Релейная защита и противоаварийная автоматика


Статус статьи

Не проверено экспертами


Назначение

РЗПА применяются на объектах генерирующих и электросетевых предприятий с целью обеспечения стабильности энергосистемы, предотвращения возможности развития аварий и минимизации их последствий.

Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить повреждённый участок и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания).

Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем.


Общие сведения

Релейная защита и противоаварийная автоматика (РЗПА) – комплекс средств, предназначенных для быстрого выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов с целью обеспечения нормальной работы ее исправной части. РЗПА осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов работы, таких как снижение напряжения или частоты.

Релейная защита состоит из измерительных органов, которые определяют место и характер повреждения и принимают решения о необходимости действия защиты, и логической части, которая анализирует сигналы, поступающие с измерительных органов и производит предусмотренные действия (отключение выключателей, запуск других устройств, подача сигналов и пр.).

Принцип действия измерительных органов (трансформаторов тока и напряжения) за последние годы практически не изменился. Основным направлением развития логической части устройств является переход на микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ).

К достоинствам МУРЗ относятся:

  • быстродействие;
  • селективность;
  • чувствительность;
  • надёжность.


К недостаткам МУРЗ относится:

  • высокая стоимость;
  • неремонтопригодность (в случае выхода из строя функционального блока он может быть заменен только целиком);
  • плохая совместимость (МУРЗ различных разработчиков не являются взаимозаменяемыми).


С появлением МУРЗ начали формироваться требования к системам передачи данных, способных интегрировать их в единую систему на уровне подстанции. Требования к системам связи внутри подстанции описаны в стандарте МЭК 61850.

Основным требованием к системе сбора данных в стандарте является обеспечение способности микропроцессорных электронных устройств к обмену технологическими и другими данными. Стандарт предъявляет следующие требования к системе:

  1. Высокоскоростной обмен данными микропроцессорных электронных устройств между собой (одноранговая связь).
  2. Привязка к подстанционной ЛВС.
  3. Высокая надежность.
  4. Гарантированное время доставки.
  5. Функциональная совместимость оборудования различных производителей.
  6. Средства поддержки чтения осциллограмм.
  7. Средства поддержки передачи файлов.
  8. Конфигурирование / автоматическое конфигурирование.
  9. Поддержка функций безопасности.


Актуальность использования

В настоящее время актуальность технического перевооружения и реконструкции парка релейной защиты на электромеханической базе бесспорна, поскольку слишком высока степень износа релейной защиты и автоматики практически всех энергосистем. Современная тенденция развития электротехнического оборудования позволяет внедрять на энергообъекты современные средства РЗПА, которые имеют ряд весомых преимуществ перед электромеханической базой.


Эффекты от внедрения (использования)



Принцип функционирования

Основным отличием МУРЗ от традиционной электромеханической релейной защиты является то, МУРЗ контролируют большее количество параметров сети. Традиционные измерительные преобразователи воспринимают в основном только два параметра: величину тока и величину напряжения в сети. Микропроцессорные устройства на основании анализа двух данных параметров выдают и запоминают еще целый ряд дополнительных, данных. Например, причина отключения, время и дата отключения, ток и длительность аварийной ситуации, векторная диаграмма напряжений и токов в линии в момент отключения и пр.

В состав МУРЗ входят следующие узлы:

  • входные преобразователи;
  • выходные преобразователи;
  • тракт аналого-цифрового преобразования;
  • блок питания;
  • центральное процессорное устройство;
  • устройства человеко-машинного интерфейса;
  • порт связи с внешними цифровыми устройствами.


Входные преобразователи обеспечивают гальваническую развязку внешних измерительных цепей от внутренних цепей устройства, приведение входного сигнала к нормированному уровню, частотную фильтрацию входных сигналов.

Выходные преобразователи обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей коммутационного оборудования как между собой, так и относительно внутренних цепей устройства от внутренних цепей устройства.

Тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор и собственно аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Мультиплексор — это электронный коммутатор, поочередно подающий контролируемые сигналы на вход АЦП. Применение мультиплексора позволяет использовать один АЦП (как правило, дорогостоящий) для нескольких каналов. В АЦП осуществляется преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорциональное ему цифровое значение.

Блок питания обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы рассматриваемого устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети.

Центральное процессорное устройство или просто процессор - это узел выполненный в виде интегральной микросхемы, который отвечает за обработку всей получаемой информации.

Устройства человеко-машинного интерфейса позволяют оператору получить информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию.

Порт связи с внешними цифровыми устройствами позволяет передавать имеющуюся информацию в другие цифровые системы: АСУТП, персональный компьютер и т. д., что позволяет интегрировать различные системы, экономя на каналах связи, затратах на предварительную обработку сигналов и т. п.

Токовая защита

Токовая защита - это разновидность релейной защиты, которая реагирует на превышение тока на защищаемом участке сети по отношению к току срабатывания, или уставке. В зависимости от того, каким образом обеспечивается селективность действия с последующей (от источника питания) защитой, различают максимальную токовую защиту (МТЗ) и токовую отсечку (ТО). В радиальных (разомкнутых) сетях на ВЛ класса напряжения 6-10 кВ и выше наиболее распространённым вариантом организации защит от трёхфазных и междуфазных коротких замыканий является применение двухступенчатой защиты, включающей МТЗ и ТО. Для реализации МТЗ в ряде случаев применяются реле с зависимой от времени защитной характеристикой, а для ТО - всегда с независимой. При этом защита может выполняться на двух отдельных реле, или на одном реле, совмещающем обе ступени (например, РТ-80 и РТ-90), а также на базе цифровых многоступенчатых реле (SPAC и др.).

Максимальная токовая защита (МТЗ) - селективность действия обеспечивается за счёт задержки по времени срабатывания. Выбор тока срабатывания МТЗ осуществляется таким образом, чтобы его значение превышало максимальный рабочий ток в месте установки защиты на величину, которая зависит от коэффициентов надёжности и возврата реле, а также от коэффициента самозапуска (обычно не менее, чем в 1,2 - 2,0 раза). Это исключает возможность ложного действия защиты в нормальном режиме работы сети. При протекании тока КЗ срабатывание реле, как было отмечено ранее, происходит с определённой задержкой. Уставка по времени срабатывания предыдущей (от источника питания) защиты должна быть больше, чем уставка последующей, на величину так называемой ступени селективности Δt (порядка 0,2 - 1,0 с - в зависимости от типа реле, на базе которых выполнены защиты). Таким образом, в радиальных секционированных сетях при коротком замыкании в конце линии первой должна сработать ближайшая к месту возникновения КЗ защита, а в случае её отказа (через промежуток времени, равный ступени селективности) - предыдущая защита. Очевидно, что недостатком МТЗ является "накопление" задержек по времени, т.е. увеличение времени срабатывания защиты при переходе от конца линии к источнику. Следует учитывать, что токи короткого замыкания тем выше, чем ближе место возникновения КЗ к источнику питания. Таким образом, в радиальных секционированных сетях время отключения повреждённой линии посредством сигнала МТЗ при наиболее тяжёлых КЗ вблизи питающих шин может оказаться неприемлемым с точки зрения термической стойкости оборудования. Считается нормальным, если максимальная уставка по времени срабатывания не превышает 2,0 - 2,5 с. Коэффициент чувствительности МТЗ определяется как отношение тока междуфазного КЗ в конце защищаемой зоны к фактическому току срабатывания защиты, и в соответствии с требованиями ПУЭ (см. п.3.2.1. - 4.1.) должен составлять не менее 1,5 (для зоны дальнего резервирования в пределах действия последующей защиты - около 1,2).

Токовая отсечка (ТО) - селективность действия обеспечивается за счёт отстройки от максимального тока КЗ в конце защищаемой зоны. ТО представляет собой быстродействующую защиту, которая срабатывает без задержки по времени, и отключает наиболее тяжёлые короткие замыкания вблизи питающих шин. Величина тока срабатывания отсечки должна приблизительно в 1,1 - 1,2 раза превышать расчётный ток трёхфазного КЗ в конце зоны действия ТО (т.е. в месте установки последующей защиты); указанная кратность определяется коэффициентом надёжности применяемых реле. Коэффициент чувствительности ТО, исходя из п.3.2.26. ПУЭ, может быть рассчитан как отношение тока трёхфазного КЗ в месте установки защиты к фактическому току срабатывания отсечки, и должен составлять не менее 1,2. Иначе говоря, зона действия токовой отсечки должна покрывать около 20% от длины линии. Недостатком токовой отсечки является ограниченность зоны действия, поэтому она применяется только совместно с МТЗ в качестве второй ступени; при этом ТО обладает абсолютной селективностью, т.к. величина тока КЗ вне защищаемой зоны всегда меньше тока срабатывания отсечки.


Опыт применения

Ведущими производителями МУРЗ в мире являются фирмы GE, AREVA (ALSTOM), ABB, SIEMENS.

Ведущими производителями МУРЗ в России являются компании : ИЦ Бреслер, АББ Автоматизация, Schneider Electric, НПП «Экра», РАДИУС Автоматика, НТЦ «Механотроника», НПП Бреслер.


Ссылки


Архитектурные кейсы, связанные с технологией