Основные требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты и автоматики.

Под селективностью понимают высшее свойство релейной защиты, действующей на отключение, определять поврежденный элемент и отключать только его. Для релейной защиты, действующей на сигнал, селективность — это способность однозначно указывать место возникновения ненормального режима и конкретно элемент системы электроснабжения, требующий вмешательства персонала. На каждом элементе системы электроснабжения (генератор, трансформатор, линия и др.) устанавливается один или несколько комплектов релейной защиты, которые должны отключать защищаемый элемент при повреждениях в нем или подавать сигнал о ненормальном режиме защищаемого элемента. Если по принципу своего действия защита срабатывает только при к. з. на защищаемом элементе, то ее относят к защитам, обладающим абсолютной селективностью. Защиты, которые могут срабатывать как резервные при повреждении на смежном элементе, если это повреждение не отключается, называются относительно селективными. Например, при повреждении в точке К (рис. 2.1) должна действовать защита A3 и не должны действовать защиты А1 и А2. Однако, если по каким-либо причинам (неисправность защиты, неисправность выключателя) повреждение не будет отключено, подействует на отключение относительно селективная защита А2.

Рис. 2.1. Схема радиальной сети с устройствами релейной защиты.

В ряде случаев для упрощения защиты или ускорения ликвидации повреждений допускается неселективное действие защиты, например А2 (рис. 2.1) при одновременном действии на отключение защиты A3. Последующее действие автоматики (например, УАПВ второй линии) обеспечивает результирующее селективное отключение поврежденного элемента (к. з. в точке К).

Селективность является также свойством некоторых устройств автоматики, например автоматической частотной разгрузки, автоматики деления энергосистемы при качаниях. Желательно, чтобы при повреждении защищаемого элемента защита срабатывала селективно и с минимальным временем при коротких замыканиях в любой его точке. Иными словами, селективность срабатывания устройства защиты при внутренних коротких замыканиях характеризуется его защитоспособностью (свойство защищать весь элемент) и быстротой срабатывания.

Быстродействие защиты при коротких замыканиях обеспечивает уменьшение вероятности нарушения синхронной работы генераторов, компенсаторов и электродвигателей; снижение продолжительности работы электроприемников при пониженном напряжении; снижение торможения асинхронных электродвигателей и нарушении технологических процессов; уменьшение разрушений изоляции и токоведущих частей токами к. з.; снижение вероятности несчастных случаев; повышение эффективности УАПВ и УАВР.

Время отключения поврежденного элемента складывается из времени действия защиты и времени действия выключателя. Следовательно, для ускорения отключения повреждений необходима не только быстродействующая защита, но и быстродействующие выключатели. Защиты, время срабатывания которых не превышает t_с.з=0,1 ... 0,2 с, считаются быстродействующими. Время отключения наиболее распространенных выключателей не превышает t_о.в =0,06 ... 0,15 с.

При коротком замыкании уменьшается напряжение. При этом синхронная работа генераторов, компенсаторов и синхронных электродвигателей может сохраняться не только благодаря быстродействию защиты, но и благодаря быстрому повышению их возбуждения. Это определяет необходимость быстродействия автоматических регуляторов возбуждения синхронных машин. В результате повышается и надежность действия релейной защиты из-за увеличения токов к. з.

Для повышения надежности электроснабжения необходимо не только быстро отключить поврежденный элемент, но и быстро включить его повторно в работу или заменить его резервным. Таким образом, быстродействием должны обладать также УАПВ и УАВР.

Устойчивость функционирования. При коротких замыканиях на защищаемом элементе устойчивость функционирования характеризуется чувствительностью и устойчивостью быстроты срабатывания.

Под чувствительностьюрелейной защиты понимается ее способность реагировать на возможные повреждения в минимальных режимах работы системы электроснабжения, когда изменение воздействующей величины минимально. По отношению к каждому комплекту защиты это требование определяется необходимостью обеспечить срабатывание защиты при повреждении в пределах защищаемой зоны. Обычно стремятся сделать защиту возможно более чувствительной, сохраняя, однако, ее селективность, что и ставит практический предел возможной чувствительности защиты. С ростом нагрузок систем электроснабжения и увеличением длины линий электропередачи значения токов и напряжений при к.з. приближаются к их значениям в нормальных режимах. В связи с этим удовлетворить требование чувствительности бывает трудно даже при металлических к. з.

Чувствительность защиты оценивают коэффициентом чувствительности. Он регламентирует отношение между значением воздействующей величины при металлическом коротком замыкании в защищаемой зоне и установленным на защите значением параметра ее срабатывания. Так, для защит, реагирующих на электрические величины, возрастающие при коротких замыканиях (максимальные защиты), коэффициент чувствительности определяется отношением минимального значения входной воздействующей величины к установленному на защите значению параметра срабатывания. Для защит, реагирующих на электрические величины, уменьшающиеся при повреждении (минимальные защиты), коэффициент чувствительности имеет обратную зависимость. Он определяется отношением установленного на защите значения параметра срабатывания к максимальному значению входной воздействующей величины. Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) определены необходимые минимальные коэффициенты чувствительности для различных защит и защищаемых элементов [3].

Чувствительность — одно из основных требований, предъявляемых и к устройствам автоматики. Высокой чувствительностью должны обладать, например, устройства автоматической частотной разгрузки, автоматические регуляторы возбуждения и автоматические регуляторы частоты вращения синхронных генераторов. Что касается устойчивости быстроты срабатывания при внутренних к. з., то она имеет смысл при оценке функционирования в основном защит с абсолютной селективностью. Достоинством этих защит является быстродействие. Однако они могут работать с замедлением, например, из-за влияния переходных процессов при к. з. в защищаемой зоне. Защита должна удовлетворять требованию устойчивости функционирования также при внешних к. з. и нормальных режимах. В этих случаях за счет отстроенности от входных воздействующих величин должна обеспечиваться устойчивость несрабатывания защиты.

Надежность функционирования. В устройствах релейной защиты и автоматики сигналы в процессе преобразования и передачи могут искажаться и ослабляться из-за помех и неисправностей отдельных функциональных элементов, что приводит к отказам функционирования, поэтому устройства защиты и автоматики должны выполняться с определенной степенью надежности. Под надежностью систем энергетики понимают свойство объекта выполнять задание функции в заданном объеме при определенных условиях эксплуатации. Это определение можно распространить и на устройства релейной защиты и автоматики, учитывая специфику их функционирования. Вопросам надежности релейной защиты посвящен ряд основополагающих работ. Наиболее полно эта проблема изложена в [10]. Очевидно, что для обеспечения требуемой надежности устройства релейной защиты и автоматики должны выполняться с применением высококачественных и надежно работающих реле и других элементов. Их монтаж должен быть надежным, т. е. таким, при котором исключаются обрыв проводов, замыкание между ними, срабатывание реле от механических воздействий и других помех. Существенное значение для надежности имеют правильная эксплуатация устройства, систематический профилактический контроль его технического состояния и послеаварийные проверки, целью которых являются поиск, обнаружение и устранение неисправностей. Для этого до последнего времени широко применяются так называемые внешние средства диагностирования. Они требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и больших затрат времени. Новое направление в теории и практике релейной защиты — автоматизация диагностирования. Это особенно необходимо в связи с использованием в устройствах релейной защиты и автоматики в качестве элементной базы интегральных микросхем и средств микропроцессорной техники.

Такие устройства снабжаются встроенными средствами тестового и функционального контроля [11]. Они позволяют выявлять неисправности, приводящие к отказам функционирования релейной защиты.

При тестовом диагностировании искусственно создается ситуация, при которой устройство защиты должно сработать. Для этого на его вход подаются соответствующие диагностические сигналы. По реакции элементов релейной защиты на эти сигналы судят о ее состоянии. Реакция оценивается характером и совокупностью сигналов, зафиксированных в контрольных точках устройства. Эти сигналы при помощи специальной таблицы неисправностей позволяют судить о состоянии защиты и в случае ее неисправности определить поврежденный элемент. Для сокращения затрат времени на проведение тестового контроля в некоторых устройствах релейной защиты предусматриваются автоматические дешифраторы контролируемых сигналов. Они сравнивают эти сигналы с эталонными, характеризующими исправное состояние релейной защиты, и при нарушении соответствия между ними фиксируют неисправность. В дальнейшем поврежденный элемент отыскивается неавтоматически, так как дешифраторы, способные выполнять и эту функцию, значительно усложняют устройство тестового контроля.

При функциональном контроле неисправности обнаруживаются в результате обработки информации о реакции устройства релейной защиты на сигналы, поступающие непосредственно от защищаемого элемента системы электроснабжения. Распространены устройства функционального контроля, которые выявляют ложные срабатывания отдельных органов защиты по факту их длительного пребывания в состоянии срабатывания. Устройства функционального контроля, предупреждающие возможные отказы срабатывания и излишние срабатывания, основаны на сравнении поведения отдельных органов защиты, реагирующих на изменения одной и той же входной воздействующей величины при к. з. в системе электроснабжения. Свидетельством неисправности является несоответствие в их поведении.

Рассмотренные свойства защиты и автоматики обеспечивают эффективность функционирования этих устройств, под которой понимают свойство выполнять предельное число функций, каждую с предельным эффектом. Для оценки эффективности функционирования релейной защиты используется усредненный статистический показатель h ее работы, называемый процентом правильных действий:

h = n_п.c·100/(n_п.c + n_о.c + n_и.c + n_л.c), (2.1)

где n_п.c, n_и.c, n_л.c — число правильных, излишних и ложных срабатываний соответственно; n_о.c — число отказов срабатывания.

3 лекция: Классификация релейных защит. Принципы построения защит с относительной селективностью. Основные характеристики релейных защит с относительной селективностью: токовые защиты, токовые направленные защиты, дистанционные защиты, защиты напряжения.

Так как при коротких замыканиях в системе электроснабжения обычно возрастает ток и снижается напряжение, входными сигналами измерительной части устройств релейной защиты являются воздействующие величины, сформированные с использованием токов и напряжений защищаемых элементов. Характер воздействующей величины в той или иной мере определяет принцип действия защиты. По способу обеспечения селективности при внешних к. з. защиты, как указывалось выше, относят к двум группам: защиты с относительной селективностью и защиты с абсолютной селективностью. Рассмотрим принципы их выполнения.