, присоединенных к общим шинам.

При выполнении защит с абсолютной селективностью сравнивать электрические величины можно или непосредственно, или косвенно. В первом случае защиты называются дифференциальными токовыми либо дифференциальными направленными, если сравниваются знаки мощностей. В свою очередь, дифференциальные токовые защиты бывают продольными и поперечными. Продольные дифференциальные токовые защиты осуществляют сравнение токов по концам защищаемого элемента, а поперечные дифференциальные токовые — в параллельных цепях электроустановки. Применяются также поперечные дифференциальные токовые направленные защиты, сравнивающие значения и знаки мощностей в параллельных цепях. При косвенном сравнении электрических величин защиты с абсолютной селективностью выполняют на основе защит с относительной селективностью, например токовых направленных. При наличии канала связи можно обеспечить обмен информацией между защитами. Каждая из защит, например, может передавать при срабатывании разрешающий сигнал на срабатывание другой защите. При отсутствии такого сигнала защита срабатывать не должна, хотя мощность к.з. у места ее включения имеет направление от шин в линию. По каналу связи можно организовать также обмен блокирующими сигналами, препятствующими срабатыванию защит при внешних к.з. Аналогично можно согласовывать действие ненаправленных защит.