Принципы построения различных видов устройств релейной защиты обладают большим разнообразием, но большинство из них основано на электрическом принципе с использованием пусковых факторов изменения тока и напряжения.
По способу обеспечения селективности все устройства релейной защиты можно условно разделить на две группы: устройства релейной защиты с относительной селективностью и устройства релейной защиты с абсолютной селективностью. Рассмотрим каждый из этих видов в отдельности.
Устройства релейной защиты с относительной селективностью
К таким устройствам относятся:
- Простые максимальные токовые защиты
- Токовые направленные защиты
- Дистанционные защиты
Селективность в них обеспечивается ступенчатой настройкой параметров срабатывания, то есть уставок защит а также выбором направления протекания токов короткого замыкания, если это необходимо. Такая необходимость обычно возникает на линиях с двухсторонним питанием.
Сеть с односторонним питанием
Рассмотрим на примере радиальной сети с односторонним питанием, в которой мы видим последовательно включены три линии. На каждой из них стоят свои устройства защиты.
Рис. 1. Характеристики выдержек времени МТЗ с независимой выдержкой времени в радиальной сети с односторонним питанием.
Независимая времени – это характеристика, при которой выдержка времени не зависит от величины тока, протекающего по линии. Напротив, у зависимых характеристик время срабатывания зависит от величины протекающего тока. Ниже на графике показана характеристика с зависимой выдержкой времени.
Рис. 2. Амперсекундная характеристика предохранителя с плавкой вставкой
Продолжим рассмотрение характеристики выдержек времени с независимой от тока выдержкой времени.
Рис. 3. Характеристики выдержек времени МТЗ с независимой выдержкой времени в радиальной сети с односторонним питанием.
На каждой такой линии стоит свое устройство защиты, которое выполнено в одноступенчатом исполнении и у них выдержки времени различны. На выключателе, который стоит ближе всех к источнику питания наибольшая выдержка времени, на следующем выключателе по ступени селективности меньшая выдержка времени и далее еще меньше и так далее.
Точно так же выбирается и отстройка по току. Для защиты, которая стоит ближе всего к источнику, она должна работать на токи короткого замыкания в пределах своей защищаемой линии и немного захватывать часть следующей линии. В конце следующей линии она уже не должна действовать, и тем более не должна действовать при коротком замыкании на следующей по ходу линии. Это простейший случай. На разветвленных сетях такого построения защиты обычно недостаточно, тогда выполняют многоступенчатое построение устройств релейной защиты. Пример показан на рисунке ниже.
Рис. 4 Характеристики выдержек времени МТЗ со ступенчатой выдержкой времени в радиальной сети с односторонним питанием.
На рисунке видим такую же радиальную сеть с односторонним питанием, такие же защиты. Но на защитах установлены комплекты из трех ступеней защит. Селективность ступеней выполняется следующим образом.
Рассмотрим построение ступеней селективности для выключателя у источника питания. При коротком замыкании близ источника питания ток короткого замыкания, как видно из характеристики (график Iкз(j)) наибольший. Выключатель у источника питания имеет три ступени селективности. Первая ступень выполняется без выдержки времени. На практике любая система имеет свою инерционность срабатывания, которая определяется временем срабатывания защиты и временем на срабатывание привода выключателя. Поэтому обычно первая ступень фактически имеет выдержку времени 0.1с. Важно: первая ступень защищает не всю линию, а часть своей линии (70–80%). Вторая ступень селективности имеет выдержку времени на ступень селективности больше и защищает свою линию в конце, а также начало следующей линии. Третья ступень селективности этой же защиты (выключателя у источника питания) имеет еще большую выдержку времени и осуществляет дальнее резервирование.
Аналогично для выключателя два. В начале линии при коротком замыкании на линии два близ выключателя два защита два работает практически без выдержки времени (0.1с). При кз в конце своей линии защита работает с небольшой выдержкой времени (на одну ступень селективности). При кз на смежной линии работает по принципу дальнего резервирования с еще большей выдержкой времени.
Для третьего выключателя, т.е. для защиты один выстраивается тот же принцип: при кз в начале линии защита работает с минимальной возможной выдержкой времени и дальше аналогично увеличивается выдержка времени.
Рис. 5. Пример выбора уставок для трехступенчатых комплектных защит.
Рис. 6. Пример выбора уставок для трехступенчатых комплектных защит.
Как можно заметить, время соответствующих ступеней для обоих линий одинаковые, отличаются токи. Ступени селективности выдержек времени для разных защит разные. Для электромеханических защит: 0.4-0.6с, для микроэлектронных и микропроцессорных защит можно выбирать меньшие выдержки времени, порядка 0.3с)
Сеть с двусторонним питанием
Рис. 7. Характеристики выдержки времени токовых направленных и дистанционных защит со ступенчатой выдержкой времени в сети с двусторонним питанием.
Сеть с двусторонним питанием отличается тем, что защиты на каждой линии устанавливаются с двух сторон: со стороны своего питания и со стороны другого питания. Кроме того, устройства релейной защиты добавляются органами контроля направления мощности, т. к. нужно контролировать направления токов короткого замыкания. Реле контроля направления мощности позволяют работать каждой защите только в том случае, если ток направлен от шин в линию в место короткого замыкания. «Направление тока КЗ» следует воспринимать как «Направление мощности КЗ» Ток КЗ переменный и сто раз в секунду меняет свое направление, а мощность КЗ безусловно направлена от источника в точку короткого замыкания.
На характеристике выдержки времени (рис.3) показан ступенчатый выбор трехступенчатой выдержки времени для выключателей 1 и 3, которые находятся в начале линий ближе к источнику питания слева, а внизу показаны такие же наборы ступенчатых защит для выключателей 4 и 2, которые стоят со стороны другого источника питания (правого). Мы видим как токи короткого замыкания меняются от одного источника и другого источника. Принцип селективности обеспечивается тот же за счет использования реле направления мощности.
Для дистанционных защит пусковым фактором является увеличение сопротивления по мере удаления от источника питания. Чем дальше от источника питания обнаруживается короткое замыкание, тем больше увеличивается сопротивление и соответственно тоже можно делать при ступени по сопротивлению. Исходим из того, что сопротивление увеличивается по мере удаления от источника питания и самой защиты. Выдержка времени определяется по тому же самому принципу. При выборе выдержек времени для защит с относительной селективностью следует иметь в виду, что напряжение генератора обычно ниже напряжения сети передачи электроэнергии -стоит повышающий трансформатор. В сетях с длинными линиями ступенчатый принцип уставок по времени может привести к тому, что на защите повышающего трансформатора придется устанавливать максимальную выдержку времени, поскольку от места короткого замыкания все время на ступень селективности увеличиваем выдержку времени. Даже при применении минимальной ступени селективности в 0,3с (а это как правило редко используется, потому что больший процент электромеханических устройств защит со ступенями 0.4–0.6с, и в итоге эти ступени селективности суммируются и когда доходим до выбора уставки на питающем трансформаторе, то получается, что нужно устанавливать выдержку времени 4-5, а то и 6 с. Возникает вопрос: допустимо ли такое длительное протекание тока кз через этот трансформатор. Поэтому обязательно требуется именно для питающих трансформаторов производить расчет допустимости длительного протекания токов короткого замыкания, которая зависит от величины этого тока короткого замыкания. Расчет ведется для максимального расчетного тока короткого замыкания вблизи трансформатора. Обычно это допустимое время в пределах 5-10с.
Устройства релейной защиты с абсолютной селективностью
К релейным защитам с абсолютной селективностью относятся продольные и дифференциальные защиты. Они могут выполняться на принципе сравнения токов по концам линий, при чем могут сравниваться как величины токов, так и фазы токов, и направления протекания мощности короткого замыкания. Защиты, которые реагируют на сравнение комплексов токов на концах линии, называются дифференциальными токовыми защитами. Защиты, которые сравнивают фазы токов, называются дифференциально-фазными защитами. Защиты, которые контролируют направление перетока мощности называются продольными дифференциальными защитами линий.
Рис. 8. Принцип построения продольной дифзащиты.
На рис. 4 приведена схема с двухсторонним питанием с коротким замыканием в точке к1. В этом случае токи текут от шин к месту короткого замыкания. При этом вектора токов I1 I2 отличаются на угол дельта, который определяется разностью векторов ЭДС разных источников. При внешнем токе короткого замыкания в точке К2 вектора отличаются на 180 градусов, что приводит к их взаимной компенсации. При этом защита не видит тока короткого замыкания и не работает. Аналогичная схема для вторичных цепей показана на рис. 5. Если быть точнее – на рис 5 и первичные и вторичные цепи показаны вместе.
Рис. 9. Обобщенная схема продольной дифференциальной защиты.
Рассмотрим на примере рис. 5 внешнее короткое замыкание К1. При этом замыкании токи I1, I2 текут в одном направлении: I1 от шины А к линии, I2 от линии к шине Б. Вектора этих токов отличаются на 180 градусов. Вторичные токи обычно текут противоположно направлению первичного тока трансформатора тока и циркулируют во вторичной цепи. Такую схему еще называют «схема с циркуляцией токов во вторичной цепи». Дифференциальное реле КА включено на разность вторичных токов трансформаторов тока. Ток Iвт1 «заходит» в дифференциальное реле «сверху», а Iвт2 снизу. Ток в реле равен разности этих токов. При одинаковом коэффициенте трансформации у ТТ их вторичные токи будут компенсировать друг друга на катушке реле. Таким образом, при внешнем токе короткого замыкания ток в реле равен нулю или близок к нулевому значению. При анализе тока короткого замыкания в точке К2 токи в реле «усиливают» друг друга, протекая в реле сверху вниз». Реле при этом срабатывает и отключает ток короткого замыкания.
Дифференциальная защита линии реагирует на короткие замыкания на протяжении всей линии между трансформаторами, поэтому дифзащита линии, построенная по такому принципу является защитой с абсолютной селективностью. Такая защита ввиду того, что осуществляет контроль только своего участка, может работать без выдержки времени, что, несомненно, можно считать ее достоинством. Главным недостатком дифференциальной защиты линии является то, что ввиду того, что дифзащита не может реагировать на внешние короткие замыкания, она не может использоваться в качестве резервирования при отказе выключателя или защиты на смежном участке. Для защиты смежных участков сети необходимо предусматривать резервные защиты.
Элементы устройств релейной защиты
Рассмотрим основные элементы, из которых состоит любая релейная защита. На рис. 6 приведена блок-схема обобщенного устройства РЗА. Не все виды РЗ обладают всеми элементами, приведенными на блок-схеме. Все зависит от конкретного типоисполнения защиты. Для питания схем релейной защиты применяются специальные источники питания оперативного тока. Источники питания могут обеспечивать подачу постоянного, переменного или выпрямленного тока.
Рис. 10. Блок-схема обобщенного устройства релейной защиты.
ИЧ – измерительная часть; ЛЧ-логическая часть; ИО – исполнительный орган; СО – сигнализирующий орган; ИП – источник питания;
Рассмотрим взаимодействие элементов блок-схемы релейных защит между собой. Функция трансформатора тока заключается в контроле значения тока, который протекает по первичной цепи и передачи преобразованного значения этого тока в защиту. Трансформатор напряжения аналогично передает значение напряжения. Измерительная часть воспринимает первичный параметр контролируемой величины (тока или напряжения) и работает без выдержки времени. У нее есть два состояния: срабатывание и несрабатывание. Срабатывает измерительная часть только в том случае, когда контролируемый параметр превышает заданную на этом органе уставку (параметр срабатывания). Измерительная часть конструктивно из себя представляет обычно реле тока, напряжения, сопротивления, мощности и т.д.
Измерительная часть передает информацию в логическую часть, которая обычно представляет собой комбинацию с реле времени и промежуточных реле и других каких-либо устройств, которые воспринимаю информацию, поступившую из измерительной части, обрабатывают ее соответствующим алгоритмом, и выдают какое-то воздействие на исполнительный орган. Исполнительный орган выдает команду на привод выключателя в случае, если выключатель нужно отключить или выдает команду на блокирование защиты, если в этом есть необходимость. Сигнальный орган свидетельствует о том, сработала или не сработала защиты, а также сигнализирует о возможной неисправности какого-либо из устройств.
Классификация релейной защиты и автоматики
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
- Основные защиты ЛЭП и оборудования — работают с абсолютной селективностью.
- Резервные защиты ЛЭП и оборудования— работают с относительной селективностью.
- УРОВ – устройство резервирования отказа выключателя
ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКА
- АВР — автоматический ввод резерва
- АПВ – автоматическое повторное включение
- АОДС – автоматика опережающего деления сети
Противоаварийная автоматика
- АЛАР — автоматика ликвидации асинхронного режима
- АПНУ — автоматика предотвращения нарушения устойчивости
- АОСН — автоматика ограничения снижения напряжения
- АОПН — автоматика ограничения повышения напряжения
- АОСЧ (АЧР) — автоматика ограничения снижения частоты (автоматическая частотная нагрузка)
- АОПЧ (АЧР) — автоматика ограничения повышения частоты (автоматическая частотная нагрузка)
- АОПО — автоматика ограничения перегрузки оборудования
- УПАСК — устройство передачи аварийных сигналов и команд
Режимная автоматика
- АРН — автоматическое регулирование напряжения
- АРВГ — автоматическое регулирование возбуждения генераторов
- АРЧГ — автоматическое регулирование частоты генератора
- АРЧМ — автоматическое регулирование мощности генератора
- ГРАМ — групповое регулирование активной мощности
- ГРАРМ — групповое регулирование реактивной мощности
Регистрация аварийных событий и определение места повреждения ни линии электропередачи
- РАС – регистратор аварийных событий
- ОМП – определение места повреждения на линии
- РАС – устройство мониторинга переходных процессов
Технологическая автоматика
- Автоматика аккумуляторной батареи
- Автоматика компрессорной
- Автоматика систем оперативного тока
- Автоматика пожаротушения
- Автоматика охлаждения
