Что такое релейная защита?

Назначение и применение

Все энергосистемы образованы электростанциями, подстанциями, линиями электропередачи и установками потребителей энергии. В результате тех или иных событий в каждой из перечисленных составляющих энергосистем могут возникать различные повреждения и аварии. При повреждениях токи могут многократно увеличиваться, а напряжение генерируемое электростанциями и далее на подстанциях уменьшаться до неприемлемой величины.

При этом возникает зона высоких температур и даже разрушения вблизи места повреждения. В зоне высоких температур оказываются провода линий электропередачи и оборудование, для которых увеличение температуры может быть опасным. А понижение напряжения связанное с такими процессами может привести к нарушению устойчивости параллельной работы электростанций и нарушить нормальную работу подключенных к ним потребителей.

Ещё больше усугубляет эти процессы изменения частоты напряжения, особенно в сторону уменьшения. При этом существенно увеличивается вероятность насыщения магнитопроводов электрических машин, что дополнительно увеличивает величину токов и расширяет зону высоких температур. Поэтому для сохранения целостности отдельных частей и энергосистемы в целом при возникновении повреждений и аварий, а также для сохранения нормального функционирования оборудования за пределами аварийного участка последний должен быть отключён и изолирован максимально быстро.

Многие аварийные ситуации поначалу являются допустимыми перегрузками. Однако просуществовав определённое время, такие перегрузки оборачиваются опасными последствиями. При своевременном изменении режимов перегрузки, можно было бы избежать их. Поэтому в случае необходимости лучше обесточить перегруженное оборудование. Обрабатывать данные и выполнять отключение в случае повреждений необходимо за доли секунды. Подобную скорость можно получить только средствами автоматизации.

Способ защиты, основанный на применении автоматических реле, называется релейной защитой.

Принцип действия

Непрерывный мониторинг всех элементов энергетической системы с реакцией на появление повреждений и аварийные режимы есть главные функции релейной защиты. В электрических цепях энергосистемы устанавливаются специальные выключатели. Они выполняют отключение токов, которые появляются в результате повреждений и аварий. Защита должна определить участок с повреждением и воздействием на ближайший выключатель, который способен отключить участок от энергосистемы выполнить отключение. Пример показан на изображении ниже:

Однако отключения это не единственное назначение релейной защиты. Защитные устройства должны различать свойства нарушения и по возможности либо автоматически выполнять действия для того чтобы нормальный режим в энергосистеме был восстановлен, либо сигнализировать соответствующим службам, которые смогут принять необходимые меры по этому нарушению.

В современных электросетях используются и другие группы устройств автоматики:

• автоматическое повторное включение;
• автоматическое включение резервного питания;
• автоматическая частотная разгрузка.

Эти три основные группы лишь часть перечня. Релейная защита имеет с ними наиболее тесное и первостепенное взаимодействие.

Наиболее часто защитные системы устраняют различные виды короткого замыкания, показанные на изображении ниже:

Причинами таких повреждений могут стать:

• межвитковые короткие замыкания в электрических двигателях и трансформаторах;
• разрушение изоляционного материала в токоведущих частях со временем и под воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды;
• механические повреждения;
• перенапряжения;
• состояние проводов линий электропередачи при сильном ветре и гололёде;
• оставленные подключенными и забытые после ремонта заземления.

В дополнение к перечисленным причинам повреждений в электрической сети могут возникать режимы с параметрами, выходящими за установленные значения для работающего оборудования, так называемые «ненормальные режимы»:

• сверхток, который превосходит номинальный ток и дополнительно нагревает токоведущие части, а также их изоляцию сокращая срок их нормальной работоспособности;
• перенапряжения, вызванные отключениями электрогенераторов и протяжённых высоковольтных линий электропередачи;
• нарушение правильной фазировки роторов электрогенераторов, работающих параллельно, что приводит к качаниям и понижению напряжения у потребителей электроэнергии;
• возникновение асинхронного режима в синхронном генераторе, что приводит к уменьшению напряжения у потребителей и вызывает риск потери устойчивости энергосистем с параллельно работающими электрогенераторами.

В зависимости от своего назначения системы защиты соответствуют:

• требованиям для ситуаций связанных с повреждениями;
• то же самое, но для ненормальных режимов.

В ситуациях с повреждениями релейная защита должна обладать

• избирательностью, иначе – «селективностью», чтобы максимально точно выбирать электрические цепи, связанные с местом повреждения и выполнять оптимальные отключения;
• быстродействием, поскольку большая электрическая мощность, расходуемая в месте повреждения, и тепло, связанное с ней, приводят к более разрушительным последствиям при увеличении времени отключения;
• чувствительностью, чтобы фиксировать повреждение на необходимом удалении от места его возникновения;
• надёжностью, чтобы срабатывание происходило только при возникновении повреждения в заданной области и не происходило по ошибке при его отсутствии.

При ненормальных режимах в целом требования такие же, как и для повреждений. Отличие заключается только в менее жёстких требованиях к быстродействию систем защиты.  В некоторых случаях отключение может быть сделано ручном режиме и от защиты необходимо получить лишь сигнал для этого.