Основные принципы построения релейной защиты

Ни один элемент электроэнергетической системы (генератор, трансформатор, линия электропередачи, сборные шины и др.) не обладают абсолютной надёжностью. С большей или меньшей вероятностью он может быть повреждён, причём подавляющее большинство повреждений сопровождается возникновением короткого замыкания. Режим КЗ опасен для энергосистемы: устойчивая работа энергосистемы может быть нарушена, из-за существенного искажения параметров режима энергосистемы потребители электроэнергии теряют электропитание, длительное существование токов короткого замыкания разрушает повредившийся элемент энергосистемы до неремонтопригодного состояния.

Назначением релейной защиты является выявление повреждённого элемента и быстрейшее его отключение от энергосистемы. Кроме того, устройства релейной защиты должны предупреждать повреждение элемента энергосистемы в случае возникновения ненормального и опасного для него режима работы (перегрузка, неполнофазный режим и др.).

Функциональная схема защиты как устройства автоматического управления (рис. 1) состоит из отдельных функциональных элементов, связанных между собой общей схемой, предназначенных для решения стоящих перед ними задач.

Рис. 1. Функциональная схема защиты

Входной (воздействующей) величиной для РЗ является электрический параметр, определяемый типом релейной защиты. Так, например, для максимально токовых защит, таким параметром является ток ( ), проходящий через защищаемый элемент электроэнергетической системы (ЭЭС). Если величина превысит установленное значение ( ), то происходит срабатывание пускового органа РЗ. Выходной сигнал с этого блока ( ) поступает на логическую часть защиты (например, реле времени). При срабатывании логической части защиты вырабатывается сигнал , поступающий на исполнительную часть защиты, выполняющую функцию усилительного органа (например, промежуточное реле).

Устройства релейной защиты реагируют, естественно, на значения параметров режима защищаемого объекта (ток, напряжение, направление мощности и др.).

При реализации более сложных видов защит, в качестве входных параметров могут использоваться несколько воздействующих величин.

Релейная защита должна удовлетворять следующим требованиям:

Селективность (избирательность) – способность РЗ отключать только защищаемый элемент ЭЭС, несмотря на то, что ток КЗ протекает и по другим неповреждённым элементам.

Быстродействие – способность с минимально допустимым временем производить отключение повреждённого участка.

Надёжность – способность защиты безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна срабатывать ложно в режимах, при которых действие данной РЗ не предусмотрено.

Чувствительность – способность РЗ реагировать на те отклонения от нормального режима, которые возникают в результате повреждения. Например. На рис. 2 изображён участок ЭЭС с установленными токовыми защитами РЗ1 и РЗ2, которые отличают нормальный режим от режима КЗ по возрастанию тока.

Рис.2. Схема участка ЭЭС и размещение токовых защит.

РЗ1 служит для защиты линии АВ, а РЗ2 – ВС. Однако в случае возникновения на шине С (в точке К2) КЗ и отказе защиты РЗ2 ликвидация повреждения должна осуществлять РЗ1, т.е. РЗ1 должна «чувствовать» КЗ в конце смежной линии, чтобы она смогла выполнить функции резервирования РЗ2.

Защиты подразделяют на основные и резервные:

Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов КЗ в пределах всего защищаемого элемента со временем, меньшим, чем у других установленных защит.

Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного элемента при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.

В соответствии со способами обеспечения селективности при внешних КЗ различают две группы защит: с абсолютной селективностью и с относительной селективностью.

Относительную селективность имеют защиты, на которые по принципу действия можно возложить функции резервных при КЗ на смежных элементах. С учетом этого такие защиты в общем случае должны выполняться с выдержками времени.

Абсолютную селективность имеют защиты, селективность которых при внешних КЗ обеспечивается их принципом действия, т. е. защита способна сработать только при КЗ на защищаемом элементе. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются без выдержек времени.

Короткие замыкания, как правило, сопровождаются возрастанием тока. Поэтому первыми в энергосистемах появились токовые защиты, действующие в тех случаях, когда ток в защищаемом элементе превышает заданное значение. Такие защиты выполняются плавкими предохранителями и реле. Токовые защиты могут, кроме полных токов фаз, использовать также слагающие обратной и нулевой последовательностей тока, практически отсутствующие в нормальном режиме. Если сравнивать действующее значение тока (или его симметричных составляющих) с заданными значениями, то защита будет иметь относительную селективность. Если же сравнивать комплексы токов по концам защищаемого элемента, то указанную защиту называют дифференциальной токовой. Этот принцип позволяет выполнить защиту с абсолютной селективностью.

В качестве измерительных органов применяются также минимальные реле напряжения, которые срабатывают, когда значение воздействующей величины становится меньше заданного.

Защиты напряжения могут фиксировать повреждения и по появлению слагающих напряжения обратной и нулевой последовательностей. В этих случаях измерительные органы выполняются на основе максимальных реле напряжения.

В ряде случаев не удается выполнить защиты на основе отмеченных простейших принципов. Поэтому применяется дистанционный принцип, который предусматривает совместное использование тока и напряжения защищаемого объекта таким образом, что при КЗ в измерительном органе защиты (реле сопротивления) формируется сигнал, пропорциональный сопротивлению петли КЗ.

При реализации защит с относительной селективностью для элементов системы, получающих питание от двух или более источников питания, для обеспечения их селективности возникает необходимость фиксировать направление мощности КЗ и тем самым обеспечивать их действие при условии определённого направления этой мощности (например, от шин – в линию). В этих случаях рассмотренные токовые и дистанционные защиты выполняются направленными. Способность определять направление мощности обеспечивается применением специальных органов направления мощности (как правило, в токовых защитах) или приданием направленности действия измерительному органу (направленные реле сопротивления в дистанционных защитах).