Общие сведения о релейной защите

Уже с появлением первых промышленных генераторов энергетики столкнулись с тем, что при коротких замыканиях выделяется большое количество энергии, которое может разрушить генератор и питающую сеть. Возникла необходимость в аппаратах, защищающих электрооборудование от коротких замыканий, перегрузок и других ненормальных режимов. Первыми устройствами защиты от КЗ были плавкие предохранители, которые применяются и в наши дни. Принципиальная схема включения предохранителей FI—F4 для защиты электроприемников приведена на рис. 8.1, а. Здесь G — источник, a Ml, М2 и R — приемники электроэнергии, которые являются защищаемыми элементами.

Рис. 8.1. Принципиальная схема включения предохранителей (а) и их защитная характеристика (б).

Защита плавкими предохранителями обеспечивается тем, что плавкая вставка предохранителя расплавляется раньше, чем температура защищаемого элемента достигнет недопустимого значения. Зависимость времени t перегорания предохранителя от кратности k тока, проходящего через него, называемая защитной характеристикой предохранителя, приведена на рис. 8.1, б. Кратность тока берется по отношению к номинальному току.

Предохранители с такой защитной характеристикой применяют для защиты проводников и электрооборудования. Как видно из рис. 8.1, б, чем больше кратность тока /г, тем меньше время t перегорания плавкой вставки предохранителя и тем быстрее разрывается цепь КЗ. При полуторакратной перегрузке время перегорания плавкой вставки предохранителя не должно превышать 600 с, а при двукратной перегрузке — 150 с. Для трансформаторов защитную характеристику определяют по эмпирической формуле.

где k — отношение наибольшего аварийного тока к номинальному току трансформатора.

Номинальный ток предохранителя F1 (рис. 8.1, а) равен сумме токов предохранителей F2, F3 и F4. При коротком замыкании в точке К кратность k₄ тока КЗ для предохранителя F4 будет больше, чем кратность k_x тока КЗ для предохранителя F1. Следовательно, плавкая вставка предохранителя F4 перегорит раньше, чем вставка предохранителя F1. Участок схемы с КЗ будет отключен, а неповрежденные потребители Ml и R будут получать питание через предохранители FI, F2 и F3. Таким образом, при правильном выборе предохранителей всегда будет перегорать плавкая вставка того предохранителя, который расположен ближе к месту КЗ. Это свойство защиты называют избирательностью или селективностью. Защитная характеристика плавкого предохранителя — обратная зависимость времени срабатывания от кратности тока — обеспечивает селективность защиты.

То обстоятельство, что предохранитель является одновременно и устройством защиты, и устройством коммутации, обусловило его широкое применение. Однако предохранители имеют и существенные недостатки. Их защитные характеристики имеют большой разброс, они не поддаются точному расчету и определяются опытным путем. В процессе эксплуатации плавкие вставки окисляются, их сечение уменьшается и защитные характеристики смещаются вниз. В результате плавкая вставка постепенно теряет свои защитные качества.

Первым шагом на пути совершенствования защиты с помощью предохранителей было разделение функций устройства защиты и устройства коммутации и переход к релейной защите. Основным элементом релейной защиты является специальный аппарат — реле, которое срабатывает при определенном напряжении или токе. Этот элемент вначале был электромеханическим. Позднее появились бесконтактные реле.

При коротких замыканиях в системе электроснабжения обычно возрастает ток и снижается напряжение. Сигналы, пропорциональные току, протекающему через защищаемый элемент, являются сигналами, воздействующими на отключающие органы выключателей. Такая защита называется максимальной токовой защитой. Измерительными органами этих защит являются реле максимального тока, настроенные на заданный ток срабатывания. Под током срабатывания защиты / _{р $} понимают минимальный ток в фазах защищаемого элемента, при котором защита сработает, т. е. на ее выходе появится сигнал на отключение выключателя. Другим параметром токовой защиты является ток возврата. Это максимальный ток в фазах защищаемого элемента, при котором защита возвращается в исходное состояние после того, как она пришла в действие.

В системах защиты реле максимального тока может включаться непосредственно в цепь нагрузки и воздействовать также непосредственно на механизм расцепления выключателя. Такие реле называют первичными реле прямого действия. В системах электроснабжения первичные реле прямого действия применяют сравнительно редко. Они находят применение в тяговых сетях постоянного тока электрифицированного транспорта в быстродействующих автоматических выключателях типа ВЛБ и в мощных электролизных установках. Первичные реле косвенного действия также используются в основном в защите тяговых сетей постоянного тока.

Реле максимального тока, включаемые в защищаемую цепь через трансформаторы тока и воздействующие на выключатель через промежуточные реле, называют вторичными реле косвенного действия. Эти реле получили наибольшее распространение в релейной защите. Использование их требует источников оперативного тока.

С разделением функций коммутационная и защитная аппаратура стали развиваться в двух самостоятельных направлениях. Комплекс защитной аппаратуры, выполняемый на электромагнитных реле, стали называть релейной защитой. Максимальную токовую релейную защиту стали выполнять так, чтобы ее защитная характеристика была подобна защитной характеристике предохранителя (рис. 8.2).

Если в защите имеется только одно реле максимального тока, которое срабатывает при значении тока /_с'_рз и дает сигнал на отключение выключателя практически мгновенно через минимальное время t¹, то такую защиту называют одноступенчатой токовой отсечкой без выдержки времени (рис. 8.2, а). Ее защитная характеристика представляет собой в первом приближении упрощенную кусочно-линейную аппроксимацию защитной характеристики плавкого предохранителя.

Если в защите имеется два реле максимального тока с разными уставками по току (рис. 8.2, б), то такую защиту называют двухступенчатой. Первая ступень 1 отсечки при большом токе КЗ действует также практически мгновенно без выдержки времени, а вторая ступень 11 при меньшем токе действует с независимой от тока выдержкой времени t^u. Ее называют отсечкой с выдержкой времени. Выдержка времени осуществляется с помощью реле времени. Защитная характеристика двухступенчатой защиты уже более приближена к защитной характеристике плавкого предохранителя.

В трехступенчатой защите (рис. 8.2, в) добавлена еще одна ступень 111 защиты от перегрузок с ограниченно зависимой от тока выдержкой времени ?^1И. Время срабатывания третьей ступени 111 максимальной токовой защиты от перегрузок обратно пропорционально току реле. Чем больше ток, проходящий по реле, тем быстрее оно срабатывает.

Защитная характеристика релейной защиты на рис. 8.2, в наиболее близко подходит к защитной характеристике плавкого предохранителя, но в отличие от него при больших кратностях тока защита срабатывает практически мгновенно. В этом преимущество релейной защиты.

Рис. 8.2. Защитные характеристики одноступенчатой (а), двухступенчатой (б) и трехступенчатой (в) максимальной токовой защиты.

Зависимость выдержек времени одноступенчатой (г), двухступенчатой (д) и трехступенчатой (е) максимальной токовой защиты от расстояния до места КЗ. Ступенчатые характеристики защиты в сети с односторонним питанием (ж)

Как будет показано ниже, значение тока, протекающего через реле, или кратность тока реле зависит от удаленности места КЗ. Чем ближе место КЗ к защитному аппарату, тем больше ток КЗ. Следовательно, при близком КЗ защита будет срабатывать практически мгновенно, а при дальнем КЗ — с выдержкой времени, зависящей от расстояния до места КЗ (рис. 8.2, г—ё). Защитные характеристики в функции расстояния от места включения защиты до места КЗ (см. рис. 8.2, г—ё) в другом масштабе являются зеркальным отражением защитных характеристик в функции тока КЗ (рис. 8.2, а—в).

На рис. 8.2, ж приведены защитные характеристики трех защит в радиальной линии с односторонним питанием. Каждая защита имеет три ступени с разными выдержками времени. Это позволяет использовать одну ступень защиты как основную при близких КЗ, а вторую и третью ступени — как резервные при близких и далеких КЗ, о чем будет сказано ниже.

Время действия основной защиты меньше, чем время действия резервной защиты. Поэтому ток близкого КЗ всегда отключает основная защита. Если по каким-либо причинам основная защита при близком КЗ не сработает, то отключение выключателя произойдет от резервной защиты. Такое резервирование называют ближним резервированием. Резервная защита сработает и в том случае, если не сработает основная защита выключателя, расположенного рядом с местом далекого КЗ. Такое резервирование называют дальним резервированием. В питающих сетях 35 кВ и выше обычно используют защиты с числом ступеней три, иногда четыре. В распределительных сетях чаще используют двухступенчатые защиты [ 171.

Кроме быстродействия и резервирования релейная защита должна обладать избирательностью, или селективностью. Селективность — это основное свойство релейной защиты, которое заключается в способности определять поврежденный элемент и отключать именно его, оставляя в работе неповрежденные элементы [17, 22]. Так, например, при КЗ в точке К (рис. 8.3) должен отключаться выключатель Q3 от действия защиты АЗ. Выключатели Q1 и Q2 должны оставаться включенными. Если же выключатель Q3 не будет отключен защитой АЗ, то должен отключиться выключатель Q2 от защиты А2. При отказе защит АЗ и А2 сработает защита А1.

Рис. 8.3. Электрическая сеть с односторонним питанием и устройствами релейной защиты.

На рис. 8.4 показана принципиальная схема двухступенчатой токовой защиты с вторичными реле косвенного действия. Защита выполнена на постоянном оперативном токе. Во вторичную цепь трансформатора тока ТА включены обмотки двух реле тока КА1 и КА2 с разными токами срабатывания или с разными токами уставки. Защита действует на электромагнит YAT отключения привода выключателя Q. Защита реализует защитную характеристику, показанную на рис. 8.2, б. Если КЗ произошло далеко и кратность тока небольшая, то срабатывает токовое измерительное реле КА1, которое своими контактами включает реле времени КТ. Через заданное время реле времени КТ срабатывает и включает промежуточное реле KL1. Реле KL1 включает электромагнит YAT отключения привода выключателя Q. Выключатель Q выключается с выдержкой времени. При этом срабатывает указательное реле КН1 и его блинкер (указатель) фиксирует отключение с выдержкой времени. Такая защита называется максимальной токовой защитой с выдержкой времени.

Рис. 8.4. Двухступенчатая токовая защита с вторичными реле косвенного действия.

Если же КЗ произошло близко и кратность тока большая, то кроме реле КА1 срабатывает и токовое реле КА2, которое включает промежуточное реле KL1. Отключение выключателя Q происходит без выдержки времени практически мгновенно. Такая защита называется токовой отсечкой без выдержки времени. При этом срабатывает указательное реле КН2.

Такое исполнение защиты позволяет сделать ее селективной, т. е. избирательной. Близкие КЗ отключаются без выдержки времени, а дальние КЗ — с выдержкой времени. Это делается по следующим соображениям. Обычно ток КЗ проходит не через один выключатель, а через несколько последовательно включенных выключателей. При этом сработать должен тот выключатель, который расположен ближе к месту КЗ. Остальные выключатели, через которые протекал ток КЗ, должны оставаться в работе, чтобы обеспечивать электроснабжение неповрежденных потребителей. Принцип селективности реализуется за счет разных токов срабатывания и разных выдержек времени для разных последовательно включенных защит. Защита с большей выдержкой времени резервирует защиту с меньшей выдержкой времени. Реальные токовые защиты делаются в большинстве случаев трехступенчатыми: первая ступень — токовая отсечка без выдержки времени; вторая ступень — токовая отсечка с выдержкой времени; третья ступень — максимальная токовая защита с ограниченно зависимой выдержкой времени. Получили распространение и двухступенчатые защиты с отсечкой без выдержки времени и максимальной токовой защитой с ограниченно зависимой выдержкой времени.

В дальнейшем к релейной защите добавились и устройства автоматики для управления системой, и весь комплекс стали называть релейной защитой и автоматикой (РЗЛ). Хотя релейная защита является составной частью комплекса РЗА, но она обладает спецификой, выделяющей ее в самостоятельное научно-техническое направление. Элементная база устройств РЗА со временем изменялась. На смену электромагнитным элементам пришли полупроводниковые устройства, а затем и микропроцессорные системы. В этой книге мы не будем глубоко и подробно представлять аппаратурное исполнение устройств РЗА, поскольку при любой элементной базе научные основы РЗА остаются неизменными. Поэтому рассмотрим идеологию выполнения этих устройств — основы релейной защиты.

Особенности защищаемого элемента системы электроснабжения, безусловно, влияют на схемы защиты и автоматики, а также на выбор их параметров. Однако принцип действия этих устройств остается одинаковым. Поэтому рассмотрение основных принципов РЗА целесообразно начинать, как это делается в большинстве книг, с рассмотрения устройств релейной защиты и автоматики линий электропередачи. Рассмотрим подробнее работу максимальной токовой защиты, начиная с первой ступени — токовой отсечки.