Релейная защита

Электроэнергетические системы (ЭЭС), их объединения и Единая энергосистема страны постоянно подвержены случайным возмущаю­щим воздействиям, поэтому без автоматическо­го управления их функционирование практичес­ки невозможно. Скачкообразно и случайно из­меняющаяся электрическая нагрузка в условиях необходимого свойственного производству электроэнергии равенства в каждый момент времени генерируемой и потребляемой мощно­стей (их баланса) при отсутствии непрерывно действующего автоматического управления не­пременно вызовет недопустимые отклонения показателей качества электроэнергии, прежде всего амплитуды напряжения и частоты про­мышленного тока.

Неизбежные в силу физической природы электричества короткие замыкания, возникаю­щие то в одном, то в другом месте рассредо­точенной по всей территории страны ЕЭС и столь же неизбежные ввиду сложности элек­трической схемы ЕЭС случайные отключения синхронных генераторов и магистральных линий электропередачи, дискретно нарушающие баланс генерируемой и потребляемой мощно­стей, без экстренного и интенсивного воздейст­вия автоматики могут вызвать нарушение син­хронной работы генераторов электрических станций и, как следствие, полное прекращение процесса производства и передачи электроэнер­гии, т.е. общесистемную аварию с ее катастро­фическими последствиями.

Эти специфические особенности электро­энергетики обусловили развитие технических средств автоматического управления еще в начальный период ее становления.

Прежде всего, возникла и непрерывно совер­шенствовалась техника автоматического обна­ружения коротких замыканий (КЗ) и быстродей­ствующего отключения поврежденных электро­энергетических объектов — техника релейной защиты как абсолютно необходимая разновид­ность противоаварийной автоматики, без кото­рой невозможна работа даже простейшей элек­троэнергетической установки.

Первыми и простейшими устройствами авто­матического отключения электрооборудования при КЗ были легкоплавкие вставки (предохрани­тели), расплавлявшиеся (перегоравшие) под воз­действием токов КЗ, не менее чем на порядок превышавших рабочие. Они и до сих пор остают­ся техническим средством защиты (прежде всего от пожара) широко разветвленных промышлен­ных и бытовых электрических сетей низкого (ниже 1000 В) напряжения. Их техническое ис­полнение и защитные свойства непрерывно со­вершенствовались, и теперь предохранители применяются в системах электроснабжения и при высоком (выше 1000 В) напряжении.

К техническим устройствам собственно ре­лейной защиты относятся появившиеся в самом начале развития электроэнергетики электромаг­нитные расцепители механизмов отключения выключателей низкого и высокого напряжений лавинообразно действующие на отключение вы­ключателя при достижении током в защищаемой электрической цепи определенного фиксирован­ного значения. Это максимальные первичные, а затем вторичные (включаемые в электричес­кую цепь через измерительные трансформаторы тока) реле тока. На их основе вплоть до послед­него десятилетия выполнялись автоматические устройства максимальной токовой защиты (МТЗ) и на­правленной защиты с использованием измери­тельного реле направления мощности.

На линиях электропередачи напряжением 110—330 кВ с глухо заземленной нейтралью широко применяется направленная токовая защита нулевой последовательности от однофазных и двухфазных КЗ на землю. Ее достоинство — независимость настройки и действия от рабочих режимов ЭЭС.

Аналогичным свойством обладает и появив­шаяся в начале 30-х годов первая отечественная дистанционная защита от междуфазных КЗ, ко­торая вытеснила защиты иностранных фирм «Сименс» и «Вестингауз». По отношению на­пряжения и тока — сопротивлению она опреде­ляет расстояние до места КЗ. Направленная дис­танционная защита с измерительными реле со­противления стала наиболее распространенным устройством релейной защиты современных ОЭС и ЕЭС.

В развитии теории электромагнитных пере­ходных процессов в ЭЭС, возникающих при КЗ, на основе которой функционирует релейная за­щита, важную роль сыграли труды российских ученых Н.Н. Щедрина. Н.Ф. Марголина, С.А. Ульянова, А.Б. Чернина [5.28; 5-29]. Пер­вым обобщающим трудом отечественных авто­ров по теории и технике релейной защиты была книга В.И. Иванова «Реле и релейная защита», вышедшая в 1932 г.

Опыт проектирования и эксплуатации ре­лейной защиты в военные годы был обобщен в выпущенной в 1945 г. книге М.Ф. Кострова, И.И. Соловьева и А.М. Федосеева «Основы тех­ники релейной защиты». «Руководящие указа­ния по релейной защите» вышли под руковод­ством Л.Е. Соловьева тремя выпусками в 1933— 1939 гг., а в последующем Руководящие указа­ния по отдельным видам защит выходили в 1942—1975 гг. под руководством А.М. Фе­досеева.

Однако даже быстродействующие дистанци­онные защиты оказались недостаточно эффек­тивными для сохранения при КЗ динамической устойчивости при параллельно работающих мощных электрических станциях, связанных длинными и сильно нагруженными линиями. Оснащенность линий высокочастотной связью, обеспечивающей обмен информацией между устройствами релейной защиты, установленны­ми на противоположных концах, позволила соз­дать сверхбыстродействующие высокочастот­ные защиты электропередач сверхвысокого на­пряжения 500—750 кВ. ВНИИЭ и институтом «Энергосетьпроект» были разработаны фильт­ровая направленная обратной последовательно­сти (ФНЗОП) и дифференциально-фазная (ДФЗ) высокочастотные защиты таких линий электро­передачи. Благодаря использованию фильтров симметричных составляющих, а именно обрат­ной последовательности напряжений и токов, в первой из названных защит и комбинирован­ных фильтров токов прямой, обратной и нулевой последовательностей во второй из них было дос­тигнуто существенное повышение эффективно­сти действия защит для сохранения динамичес­кой устойчивости электропередач при КЗ.

В процессе создания ФНЗОП и ДФЗ были радикально усовершенствованы электромеха­нические измерительные реле тока, напряжения, направления мощности, направленные реле со­противления. Первые отечественные электроме­ханические измерительные реле выпускались Харьковским электромеханическим заводом. Во время Великой Отечественной войны он был эвакуирован в Чебоксары, где на его базе был создан Чебокссарский электроаппаратный завод (ЧЭАЗ), ставший основным релестроительным заводом страны.

Чебокссарский завод освоил и выпустил но­вые полупроводниковые, а затем микросхемные измерительные реле для дистанционных и высо­кочастотных защит. На основе сочетания взаи­модополняющих свойств ФНЗОП и ДФЗ разра­ботана и выпускается самая совершенная и бы­стродействующая высокочастотная фильтровая направленная и дифференциально-фазная защи­та для современных и вновь сооружаемых линий электропередачи напряжением 750—1150 кВ. На таких электропередачах широко использует­ся отключение только одной фазы, поврежден­ной при однофазном КЗ на землю. Эта защита — единственная быстродействующая и правильно функционирующая в не однофазном режиме ра­боты линий электропередач.

Основы новой отечественной техники релей­ной защиты составили фундаментальные труды Г.И. Атабекова, Л.Е. Соловьева, В.Л. Фабри­канта, А.М. Федосеева. В ее разработке прини­мали активное участие научные сотрудники института «Энергосетьпроект» (В.М. Ермо­ленко, С.Я. Петров). ВНИИЭ (Е.Д. Сапир, Я.С. Гельфанд, А.И. Левиуш, П.К. Фейст) и ве­дущие специалисты эксплуатационных органи­заций (М.А. Беркович, Н.В. Чернобровов, М.Ф. Мельников).

Непростой проблемой оказалось и создание быстродействующих, безотказно и правильно работающих автоматических устройств релей­ной защиты синхронных генераторов и транс­форматоров, а также шин электрических стан­ций и подстанций.

Работы И.А. Сыромятникова по режимам ра­боты синхронных генераторов и электродвигателей способствовали повышению надежности собственных нужд электростанций.

Первые электромеханические дифференци­альные защиты часто излишне срабатывали на отключение, особенно трансформаторов, под воздействием бросков токов намагничивания в момент включения или скачкообразного вос­становления (после отключения КЗ) напряжения на трансформаторе.

Радикальным техническим средством, обес­печившим приемлемые показатели дифференци­альной защиты, оказались насыщающиеся вто­ричные измерительные трансформаторы тока, включаемые в дифференциальную цепь защиты (встроенные в измерительные реле тока). Вне­дрение их в эксплуатацию происходило под ру­ководством И.И. Соловьева и М.И. Царева (ВНИИЭ).

Следующим этапом повышения чувстви­тельности устройств продольной токовой диф­ференциальной защиты было внедрение специ­ально разработанных (под руководством А.Д. Дроздова) дифференциальных измеритель­ных реле тока с магнитным торможением, авто­матически снижавшим чувствительность этих устройств при внешних (за пределами защищае­мого электроэнергетического объекта) КЗ.

Продольная токовая дифференциальная за­шита с насыщающимися вторичными трансфор­маторами тока и магнитным торможением (ти­пов ДЗ-11, ДЗ-13) широко применяется как ос­новная быстродействующая и высокочувст­вительная защита синхронных генераторов и трансформаторов.

В последнее время ЧЭАЗ выпускает наиболее технически совершенную микросхемную диффе­ренциальную защиту типов ДЗ-21, ДЗ-23, специ­ально разработанную для трансформаторов. Со­временное техническое исполнение и новые принципы обеспечения не действия при бросках тока намагничивания и повышения чувствитель­ности характеризуют ее высокое техническое со­вершенство. ЧЭАЗ выпускает также продольную токовую дифференциальную защиту шин элек­трических станций и подстанций, обладающую необходимой чувствительностью благодаря ори­гинальному способу ее автоматического загрубения (торможения) при внешних КЗ.

Отечественными научно-исследовательски­ми организациями были разработаны и другие оригинальные устройства релейной защиты син­хронных генераторов и трансформаторов. К ним относятся токовая защита обратной последова­тельности от несимметричных КЗ и перегрузок синхронного генератора с зависимой от степени несимметричной перегрузки и согласованной с его нагревом и остыванием характеристикой выдержки времени, а также защита напряжения нулевой последовательности от замыканий на землю в обмотках статора синхронного генера­тора. Последняя состоит из двух устройств, со­вокупное действие которых обеспечивает защи­ту всей обмотки, что длительное время было проблемной задачей.

К автоматическим устройствам, специально созданным для обеспечения высокой эффектив­ности релейной защиты, относится и устройство резервирования отказа выключателей (УРОВ), не отключившихся после воздействия на них ре­лейной защиты. Оно обязательно для установки на синхронных генераторах, трансформаторах, шинах и линиях электропередачи.

В последнее время ведется интенсивная научно-исследовательская работа по созданию микропроцессорных многофункциональных ав­томатических устройств релейной защиты.

Микропроцессорная интегрированная релейная защита синхронных генераторов и блоков генератор-трансформатор реализуется терминалами REG 216 и REG 316, постав­ляемыми совместным предприятием «АББ Реле-Чебоксары». Они вы­полняют функции:

традиционных автоматических устройств защитного отключения при КЗ и замыканиях на землю в обмотках статора [1];

отключения генератора при опасных для него несимметричном, дви­гательном и асинхронном режимах, при перегрузках и потере возбуж­дения;

отображения на экране ПЭВМ информации о режимах работы гене­ратора и функционировании терминала;

регистрации информации об аварийных ситуациях и действиях про­граммных защиты.

В модификации REG 316'4, предназначенной для электроэнергетиче­ских блоков генератор-трансформатор, дополнительно предусмотрены функции защитного отключения при перевозбуждении магнитопровода, перегреве обмоток трансформатора и повышении давления масла в его баке.

Функции защиты и автоматики выбираются клавиатурой ПЭВМ из обширной библиотеки программ. Настройка (установка значений пара­метров срабатывания) защиты и автоматики производится оператором с его автоматизированного рабочего места также клавиатурой ПЭВМ.

Возможно задействование любых комбинаций программных функцийзащитных отключений:

функций релейной защиты:

дифференциальной токовой продольной синхронного генератора или блока генератор-трансформатор и поперечной генератора;

токовой мгновенного действия (отсечки);

максимальной токовой, в том числе с контролем минимального напряжения, с независимой и обратно зависимой от тока выдержками вре­мени;

токовой обратной последовательности с обратно зависимой времятоковой характеристикой срабатывания;

минимальной полного сопротивления;

от замыкания на землю в обмотках статора и ротора генератора;

от перегрузок статора и ротора;

от перевозбуждения генератора или трансформатора;

от перегрева генератора или трансформатора;

от двигательного режима (защита обратной мощности);

от потери возбуждения генератора (минимального реактивного сопротивления);

Интегрированные комплексы полностью цифровые, имеют модульное построение и функционируют на микропроцессорных модулях 216VE61 и 316VE61 с микропроцессорами типа 148SX; не тре­буют специального программирования: ввод в действие соответствую­щих программ из обширной их библиотеки производится от ПЭВМ.

Аналоговыми элементами являются только вторичные измеритель­ные трансформаторы напряжения TVL и тока TAL, нагруженные балласт­ными резисторами, и фильтр нижних частот (ФНЧ), входящие в со­став модуля, в частности 216VE61, аналого-цифрового преобразования мгновенных напряжений, пропорциональных напряжениям и токам трех фаз и нулевой последовательности синхронного генератора.

Программное выполнение цифровых алгоритмов функционирования измерительной части устройств защиты и автоматики на основе ортого­нальных составляющих принужденных напряжений и токов требует только вычислительного времени и не вносит алгоритмических замедле­ний в их действие.

Микропроцессорная интегрированная защита и автоматика обладает рядом особенностей и достоинств, повышающих техническое совершен­ство релейной защиты блоков генератор-трансформатор.

Программно преодолеваются факторы, затрудняющие обеспечение потенциально высокой чувствительности продольной дифференциаль­ной токовой защиты генераторов и особенно блоков генератор-транс­форматор. Достигаются:

высокая надежность несрабатывания защиты при больших токах внешних КЗ (за пределами защищаемой зоны) и насыщения магнитопроводов первичных измерительных трансформаторов тока, обусловливаю­щем сильное возрастание их погрешностей и токов небаланса в цепях защиты;

снижение тока срабатывания защиты генератора за счет возможности уменьшения расчетных погрешностей трансформаторов тока;

выравнивание абсолютных значений вторичных токов измеритель­ных трансформаторов дифференциальной защиты блока генератор-трансформатор, неравенство которых обусловливается численным отли­чием отношения их коэффициентов трансформации от коэффициента трансформации трансформатора блока.

Программная компенсация сдвига фаз между вторичными токами, обусловленного группой соединений обмоток низшего и высшего напря­жений трансформатора, упрощает схему токовых цепей продольной дифференциальной токовой защиты блока генератор-трансформатор: вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока трех фаз на стороне высшего и низшего напряжений соединяются по одинаковым схемам (обычно по схеме «звезды»).

Положительными особенностями других программных защит яв­ляются:

фиксирование первой ступенью токовой защиты (отсечкой) броска то­ка намагничивания трансформатора блока при его включении или дис­кретном восстановлении напряжения после отключения внешнего КЗ.

Для понижающих трансформаторов с устройствами переключений ответвлений от обмотки высшего напряжения со стороны нейтрали (уст­ройствами регулирования под нагрузкой — УРПН) предназначаются микропроцессорные автоматические устройства защиты серии цифровых реле SPA_300 совместного предприятия «АББ Реле-Чебоксары», а

именно, микропроцессорное интегрированное устройство релейной за­щиты трансформатора SPAD 346C, выполняющее функции:

продольной токовой дифференциальной защиты;

трехступенчатой токовой защиты от междуфазных КЗ;

дифференциальной токовой защиты нулевой последовательности от КЗ на землю;

токовой защиты нулевой последовательности от однофазных замы­каний на землю на стороне высшего напряжения;

токовой защиты от КЗ на землю на стороне с напряжением 0,4 кВ;

защиты от несимметричной работы.

Продольная токовая дифференциальная защита благодаря ее про­граммной реализации обладает уникальными, реализуемыми только техническими средствами цифровой вычислительной техники, свойства­ми. Они обеспечивают преодоление специфических факторов, затруд­няющих достижения основного достоинства продольной дифференци­альной защиты — высокой чувствительности, а именно:

схема соединений обмоток трансформатора, обусловливающая сдвиг по фазе вторичных фазных токов измерительных трансформаторов тока на сторонах высшего и низшего напряжений;

неравенство их абсолютных значений в нормальном режиме и при внешних КЗ (в электрической сети за пределами защищаемой зоны), обусловленное численным отличием отношения их коэффициентов трансформации от коэффициента трансформации защищаемого транс­форматора;

дискретное изменение коэффициента его трансформации при пере­ключениях ответвлений от обмотки высшего напряжения, автоматиче­ски управляемыми УРПН.

Компенсация сдвига фаз и выравнивания абсолютных значений вто­ричных токов производится программно соответствующими расчетны­ми алгоритмами. Соответствующие составляющие «тока небаланса» в дифференциальной цепи защиты практически исключаются.

Однако «ток небаланса», обусловленный погрешностями измери­тельных трансформаторов тока при больших токах внешних КЗ, остает­ся на прежнем уровне. Поэтому в цифровой продольной дифференци­альной защите применяется известное «торможение» автоматически загрубляющее ее при внешних КЗ.

Используется один из прежних способов обеспечения несрабатыва­ния защиты на отключение трансформатора от «броска» тока намагничивания, возникающего при подключении трансформатора к напряже­нию или при дискретном повышении первичного напряжения после отключения внешнего КЗ. Применяется запрет действия защиты (ее блоки­ровка) гармонической составляющей «броска» тока намагничивания удвоенной частоты. При КЗ в трансформаторах или на его выводах блоки­ровка по второй гармонике ограничивается специальным алгоритмом анализа особенностей формы кривой и скорости нарастания мгновенно­го дифференциального тока.

В защите предусмотрена еще одна блокировка по 5-й гармонике тока намагничивания, возникающей при повышенном напряжении, вследст­вие насыщения магнитопровода трансформатора (его перевозбужде­нии). Однако при опасных для изоляции трансформатора перенапряже­ниях блокировка выводится из действия.

Токовая защита нулевой последовательности (модуль U2 типа SPCD2D55) от однофазных КЗ (при заземленной нейтрали сетей напряжением 110—220 кВ) или однофазных замыканий на землю (при изоли­рованной нейтрали сетей напряжением 6,10,35 кВ) может функционировать как продольная дифференциальная или двухступенчатая токовая. Подключается к нулевому проводу трех фазных измерительных трансформаторов тока ТА1 на стороне высшего напряжения и к одному из транс­форматоров тока ТАЗ или ТА4, установленных в нейтрали.

В продольной дифференциальной защите предусматривается тормо­жение и возможность блокировки от второй гармоники тока в нейтрали и выдержка времени для отстройки от апериодической свободной составляющей тока электромагнитного процесса однофазного короткого замыкания.

Ступенчатые токовая защита от междуфазных и токовая защита нулевой последовательности от однофазных КЗ на стороне низшего напряжения программно реализуются модулем Ш) типа SPCJ 4D29. Модуль выполняет и функцию защитного отключения при несимметричной нагрузке. Особенностью защит являются обратнозависимые, определяемые аналитически выдержки времени.

Выдается информация о фазных токах, токах в дифференциальной цепи и тормозном токе, фиксируются токи последнего повреждения, регистрируется информация о срабатываниях защиты с возможностью её просмотра о пяти повреждениях и выполняются сервисные функции, двойственные микропроцессорным устройствам защиты и автоматики.

Цифровая интегрированная защита и автоматика собственных нужд электрических станций и распределительных сетей.

Комплексные цифровые автоматические устройства на микропроцес-орной элементной базе интегрированной защиты, предназначенные для комплектных распределительных устройств (КРУ) собственных нужд электростанций и распределительных сетей напряжением 3—35 кВ, разработаны научно-производственной фирмой (НПФ) «Радиус» НИИ «Зенит» (г. Зеленоград) и научнотехническим центром (НТЦ) «Механотроника» (Санкт-Петербург). Они характеризуются высокими показателями технического совершенства и обладают широкими информационными и сервисными функциями, двойственными техническим средствам обработки информации цифро­вой вычислительной техникой.

Микропроцессорные устройства защиты и автоматики НПФ Радиус. Микропроцессорные интегрированные устройства релейной защиты и автоматики типов Сириус, Сириус-М и Орион-М, выполняют функции:

- трехступенчатой токовой защиты от многофазных КЗ с вычисления­ми расстояния до места повреждения (Сириус) и зависимых от тока вы­держек времени (Орион-М);

- направленной токовой защиты (Сириус-М);

- защиты от однофазных замыканий на землю (Сириус);

- защиты от несимметричных режимов и потери фазы;

- исполнения воздействий на отключение от дуговой защиты КРУ и га­зовой защиты трансформатора;

- фиксирования и хранения обширной информации о девяти послед­них аварийных ситуациях в системе электроснабжения, о запусках и действиях устройства и произведенных противоаварийных отключениях и включениях.

Несколько типоисполнений микропроцессорных фиксирующих ин­дикаторов (ИМФ) обеспечивают автоматический поиск поврежденного, присоединения при однофазном замыкании на землю или обрывах про­вода, определение расстояния до места междуфазного КЗ, фиксирование значений составляющих нулевой последовательности напряжений и то­ков, необходимых для расчетов расстояний до места однофазного повре­ждения.

Интегрированная релейная защита линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения функционирует на терминалах REL 511R и REL 521 компании «АББ Реле-Чебоксары», терминалах 7SA513 немец­кой фирмы «Siemens» и французской фирмы «GEC Alsthom». Они вы­полняют следующие функции:

дистанционной (на терминалах REL 561 — дифференциальной) как от междуфазных, так и однофазных коротких замыканий;

ступенчатой токовой нулевой последовательности от коротких замы­каний на землю;

ступенчатой токовой от междуфазных КЗ;

резервирования отказов выключателей в действии на отключение;

отключения при включении линии на КЗ (закоротку);

обеспечения недействия дистанционной защиты при качаниях в электроэнергетической системе и повреждениях в цепях измерительно­го трансформатора напряжения;

трехфазного и однофазного повторного включения линии, трехфаз­ного любого вида, в том числе с синхронизацией;

ограничения снижения и повышения напряжения;

определение места повреждения линии электропередачи;

фиксирования действующих значений напряжения и тока, активной и реактивной мощностей в линии и частоты;

регистрации аварийных ситуаций.

Дата добавления: 2014-12-25