Силовое электрооборудование электростанций, подстанций и электрических сетей должно быть защищено от коротких замыканий и нарушений нормальных режимов устройствами релейной защиты в соответствии с требованиями правил технической эксплуатации электроустановок. Под устройствами релейной защиты понимается совокупность устройств, предназначенных для автоматического выявления коротких замыканий, замыканий на землю и других недопустимых режимов работы ЛЭП и оборудования, которые могут привести к их повреждению. Отключение поврежденных элементов и ликвидация недопустимых режимов работы ЛЭП и оборудования производится с помощью выключателей и других коммутационных аппаратов, подачи команд и (или) сигналов.
Функционально любое устройство релейной защиты состоит из следующих элементов: измерительные органы защиты (ИО), логическая часть (ЛЧ) и управляющие органы защиты (УО). Функциональная схема устройства релейной защиты представлена на слайде.
Рис.1. Функциональная схема устройства релейной защиты
Измерительные органы защиты – обеспечивают непрерывный контроль состояния и режим работы защищаемого оборудования, реагируют на возникновение ненормальных режимов работы (таких как: короткие замыкания или неполнофазные режимы). По факту срабатывания измерительных органов защиты формируется сигнал и передается в логическую часть. Измерительные органы защиты выполняются с помощью измерительных реле или их аналогов на микропроцессорной базе. К измерительным реле относят следующие устройства: реле тока, реле напряжения, реле мощности, реле сопротивления и т.д. В качестве контролируемых величин (входных сигналов) в измерительных органах защиты используются ток и/или напряжение защищаемого объекта. В установках с рабочим напряжением выше 1000 В для получения контролируемых величин к измерительной части защиты подсоединяются измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения.
Логическая часть обеспечивает прием сигналов от измерительных органов защиты и выполняет определенные операции с помощью логических элементов (или реле) («и», «или», «сравнение», «задержка или ограничение по времени»). Логическая часть состоит в основном из логических элементов, элементов времени (таймеров), а так же промежуточных и указательных реле. В микропроцессорных устройствах добавляются дискретные входы и индикаторные светодиоды. Выходной сигнал передается в управляющие органы защиты.
Управляющие органы защиты обеспечивают усиление сигнала логической части до значения необходимого для отключения выключателя и приведения в действие других устройств.
Устройства релейной защиты и автоматики должны контролировать работу электрооборудования, своевременно реагировать на изменения рабочего режима, мгновенно отключать поврежденный участок сети и сигнализировать персонал об аварии. Таким образом, устройства должны удовлетворять требованиям по селективности, чувствительности, быстродействии и надежности.
Селективность (или избирательность) защиты – это способность защиты отключать при коротком замыкании только поврежденный элемент сети, тем самым минимизируется ущерб от аварийной ситуации.
Необходимая селективность достигается введением коэффициента запаса kз к расчетному значению параметра. Обычно для защит, работающих по превышению режимного параметра (максимальные защиты), коэффициент запаса kз > 1, а для защит, работающих по снижению режимного параметра (минимальные защиты), коэффициент запаса kз < 1.
Кроме того, селективность достигается выполнением отстройки срабатывания ступеней защит по времени от ступеней защит смежных линий (оборудования). Например, вторая ступень защиты, которая полностью защищает свой объект и часть смежного объекта, отстраивается от времени срабатывания первых ступеней защит смежных линий.
где 
– время срабатывания I ступени защиты на смежном элементе;
– ступень селективности.
Чувствительность защиты – это свойство защиты надежно срабатывать при коротком замыкании в конце защищаемого участка в минимальном режиме работы системы. Чувствительность защиты оценивают коэффициентом чувствительности, который определяется в зависимости от типа защиты:
- для максимальных защит коэффициент чувствительности определяется отношением наименьшего значения электрического параметра (например, тока, или напряжения), подводимого к защите при КЗ в конце защищаемой линии, к уставке срабатывания:
- для минимальных защит коэффициент чувствительности определяется как отношение уставки срабатывания к наибольшему значению электрического параметра (например, напряжения или сопротивления), подводимого к защите при КЗ в конце защищаемой линии:
Значения коэффициентов чувствительности регламентируются правилами устройства электроустановок. Для большинства основных защит принимается коэффициент чувствительности в диапазоне от 1,5 до 2,0, для резервных защит принимается от 1,2 до 1,5.
Быстродействие защиты – это свойство релейной защиты отключать повреждение с минимально возможной выдержкой времени. Быстрое отключение поврежденного оборудования предотвращает длительное протекание тока короткого замыкания по оборудованию, которое может повредиться из-за термического перегрева, а также предотвращает нарушение параллельной работы генераторов с энергосистемой.
Надежность защиты – это свойство защиты гарантированно выполнять свои функции на протяжении всего срока эксплуатации. Различают аппаратную и эксплуатационную надежность. Аппаратная надежность характеризует качество защиты, обеспечивается простотой схем, а также безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью комплектующих элементов. Эксплуатационная надежность характеризует устойчивость функционирования и обеспечивается точностью работы и помехозащищенностью, а также реализацией таких основных требований, как быстродействие, селективность и чувствительность.
Любой элемент электрической сети, в том числе устройства релейной защиты в некоторых случаях могут отказать в срабатывании. Для того, чтобы отказ защиты не привел к тяжелым последствиям, используется принцип ближнего и дальнего резервирование защит.
Рис.2. Ближнее и дальнее резервирование устройств релейной защиты
Под ближним резервированием понимается такой способ резервирования, при котором на защищаемом присоединении используется два взаимно резервирующих друг друга типа защит: основная защита и резервная защита, которые выполнены на разных принципах работы.
Основной называется защита, которая предназначена для работы при всех видах короткого замыкания в пределах всего защищаемого элемента со временем реагирования меньше, чем у других установленных защит (или без выдержки времени).
Резервной называется защита, которая предназначена для работы вместо основной защиты в случаях ее отказа или вывода из действия. Так же резервные защиты предназначены для работы вместо защит смежных элементов при их отказе или отказе выключателей этих элементов.
Для повышения качества ближнего резервирования основную и резервную защиты подключают, как правило:
- к разным оперативным цепям;
- к разным кернам трансформатора тока;
- к разным трансформаторам напряжения.
В качестве примера, рассмотрим возникновение короткого замыкания на линии «Л-2» и отказе в работе основной защиты линии. Ликвидация аварийного режима (отключение поврежденного элемента с двух сторон) в данном случае будет осуществляться действием резервных защит линии.
Следует отметить, что при повреждении на присоединении «Л-2» и отказе в отключении выключателя ближнее резервирование не может обеспечить локализацию повреждения, так как резервные защиты будут воздействовать на отказавший выключатель. Поэтому средства ближнего резервирования дополняются специальными устройствами, которые получили название УРОВ или устройства резервирования при отказе выключателя. Данные устройства обеспечивают в рассматриваемом режиме отключение выключателей ближайших к отказавшему (другими словами отключаются смежные выключатели) с пуском команды телеотключения на противоположную сторону.
Под дальним резервированием понимается такой способ резервирования, при котором в случае отказа в срабатывании (или неработоспособности) защиты или отказа в отключении выключателя поврежденного элемента короткое замыкание ликвидируется действием защит установленных на смежных элементах сети. Другими словами короткое замыкание ликвидируется защитами не на объекте с отказавшим устройством, а защитами на других удаленных подстанциях. Данный способ резервирования является наиболее распространенным средством резервирования защит в сети низкого, среднего и высокого напряжения.
В качестве примера, рассмотрим короткое замыкание на линии «Л-2» с отказом действия основных и резервных защит со стороны «ПС-2» или отказ в отключении выключателя со стороны «ПС-2» с отказом действия автоматики УРОВ. Ликвидация аварийного режима в данном случае будет осуществляться действием резервных защит со стороны «ПС-1» и «ПС-4» (при условии выполнения функции дальнего резервирования на данных защитах).
Дальнее резервирование обеспечивает локализацию аварий и прекращение протекания токов короткого замыкания, но необходимо считаться со следующими его недостатками:
- большое время действия ступеней защит, определяемое условиями селективности, в ряде случаев полное время отключения КЗ может достигать нескольких секунд.
- невозможность обеспечения необходимой чувствительности. Этот недостаток дальнего резервирования ограничивает его применение и вынуждает искать другие пути, обеспечивающие большую чувствительность резервирования.
В соответствии с требованиями нормативно-технической документации устройства релейной защиты подразделяются на основные и резервные защиты, что само по себе является субъективным критерием деления. Ступенчатые защиты по своему принципу действия являются резервными защитами, но в случае приема/передачи команд телеускорения обеспечивают отключение поврежденного элемента со временем реагирования меньше, чем у других установленных защит (без выдержки времени), таким образом, их можно отнести к основным защитам линии.
Классификацию устройств релейной защиты лучше выполнять в соответствии со способами обеспечения селективности при внешних коротких замыканиях. Таким образом, релейную защиту классифицируют на защиты с абсолютной селективностью и защиты с относительной селективностью.
Защита с абсолютной селективностью ˗ это защита, зона действия которой не выходит за пределы защищаемого элемента. К защитам с абсолютной селективностью относятся основные защиты линии, которые работают без выдержки времени.
Защита с относительной селективностью ˗ это защита, зона действия которой выходит за пределы защищаемого элемента для обеспечения резервирования в случае отказа защит на смежных элементах. Селективность в таких защитах обеспечивается выбором выдержек времени. К защитам с относительной селективностью относятся защиты со ступенчатой характеристикой срабатывания (в основном резервные защиты линии).
