Релейная защита и автоматика. Что такое релейная защита и автоматика? - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

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

Содержание

Релейная защита и системы автоматизации

Релейная защита – это комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (в случае отказа) обнаружения и отделения неисправных элементов данной энергосистемы от энергосистемы в аварийной ситуации с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Деятельность устройств релейной защиты организована по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов энергосистем. Релейная защита (РЗ) непрерывно контролирует состояние всех компонентов энергосистемы и реагирует на возникновение неисправностей и аномальных состояний. При возникновении повреждения релейная защита должна обнаружить поврежденный участок и отключить его от энергосистемы путем отключения специальных автоматических выключателей, рассчитанных на размыкание токов повреждения (короткого замыкания).

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

Силовое оборудование сетей и электростанций всегда должно быть защищено от эксплуатационных помех и коротких замыканий. Таким инструментом является автоматика релейной защиты (АРЗ).

Особенности конструкции релейной защиты

Конструкция релейных защит постоянно совершенствуется благодаря внедрению инновационных технологий. Однако основные принципы и элементы дизайна остаются неизменными.

Структуру релейной защиты можно представить в виде схемы:

Электрический сигнал – Модуль контроля процесса – Блок логики и оценки – Приводной блок – Блок сигнализации

Блок управления контролирует все электрические процессы с помощью трансформаторов тока и напряжения, которые производят измерения. Блок логики и анализа сравнивает полученные сигналы с максимальным значением настройки. Защита сработает даже при незначительном перекрытии этих значений. Приводной блок всегда находится в режиме ожидания и ожидает сигнала от логического блока. Сигнальное устройство работает с помощью света или звука.

В конце полного цикла защиты технический специалист вручную возвращает устройство в исходное состояние.

Подробное описание структурной схемы защиты и других функций защиты можно найти в нашей статье Основные функции защиты.

Принципы релейной защиты

Существует несколько типов реле, каждый из которых зависит от характеристик энергосистемы (в данном случае реле тока, напряжения, частоты, мощности и т.д.) Такая система контролирует несколько показателей, постоянно сравнивая их значения с заранее определенными диапазонами, которые называются заданные значения ..

Если контролируемое значение превышает уставку, активируется соответствующее реле: таким образом, цепь коммутируется переключающими контактами. Это действие в основном влияет на подключенную логическую часть схемы. В зависимости от решаемых задач, эта логика настраивается на определенный алгоритм действий, воздействующих на коммутационный аппарат. Возникшая неисправность окончательно устраняется автоматическим выключателем, который прерывает подачу электроэнергии в неисправную цепь. В любой системе релейной защиты и автоматики настройка измерительного элемента основана на конкретной уставке, которая определяет зону действия и срабатывания устройств защиты. Это может быть только одна секция или несколько секций, состоящих одновременно из основных и резервных секций.

Срабатывание защиты может происходить при всех неисправностях, которые могут возникнуть в защищаемой зоне, или только при отдельных отклонениях от нормальной работы.

По этой причине на охраняемой территории используется не один вид защиты, а сразу несколько, дополняющих и поддерживающих друг друга. Основные защиты должны охватывать все неисправности, возникающие в рабочей зоне, или охватывать значительную их часть. Они обеспечивают полную защиту всей контролируемой зоны и должны действовать очень быстро в случае возникновения неисправностей. Все остальные средства защиты, не удовлетворяющие основным условиям, считаются резервными, осуществляя резервирование на короткие и дальние расстояния. В первом случае основные защиты, работающие в назначенной зоне, являются резервными. Второй вариант дополняет первый и защищает соседние операционные зоны в случае, если их собственная защита не сработает.

Повышенный ток, вызванный групповым запуском двигателей, вызывает падение напряжения в секции. Когда напряжение падает до уровня настройки первой ступени автоматизации, наименее важные машины отключаются.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТНОГО РЕЛЕ

Релейные защитные устройства разнообразны и могут быть выполнены по различным схемам, реализованным на различных элементных базах.

измерительные органы;
логика; исполнительные механизмы;
сигнализация.

Измерительный орган реле получает непрерывную информацию о состоянии контролируемого объекта, которым может быть отдельная установка, элемент или участок электрической сети. Существует несколько подходов к классификации структурных единиц релейной защиты.

Корпуса измерительных реле иногда называют пусковыми реле, что не меняет сути. Мониторинг состояния объекта заключается в получении и обработке технических параметров питания – тока, напряжения, частоты, величины и направления мощности, сопротивления.

В зависимости от значения этих параметров на выходе измерительного реле формируется дискретный логический сигнал (“да”, “нет”), который поступает в логический блок.

Логический блок получает дискретную команду от измерительного реле и выдает необходимую команду на привод или механизм в соответствии с заданной программой или логической схемой.

Блок сигнализации обеспечивает работу сигнальных устройств, которые сигнализируют о факте срабатывания комплекта релейной защиты или его отдельных органов.

Для того чтобы ARS эффективно выполняла свою задачу, она должна обладать определенными характеристиками. Существует четыре основных требования, которые предъявляются к устройствам защитного реле. Давайте рассмотрим их по очереди.

Селективность.

Свойство систем защиты заключается в том, чтобы обнаружить неисправный участок сети и произвести необходимые и достаточные отключения для его отделения. Если работа системы защиты вызывает чрезмерное отключение энергосистемы, это называется неселективным отключением.

Примером такой системы защиты является комплект защиты по остаточному току, который отключается только в случае повреждения между точками сети, где контролируется дифференциальный ток.

Относительная селективность обеспечивается системами сверхтоков, которые обычно реагируют на повреждения на участках, прилегающих к зоне, которую они непосредственно защищают. Обычно, чтобы избежать неселективного отключения, такие системы автоматизации имеют искусственную задержку, превышающую время срабатывания защит в соседних зонах.

Предупреждение. Искусственная задержка времени – это задержка времени, создаваемая специальными органами переключения с задержкой (реле времени).

Быстрая работа.

Отключение неисправного участка или элемента сети должно происходить как можно быстрее, чтобы обеспечить стабильность остальной части системы и свести к минимуму перебои в энергоснабжении потребителей.

Иногда время реакции системы автоматизации интерпретируется как время от возникновения неисправности до отключения неисправного участка, т.е. включает время работы выключателя.

Это не совсем верно, так как автоматический выключатель не является частью АРС и его параметры не могут быть использованы для оценки эффективности релейной защиты сети и энергосистем.

Это означает, что необходимо учитывать время срабатывания автоматического выключателя, но учтите, что это не является особенностью релейной защиты. Для сравнения можно отметить, что время срабатывания автоматического выключателя намного больше, чем время срабатывания самого реле автоматического выключателя (без учета искусственной задержки).

Чувствительность.

Это характеризует способность системы автоматизации гарантировать отключение во всем рабочем диапазоне для всех типов возмущений, на которые она рассчитана. Чувствительность системы автоматизации – это точный числовой параметр, значение которого проверяется в расчетных режимах при минимальных значениях ее рабочих параметров.

Это универсальная характеристика всех технических устройств, заключающаяся в способности реле работать непрерывно и без сбоев. В соответствии со своим основным предназначением.

В этом устройстве входящие сигналы сравниваются с установленными пределами. Даже незначительное совпадение этих параметров вызывает команду защитной операции.

Типы релейных защит

Релейные защиты обычно работают в сочетании с автоматикой, и их развертывание связано с определенными типами неисправностей в сети:

Падение частоты тока, возникающее при внезапной перегрузке генераторов из-за короткого замыкания или при отключении других источников от сети.
Повышенное напряжение. Увеличение этого параметра на 10% сокращает срок службы ламп вдвое. Этот режим работы возникает при внезапной перегрузке электросети.
Избыточный ток вызывает излишний нагрев изоляции проводов и кабелей, что приводит к искрению в местах контакта.

Реле классифицируются по определенным признакам:

Способ подключения: первичные реле, которые подключаются непосредственно к цепи прибора, и вторичные реле, которые подключаются через трансформатор.
Тип: электромеханический, состоящий из подвижных контактов, размыкающих цепь, и электронный, размыкающий цепь с помощью полупроводниковых элементов.
Назначение: измерительные, которые измеряют параметры, и логические, которые подают сигналы и команды другим устройствам и выполняют временные задержки.
Режим работы: прямого действия, который механически связан с отключающим устройством, и непрямого действия, который управляет электрической цепью электромагнита, отключающего электропитание.

Релейные защиты и автоматика бывают разных типов:

Направленная защита от сверхтока, активируется при достижении определенного значения тока, устанавливается при настройке.
Направленная защита от сверхтока, помимо настройки тока, также учитывает направление подачи питания.
Дифференциальный, используется для защиты набора генераторов, трансформаторов, шин путем сравнения выходного и входного токов. Если разница превышает заданное значение, срабатывает релейная защита.
Газовые и струйные, используются для обесточивания трансформаторов и другого оборудования, работающего в масляных резервуарах. В случае неисправности температура повышается, из масла выделяются газы, диэлектрические свойства масла снижаются, а его химический состав разлагается. В случае таких неисправностей срабатывают механические реле, учитывающие присутствующий в резервуаре газ и вещества, образующиеся в результате разложения масла. Когда срабатывает защита, логическая система получает команду к действию.
Логическая схема, защищающая сборные шины, служит для локализации коротких замыканий на линиях питания, ответвляющихся от шин подстанции, и на сборных шинах.
Дистанционное блокирование, при котором блокируется оптический канал, является более надежным методом защиты, в отличие от дистанционного блокирования с ВЧ-блокировкой, поскольку электрические помехи не оказывают большого влияния на оптический канал.

Дистанционная блокировка с высокочастотной блокировкой используется для обесточивания воздушных линий в случае короткого замыкания.

Некоторые виды автоматики предназначены для питания, в отличие от релейной защиты:

Автоматическое снижение частоты, отключает электрооборудование при снижении частоты сети.
Автоматическое повторное включение, используется на линиях электропередач выше 1000 В и в сборках шин трансформаторов, двигателей и подстанций.
Автоматическое повторное включение, используется, когда генератор подключен к сети в качестве резервного источника питания.

Устройство

Конструкции электромеханических релейных защит постоянно совершенствуются и улучшаются. Внедряются инновационные технологические решения и конструкции. Новейшие системы электропитания сочетают статические, индуктивные, электромагнитные устройства с микропроцессорными и полупроводниковыми элементами.

Однако основной смысл и принцип работы релейной защиты для всех новых устройств остается неизменным. Принципиальная схема структуры релейной защиты показана на рисунке.

1 – Электрический сигнал
2 – Блок контроля электрического процесса
3 – Блок логики и анализа
4 – Исполнительный блок
5 – Блок сигнализации

Блок мониторинга

Основная функция этого подразделения заключается в контроле электрических процессов, происходящих в электрической системе, с помощью измерительных приборов, таких как трансформаторы напряжения и тока.

Выходные сигналы от устройства могут передаваться непосредственно в логический блок для сравнения параметров с заданными пользователем значениями отклонения от нормальных значений, которые называются уставками. В качестве альтернативы, сигналы от контрольного устройства могут быть сначала преобразованы в цифровую форму, а затем переданы дальше.

Логический блок

Этот блок сравнивает полученные сигналы с предельными значениями уставок. Даже небольшое перекрытие между этими значениями вызывает команду отключения защиты.

Приводной блок

Этот блок всегда находится в состоянии готовности к срабатыванию после получения команды от логического блока. При срабатывании он выполняет переключение цепи в соответствии с заданным алгоритмом, разработанным для предотвращения неисправности в электроустановке или опасности поражения персонала электрическим током.

Блок сигнализации

В электрической системе все процессы происходят очень быстро, поэтому человек не в состоянии их воспринять. Для регистрации событий, происходящих в системе, используются специальные сигнальные устройства. Они работают через звуковые и визуальные сигналы тревоги, а также сохраняют все события в памяти устройства.

Все типы устройств сбрасываются оператором вручную после их срабатывания. Это гарантирует, что информация о работе автоматики и реле безопасности будет храниться вручную.

Принципы работы

В работе релейной защиты могут быть следующие неисправности:

Ложные тревоги, когда электропроводка исправна и повреждений нет.
Чрезмерное срабатывание, когда исполнительное устройство не нужно.
Повреждение внутри защитного устройства.

Чтобы избежать сбоев в работе устройств релейной защиты, к их проектированию, монтажу, вводу в эксплуатацию и техническому обслуживанию предъявляются особые требования:

Функциональная надежность.
Чувствительность к времени запуска устройства.
Быстрая реакция (время реакции).
Селективность.

Принцип надежности

Этот принцип определяется:

Аварийный режим работы.
Ремонтопригодность.
Длительный срок службы.
Простота обслуживания.

Каждый из этих факторов имеет свой рейтинг.

Обслуживание и эксплуатация релейной защиты имеет три варианта надежности срабатывания:

Возникновение внутренних коротких замыканий в рабочей зоне.
Возникновение внешних коротких замыканий вне зоны обслуживания.
Работа без неисправностей.

Надежность защитных устройств может быть:

Оперативный.
Оперативный.

Принцип чувствительности

Этот принцип позволяет определить типы ожидаемых проектных неисправностей и аномальных состояний энергосистемы в зоне действия устройств защиты.

Kc = Icf min/Icf

Для определения его численного значения используется коэффициент kf. Этот коэффициент рассчитывается как отношение наименьшего тока короткого замыкания в рабочей зоне к току срабатывания. Реле будет работать в нормальном режиме, если:

Icf < Icf мин.

Наиболее подходящий коэффициент чувствительности находится в диапазоне 1,5-2.

Принцип времени отклика

Мертвое время поврежденного участка состоит из двух элементов:

Время срабатывания защиты.
Реакция привода автоматического выключателя.

Первый компонент можно регулировать, начиная с наименьшего значения, которое зависит от устройства защиты и количества используемых элементов. Задержка времени срабатывания создается путем введения в схему специальных реле, которые можно регулировать. Это относится к самым отдаленным защитам.

Устройства, расположенные вблизи места повреждения, должны быть настроены на работу с минимально возможным диапазоном времени срабатывания.

Принцип избирательности

Этот принцип также называется селективностью. Его можно использовать для поиска и определения места повреждения в сетевой структуре любой сложности.

Например, генератор вырабатывает и подает электроэнергию различным потребителям в секциях 1, 2, 3, каждая из которых оснащена собственными устройствами защиты. Если в потребительском оборудовании в секции 3 произойдет короткое замыкание, ток будет протекать через все защитные устройства, начиная с источника питания.

Однако в этом случае рекомендуется отключить цепь секции с неисправным двигателем, оставив в работе другие исправные потребители. Для этого, уже на этапе проектирования схемы защиты, реле устанавливаются отдельно для каждой цепи.

Устройства защиты секции 5, секции 3 должны раньше обнаруживать ток повреждения и быстрее срабатывать, отключая неисправную секцию от цепи генератора. Поэтому настройки тока и времени в каждой секции уменьшаются от генератора к нагрузке по принципу: чем дальше от места повреждения, тем ниже чувствительность.

Это приводит к принципу избыточности. При этом учитывается возможность отказа любого устройства, включая системы защиты более низкого уровня. Это означает, что если защита 5 секции 3 не сработает, то в случае неисправности должна сработать защита 3 или 4 секции 2. Эти секции, в свою очередь, поддерживаются защитными устройствами секции 1.

Функции управления релейной защитой

Релейная защита как отдельный блок представляет собой отдельную цепь. Он является частью целого комплекса, образующего систему аварийного управления энергосистемой. В такой системе все элементы взаимосвязаны и выполняют свои задачи как единое целое.

Краткое описание функций защиты и работы системы автоматического управления показано на схеме.

Ознакомившись с работой автоматики и релейной защиты, необходимо постоянно совершенствовать свои знания и практические навыки, которые требуются при вводе в эксплуатацию новых устройств защиты.

Защитное реле должно работать:

Перечень основных защитных функций

Согласно стандарту [1], перечислены следующие защитные функции реле:

Номер функции	Тип функции
21	Дистанционная защита, защита фаз
21G	Дистанционная защита от замыканий на землю
21P	Защита расстояния между фазами
21N	Дистанционная защита от замыкания на землю
21FL	Место неисправности
25	Проверка синхронности
27	Контроль минимального напряжения
27P	Контроль падения напряжения между фазами
27X	Контроль падения вспомогательного напряжения
32	Управление направлением мощности
32F	Прямое направление мощности
32R	Инверсия направления мощности
37	Контроль минимального тока или мощности
49	Тепловая перегрузка
50	Защита от перегрузки по току с независимой выдержкой времени
50BF	Резервное устройство автоматического выключателя
51	Защита от перегрузки по току с независимой выдержкой времени
59	Защита от перенапряжения
67	Защита от перенапряжения Защита от направленного тока
68	Блокировка силовых качелей
79	Автоматическое повторное закрытие
87	Защита от остаточного тока

Читайте далее: