Функции релейной защиты от коротких замыканий и основные требования, предъявляемые к ее свойствам

Релейная защита от КЗ обычно выполняется в виде автономных устройств, включаемых на элементах электрической системы, реагирующих на КЗ в заданных зонах и действующих на выключатели этих элементов.

Релейная защита осуществляет непрерывный контроль за состоянием всех элементов ЭЭС и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов.

При возникновении повреждений РЗ должна выявить поврежденный участок и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели Q, предназначенные для размыкания токов повреждения.

При возникновении ненормальных режимов РЗ также должна выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо производить автоматические операции, необходимые для восстановления нормального режима, либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу, который должен принимать меры к ликвидации ненормальности.

Релейная защита должна охватывать всю защищаемую систему, с тем чтобы ни одна ее точка не оказалась незащищенной (например, соединения между трансформаторами тока и выключателями, втулки последних и т.д.). Включенный в работу (обычно обслуживающим персоналом) комплект релейной защиты начинает функционировать. Его функции заключаются как в срабатывании при внутренних повреждениях, так и в несрабатывании в случаях внешних повреждений, а также в несрабатывании в нормальных и ненормальных режимах работы электрической системы (при отсутствии в ней повреждений). Внутренним обычно называется КЗ в защищаемом элементе системы – участке линии сети, трансформаторе, генераторе и т.д. В некоторых, однако, случаях к внутренним может быть отнесен более широкий круг КЗ, охватывающий повреждения и на смежных с защищаемым элементах; так, например, к защите может быть предъявлено требование срабатывать при КЗ на смежном элементе в случае отказа защиты или выключателя последнего.

Выполнение заданных функций в процессе эксплуатации защиты может иногда срываться, например, вследствие погрешностей органов защиты, выхода из строя ее элементов. Это характеризует отказы функционирования защиты. Отказы делятся на отказы срабатывания при требуемом срабатывании, излишние срабатывания при повреждениях с требованием несрабатывания и ложные срабатывания при отсутствии повреждения в системе.

Достаточно полноценное функционирование защиты обеспечивается тем, что ей придаются определенные свойства.

До последнего времени широкое распространение имеют понятия, характеризующие свойства, определяемые следующими четырьмя требованиями, предъявляемыми к релейной защите от КЗ: селективность, быстродействие, чувствительность и надежность.

Селективность. Селективностью, или избирательностью, РЗ называется ее способность отключать только поврежденный элемент системы (при КЗ) посредством его выключателей. Оно дает возможность при наличии резервирования питания потребителей исключать перерывы в их электроснабжении. Так, например, в случае КЗ в точке К₁ (рис.2.1) защита должна отключить поврежденную линию выключателем Q₂, т.е.выключателем, ближайшим к месту повреждения. При этом все потребители, кроме питавшихся от поврежденной линии, остаются в работе.

В случае КЗ в точке К₂ при селективном действии защиты должна отключаться поврежденная линия W1, а линия W2 остается в работе. При таком отключении все потребители сети сохраняют питание. Этот пример показывает, что если подстанция связана с сетью несколькими линиями, то селективное отключение КЗ на одной из линий позволяет сохранить связь этой подстанции с сетью, обеспечив тем самым бесперебойное питание потребителей.

Быстродействие. Отключение КЗ должно производиться с возможно большей быстротой для ограничения размеров разрушения оборудования, повышения эффективности автоматического повторного включения линий и сборных шин, уменьшения продолжительности снижения напряжения у потребителей и сохранения устойчивости параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом.

Допустимое время отключения КЗ по условию сохранения устойчивости зависит от ряда факторов. Важнейшим из них является величина остаточного напряжения на шинах электростанций и узловых подстанций, связывающих электростанции с энергосистемой. Чем меньше остаточное напряжение, тем вероятнее нарушение устойчивости и, следовательно, тем быстрее нужно отключать КЗ. Наиболее тяжелыми по условиям устойчивости являются трехфазные КЗ и двухфазные КЗ на землю в сети с глухозаземленной нейтралью, так как при этих повреждениях происходят наибольшие снижения всех междуфазных напряжений.

В современных энергосистемах для сохранения устойчивости требуется весьма малое время отключения КЗ. Так, например, на линиях электропередачи 750–1150 кВ необходимо отключать повреждение за 0.06–0.08 с после его возникновения, на ЛЭП 330–500 кВ – за 0.1–0.12 с, а в сетях 110–220 кВ – за 0.15–0.3 с. В распределительных сетях 6 и 10 кВ, отделенных от источников питания большим сопротивлением, КЗ можно отключать со временем примерно 1.5–3 с, так как они не вызывают опасного понижения напряжения на генераторах и не влияют поэтому на устойчивость системы. Точная оценка допустимого времени отключения производится с помощью специальных расчетов устойчивости, проводимых для этой цели.

Полное время отключения повреждения t_о.к складывается из времен срабатывания защиты t_з и выключателя t_в:

t_о.к = t_з + t_в.

Таким образом, для ускорения отключения нужно ускорять действие как защиты, так и выключателей. Выключатели 220–750 кВ действуют с t_в = 0.04–0.06 с. Наиболее быстродействующие РЗ, применяемые в отечественных энергосистемах, действуют с t_з = 0.02–0.04 с. Такие малые времена срабатывания защиты при современной технике достижимы. В других менее тяжелых случаях по технико-экономическим соображениям допустимо использовать защиты с большими временами t_з.

В распределительных сетях 6–35 кВ, удаленных от основных ЭС, допускается отключение КЗ с временем 1.5–3 с. Однако и в этих сетях следует стремиться к уменьшению времени действия РЗ.

Создание селективных быстродействующих защит является важной и трудной задачей техники релейной защиты. Эти защиты получаются достаточно сложными и дорогими, поэтому они должны применяться только в тех случаях, когда более простые защиты, работающие с выдержкой времени, не обеспечивают требуемой быстроты действия.

Чувствительность. Для того, чтобы защита реагировала на отклонения от нормального режима, которые возникают при КЗ (увеличение тока, снижение напряжения и т.п.), она должна обладать определенной чувствительностью в пределах установленной зоны действия. Каждая защита (например, РЗ1 на рис. 2.2) должна отключать повреждения на участке АВ (первом – основном), защищаемом РЗ1, и, кроме того, иметь достаточную чувствительность для действия при КЗ на следующем (втором – резервируемом) участке ВС, защищаемом РЗ2. Последняя функция РЗ1 называется дальним резервированием. Такое резервирование необходимо для отключения КЗ в том случае, если РЗ второго участка (РЗ2) или выключатель Q2 не подействуют из-за неисправности. Таким образом, РЗ, предназначенные для дальнего резервирования, должны быть чувствительны и к КЗ в конце следующего участка (ВС). Резервирование следующего участка является важным требованием. Если оно не будет выполнено, то при КЗ на участке ВС и отказе его защиты или выключателя повреждение останется неотключенным, что приведет к нарушению работы потребителей всей сети.

Действие защиты РЗ1при КЗ на третьем участке не требуется, так как при отказе защиты третьего участка или его выключателя должна подействовать защита РЗ2. Одновременный отказ защиты на двух участках (третьем и втором) маловероятен, и поэтому с таким случаем не считаются.

Некоторые типы защит по принципу своего действия не работают за пределами первого участка. Чувствительность таких защит должна обеспечить их надежную работу в пределах первого участка. Для обеспечения резервирования второго участка в этом случае устанавливается дополнительная защита, называемая резервной.

Каждая защита должна действовать не только при металлическом КЗ, но и при замыканиях через переходное сопротивление, обусловливаемое электрической дугой.

Чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она могла подействовать при КЗ в минимальных режимах, т.е. в таких режимах, когда изменение величины, на которую реагирует защита (ток, напряжение и т.п.), будет наименьшей. Например, если на станции А (рис. 2.2) будет отключен один или несколько генераторов, то ток КЗ уменьшится, но чувствительность защит должна быть достаточной для действия и в этом минимальном режиме.

Таким образом, чувствительность защиты должна быть такой, чтобы она действовала при КЗ в конце установленной для нее зоны в минимальном режиме системы и при замыканиях через переходное сопротивление R_п.

Чувствительность защиты принято характеризовать коэффициентом чувствительности k_ч. Для защит, реагирующих на ток КЗ,

k_ч = I_{к. мин} / I_с.з,

где I_{к. мин} – минимальный ток КЗ; I_с.з – наименьший ток, при котором защита начинает работать (ток срабатывания защиты).

Надежность. Требование надежности состоит в том, что защита должна безотказно работать при КЗ в пределах установленной для нее зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых ее работа не предусматривается.

Требование надежности является весьма важным. Отказ в работе или неправильное действие какой-либо защиты всегда приводит к дополнительным отключениям, а иногда к авариям системного значения.

Например, при КЗ в точке К1 (рис. 2.3) и отказе защиты РЗ1 сработает защита РЗ3, в результате чего дополнительно отключаются подстанции II и Ш, а при неправильной работе защиты РЗ4 в нормальном режиме отключится ЛЭП W4, и потребители подстанций I - IV потеряют питание. Таким образом, ненадежная защита сама становится источником аварий.