Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем
Автоматизация электроэнергетических систем и релейная защита
Надёжность оборудования в энергосистеме определяет качество электроснабжения и является одним из элементов, образующих конечную стоимость электроэнергии. Независимо от того, насколько качественны компоненты, как грамотно смонтированы и верно настроены, появление чрезвычайной ситуации неизбежно. Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем выполняет работу по ограничению ущерба от повреждения отдельных элементов.
- Назначение и эволюция
- Требования к защите
- Надёжность и простота
- Избирательность (селективность) и чувствительность
- Быстродействие работы
- Цифровые электронные системы
Назначение и эволюция
Первые средства, предназначенные для аварийного отключения нагрузки, применялись ещё на заре появления электроэнергии. Например, биографы Эдисона упоминали об одном интересном случае. В начале своего существования компания американского изобретателя производила электричество исключительно для освещения, таким образом создавая жёсткую конкуренцию с владельцами предприятий по производству топлива для газовых фонарей.
На одну из выставок они послали диверсантов, которые должны были устроить короткое замыкание на демонстрационном образце Эдисона с целью доказать публике ненадёжность новшества. Но включённые в цепь предохранители сработали, а затем были быстро и без труда заменены, что, наоборот, продемонстрировало сравнительную лёгкость и безопасность обращения с проводкой.
В настоящее время вместо предохранителей используется сложный комплекс из защитных средств/ Назначение релейной защиты и автоматики — мгновенное обнаружения отклонений от штатных режимов в работе и немедленной изоляции аварийных компонентов от сети. Термин «релейная защита» в автоматике систем энергоснабжения — также выражение, применяемое лишь по традиции. Современные системы, контролирующие работу электрических установок, представляют собой сложные многофункциональные электронные устройства, а не набор электромеханических реле.
Суть релейной защиты и автоматики систем электроснабжения для чайников можно объяснить так: РЗиА не просто мускулы для обесточивания элементов согласно контрольным сигналам, а прежде всего, интеллектуальная система, непрерывно мониторящая энергетический комплекс на угрозу аварии и принимающая решение о необходимости тех или иных коммутаций.
Поэтому выбор типа и марки оборудования — сравнительно лёгкая часть в работе специалистов по РЗА (релейной защите и автоматизации электрических систем). Их основной задачей является анализ вероятных чрезвычайных ситуаций и правильной конфигурации элементов контроля и коммутации.
Требования к защите
Предмет мониторинга для комплексов РЗиА — отклонения в работе силового электрооборудования. Их разделяют на 2 вида:
- Повреждения. Основная причина — короткие замыкания и заземление фаз. Как правило, повреждение одного узла приводит к нарушениям работы остальной системы.
- Ненормальные режимы. К ним относят все недопустимые отклонения от эталонных показателей работы элементов при отсутствии повреждений.
Повреждения и ненормальные режимы создают благоприятные условия для поломки или ускоренного износа электрооборудования, и процессы могут происходить очень быстро, буквально за миллисекунды. Поэтому своевременное обнаружение и правильная реакция систем контроля крайне важна для сохранения работоспособности всей системы. Поэтому существуют требования к релейной защите, на основании которой проектируется РЗиА систем энергоснабжения.
Надёжность и простота
Надёжность систем защиты — основное требование, определяющее безотказную работу всей энергетической системы. В упрощённом виде требование означает, что система защиты должна быть готова правильно функционировать в любое время и при любых неисправностях и ненормальных режимах работы энергосистемы, для которой она предназначена. Надёжность — количественный термин, определяемый статистическими данными. С ростом числа подключений и соединений, генераторов и трансформаторов требования к надёжности повышаются. Показатель достигается за счёт:
- удобства в монтаже;
- высокого качества контактов;
- пылезащищённости корпусов;
- применения качественных материалов для контактных групп;
- высокого качества изготовления;
- тщательного обслуживания и ухода.
Простота напрямую связана с надёжностью. Как правило, чем проще защитная схема и меньше в ней элементов, тем выше будет её надёжность. То же самое касается датчиков контроля и анализа.
Избирательность (селективность) и чувствительность
Избирательностью называют способность защиты безошибочно выбрать аварийную часть системы и изолировать неисправный элемент, не нарушая функционирование остальных. Качественная спроектированная и эффективная РЗА в состоянии верно отреагировать на сбой, не допуская обесточивания элементов без необходимости. Чувствительностью РЗА называют наименьшее значение величины, приводящей её в действие, при которой она включается в работу из-за появления тока короткого замыкания в зоне контроля.
На описанные параметры влияют такие факторы:
- погрешности измерений;
- погрешности в настройках;
- точность самих реле;
- окружающая среда;
- параметры расчёта неопределённости.
Факторы безопасности и чувствительности являются специфичными для каждого объекта. Ограничения могут корректироваться, например, требованиями к устойчивости работы или возможностями переключения на резервные источники питания. Контуры с высокой степенью чувствительности всегда относительно сложны, состоят из большого количества оборудования и недешевы. Подобная защита используется только в тех случаях, когда простые механизмы не могут быть применены по причине низкой чувствительности.
Быстродействие работы
Быстродействие заключается в скорости выявления и отключения аварийных элементов системы. Современные реле защиты делают это за промежуток времени меньший, чем один период промышленной частоты. Скорость крайне важна как фактор, позволяющий добиться:
- сокращения ущерба;
- повышения устойчивости систем электроснабжения;
- сокращения прерывания для потребителей;
- снижения вероятности развития одной неисправности в другую;
Однако существуют такие повреждения, при которых применяется преднамеренная задержка для получения необходимой селективности, достигающая нескольких секунд.
Цифровые электронные системы
В настоящее время в работе находится немало систем, спроектированных и смонтированных десятки лет назад на основе простейших электромагнитных реле. Такая ситуация связана с длительным сроком службы и удовлетворительной надёжностью электромеханических устройств. Системы последних поколений производятся на базе электроники и цифровой техники. К их преимуществам можно отнести множество отличий от классических:
содержат в себе меньше измерительных трансформаторов и позволяют использовать линейные преобразователи, такие как оптические трансформаторы тока и делители напряжения;- обладают небольшим энергопотреблением в режиме контроля;
- предлагают большую точность и гибкость настроек;
- оснащены качественными интерфейсами и пультами дистанционного управления;
- как правило, дешевле при равных функциональных возможностях с электромеханическими.
Защита становится всё более сложной. Для неё разрабатывается специализированное программное обеспечение, и она строится на модульной основе. Современные продукты предполагают возможность коммуникации через интернет (в том числе и беспроводную) и программирование по USB. Конечно, использование высокотехнологичных защит предполагает обслуживание и поддержку от квалифицированных специалистов. В большинстве случаев проектирования и монтажа речь идёт о комплексном пакете, включающем оборудование, устройство его на месте работы, программирование и техническое обслуживание.
Учебники по релейной защите и автоматике
Что такое релейная защита
Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и ненормальных режимов в электрической части энергосистем и является важнейшей автоматикой, обеспечивающей их надежную и устойчивую работу. Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных энергетических систем.
Чернобровов Н. В. Релейная защита, 1974 г.
Релейная защита — автоматически действующие устройства в электроустановках, оосуществляющие защиту от повреждений и некоторых ненормальных режимах работы. Название «релейная защита» появилось в ряде стран в связи с тем, что рассматриваемый вид противоаварийной автоматики начал осуществляться с использованием электромеханических аппаратов, названных реле. В дальнейшем этот термин получил всеобщее признание и был узаконен в Международном электротехническом словаре, сыгравшем большую роль в становлении отечественной терминологии.
Федосеев А. М., Федосеев М. А. Ф Релейная защита электроэнергетических систем, 1992 г.
Релейная защита — специальные автоматические устройства, которые действуют на отключение выключателей для быстрого отключения поврежденного участка электрической установки или сети для предотвращения развития аварий.
Беркович М. А. Основы техники релейной защиты, 1984 г.
Учебники по релейной защите и автоматике
Чернобровов Н. В. Релейная защита. Учебное пособие для техникумов. Изд. 5-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1974. 680 с.
В книге рассмотрена релейная защита электрических сетей, оборудования электростанций и сборных шин распределительных устройств. Книга предназначена в качестве учебного пособия для учащихся энергетических техникумов и может быть использована студентами электротехнических и энергетических вузов, а также инженерами и техниками, занимающимися эксплуатацией, монтажом и проектированием релейной защиты электростанций и сетей. При подготовке к переизданию книги автор стремился отразить новые разработки отечественной техники по РЗиА.
Скачать книгу Чернобровов Н. В. Релейная защита. Учебное пособие для техникумов (djvu, zip, 11,54 мб) — скачать книгу
Федосеев А. М., Федосеев М. А. Ф Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Энергоатомнздат, 1992.—528 с.
В книге рассматриваются основы техники релейной защиты трехфазных систем напряжением выше 1 кВ, общие принципы зашиты, защиты линий, шин, генераторов, трансформаторов, автотрансформаторов и двигателей. Во 2-е издание внесены методические изменения, и нем также рассмотрены новые принципы осуществления защит. Материал в книге изложен так, чтобы студенты изучали в первую очередь принципы защит, а не выполнение отдельных устройств, которые могут довольно часто модернизироваться или вообще заменяться новыми.
Скачать книгу Федосеев А. М., Федосеев М. А. Ф Релейная защита электроэнергетических систем (pdf, zip, 23,91 мб) — скачать книгу
Беркович М. А. и др. Основы техники релейной защиты /М. А. Беркович. В. В. Молчанов, В. Л. Семенов. — 6-е изд., перераб. и доп. — Энергоатомиздат, 1984. 376 с.
В учебнике изложены основы техники релейной защиты элементов энергосистемы — линий электропередачи, генераторов, трансформаторов, электродвигателей. Шестое издание книги дополнено описанием ряда сложных защит, исключены разделы, посвященные вопросам эксплуатации.
Скачать книгу Беркович М. А. и др. Основы техники релейной защиты (djvu, zip, 4,86 мб) — скачать книгу
Беркович М. А. и др. Основы автоматики энергосистем / М. А. Беркович, А. Н. Комаров, В. А. Семенов, — М.: Энергоиздат, 1981, — 432 с.
Рассматриваются назначение и область применения основных технических средств автоматизации энергосистем. Приводятся принципиальные схемы и описания принципов действия устройств АПВ, АВР, АРВ, АЧР, АРЧМ, автоматической синхронизации и противоаварийной автоматики. Излагаются методы расчетов параметров настройки устройств автоматики. Во втором издании рассмотрено новое оборудование. Для инженерно-технических работников, занятых проектированием и эксплуатацией устройств системной автоматики. Может быть использована студентами вузов и техникумов. Материал книги изложен в достаточно полном объеме, что позволяет использовать ее при изучении соответствующих курсов студентами средних и высших технических учебных заведений, обучающимися специальности техника или инженера- электрика по автоматизации.
Скачать книгу Беркович М. А. и др. Основы автоматики энергосистем (pdf, zip, 17,15 мб) — скачать книгу
Элементы автоматических устройств: Учебник для вузов / В. Л. Фабрикант, В. П. Глухов, Л. Б. Паперно, В. Я. Путниньш. — М.: Высш. школа, 1981. — 400 с.
В учебнике приведены типичные элементы автоматических устройств, применяемые в электроэнергетике. Для ряде элементов рассмотрены методы их построения и расчета. Особое внимание уделено методической стороне, для чего рассмотрение приведено по возможности в стройную систему с объяснениями причин принятых решений. Книга предназначается для студентов, обучающихся по специальности «Автоматизация производства и распределения электроэнергии». Может быть использована студентами других электроэнергетических специальностей, а также инженерами, аспирантами, работниками научно-исследовательских, проектных и других организации, работающими в области автоматизации.
Скачать книгу Элементы автоматических устройств: Учебник для вузов. В. Л. Фабрикант (djvu, zip, 8,89 мб) — скачать книгу
Автоматика электроэнергетических систем: Учебное пособие для вузов/ О. П Алексеев, В. Е Казанский, В. Л. Козис н др.; Под ред. В. Л. Козиса и Н. И. Овчаренко. — М.: Энергоиздат, 1981 — 480 с.
В учебнике рассмотрены вопросы автоматизации управления электроэнергетическими системами в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах. Даны понятия об автоматическом контроле, приведены материалы по автоматическому включению синхронных машин на параллельную работу, автоматическому управлению элементами системы и автоматическому регулированию в них. Для студентов вузов электроэнергетических специальностей. Учебник написан членами кафедры РЗиА МЭИ (заведующий кафедрой канд. техн. наук доцент В. П. Морозкин) по материалам лекций, которые они много лет читали в МЭИ, и призван более полно обеспечить студентов специальности учебным материалом.
Скачать книгу Автоматика электроэнергетических систем (djvu, zip, 3,8 мб) — скачать книгу
Кривенков В. В., Новелла В. Н. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебн. пособие для вузов. — М.: Энергоиздат, 1981. 328 с,
Работа систем электроснабжения промышленных предприятий и сельского без автоматического управления элементами системы в нормальных и в аварийных режимах. В книге рассмотрены устройства релейной зашиты и автоматики элементов системы электроснабжения, а также вопросы телемеханизации и автоматизация управления системой в в целом. Книга предназначена в качестве учебного пособия студентам энергетических и электротехнических вузов, обучающихся по специальности «Электроснабжение городов, промышленных предприятий и сельского хозяйства», и может быть использована инженерно-техническим персоналом, обслуживающим электроустановки.
Скачать книгу Кривенков В. В. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения (djvu, zip, 3,29 мб) — скачать книгу
Алексеев В. С. , Варганов Г. П., Панфилов Б. И., Розенблюм Р. 3. Реле защиты. М., «Энергия», 1976. 464 с.
Книга содержит систематизированное описание вторичных реле защиты переменного тока, электромеханических реле времени, электромагнитных вспомогательных реле защиты и некоторых реле автоматики энергосистем, выпускаемых в настоящее время отечественной промышленностью. Приведены полные технические данные реле. Книга предназначена для инженерно-технических работников, занятых в области производства и эксплуатации устройств релейной защиты, а также может быть полезна сотрудникам проектных организаций и студентам средних и высших специальных учебных заведений, занимающимся вопросами релейной защиты.
Скачать книгу В. С. Алексеев и др. Реле защиты (djvu, zip, 5,61 мб) — скачать книгу
Засыпкин А. С. Релейная зашита трансформаторов. — М. Энергоатомиздат. 1989 г. 240 с.
В книге приведены в обобщенном виде характеристики аварийных и анормальных режимов мощных трансформаторов энергосистем — внутренних коротких замыканий (КЗ), бросков намагничивающего тока, перевозбуждений, особых режимов преобразовательных трансформаторов, а также переходных процессов в трансформаторах тока. Сформулированы требования к функционированию релейной защиты от внутренних КЗ. Описаны новые устройства обеспечивающие повышение технического совершенства релейной защиты. Особое внимание уделено релейной защите с встроенными первичными измерительными преобразователями.
Скачать книгу Засыпкин А. С. Релейная зашита трансформаторов (djvu, zip, 1,87 мб) — скачать книгу
Шабад М. А. Защита трансформаторов распределительных сетей. — Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1981.— 136 с.
В книге изложены вопросы защиты понижающих трансформаторов распределительных сетей с высшим напряжением от 6 до 110 кВ. выполняемой с помощью плавких предохранителей и современных устройств релейной защиты. Рассмотрены принципы действия, типовые схемы и условия расчета основных типов релейной защиты, а также устройство и выбор плавких предохранителей для защиты трансформаторов. Книга предназначена для инженеров, техников и мастеров, занимающихся эксплуатацией распределительных электрических сетей энергосистем, промышленных предприятий и сельскохозяйственных комплексов, а также может быть полезна работникам проектных и наладочных организаций и студентам электроэнергетических специальностей.
Скачать книгу Шабад М. А. Защита трансформаторов распределительных сетей (djvu, zip, 2,87 мб) — скачать книгу
Фабрикант В. Л. Дистанционная защита: Учеб. пособие для вузов.— М.: Высш. школа, 1978.—215 с.
В книге изложены наиболее важные вопросы современной теории дистанционной защиты, приведенные по возможности в стройную систему. Большое внимание уделено методической стороне изложения. В частности, даны ответь: не только на вопрос, как делается, но и на вопрос, почему так делается. Рассмотрение доведено до алгоритмов, определяющих условия срабатывания защиты и ее органов. В книге рассмотрены некоторые проблемы из области дистанционной защиты, нуждающиеся в математическом анализе, подчеркнуто наличие большого числа нерешенных проблем, требующих творческого подхода. Предназначается для студентов электроэнергетических вузов я факультетов. Может быть полезна аспирантам и инженерам самых различных электроэнергетических специальностей.
Скачать книгу Фабрикант В. Л. Дистанционная защита (djvu, zip, 2,67 мб) — скачать книгу
Авербух А. М., Рыбак Х. А. Задачи по релейной защите и методы их решения, М-Л., Госэпергоиздат, 1961 г. 352 с.
В книге помещены задачи по релейной защите и некоторым устройствам системной автоматики и даны методы их решений. Задачи по релейной защите преследуют цель расширения знаний учащихся в этой области и подготовки их к практическому применению основ теории техники релейной защиты. При составлении и решении задач использован опыт проектных, научно-исследовательских и наладочных организаций. Книга предназначается в качестве учебного пособия для студентов энергетических и электротехнических техникумов. Она может быть использована студентами энергетических и электротехнических факультетов высших учебных заведений при изучении курса релейной защиты и пои дипломном проектировании, а также инженерами и техниками, работающими в области эксплуатации и проектирования релейной защиты.
Скачать книгу Авербух А. М., Рыбак Х. А. Задачи по релейной защите и методы их решения (djvu, zip, 7,75 мб) — скачать книгу
Авербух А. М. Релейная зашита в задачах с решениями и примерами. Л., «Энергия», 1975. 416 с.
В книге приведены решения задач и примеры по релейной защите энергосистем. Она предназначена для инженеров и техников, работающих в области эксплуатации и проектирования устройств релейной зашиты электрических станций подстанций и сетей высокого напряжения. Книга может быть использована в качестве учебного пособия студентами энергетических техникумов и энергетических специальностей высших учебных заведении.
Скачать книгу Авербух А. М. Релейная зашита в задачах с решениями и примерами (pdf, zip, 8,61 мб) — скачать книгу
Королев E. П., Либерзон Э. M. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. — М.: Энергия, 1980.—208 с.
В книге изложены основные особенности расчета допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты с учетом режимов глубокого насыщения магнитопровода трансформаторов тока и искажения формы кривой вторичного тока. Рассмотрена работа основных измерительных органов релейной защиты в- гаках режимах и сформулированы расчетные условия определения допустимых нагрузок на трансформаторы тока. Приведена методика расчета сечении жил контрольных кабелей. Книга рассчитана на инженеров и техников, занимающихся проектированием и эксплуатацией релейной защиты и автоматики электрических сетей, промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также может быть использована студентами электроэнергетических специальностей вузов и техникумов.
Скачать книгу Королев E. П. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты (djvu, zip, 5,02 мб) — скачать книгу
Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1985. — 296 с.
В книге рассмотрены методы и примеры расчета устройств релейной защиты и автоматики сельских, городских и промышленных электрических сетей 6 и 10 кВ, линий электропередачи 35, 110 кВ и понижающих трансформаторов 6—110 кВ. Внастоящее издание переработано и дополнено в соответствии с новыми ГОСТ, правилами и директивными материалами по вопросам защиты и автоматики. Книга предназначена для инженерно-технических работников, обслуживающих устройства защиты и автоматики в энергосистемах, электросетевых, промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, а также может быть полезна работникам проектных и наладочных организаций и студентам электроэнергетических специальностей.
Скачать книгу Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей (djvu, zip, 3,42 мб) — скачать книгу
Релейная защита и автоматика
Релейная защита — комплекс устройств, предназначенных для быстрого, автоматического (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 (РЗ) 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 ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания).
Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем.
Современные устройства защиты могут строиться на схеме, включающей в себя программируемый (микро)контроллер.
Содержание
- 1 Основные виды защит
- 2 Требования предъявляемые к релейной защите
- 2.1 Селективность (избирательность)
- 2.2 Быстродействие
- 2.3 Чувствительность
- 2.4 Надёжность
- 3 Основные органы релейной защиты
- 3.1 Пусковые органы
- 3.2 Измерительные органы
- 3.3 Логическая часть
- 3.3.1 Пример логической части релейной защиты
- 4 Эксплуатация РЗА
- 5 См. также
- 6 Литература
- 7 Ссылки
Основные виды защит
- Дифференциальная защита
- Дуговая защита
- Максимальная токовая защита
- Токовая отсечка
- Защита минимального напряжения
- Дистанционная защита
- Дифференциально-фазная (высокочастотная) защита
Требования предъявляемые к релейной защите
Селективность (избирательность)
Селективность — свойство релейной защиты, характеризующее способность выявлять именно поврежденный элемент электроэнергетической системы и отключать этот элемент от исправной части электроэнергетической системы (ЭЭС). Защита может иметь абсолютную или относительную селективность. Защиты с абсолютной селективностью действуют принципиально только при повреждениях в их зоне. Защиты с относительной селективностью могут действовать при повреждениях не только в своей, но и в соседней зоне. А селективность отключения поврежденного элемента ЭЭС при этом обеспечивается дополнительными средствами (например, выдержкой времени срабатывания).
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.
Чувствительность
Чувствительность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для неё зоны действия в минимальном режиме работы энергосистемы. Другими словами — это способность чувствовать те виды повреждений и ненормальных режимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой электрической системы. Показателем чувствительности выступает коэффициент чувствительности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание контролируемой величины) определяется как отношение минимально возможного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому повреждению, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).
Надёжность
Надежность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты действовать правильно и безотказно во всех режимах контролируемого объекта при всех видах повреждений и ненормальных режимов, при которых данная защита предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено. Иными словами, надежность — это свойство релейной защиты, характеризующее её способность выполнять свои функции в любых условиях эксплуатации. Основные показатели надёжности — время безотказной работы и интенсивность отказов (количество отказов за единицу времени).
Основные органы релейной защиты
Пусковые органы
Пусковые органы непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого участка цепи и реагируют на возникновение коротких замыканий и нарушения нормального режима работы. Выполняются обычно с помощью реле тока, напряжения, мощности и др.
Измерительные органы
Измерительные органы определяют место и характер повреждения и принимают решения о необходимости действия защиты. Измерительные органы также выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др. Функции пускового и измерительного органа могут быть объединены в одном органе.
Логическая часть
Логическая часть — это схема, которая запускается пусковыми органами и, анализируя действия измерительных органов, производит предусмотренные действия (отключение выключателей, запуск других устройств, подача сигналов и пр.). Логическая часть состоит, в основном, из элементов времени (таймеров), логических элементов, промежуточных и указательных реле, дискретных входов и аналоговых выходов микропроцессорных устройств защиты.
Пример логической части релейной защиты
Катушка реле тока K1 (контакты А1 и А2) включена последовательно со вторичной обмоткой трансформатора тока ТА. При коротком замыкании, на участке цепи, в котором установлен трансформатор тока, возрастает сила тока, и пропорционально ей возрастает сила тока во вторичной цепи трансформатора тока. При достижении силой тока значения уставки реле K1, оно сработает и замкнёт рабочие контакты (11 и 12). Цепь между шинами +EC и -EC замкнётся, и запитает сигнальную лампу HLW.
Данная схема приведена как простой пример. В эксплуатации используются более сложные логические схемы.
Эксплуатация РЗА
Для обеспечения надежной и экономичной работы энергосистем и энергетического оборудования, а также бесперебойного электроснабжения потребителей в электросетевых организациях проводится комплекс организационно-технических мероприятий по оснащению, эксплуатации и поддержанию на высоком техническом уровне устройств релейной защиты, электроавтоматики, дистанционного управления и сигнализации, сокращенно именуемых устройствами РЗА.
В России эта деятельность регулируется отраслевыми нормативно-техническими документами, основными из которых являются:
- Правила устройства электроустановок (ПУЭ)
- РД 153-34.0-04.418-98 «Типовое положение о службах релейной защиты и электроавтоматики»
Для осуществления указанного комплекса мероприятий на всех уровнях управления электроэнергетики России в соответствующих организациях создаются службы релейной защиты, автоматики и измерений (служба РЗА — СРЗА, служба РЗАИ — СРЗАИ), в подразделениях нижнего уровня (производственные отделения, предприятия электрических сетей (ПЭС)) — местные службы РЗАИ (МС РЗАИ), на электростанциях и каскадах ГЭС — службы РЗАИ или электротехнические лаборатории (ЭТЛ).
Релейная защита. Общие принципы построения
ЧТО ТАКОЕ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ВООБЩЕ?
Ажурные опоры линий электропередачи, хитроумные переплетения проводов, фантастические конструкции подстанций и электростанций — все это яркие приметы современной электроэнергетики, выделяющие её особым своеобразием.
Потоки электрической энергии, рождаясь на электрических станциях, растекаются к городам и заводам, разделяются на ручьи и проникают в каждый дом, к каждому потребителю электрической энергии. Все элементы этой огромной системы большую часть времени работают безупречно и слаженно.
Но, какими бы надёжными не были электроэнергетические системы, в них неизбежно возникают повреждения и ненормальные режимы, которые в свою очередь могут приводить к возникновению аварий. При этом управлять электроэнергетическими системами нужно так, чтобы потребители не замечали последствий этих повреждений и нежелательных возмущающих воздействий. Из-за дефицита времени и необходимости высочайшей точности действий в этих условиях управление осуществляется автоматически с помощью устройств автоматики и релейной защиты.
При возникновении повреждения или нежелательного режима управление электрическими системами должно осуществляться по особым алгоритмам. Это необходимо, чтобы и в экстремальных условиях всё же обеспечить нормальное электроснабжение (пусть не абсолютно всех) потребителей, предотвратить развитие аварии и снизить возможные объёмы разрушения повреждённого электрооборудования.
Релейная защита — это огромная управляющая система, представляющая собой совокупность согласованно и целенаправленно действующих взаимосвязанных (разнообразных по природе) элементов и автоматических устройств [1]. Она охватывает практически все основные элементы электроэнергетической системы (крупные и мелкие), от генераторов, вырабатывающих электрическую энергию, до приёмников электрической энергии, преобразующих её в другие виды энергии.
Независимо от того, какие принципы положены в основу отдельных устройств релейной защиты для выявления повреждений, система в целом должна безошибочно находить повреждённые элементы и отделять их от исправной части электроэнергетической системы. Ключевую роль в решении этой управленческой задачи играет логика целенаправленного взаимодействия устройств и параметры их срабатывания, обеспечивающие реализацию процедур взаимодействия.
Расчёты, выполняемые с целью определения конкретных значений параметров срабатывания устройств релейной защиты, имеют в связи с этим высочайшую практическую значимость и образуют методическую базу согласования устройств релейной защиты в единой системе.
ЧТО ДОЛЖНА ЗАМЕЧАТЬ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА?
Ненормальные режимы обычно связаны с относительно небольшими отклонениями величин напряжения, тока и (или) частоты от допустимых значений [2]. К ненормальным режимам относят перегрузки, однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, а также понижение уровня масла в расширителе масляного трансформатора [3].
Повреждения чаще всего сопровождаются значительным увеличением тока в элементах энергосистемы и глубоким понижением напряжения. Наиболее частыми и опасными повреждениями являются короткие замыкания.
Аварии — это нарушения работы электроэнергетической системы или её части, сопровождающиеся недоотпуском электроэнергии потребителям или недопустимым ухудшением её качества, разрушением основного оборудования, возникновением угрозы здоровью и жизни людей. Ненормальные режимы создают условия для возникновения повреждений, а вовремя не выявленные повреждения могут приводить к авариям.
Релейная защита — это комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы исправной части этой системы.
КАК ОРГАНИЗОВАНА РАБОТА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ?
Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. На рисунке приведена схема электрической сети, содержащей линии электропередачи разных уровней напряжения W1 — W6, трансформаторы Т1 — Т4, электродвигатель М1, предохранители F1 — F3, коммутационные аппараты и эквивалентный источник питания ЕС. Отдельные устройства релейной защиты (УРЗ), установленные на элементах электроэнергетических систем (генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи, электродвигателях и др.), объединены в единую систему релейной защиты общей целью функционирования.
В соответствии с этим принципом отдельные устройства релейной защиты (например, УРЗ-1 — УРЗ-13) функционально связаны между собой практически только общей логикой действий. Причём каждое устройство релейной защиты для локализации повреждения может воздействовать только на коммутационные аппараты того объекта, на котором оно установлено.
Необходимо отметить, что система релейной защиты, как правило, включает в себя устройства не только разные по принципам выявления повреждений, но и разные по способам воздействия на контролируемый объект. Так, единой логике действий должны подчиняться как сложнейшие многофункциональные устройства релейной защиты, воздействующие на выключатели и другие аппараты управления, так и простейшие защитные устройства (например, предохранители), в которых функции выявления и коммутации повреждённой электрической цепи совмещены. На рисунке предохранители F1, F2, F3 показаны в цепях питания трансформаторов Т2 — Т4.
В некоторых случаях УРЗ формируют лишь световые и звуковые сигналы, а отделение повреждённого элемента от исправной части электрической сети может производиться вручную оперативным персоналом.
Согласованность действий устройств, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, как правило, достигается за счёт определённых параметров срабатывания (без применения физических каналов связи). Эти параметры в основном определяют точность и эффективность действия всей системы релейной защиты. В свою очередь это определяет живучесть электроэнергетических систем и степень риска развития аварийных ситуаций при возникновении повреждений.
Логические связи действуют в любых условиях и не подвержены воздействию внешних электрических и электромагнитных помех. Во многом благодаря этому свойству релейная защита имеет высочайшую степень надёжности.
КАКИМИ ОСНОВНЫМИ СВОЙСТВАМИ
ОБЛАДАЕТ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА?
Селективность — это свойство релейной защиты, характеризующее её способность выявлять и отделять от электроэнергетической системы только повреждённые элементы. Другими словами, селективность — это избирательность действия. Средства релейной защиты могут обладать абсолютной или относительной селективностью.
Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов. Быстродействие показывает, насколько быстро средства релейной защиты реагируют на возникновение тех или иных видов повреждений.
Показателем быстродействия является время срабатывания защиты. Это интервал времени от момента возникновения повреждения до отделения от сети повреждённого элемента. Наиболее быстродействующие защиты имеют время срабатывания 0,01—0,1 с. Медленные защиты могут иметь время срабатывания до нескольких секунд.
Следует отметить, что не во всех случаях от релейной защиты требуется высокое быстродействие. При возникновении одного из ненормальных режимов обычно достаточно дать предупредительный сигнал дежурному персоналу. На энергетических объектах без постоянного дежурного персонала производится отключение неисправного оборудования, но обязательно с выдержкой времени [3].
Чувствительность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для неё зоны действия в наиболее неблагоприятном для срабатывания режиме работы электроэнергетической системы. Другими словами, защита должна чувствовать те виды повреждений и ненормальных режимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой электрической системы.
Показателем чувствительности выступает коэффициент чувствительности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание контролируемой величины) определяется как отношение минимально возможного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому повреждению, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).
Например, коэффициент чувствительности максимальной токовой защиты, установленной на линии электропередачи, определяется как отношение значения минимального тока короткого замыкания при повреждении в конце контролируемой защитой линии к значению тока срабатывания защиты.
В ряде случаев оценивается также чувствительность к повреждениям на соседнем (следующем по отношению к источнику) защищаемом объекте (т.е. в режиме дальнего резервирования).
Надёжность — это свойство релейной защиты, характеризующее её способность действовать правильно и безотказно при всех видах повреждений и ненормальных режимов, для действия при которых данная защита предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено [3]. Иными словами, надёжность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выполнять свои функции в условиях эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки.
Показателями надёжности выступают время безотказной работы и интенсивность отказов — количество отказов за единицу времени.
Так как неправильно действующая защита может сама служить причиной возникновения аварий, её надёжность должна быть обеспечена в достаточной мере. Например, для защит линий электропередачи предельно допустимым считается один отказ за десять лет работы, а для защит генераторов — один отказ за несколько сотен лет.
Каждое свойство, в принципе, должно рассматриваться применительно к состоянию и виду функционирования релейной защиты. Детализация свойств может быть выполнена по общепринятой форме [1] как показано в таблице. Первые три свойства, характеризующие технические свойства релейной защиты, объединяются понятием «техническое совершенство».
ЛИТЕРАТУРА
1. Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем: учеб. для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 528 с.
2. Чернобровов Н.В. Релейная защита: учеб. пособие для техникумов. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1974. — 680 с.
3. Беркович М.А., Молчанов В.В., Семёнов В.А., Основы техники релейной защиты. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 376 с.
Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter
Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем. Э.А.Киреева, С.А.Цырук
Рассмотрены схемы, принципы действия, об области применения токовых защит и расчеты их уставок. Приведены основные сведения о дистанционных и высокочастотных защитах, защитах трансформаторов, двигателей, шин и линий. Описаны схемы и принцип действия автоматического повторного включения, автоматического включения резерва, автоматической частотной разгрузки и частотного автоматического повторного включения, а также микропроцессорных устройств защиты.
Повреждения и анормальные режимы работы в электроэнергетических системах
Принципы выполнения релейной защиты
Общие сведения о релейной защите
Максимальные токовые защиты и токовые отсечки
Токовые направленные защиты
Защита от замыканий на землю в электрических сетях
Дифференциальная, дистанционная и высокочастотные защиты линий
Защита силовых трансформаторов
Защита электродвигателей и сборных шин
Автоматическое повторное включение и автоматическое включение резерва
Автоматическая частотная разгрузка и частотное автоматическое повторное включение
Устройства резервирования при отказах выключателей
Противоаварийная автоматика
Виды и принципы управления электрическими аппаратами и сигнализацией на подстанциях
Микропроцессорные (цифровые) релейные защиты
Перечень принятых сокращений
Глава 1. Повреждения и анормальные режимы работы в электроэнергетических системах
1.1. Общие сведения
1.2. Виды повреждений
1.3. Анормальные режимы
Глава 2. Принципы выполнения релейной защиты
2.1. Общие принципы выполнения релейной защиты
2.2. Изображение реле и их контактов на принципиальных схемах релейной защиты
2.3. Общие сведения об электромеханических реле
2.4. Электромагнитные реле
2.4.1. Устройство и принцип действия электромагнитных реле
2.4.2. Токи срабатывания и возврата реле, коэффициент возврата
2.4.3. Электромагнитные реле тока
2.4.4 Электромагнитные реле напряжения
2.4.5. Промежуточные электромагнитные реле
2.4.6. Рете с герметизированными магнитоуправляемыми контактами
2.4.7. Электромагнитные указательные реле
2.4.8. Электромагнитные реле времени
2.4.9. Электромагнитные поляризованные реле
2.5. Индукционные реле
2.5.1. Принцип действия индукционных реле
2.5.2. Индукционные измерительные реле тока
2.5.3. Индукционные реле направления мощности
Глава 3. Общие сведения о релейной защите
3.1. Источники оперативного тока и их характеристика
3.1.1. Назначение источников оперативного тока
3.1.2. Постоянный оперативный ток
3.1.3. Переменный оперативный ток
3.1.4. Выпрямленный оперативный ток
3.2. Основные требования, предъявляемые к релейной защите
Глава 4. Максимальные токовые защиты и токовые отсечки
4.1. Максимальная токовая защита
4.1.1. Принцип действия и селективность МТЗ
4.1.2. Выбор тока срабатывания
4.1.3. Выбор выдержки времени
4.1.5. Согласование защит по чувствительности
4.2. Токовая отсечка
4.2.1. Назначение и принцип действия ТО
4.2.2. Мгновенные ТО на линиях с односторонним питанием
4.2.3. Мгновенные ТО на линиях с двусторонним питанием
4.2.4. ТО с выдержкой времени
4-2.5. ТО с пуском (блокировкой) по напряжению
Глава 5. Токовые направленные защиты
5.1. Назначение и принцип действия токовых направленных защит
5.2. Зона каскадного действия и мертвая зона направленных МТЗ
5.3. Ток срабатывания направленных МТЗ
5.4. Выдержки времени направленных МТЗ
5.5. Реле направления мощности
5.6. Оценка направленных МТЗ
Глава 6. Защита от замыканий на землю в электрических сетях
6.1. Назначение защит от замыканий на землю
6.2. Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью
6.3. Требования к защите от однофазных замыканий на землю
6.4. Выполнение защит
6.5. Оценка токовой защиты нулевой последовательности в сети с изолированной нейтралью
6.6. Защита от однофазных коротких замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью
6.6.1. Особенности сетей с глухозаземленной нейтралью
6.6.2 Схема и принцип действия МТЗ нулевой последовательности
6.6.3. Выбор уставок МТЗ нулевой последовательности
6.6.4. Токовые направленные защиты нулевой последовательности
6.6.5. О других типах защит нулевой последовательности
6.7. Оценка токовых защит нулевой последовательности в сети с глухим заземлением нейтрали
Глава 7. Дифференциальная, дистанционная и высокочастотные защиты линий
7.1. Назначение и виды дифференциальной защиты линии
7.2. Продольная дифференциальная защита линий
7.2.1. Принцип действия защиты
7.2.2. Определение параметра срабатывания защиты
7.2.3. Выполнение продольной дифференциальной защиты линий и ее оценка
7.3. Поперечная дифференциальная защита линий
7.3.1. Принцип действия защиты
7.3.2. Токовая поперечная дифференциальная защита
7.3.3. Направленная поперечная дифференциальная защита
7.3.4. Оценка и область применения защиты
7.4. Дистанционная защита линии
7.4.1. Назначение и принцип действия дистанционной защиты
7.4.2. Выполнение и работа дистанционной защиты
7.4.3. Оценка дистанционной защиты
7.5. Высокочастотные защиты
7.5.1. Назначение и виды высокочастотных защит
7.5.2. Принцип действия направленной защиты с ВЧ-блокировкой
7.5.3. Принципы выполнения и работы высокочастотной части защиты
7.5.4. Оценка и области применения высокочастотных защит
Глава 8. Защита силовых трансформаторов
8.1. Основные виды повреждений и анормальных режимов работы трансформаторов
8.2. Защита трансформаторов от междуфазных КЗ в обмотках и на их выводах
8.2.2. Токи небаланса в дифференциальной защите трансформаторов
8.2.3. Расчет дифференциальной защиты трансформаторов
8.3. Защита трансформаторов oт внешних КЗ
8.4. Защита трансформаторов от перегрузки
8.5. Газовая защита трансформаторов
8.5.1. Назначение и принцип действия газовой защиты
8.5.2. Совершенствование конструкции газового реле
8.6. Схема защиты цехового трансформатора
Глава 9. Защита электродвигателей и сборных шин
9.1. Основные виды повреждений и анормальных режимов электродвигателей
9.2. Защита электродвигателей от междуфазных КЗ
9.3. Защита электродвигателей от перегрузки
9.4. Защита электродвигателей от понижения напряжения
9.5. Защита электродвигателей от однофазных замыканиий обмотки статора на землю
9.6. Особенности защиты синхронных электродвигателей
9.7. Защита электродвигателей напряжением до 1 кВ
9.8. Защита сборных шин
Глава 10. Автоматическое повторное включение и автоматическое включение резерва
10.1. Назначение и основные требования, предъявляемые к устройствам АПВ
10.2. Классификация и характеристика устройств АПВ
10.3. Ускорение действия релейной защиты при АПВ
10.4. Принцип действии и схемы АПВ линии
10.5. Принцип действия и схемы АПВ шин
10.6. Принцип действия и схемы АПВ двигателей
10.7. Выбор уставок однократных АПВ для линий с односторонним питанием
10.8. Назначение устройств АВР и основные требования, предъявляемые к ним
10.9. Принцип действия и схемы АВР на секционном выключателе
10.10. Принцип действия и схема АВР линии
10.11. Принцип действия и схема АВР трансформаторов
10.12. Особенности выполнения АВР при наличии синхронной нагрузки Быстродействующие АВР
Глава 11. Автоматическая частотная разгрузка и частотное автоматическое повторное включение
11.1. Назначение АЧР и основные требования, предъявляемые к устройствам АЧР
11.2. Принцип выполнения АЧР
11.3. Назначение ЧАПВ и основные требования, предъявляемые к устройствам ЧАПВ
11.4. Схемы АЧР и ЧАПВ
Глава 12. Устройства резервирования при отказах выключателей
12.1. Назначение и способы резервирования
12.2. Принципы действия и схемы УРОВ
12 3 Выбор уставок УРОВ
Глава 13. Противоаварийная автоматика
13.1. Назначение и виды устройств противоаварийной автоматики
13.2. Принципы выполнения устройств противоаварийной автоматики
13.3. Основные технические требования, предъявляемые к устройствам противоаварийной автоматики
13.4. Примеры схем устройств противоаварийной автоматики
Глава 14. Виды и принципы управления электрическими аппаратами и сигнализацией на подстанциях
14.1. Общие принципы управления электроустановками
14.2. Виды управления
14.3. Телемеханические системы
14.4. Системы ТУ-ТС
14.5. Телемеханизация и диспетчеризация
Глава 15. Микропроцессорные (цифровые) релейные защиты
15.1. Общие сведения
15.2. Характеристика основных узлов цифровых устройств РЗ
15.3. Проводные каналы связи
15.4. Обработка информации в цифровых РЗ
15.5. Программное обеспечение и измерительные органы цифровой защиты
15.6. Токовая цифровая защита
15.7. Цифровая защита от перегрузки
15.8. Цифровая токовая отсечка
15.9. Цифровая защита от междуфазных КЗ
15.10. Эксплуатация цифровых устройств релейной защиты
15.11. Оценка цифровых РЗ
Релейная защита является важнейшей и наиболее ответственной составляющей автоматики, применяемой в современных энергетических системах. Она осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и анормальных режимов в электрической части энергосистем, обеспечивая их надежную работу.
В настоящее время релейная защита приобретает все большее значение в связи с ростом мощностей электростанций, повышением напряжения электрических сетей. Происходит постепенный переход релейной защиты и автоматики на микропроцессорную базу.
Дальнейшее совершенствование релейной защиты и автоматики пойдет по пути более широкого использования цифровой техники. Ее преимуществом является возможность фиксации параметров, определяющих действие релейной защиты и автоматики в доаварийном и аварийном режимах, с последующей передачей сведений на пункты диспетчерской связи.
В настоящем учебнике нашли отражение классические и современные устройства релейной защиты и автоматики, которые успешно эксплуатируются в энергосистемах России.
При написании данного учебника авторы использовали свой многолетний опыт преподавания аналогичной дисциплины в Московском энергетическом институте (Техническом университете), а также свои книги и статьи по релейной защите, автоматике и телемеханике.
В учебнике освещены основные вопросы и характерные особенности релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем и промышленных систем электроснабжения. Значительное внимание уделено микропроцессорной релейной защите и быстродействующим устройствам автоматики.
Как работают релейная защита и автоматика
Первые эксперименты человека с электричеством и созданием цепей для прохождения тока сопровождались короткими замыканиями и неисправностями, во время которых приобретался опыт и знания, выявлялись закономерности протекающих процессов и вырабатывались правила эксплуатации.
На основе анализа допущенных ошибок начали создаваться устройства, предохраняющие оборудование и людей от электрического воздействия. Первыми такими приборами стали плавкие предохранители, которые перегорали при создании критических нагрузок, разрывая цепи электрического тока.
Более сложные защитные конструкции начали массово внедряться после 1891 года, когда в России по проекту Михаила Осиповича Доливо-Добровольского успешно транспортировали 220 кВт электрической энергии на 175 км с КПД в 77% на основе трехфазной системы напряжения, разработанной этим же ученым.
В основу работы защит был положен принцип реле — устройств, которые постоянно отслеживают какой-либо электрический параметр сети, а при достижении им критических величин срабатывают: резко меняют свое первоначальное состояние, коммутируя электрическую схему.
Первые устройства защит выполнялись на основе электромеханических конструкций реле, а специалистов, занимающихся их эксплуатацией стали называть термином «релейщики», который действует до настоящего времени.
Созданная в энергосистеме на основе постоянно приобретаемого опыта служба релейной защиты и автоматики (РЗА) занимается попутно другими сложными процессами:
системами управления, включающими местные, дистанционные и удаленные способы;
блокировками определенных устройств;
цепями сигнализации, позволяющими анализировать происходящие в сети события;
измерениями различных электрических величин в действующих схемах;
анализом качества произведенных замеров на основе метрологических эталонов;
некоторыми другими функциями.
Принципы построения схемы защитных устройств
Довольно громоздкая и сложная первоначальная база на основе электромеханических конструкций постоянно совершенствуется и модифицируется. Для работы защит вводятся новые технические разработки. В современных энергетических комплексах успешно сочетаются электромагнитные, индукционные, статические — полупроводниковые и микропроцессорные устройства.
Их объединяет практически не меняющийся базовый алгоритм процессов, который модернизируется для каждого конкретного случая. Основные функции защиты демонстрирует структурная схема.
Основные функции защитных устройтсв
Блок наблюдения
Его основная функция сводится к мониторингу происходящих электрических процессов в системе на основе замеров от измерительных трансформаторов тока и/или напряжения.
Выходные снимаемые сигналы с блока могут прямо передаваться логической схеме для сравнения с заданными пользователем величинами отклонений от номинальных значений, называемых уставками либо первоначально преобразовываться в цифровую форму.
Блок логики
Здесь осуществляется сравнение входящих сигналов с граничными характеристиками уставок. Малейшее совпадение между ними приводит к выдаче команды на срабатывание защит.
Блок исполнительный
Он постоянно поддерживается в готовности к срабатыванию по командам логического блока. При этом происходят переключения в схеме электроустановки по заранее предусмотренному алгоритму, исключающему повреждения оборудования и получение электротравм персоналом.
Блок сигнализации
Происходящие в системе процессы совершаются так быстро, что человек не способен их воспринимать своими органами. Для фиксации совершенных событий устанавливаются сигнальные устройства, которые используют методы визуального, звукового воздействия с сохранением в памяти схемы произошедших изменений.
Во всех конструкциях сигнализации перевод ее состояния после работы в исходное положение выполняется разово вручную оператором, что исключает потерю информации о работе защит автоматикой.
Принципы работы защит
Очень серьезное отношение к надежности и безопасности использования электроэнергии определило основные требования, которым должны отвечать системы релейной защиты. Однако они тоже являются техническими устройствами, а значит: обладают возможностями нарушения правильной работоспособности.
Отказ систем РЗА возможен при:
неисправностях внутри защит;
излишних срабатываниях, когда действие исполнительного органа не требуется;
ложной работе при отсутствии повреждений электрической системы.
Для исключения отказов в процессе эксплуатации проводится разработка проекта, монтаж, наладка с вводом в работу и обслуживание устройств релейной защиты с учетом выработанных требований к РЗА по:
избирательности с учетом иерархии схемы;
быстродействию, определяемому временем срабатывания;
чувствительностью к пусковым факторам;
Принцип селективности
Другое распространенное его название — избирательность. Эта характеристика позволяет точно выявить и локализовать место проявившейся неисправности в структурированной сети с любой иерархией.
К примеру, генератор передает электрическую энергию многим потребителям, расположенным на участках №1, 2 и 3, оборудованных своими защитами 1-2, 3-4 и 5 соответственно. При возникновении короткого замыкания внутри конечного потребителя на участке №3, токи повреждения пройдут по всем защитам схемы от источника.
Однако, в данной ситуации имеет смысл отключать конечный участок с поврежденным электродвигателем, оставляя в работе все действующие устройства. С этой целью вводятся разные уставки релейной защиты для каждой цепи на стадии проекта схемы.
Защитные устройства участка 5 должны раньше почувствовать токи неисправности и быстрее обеспечить их аварийное отключение от генератора. Поэтому в приведенной схеме величины уставок по току и времени на каждом участке уменьшаются от генератора к потребителю с соблюдением принципа: чем ближе к месту повреждения, тем выше чувствительность.
При этом выполняется принцип резервирования, учитывающий возможность отказа любых технических устройств, включая защитные системы более низкого уровня. Это значит: при неисправности защит 5 участка 3 короткое замыкание должны отключить устройства РЗА №4 или 5 линии №2, которые, в свою очередь, страхуются защитами участка №1.
Принцип быстродействия
Время отключения повреждения складывается минимум из двух факторов:
1. срабатывания защиты;
2. работы привода выключателя.
Первый параметр можно регулировать от минимального значения, обусловленного конструкцией защиты и количеством используемых элементов. Такими методами создается задержка времени на срабатывание включением в схему специальных регулируемых реле. Она используется для более дальних защит.
Близкорасположенные к месту повреждения устройства должны настраиваться на работу с минимально возможными интервалами времени на срабатывание.
Принцип чувствительности
Эта характеристика позволяет определять виды расчетных повреждений и анормальных ситуаций энергосистемы внутри действующей зоны защит.
Чувствительность устройств РЗА
Для определения ее численного выражения вводится коэффициент Кч, вычисляемый отношением минимальной величины тока КЗ для участка к значению тока срабатывания.
При этом устройства РЗА работают правильно при Icз
Противоаварийное управление
Любой блок релейной защиты не только является самостоятельной схемой, но объединяется в вышестоящие комплексы, составляющие в итоге систему противоаварийного управления энергосистемы. У нее каждый элемент взаимосвязан с другими компонентами и комплексно выполняет свои задачи.
Сокращенный перечень функций защит и автоматики демонстрирует упрощенная структурная схема.
Противоаварийное управление энергосистемы
Краткое изложение особенностей работы релейных защит и автоматики позволяет сделать вывод, что профессия релейщика требует постоянного изучения поступающего в эксплуатацию оборудования, совершенствования знаний и формирования прочных практических навыков.
Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем
Информация по профилю
Выпускники данной специальности могут работать в службах релейной защиты и автоматики Объединенных диспетчерских управлений энергосистем и электрических сетей, в электролабораториях электрических станций, в энергетических отделах крупных промышленных предприятий. Кроме того, инженер-релейщик может работать в специализированных организациях, занимающихся монтажом и наладкой устройств релейной защиты, на заводах, выпускающих электротехническую промышленность, в проектных и научно-исследовательских институтах.
Современные устройства релейной защиты и автоматики выполняются на микропроцессорной и полупроводниковой технике, служат для предотвращения и устранения аварийных ситуаций в энергосистемах и подстанциях, обеспечивают нормальный режим их работы.
Выпускник данной специальности занимается эксплуатационными проверками, монтажом и наладкой устройств релейной защиты и автоматики линий электропередач всех напряжений, генераторов, трансформаторов, сборных шин и энергоблоков. Проверка и наладка защит выполняется с использованием персональных ЭВМ и ноутбуков по специальным программам. Кроме того инженер-электрик по данной специальности занимается проектированием релейных защит и автоматики оборудования электрических станций, подстанций и линий электропередач.
Основные специальные дисциплины
Овладению специальностью способствует изучение таких курсов, как:
- Релейная защита электроэнергетических систем;
- Автоматика энергосистем;
- Основы проектирования устройств релейной защиты и автоматики.
Для правильного выбора и для анализа работы устройств защиты и автоматики выпускник должен знать электрооборудование и главные схемы, электрических станций и подстанций, чему способствует изучение курсов:
- Электрическая часть станций и подстанций;
- Технические средства диспетчерского и технологического управления (АСДУ и АСУ ТП).
Возможные сферы деятельности выпускников
Сфера деятельности выпускников:
- занимается монтажом, наладкой и проверкой микропроцессорных, полупроводниковых и электромеханических устройств защиты и автоматики;
- занимается проектированием и расчетами сложных релейных защит и автоматики;
- занимается менеджментом и маркетингом в фирмах по изготовлению и продаже электротехнического оборудования.
Примеры трудоустройства выпускников
Все выпускники по специальности 140203 «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» устраиваются на работу и подавляющее большинство по полученной специальности. Выпускники данной специальности могут работать:
- в службах релейной защиты и автоматики Объединённых диспечерских управлений (ОДУ энергосистем Средней Волги и Самарского РДУ);
- в электролабораториях электрических станций «Волжской территориальной генерирующей компании»: Самарская ТЭЦ, Самарская ГРЭС, Безымянская ТЭЦ, Новокуйбышевская ТЭЦ-1, Новокуйбышевская ТЭЦ-2, Сызранская ТЭЦ, Тольяттинская ТЭЦ, ТЭЦ ВАЗа и ОАО «Жигулевская ГЭС»;
- на предприятиях по монтажу и наладке релейной защиты и автоматики, например ЗАО «ВОЛГОЭНЕРГОСЕРВИС»;
- в службах ОАО МРСК-Волги филиал «Самарские распределительные сети» (Самарское производственное отделение, Волжское производственное отделение, Чапаевское производственное отделение, Жигулевское производственное отделение);
- в проектных институтах и организациях, например ОАО «Инженерный центр энергетики Поволжья», ГПИ «Электропроект»;
- ведущие предприятия по разработке и производству энергетического оборудования (ОАО «Электрощит ТМ Самара», ОАО «Таврида Электрик»; ЗАО «Шнейдер Электрик» и др.);
- ТЭЦ и отделы главного энергетика крупных предприятий нефтеперерабатывающего комплекса (Куйбышевский НПЗ, Новокуйбышевский НПЗ, Сызранский НПЗ).
Продолжить образование возможно в аспирантуре, кафедры по направлению «Электроэнергетика».
Компании с которыми сотрудничает кафедра
Кафедра имеет договора и соглашения с ведущими предприятиями России (как энергетического, так и неэнергетического профиля) на проведение производственной практики студентов на этих предприятиях с их последующим трудоустройством. Среди них:
- ОАО «Волжская территориальная генерирующая компания» («ВоТГК») (службы и управления компании);
- Ремонтные предприятия ТГК и ГЭС;
- ОАО «СО ЦДУ ЕЭС» филиал ОДУ Средней Волги, Филиал «ОАО «СО ЕЭС» Самарское РДУ;
- ОАО завод «Самарский Электрощит».
лекции
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИЗАЦИЯ
Часть 1. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
УДК 621. 316. 925. (07) Е80
Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем. Курс лекций. Ч.1. релейная защита электрических систем. Для студентов направления подготовки 140200 «Электроэнергетика и электротехника» (специальностей 141204 «Электрические станции», 140205 «Электроэнергетические системы и сети», 140211 «Электроснабжение», 140203 «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем») / Сост. Ю. А. Ершов, А. В. Малеев, О. П. Халезина. Красноярск: ИПЦ СФУ, 2007. 178 с.
Приведен теоретический материал по логике, устройствам релейной защиты, повреждениям и ненормальным режимам объектов электроэнергетической системы, а также расчеты уставок наиболее широко применяемых комплектов релейной защиты.
Значительное усложнение конфигурации электрических сетей, утяжеление эксплуатационных режимов, а также активное внедрение современного основного оборудования и аппаратов коммутации сделали еще более актуальными вопросы автоматики управления и релейной защиты объектов электроэнергетических систем. В последние десятилетия как нельзя более насущными стали проблемы модернизации основных устройств релейной защиты с наименее возможным усложнением процессов расчета уставок и эксплуатации микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики.
Перед разработчиками курса «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» подготовки бакалавров направления 140200 «Электроэнергетика и электротехнология» поставлена непростая задача в достаточно малом объеме академической нагрузки раскрыть вопросы логики действия, характеристики основных устройств, начиная с простейших электромагнитных до настоящего времени активно эксплуатируемых в электроэнергетических системах до современных микропроцессорных еще зачастую только проходящих опытную эксплуатацию, а также вопросы расчета уставок наиболее широко применяемых релейных защит и автоматических устройств.
Решению этой задачи во многом должна способствовать развернутая лабораторная база кафедры «Электрические системы и сети» Сибирского федерального университета, ведущая последние десятилетия подготовку инже- неров-электриков по специальности 140203.65 «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», широкий перечень методических разработок, в том числе рекомендованных Сибирским региональным учебнометодическим центром в качестве учебных пособий.
Авторы считают необходимым высказать благодарность коллегам кафедры «Электрические системы и высоковольтная техника» Электротехнического института Томского политехнического университета, чьи виртуальные лабораторные работы на протяжении последних лет используются в учебном процессе кафедры.
ГЛАВА 1.ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
В электроэнергетических системах при эксплуатации электрооборудования электрических станций, подстанций, электрических сетей и электроприемников потребителей за счет внешних условий, таких как ветер, дождь, обледенение и т.п., а также внутренних факторов, как старение и разрушение изоляции, неправильные действия оперативного персонала, могут возникнуть режимы, несовместимые с нормальным функционированием электрооборудования.
Следствием таких нарушений могут быть аварии, под которыми, обычно понимают вынужденные нарушения нормальной работы всей системы или только ее части, сопровождающиеся недоотпуском энергии потребителям, недопустимым понижением ее качества, за счет чего приносится материальный ущерб в виде невыработанной продукции или разрушение основного оборудования. В большинстве случаев аварии или их развитие могут быть ликвидированы быстрым отключением поврежденного участка электрической установки или сети при помощи специальных автоматических устройств, действующих на отключение выключателей и получивших название релейная защита.
Первоначально в качестве защитных устройств применялись плавкие предохранители. Однако по мере роста мощности и напряжения электроустановок и усложнения их схем коммутации такой способ стал недостаточным, в силу чего были созданы защитные устройства, выполненные с помощью специальных автоматов – реле. Отсюда и название – релейная защита.
Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных электроэнергетических систем. Она осуществляет непрерывный контроль за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы и реагирует на возникающие повреждения и нарушения режима работы.
Таким образом, основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения повреждения и быстрое автоматическое отключение с помощью выключателей поврежденного оборудования или
участка сети от остальной неповрежденной части.
Вторым, дополнительным назначением релейной защиты является выявление нарушений нормальных режимов работы оборудования и подача предупредительных сигналов обслуживающему персоналу или отключение оборудования с выдержкой времени.
Из выше сказанного следует, что релейная защита – совокупность устройств и вспомогательных элементов, предназначенных в случае повреж-
дения и опасно ненормального условия работы объекта электроэнергетической системы (линии электропередачи, синхронные и асинхронной электрической машины, силового трансформатора и т.д.) отключить его воздействием на выключатель или действовать на сигнал.
В современных электроэнергетических системах релейная защита тесно связана с электрической автоматикой, предназначенной для быстрого автоматического восстановления нормального режима и питания потребителей.
К основным устройствам такой автоматики относятся:
• автоматика повторного включения;
• автоматика включения резервных источников питания и оборудования;
• автоматика частотной разгрузки.
1.2. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ И НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
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 электроэнергетической системы с возможным выходом синхронных генераторов, компенсаторов и электродвигателей из синхронизма и нарушением режима работы потребителей. Опасность представляет также термическое и динамическое действие тока КЗ как непосредственно в месте повреждения, так и при прохождении его по смежному неповрежденному оборудованию.
Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной или заземленной через дугогасящие реакторы нейтралью не сопровождаются возникновением больших токов (токине превышают нескольких десятков
ампер). Междуфазные напряжения при этом не изменяются, и работа электроэнергетической системы не нарушается. Тем не менее, этот режим работы нельзя считать нормальным, так как напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрастают, и возникает опасность перехода однофазного замыкания на землю в многофазные короткие замыкания. Однако необходимости в быстром отключении поврежденного участка нет, поэтому устройства релейной защиты от замыканий на землю обычно действуют на сигнал, привлекая внимание персонала. Исключения составляют системы электроснабжения горных предприятий, где по требованию техники безопасности защиты выполняются с действием на отключение.
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 технологической 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.
Своеобразным ненормальным режимом является режим качаний параллельно работающих синхронных электрических машин, возникающий вследствие коротких замыканий, приводящих к торможению одних и ускорению других синхронных машин. Качания сопровождаются повышением тока и понижением напряжения, изменения действующих значений которых имеют пульсирующий характер. При этом устройства релейной защиты не должны действовать на отключение. Для восстановления нормального режима иногда предусматривается специальная противоаварийная автоматика (ПА), которая при возникновении качаний и возможном нарушении устойчивости работы осуществляет деление системы в определенных узлах на несинхронно работающие части. Из этого следует, что одной релейной защиты недостаточно для обеспечения надежности и бесперебойности электроснабжения.
Повреждение одного из элементов системы электроснабжения и его отключение, как правило, отражаются на работе всей системы. Например, отключение части потребителей приводит к избытку вырабатываемой электроэнергии и, как следствие, часто к недопустимым повышениям частоты и действующего значения напряжения. Кроме того, при отключении мощного генератора появляется дефицит электроэнергии, что может привести к глубокому снижению частоты и действующего значения напряжения, расстройству работы потребителей, выходу из синхронизма генераторов и нарушению устойчивости работы всей энергосистемы.
Нежелательные процессы протекают так быстро, что оперативный персонал не в состоянии предотвратить их развитие и с требуемой быстротой восстановить нормальный режим. Если все генераторы системы загружены активной мощностью полностью, то восстановить частоту можно только путем отключения части наименее ответственных потребителей с помощью устройства автоматической частотной разгрузки (АЧР).
1.3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УСТРОЙСТВАМ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
В общем случае к устройствам релейной защите предъявляются следующие четыре основных технических требования [1]:
Селективностью, или избирательностью, называется действие защиты, обеспечивающее отключение только поврежденного элемента системы посредством его выключателей. Таким образом, требование селективности является основным условием для обеспечения надежного питания потребителей.
Селективное действие защит при наличии резервного питания потребителей дает возможность исключить перерывы в их электроснабжении.
При отсутствии резервирования даже при селективном действии защит возможна потеря питания. Так как повреждения на воздушной линии электропередачи носят в основном проходящий характер, наиболее эффективно в этом случае будет применение АПВ, обеспечивающее 70-90% успешных повторных включений.
