Развитие техники релейной защиты за 100 лет.

В 1888 г. выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский изобрел систему трехфазного тока. Вскоре под его руководством впервые в мире была осуществлена передача электрической энергии токами достаточно высокого напряжения (8,5 кВ) на большое расстояние. Это было важным событием в истории электроэнергетики, и системы трехфазного тока вскоре получили широчайшее применение. Их эксплуатация, как и других электрических систем, была невозможна без защит от электрических повреждений, наиболее распространенными и опасными из которых являются короткие замыкания (КЗ).

В электрической системе КЗ в большинстве случаев сопровождаются возрастанием тока. Поэтому первыми появились токовые защиты, действующие в случае, когда ток в защищаемом элементе превышает заранее установленное значение. Токовые защиты могут выполняться плавкими предохранителями или реле. Плавкие предохранители использовались для защиты первых электроэнергетических установок еще в конце 19 века. В скором времени они в ряде случаев перестали удовлетворять своему назначению и стали заменяться устройствами, основными элементами которых были электромагнитные реле тока. Однако конструкции плавких предохранителей совершенствуются, и они продолжают с успехом использоваться не только в системах напряжением ниже 1 кВ, но также и в распределительных сетях более высоких напряжений.

Первые попытки использования реле для защиты от коротких замыканий относятся к началу 1890-х гг., когда появились электроустановки с первичными электромагнитными реле тока прямого действия, установленными непосредственно на выключателях.

Широкое применение для защиты реле получают, однако, только с первых десятилетий XX столетия в связи с развитием электрических систем. К этому времени и следует отнести начало развития техники релейной защиты.

С 1901 г. появляются индукционные реле, построенные на базе индукционных измерительных механизмов. Созданное в шведской электротехнической фирме ASEA индукционное дисковое реле типа RJ, получило широкое применение. У нас оно известно под наименованием ИТ-80 (РТ-80) и до сих пор успешно используется в многочисленных электроустановках 6 и 10 кВ.

В 1905 - 1908 гт. разрабатываются дифференциальные токовые защиты. С 1910 г. начинают применяться токовые направленные защиты; к этому же времени относятся попытки выполнения дистанционных реле (реле сопротивления), завершившиеся выпуском в начале 20-х годов дистанционных защит. В 1923 - 1928 гг. предпринимаются первые шаги по использованию для релейной защиты токов высокой частоты, передаваемых по проводам защищаемых линий.

Первые работы по применению электроники относятся к 20-м гг., когда, как указывалось выше, были предложены высокочастотные защиты линий. В 1934 г. были опубликованы результаты разработок с использованием электронных ламп непосредственно для осуществления реле различного назначения. В те же 30-е гг. в Советском Союзе была разработана дистанционная защита с электронными лампами. Работы в этом направлении продолжались в последующие годы и привели к выводу об отсутствии у электронных ламп перспектив для широкого применения в устройствах релейной защиты в связи с рядом присущих им недостатков.

Более перспективным оказалось применение твердых полупроводников, начатое также еще с 30-х гг. для осуществления реле, работающих на выпрямленных токах (с использованием купроксных и селеновых выпрямителей). Дальнейшее развитие это направление получило с 50-х гг., когда стало возможным широкое применение кристаллических полупроводников для выпрямителей, усилителей, датчиков Холла и т.п.

Положение с применением для защиты полупроводниковой элементной базы существенно изменилось в 60-е гг. после разработки и начавшегося внедрения в разные области интегральной микроэлектроники со всевозрастающей степенью интеграции, когда в одном кристалле удается «упаковывать» очень большое число микроэлементов (резисторов, конденсаторов, триодов и т. д.). В настоящее время у нас, разработаны и широко внедряюся защиты, использующие микроэлектронную элементную базу.

В годы, предшествовавшие Великой Отечественной войне, техника релейной защиты в Союзе благодаря трудам советских ученых и инженеров становится наукой, имеющей солидный теоретический фундамент.

В период Великой Отечественной войны продолжались работы по совершенствованию устройств релейной защиты и повышению уровня их эксплуатации. Совершенствование релейной защиты и техники ее обслуживания в этот период подтверждается данными о проценте правильных действий защиты во время войны. Эта величина, под которой обычно понимается отношение числа правильных срабатываний к суммарному числу правильных, неправильных и невыясненных срабатываний в процентах, не только не снижалась, но непрерывно повышалась. Это означает, что советские релейщики и в исключительно тяжелых условиях войны неустанно работали над повышением надежности действия устройств защиты.

Первые годы послевоенного периода характеризуются дальнейшим развитием техники релейной защиты. Была развернута работа по созданию новых принципов и конструкций устройств защиты, по внедрению новой техники и усовершенствованию методов эксплуатации.

Характерными для этого периода являлись:

1) сочетание релейной защиты с широко внедряемой системной автоматикой (трехфазное и пофазное автоматическое повторное включение, автоматический ввод резервов и разгрузка по частоте, автоматизация управления и т.п.);

2) комплексное решение вопросов конструирования схем защит и отдельных реле (наиболее полно отвечающих требованиям этих схем), обеспечивающее значительное упрощение и повышение надежности действия устройств защиты;

3) широкое использование, наряду с ранее применявшимися фильтрами нулевой последовательности, фильтров обратной последовательности для осуществления отдельных реле и защит в целом;

4) начало успешного внедрения в схемы защит устройств с нелинейными характеристиками (насыщающихся трансформаторов, магнитных усилителей и т.п.)

5) завершение ряда работ по созданию оригинальных устройств защиты (фильтровые высокочастотные защиты линий, дистанционные защиты и т.п.).

Возобновление строительства Куйбышевской гидроэлектростанции и электропередачи 400 кВ ГЭС-Москва, а также последующие решения о строительстве ряда мощных гидро- и тепловых электростанций, электропередач 500 кВ и создании Единой энергетической системы Европейской части СССР и Центральной Сибири потребовали разработки советскими специалистами, в том числе релейщиками, ряда новых технических проблем. В области релейной защиты особенно сложными были вопросы осуществления полноценных защит электропередач напряжением 400 - 500 кВ. Многие из передач 400 - 500 кВ, имея большую длину и работая с небольшими запасами устойчивости, предъявляли к релейной защите ряд жестких требований, особенно в части быстроты действия, чувствительности и неподверженности воздействиям весьма интенсивных переходных процессов, появляющихся при КЗ, включениях и отключениях таких передач. Совместными усилиями проектировщиков, научно-исследовательских и учебных институтов эти проблемы, как показывает уже имеющийся значительный опыт эксплуатации разработанных устройств, были в общем удовлетворительно разрешены.

Эти устройства, как и защиты от КЗ элементов других напряжений, используют для действия токи и напряжения промышленной частоты (50 Гц). В связи с затруднениями в осуществлении защит линий электропередач 400 - 500 кВ на электрических величинах промышленной частоты был поставлен вопрос о целесообразности выполнения защит, использующих электрические величины волновых процессов в линиях, зондирование состояния изоляции линий импульсами токов высокой частоты или соотношения токов высокой частоты, налагаемых на рабочие токи.

До последнего времени многие устройства релейной защиты, серийно выпускавшиеся отечественной промышленностью, выполнялись с использованием электромеханических реле электромагнитного и индукционного типов. Защиты с такими реле удовлетворяют ряду обычно предъявляемых требований, но они обладают двумя существенными недостатками - большими габаритами и значительными потреблениями мощности от измерительных трансформаторов. Поэтому рядом отечественных организаций проводились работы по выявлению технических возможностей и эффективности широкого использования других принципов для осуществления отдельных реле и защит в целом. Большое внимание было при этом уделено вопросам расширения использования электроники.

В настоящее время в разных областях широко используется микропроцессорная техника. РЗА реализуется уже не с помощью реле, а в виде программ, закладываемых в память микропроцессорных систем.

Принципиально представлялось бы весьма целесообразным такое выполнение защит от повреждений, при котором они могли бы не только фиксировать происшедшее повреждение, но и выявлять намечающееся. В большинстве случаев выполнять такие защиты затруднительно или даже невозможно (например, защиту от КЗ, происшедшего вследствие грозового разряда). К этому, однако, необходимо стремиться.

Лет реле в России

Электроаппаратное устройство, которое впоследствии получило название «реле», появилось в России в 30-х гг. XIX в. Реле составляло существенную часть сигнального вызывного прибора в изобретенном и изготовленном в Санкт-Петербурге русским ученым П.Л. Шиллингом телеграфе.

Дальнейшее распространение реле как устройств, являющихся непосредственной составляющей любого энергетического аппарата, связано с иностранными фирмами. При этом небезынтересно отметить, что само слово «реле» французского происхождения («relais» в первоначальном смысле соответствует русскому «перекладные лошади», что, очевидно, связано с первыми применениями этого аппарата в телеграфии).

Широкое применение реле в начале XX столетия связано с развитием электрических систем. В 1901 г. появляется первое многофункциональное реле типа RI, и именно это время следует связывать с зарождением релейной защиты в России. В эти же годы появляются индукционные токовые реле, направленные и дифференциальные защиты.

Появление в России зарубежного энергетического оборудования потребовало создания специальных служб, связанных с обеспечением надежной работы устройств релейной защиты. До октября 1917 г. эти службы в основном возглавлялись представителями фирм-поставщиков основного энергетического оборудования: ASEA, Siemens и др. В России наиболее солидным предприятием, занявшимся теоретическими и практическими вопросами релейной защиты, стала лаборатория имени А.А. Смурова в Ленинграде. Эту лабораторию возглавил Виктор Иванович Иванов, которого Алексей Михайлович Федосеев считал своим первым наставником.

В 1930 г. в составе электротехнического сектора сетей проектного отдела треста «Энергострой» была организована специализированная группа «Релейная защита» под руководством А.М. Федосеева. В 1931 г. был создан сектор релейной защиты (СРЗ) во главе с А.М. Федосеевым и по существу началось формирование коллектива, сыгравшего большую роль в развитии релейной защиты и автоматики энергосистем.

В качестве базового материала, который был положен в основу всей деятельности СРЗ, использовались работы ленинградского профессора В.И. Иванова, практические разработки эксплуатационных служб передовых энергосистем, таких как Мосэнерго, Ленэнерго и др.

Организующим началом явились первые «Руководящие указания по релейной защите», разработанные в 1930-х гг. коллективом СР. По инициативе А.М. Федосеева были определены три основные направления деятельности сектора:

– проектирование релейной защиты новых энергообъектов;

– разработка директивных, методических и руководящих указаний;

– создание и испытание новых устройств РЗ в специальной лаборатории.

Большинство руководящих сотрудников этих направлений по совместительству вело преподавательскую и научно-исследовательскую работу в Московском энергетическом институте (МЭИ). Такое творческое сочетание деятельности сотрудников СРЗ в науке и практике позволило нам на долгие годы сохранить лидирующую роль в развитии релейной техники в СССР и в России. В настоящее время отдел релейной защиты, автоматики и управления (ОРЗАУ) института «Энергосетьпроект» продолжает эти традиции.

Основные этапы деятельности сектора, а затем отдела релейной защиты:

• Создание в 30-е гт. «Руководящих указаний» по защите линий и оборудования станций и подстанций. Отдельные разделы содержали уникальные по тому времени методические материалы по расчету сложных видов коротких замыканий в сетях всех напряжений.

• Несмотря на трудности военного времени разрабатывались так называемые упрощенные схемы токовых защит с использованием одного реле с включением на различное сочетание фаз, что давало большой экономический эффект. Руководитель лаборатории Вениамин Львович Фабрикант решил важные проблемы использования для целей релейной защиты различных фильтров симметричных составляющих. В эти же годы проектное подразделение сектора обеспечивало необходимой документацией множество энергообъектов, которые были вывезены с временно оккупированной территории страны на восток.

• Первые годы после окончания войны отмечены бурным развитием отечественной энергетики. Релейная защита идет в авангарде этого развития. В секторе продолжаются методические работы. Лаборатория и проектировщики работают над созданием новых устройств релейной защиты. В 1950 г. инженеры сектора получили Сталинскую премию за разработку направленной высокочастотной защиты.

• Начались исследовательские работы по защите объектов и линий электропередачи 400 кВ. На первых в мире ВЛ - 400 кВ Куйбышев - Москва, Сталинград - Москва были установлены защиты с использованием электромеханических реле завода «ЧЭАЗ», в разработке которых принимали участие инженеры сектора. В 1964 г. за эти разработки А.М. Федосееву, В.М. Ермоленко и С.Я. Петрову была присуждена Ленинская премия.

• В 50-е гг. стало очевидным, что в устройствах защиты необходимо переходить на более совершенные принципы построения реле. В 60-е и в начале 70-х гг. на ЧЭАЗ было освоено производство новых полупроводниковых комплектных защит для сетей 35 - 750 кВ, в разработке которых принимали участие инженеры отдела.

• Впервые в мире в СССР появилась необходимость осуществления передачи колоссальных мощностей по линиям электропередачи напряжением 750 - 1150 кВ, что определило новые задачи для коллектива отдела. Совместно с рядом ведущих научно-исследовательских и эксплуатационных организаций проводилась и в настоящее время продолжается работа по созданию защит, использующих новую элементную базу – микропроцессорную.