Релейная защита

Системы электроснабжения являются сложными производственными объектами, все элементы которых участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями являются быстрота явлений и неизбежность повреждений аварийного характера. Поэтому надёжное функционирование системы электроснабжения возможно лишь при автоматическом управлении ими. Для этой цели используют комплекты автоматических устройств, среди которых первоначальное значение имеют устройства релейной защиты и автоматики.

Рост потребления электроэнергии и усложнение систем электроснабжения требует постоянного совершенствования этих устройств. Наблюдается тенденция создания автоматизированных систем управления на основе использования цифровых универсальных и специализированных вычислительных машин. Вместе с тем широко применяются и простые средства защиты и автоматики: плавкие предохранители, автоматические выключатели,  магнитные пускатели, реле прямого действия, трансформаторы тока и др. Наиболее распространены токовые защиты, устройства автоматического повторного включения, автоматического включения резервного источника питания, автоматической частотной разгрузки и т.д., используемые в установках с включателями, оборудованными грузовыми и пружинными приводами.

Значение релейной защиты и системной автоматики для обеспечения надёжной и экономичной работы потребителей электрической энергии весьма велико. Достигнуть требуемой работы можно только при тщательном анализе взаимодействия проектируемых устройств, учёте особенностей технологии производства и распределения электроэнергии, схем электрических соединений объектов, специфики работы потребителей, физических процессов прохождения токов при нормальных режимах работы,  перегрузках и коротких замыканиях в первичных и вторичных цепях измерительных трансформаторов и в цепях приборов. Необходимо принимать во внимание удобство последующей эксплуатации проектируемой аппаратуры, надёжность её работы, стоимость и возможность использования типовых решений.

Релейная защита и автоматика должна обладать функциями  по выявлению коротких замыканий, определений места и формирования импульса на отключения. Кроме того она должна непрерывно следить за величиной  отклонения режима работы  системы  электроснабжения, и  подавать сигналы  персоналу  или импульсы в устройства автоматического управления и регулирования. Для выполнения своих функций релейная защита должна быть чувствительной, селективной, быстродействующей и надежной.

Современная релейная защита выполняется на электромеханических и  полупроводниковых реле и с использованием микропроцессорной техники. Аварийная защита содержит  комплекс релейной защиты, устройств автоматического управления  и устройств автоматического регулирования  систем электроснабжения.

Наиболее опасными повреждениями  являются замыкание  между фазами и замыкание  на землю  в сетях с глухозаземленной   нейтралью. При эксплуатации могут возникнуть перегрузки оборудования. При этом проходят сверхтоки,  приводящие к старению изоляции и износу оборудования. В этих случаях применяется  устройства противоаварийной автоматики, которая осуществляет деление системы в определенных узлах  на отдельно  работающие части.

Элементы измерительной части контролируют тот или иной параметр системы электроснабжения, например амплитуду тока или напряжения, фазу или частоту. Первичными  измерительными преобразователями обычно являются трансформаторы тока или  напряжения. Вторичные напряжения или токи являются информационными параметрами. Выходные токи или напряжения измерительных трансформаторов называются  воздействующими величинами системы релейной защиты и автоматики.

Воздействующая величина – это электрическая величина, которая одна или в сочетании с другими электрическими величинами должна быть приложена к реле в заданных условиях для достижения ожидаемого функционирования. В качестве воздействующей величины могут выступать и не электрические величины (температура, давление, освещенность), которая с помощью соответствующих датчиков преобразуется в электрическую величину. В системах релейной защиты и автоматики используются  аналоговые  и дискретные сигналы.
Электрическое реле – это аппарат предназначенный производить скачкообразные изменения в выходных цепях заданных значениях электрических воздействующих величин. Различают максимальные и минимальные измерительные реле.
Реле подразделяют на первичные и вторичные. Первичные включаются непосредственно в главную электрическую  цепь, а вторичные через первичные измерительные преобразователи. В зависимости от способа воздействия на коммутационный аппарат защищаемого объекта  различают реле прямого и реле косвенного действия.
Измерительный орган реле сравнивает сигналы. Обычно по амплитуде или фазе. Чтобы производить сравнения необходимо иметь не менее двух величин. При наличии только одного сигнала для сравнения в электронных реле используется опорное напряжение, а  в  электромеханическом – механический момент пружины.
Современная релейная защита и автоматика выполняется на электромеханических и  полупроводниковых реле и с использованием микропроцессорной техники. Аварийная защита содержит  комплекс релейной защиты, устройств автоматического управления  и устройств автоматического регулирования  систем электроснабжения.

Устройства автоматики состоят из устройств автоматического управления и устройств автоматического регулирования. В системах электроснабжения основными устройствами автоматического управления являются устройства автоматической частотной разгрузки (АЧР), автоматического включения резерва (АВР), автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического регулирования — устройства АРН и АРВ. К устройствам автоматического регулирования можно отнести и автоматические синхронизаторы.

Устройства автоматической частотной разгрузки (УАЧР). Воздействующей величиной устройства АЧР является напряжение, частоту которого контролирует измерительный орган - реле частоты. Реле срабатывает при снижении частоты до заданного значения. Действие устройства автоматической частотной разгрузки во многом аналогично действию защиты с относительной селективностью. Здесь селективность достигается выбором параметра срабатывания (частоты срабатывания) измерительного органа и выдержкой времени. При срабатывании УАЧР отключает определенную часть потребителей, способствуя восстановлению частоты в системе электроснабжения.

Устройства автоматического включения резерва (УАВР) и автоматического повторного включения (УАПВ). В системах электроснабжения устройство АВР контролирует положение выключателя рабочего источника питания и при его аварийном отключении включает резервный источник питания, а устройство АПВ действует на включение выключателя, например, линии электропередачи после отключения ее релейной защитой. При этом в отличие от релейной защиты, для которой воздействующая величина имеет обычно характер непрерывного сигнала, на вход УАВР и УАПВ подаются дискретные сигналы, несущие информацию о положении контролируемого выключателя. Поэтому в устройствах АВР и АПВ отсутствуют измерительные органы. Положение выключателя фиксируется его вспомогательными контактами, замкнутыми при одном положении выключателя и разомкнутыми при другом. В первом случае их сопротивление близко к нулю, а во втором — очень велико. Это сопротивление и является входным дискретным сигналом УАВР и УАПВ.

Автоматические регуляторы напряжения (АРН). Автоматические регуляторы напряжения предназначены для поддержания напряжения на необходимом уровне в нормальном режиме работы системы электроснабжения. Измерительный орган АРН преобразует непрерывный входной сигнал, пропорциональный отклонению напряжения, в дискретный сигнал с учетом знака отклонения. Простейший измерительный орган можно выполнить двумя реле напряжения: минимальным и максимальным. Соответствующее отклонение напряжения в ту или иную сторону сопровождается срабатыванием одного из реле. Это используют для управления объектом регулирования. В системах электроснабжения объектами регулирования являются конденсаторные установки и трансформаторы с устройствами РПН. Автоматический регулятор напряжения конденсаторных установок в зависимости от знака отклонения напряжения включает или отключает всю конденсаторную установку или отдельные ее секции. На трансформаторах с УРПН регулятор в зависимости от знака отклонения напряжения путем переключении изменяет число витков одной из обмоток трансформатора.

Автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) в отличие от АРН не только поддерживают напряжение в нормальных режимах, но и повышают устойчивость параллельно работающих генераторов и облегчают самозапуск электродвигателей при  авариях.

Рисунок Л3.6 - Векторная диаграмма, поясняющая появление напряжения биения

Объектом регулирования являются синхронные машины: генераторы, компенсаторы, электродвигатели. Сущность АРВ состоит в том, что автоматический регулятор воспринимает изменение напряжения или других электрических величин (например, тока) и преобразует их в изменения тока возбуждения синхронной машины. Если АРВ реагирует на знак и значение отклонения входных сигналов, то его относят к автоматическим регуляторам пропорционального действия. В отличие от них автоматические регуляторы сильного действия реагируют не только на знак и значение входных сигналов, но и на скорости из изменения.

Автоматические синхронизаторы. В общем случае при раздельной работе синхронного генератора и системы электроснабжения амплитуды, частоты и фазы их напряжений не одинаковы (рисунок Л3.6), поэтому при включении генератора в сеть появляется уравнительный ток, пропорциональный напряжению U_s (напряжение биения). С изменением угла от нуля до 2p напряжение биения изменяется от минимального значения при d = 0 и при d = 2p до максимального значения при d = p. Подобным образом изменяется и уравнительный ток, который представляет опасность для синхронизируемого генератора. Это заставляет принимать меры, обеспечивающие включение генератора при напряжении U_s, близком к нулю, т. е. при U_Г = U_С и d = 0. Достигается это уравниванием амплитуд сравниваемых напряжений и их частот f_Г и f_С. Поэтому функциями автоматического синхронизатора являются регулирование напряжения и частоты вращения синхронизируемого генератора путем воздействия на АРВ и автоматический регулятор частоты вращения турбины, а также определение момента подачи команды на включение выключателя.