Релейная защита — это комплекс устройств, который автоматически находит поврежденный участок электрической сети и отключает его от исправной части. Она работает за доли секунды, без участия человека. Простыми словами: это сторож энергосистемы, который мгновенно отрезает аварийный кусок, пока авария не успела распространиться дальше.
Релейную защиту в энергетике называют сокращенно РЗ, а вместе с сетевой автоматикой — релейная защита и автоматика (РЗА). Термин происходит от реле — устройств, которые реагируют на ток, напряжение, частоту и другие параметры режима. Современные устройства инженеры строят уже не на отдельных реле, а на микропроцессорных терминалах, но историческое название сохранилось.
Релейная защита (РЗ) — комплекс устройств, который автоматически выявляет повреждение в электроустановке и отключает поврежденный участок воздействием на выключатель. Контролирует ток, напряжение, частоту и сопротивление. Главные свойства: селективность, быстродействие, чувствительность, надежность.
Релейная защита решает три задачи:
- находит поврежденный участок сети по отклонению электрических параметров;
- подает команду на отключение выключателя в зоне повреждения;
- запускает сигнализацию и фиксирует параметры аварии для последующего анализа.
Зачем нужна релейная защита
Релейная защита реагирует на два типа событий в электрической сети. Первое — повреждения: замыкания (КЗ, однофазные замыкания на землю), обрывы. Второе — ненормальные режимы: перегрузка, повышение или понижение напряжения, изменения частоты в энергосистеме.
Защита оборудования от повреждений
При коротком замыкании ток вырастает в десятки раз. Он разрушает изоляцию, плавит проводники, повреждает трансформаторы и генераторы. Релейная защита отключает поврежденный элемент за доли секунды и ограничивает разрушение дорогого оборудования.
Предотвращение каскадных аварий
Невыявленное повреждение развивается. Перегруженные соседние элементы отключаются один за другим, и локальная авария превращается в массовое отключение. Релейная защита локализует повреждение в своей зоне и не дает ему распространиться по сети.
Защита персонала и потребителей
Быстрое отключение снижает риск поражения током и пожара на электроустановке. Одновременно защита сохраняет питание у потребителей вне зоны аварии: отключается только поврежденный участок, остальная сеть работает.
Основные требования к релейной защите
Релейная защита отвечает четырем основным требованиям. Эти свойства определяют, можно ли доверить защите ответственный участок сети.
Селективность
Селективность (избирательность) — способность отключать только поврежденный элемент, не затрагивая исправные. Если КЗ произошло на одной линии, защита обязана отключить именно ее, а не всю подстанцию. Различают абсолютную и относительную селективность. Защиты с абсолютной селективностью действуют только при повреждении в своей зоне (например, дифференциальная). Защиты с относительной селективностью могут реагировать и на повреждение в соседней зоне, поэтому избирательность отключения обеспечивают дополнительно — согласованием уставок и выдержек времени между соседними защитами.
Быстродействие
Чем быстрее отключается повреждение, тем меньше разрушений. Быстрое отключение сохраняет устойчивость генераторов, ограничивает разрушение оборудования, снижает глубину провала напряжения у потребителей.
Чувствительность
Защита должна реагировать на повреждение в конце своей зоны действия в минимальном режиме работы энергосистемы — то есть при наименьшем возможном токе КЗ. Чувствительность оценивают коэффициентом чувствительности: для максимальных защит это отношение минимально возможного тока повреждения к току срабатывания (уставке).
Надежность
Надежность означает два свойства одновременно. Защита обязана сработать при повреждении в своей зоне и обязана не сработать ложно, когда повреждения нет. Ложное отключение исправной линии так же опасно, как и отказ при реальной аварии. Количественно надежность оценивают временем безотказной работы и интенсивностью отказов (числом отказов за единицу времени).
Как устроена релейная защита
Релейная защита состоит из трех функциональных частей.
Измерительная (пусковая) часть получает сигналы о токах и напряжениях сети. Логическая часть обрабатывает сигналы измерительных органов, сравнивает их с уставками, вводит выдержки времени, формирует решение об отключении. Исполнительная часть выдает команду на отключение выключателя и сигнализацию.
Сигналы в защиту поступают через измерительные трансформаторы. Трансформатор тока (ТТ) понижает ток до стандартного значения 5 А или 1 А. Трансформатор напряжения (ТН) понижает напряжение до 100 В. Трансформаторы защищают устройство от высоких величин и стандартизируют входные сигналы.
Работу устройства поддерживают оперативные цепи. Источник оперативного тока питает логическую и исполнительную части и должен сохранять работоспособность защиты даже при глубокой посадке напряжения в сети во время КЗ. Сигнальные элементы выводят информацию о срабатывании на панель и в систему диспетчерского управления.
Устройства релейной защиты: от реле до шкафов РЗА
Функциональные части защиты — измерительная, логическая, исполнительная — говорят о том, что защита делает. Физически на подстанции аппаратура собрана в три уровня.
Реле
Отдельное реле реагирует на одну величину: ток, напряжение, частоту, сопротивление, мощность. Защиту собирают из нескольких реле, соединенных вторичными цепями. От этой конструкции остался сам термин «релейная защита», хотя в новых проектах отдельные реле почти не применяют.
Микропроцессорный терминал
Микропроцессорный терминал объединяет функции защиты, автоматики, измерения, регистрации и связи в одном корпусе. Функции обозначают кодами ANSI, каждая может иметь несколько ступеней с независимыми уставками (Руководство по эксплуатации МКЗП-МИКРО 2.0, табл. 1.1).
Терминал ведет собственный архив. Для МКЗП-МИКРО 2.0 это 8000 записей протокола событий, 1000 записей протокола аварий, 1000 записей протокола пуска защит, 4000 записей об изменениях уставок, регистратор параметров нагрузки на 160 часов с шагом 1 с и до 100 осциллограмм аварийных режимов длительностью от 400 до 5000 с (там же, табл. 1.4). Осциллограммы разбирают после аварии, чтобы установить причину и оценить правильность действия защиты.
Условия работы терминала нормируют отдельно, потому что он стоит в электромагнитно тяжелой среде. Климатическое исполнение УХЛ3.1 по ГОСТ 15150, предельные значения рабочей температуры −40…+55 °C, среднегодовая относительная влажность до 80 % при 25 °C, сейсмостойкость по MSK-64 до 9 баллов при установке на высоте до 10 м над нулевой отметкой, степень защиты оболочки блока IP40 (там же, табл. 2.1–2.2). Устойчивость к электромагнитным помехам задают степенями жесткости по стандартам серии IEC 61000-4: магнитное поле промышленной частоты 30 А/м непрерывно и 300 А/м в течение 1 с, электростатические разряды 6 кВ контактный и 8 кВ воздушный, наносекундные импульсные помехи 2 кВ (там же, табл. 2.4).
Срок службы терминала — 25 лет при условии проведения требуемых мероприятий по обслуживанию, средняя наработка на отказ — 125 000 часов (там же, табл. 2.12).
Шкаф и отсек РЗА
Терминал, испытательные блоки, источник питания, ряды зажимов и вспомогательную аппаратуру собирают в шкаф РЗА. Типовые решения для сетей 6–35 кВ описаны стандартом ПАО «ФСК ЕЭС» и делятся на два конструктива (СТО 56947007-33.040.20.297-2019):
- ШЭТ — шкаф электротехнический типовой;
- ОЭТ — отсек электротехнический типовой, входит в состав ячейки КРУ 6–35 кВ.
Типовой габарит шкафа — 800 × 600 × 2200 мм с учетом цоколя 200 мм, обслуживание двустороннее (там же, пп. 4.4.1–4.4.2). Полезная высота рядов зажимов составляет от 300 до 2100 мм от уровня пола (п. 4.4.12). Кабели вводят снизу через вводы с зажимным механизмом.
Состав защит определяют присоединение и режим заземления нейтрали. Для отходящей линии 6–35 кВ в сети с изолированной, компенсированной, высокоомной резистивной или комбинированной нейтралью стандарт задает двенадцать функций в одном устройстве, среди них дистанционная защита, многофазная токовая отсечка, МТЗ с пуском по напряжению, две защиты от однофазных замыканий на землю, УРОВ, АПВ, автоматика управления выключателем и регистратор аварийных сигналов (там же, табл. 5.1.1, код 121.01-1). Для той же линии в сети с низкоомной резистивной нейтралью защиты от ОЗЗ заменяет токовая защита нулевой последовательности (код 221.01-1).
Число устройств в шкафу тоже задает типовое решение. Для трансформатора 20/35 кВ мощностью от 6,3 МВ·А стандарт предусматривает два интеллектуальных электронных устройства: дифференциальную защиту трансформатора и комплект резервных защит. Для трансформатора меньшей мощности предусмотрено отдельное исполнение шкафа (там же, табл. 6.1.1, коды 111.01-1 и 111.02-1).
Чем определяется архитектура
Способ передачи сигналов между уровнями подстанции задает архитектуру (СТО 56947007-33.040.20.297-2019, пп. 3.1–3.3):
| Архитектура | Дискретные сигналы | Аналоговые сигналы |
|---|---|---|
| I типа | контрольный кабель | контрольный кабель |
| II типа | GOOSE | контрольный кабель |
| III типа | GOOSE | Sampled Values |
Обмен с верхним уровнем во всех трех случаях выполняется по MMS. Переход от I типа к III сокращает объем вторичных кабелей и повышает наблюдаемость подстанции. За этим переходом и стоит понятие «цифровая подстанция».
Основные виды релейной защиты
Виды релейной защиты различаются по объекту и характеру повреждения. Каждый вид защищает определенное оборудование от своего типа аварии. Сводка основных видов — в таблице ниже, развернуто — в подразделах.
| Вид защиты | Где применяется | Что контролирует |
|---|---|---|
| Максимальная токовая защита (МТЗ) | Линии, трансформаторы | Превышение тока |
| Токовая отсечка | Линии, трансформаторы, двигатели | Резкий рост тока при близком КЗ |
| Дифференциальная защита | Трансформаторы, шины, генераторы, двигатели | Разность токов до и после защищаемого объекта |
| Дистанционная защита (ДЗ) | Линии высокого напряжения | Сопротивление до места КЗ |
| Защита от ОЗЗ | Сети 6–35 кВ | Токи и напряжения нулевой последовательности |
| Газовая защита | Масляные трансформаторы | Газовыделение и движение масла |
| Дуговая защита | Ячейки КРУ, КСО | Световая вспышка дуги |
| Логическая защита шин (ЛЗШ) | Сборные шины | Сигналы защит присоединений |
| Защиты по напряжению | Двигатели, узлы нагрузки | Отклонение напряжения |
Максимальная токовая защита и токовая отсечка
Максимальная токовая защита (МТЗ) реагирует на превышение током заданного значения. Это базовая защита линий и трансформаторов. Токовая отсечка — ее быстродействующая разновидность без выдержки времени для близких КЗ.
Дифференциальная защита
Дифференциальная защита сравнивает токи до и после защищаемого объекта. Пока они равны, повреждения нет. Разность токов означает КЗ внутри зоны. Так защищают трансформаторы (ДЗТ), шины (ДЗШ), генераторы. Защита действует без выдержки времени и относится к защитам с абсолютной селективностью.
Дистанционная защита
Дистанционная защита (ДЗ) измеряет сопротивление до места повреждения. По величине сопротивления она определяет, как далеко находится КЗ, и выбирает нужную выдержку времени. Применяется на линиях высокого напряжения.
Защита от однофазных замыканий на землю
В сетях 6–35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) не вызывает больших токов. Для его обнаружения применяют специальные защиты, реагирующие на токи и напряжения нулевой последовательности.
Газовая и дуговая защиты
Газовая защита срабатывает на выделение газа и движение масла внутри бака трансформатора — это признак внутреннего повреждения. Дуговая защита фиксирует световую вспышку электрической дуги в ячейках распределительных устройств и отключает их за единицы миллисекунд.
Логическая защита шин и защиты по напряжению
Логическая защита шин (ЛЗШ) ускоряет отключение КЗ на шинах за счет обмена сигналами между защитами присоединений. Защиты минимального и максимального напряжения контролируют уровень напряжения и действуют при его недопустимом отклонении.
Релейная защита и автоматика: в чем связь
Релейная защита работает вместе с сетевой автоматикой. На подстанции обе системы дополняют друг друга, и их совокупность образует РЗА.
Чем РЗ отличается от РЗА
Термины часто используют как синонимы, но смысл у них разный. Релейная защита в узком смысле выявляет повреждение и отключает участок — это ее единственная задача. Релейная защита и автоматика в широком смысле объединяет защиту с сетевой автоматикой, которая восстанавливает нормальный режим сети и резервирует питание. То есть РЗ устраняет аварию, а автоматика возвращает сеть к нормальной работе.
Функции сетевой автоматики
Автоматическое повторное включение (АПВ) повторно включает выключатель после отключения — большинство КЗ на воздушных линиях самоустраняются. Автоматическое включение резерва (АВР) переключает нагрузку на резервный источник при потере питания. Автоматическая частотная разгрузка (АЧР) отключает часть нагрузки при опасном снижении частоты. Устройство резервирования при отказе выключателя (УРОВ) отключает соседние выключатели, если основной не сработал.
Где применяется релейная защита
Релейная защита охватывает все ключевые объекты энергосистемы. Для каждого объекта подбирают свой набор защит с учетом характера возможных повреждений.
Линии электропередачи
Линии защищают от междуфазных КЗ и замыканий на землю. Применяют МТЗ, токовую отсечку, дистанционную защиту, на ответственных линиях — дифференциально-фазную.
Трансформаторы
Трансформаторы защищают от внутренних повреждений и сверхтоков. Основа — дифференциальная и газовая защиты, дополнительно МТЗ и защита от перегрузки.
Генераторы
Генераторы требуют комплекса защит: дифференциальной, от замыканий в обмотке статора, от потери возбуждения и от перегрузки. Повреждение генератора — самое дорогое в энергосистеме.
Шины и распределительные устройства
Сборные шины защищают дифференциальной защитой шин (ДЗШ) и логической защитой шин (ЛЗШ). В ячейках КРУ и КСО устанавливают дуговую защиту.
От электромеханических реле к микропроцессорным терминалам
Релейная защита прошла три поколения элементной базы. Первые защиты инженеры строили на электромеханических реле — катушках, контактах, подвижных элементах. Затем появились статические защиты на полупроводниках. Сегодня основу составляют микропроцессорные терминалы.
Микропроцессорное устройство объединяет в одном корпусе несколько функций защиты, автоматику, измерение, осциллографирование аварийных событий и связь по цифровым протоколам. Оно ведет самодиагностику и сообщает о собственной неисправности — электромеханика так не умела.
Статистика отрасли показывает переходный период. По данным за 2013–2014 годы доля электромеханических устройств в эксплуатации составляла около 77–80%, микропроцессорных — около 16–18%, и эта доля росла. При этом микропроцессорная техника постепенно вытесняет электромеханику как более функциональная и удобная в обслуживании.
Следующий этап развития — цифровая подстанция. Устройства обмениваются данными по стандарту МЭК 61850, аналоговые цепи заменяются цифровыми потоками, команды передаются сообщениями. Это сокращает объем вторичных кабелей и повышает наблюдаемость подстанции.
Эксплуатация и техническое обслуживание РЗА
Устройство релейной защиты большую часть срока службы не работает: оно ждет повреждения, которого может не быть годами. Поэтому надежность защиты обеспечивают не только схемой и качеством монтажа, но и периодической проверкой исправности в процессе эксплуатации; важное значение имеет автоматический и тестовый контроль (Чернобровов, Семенов, 1998, п. 1.5).
Порядок обслуживания установлен Правилами технического обслуживания устройств и комплексов релейной защиты и автоматики, утвержденными приказом Минэнерго России от 13.07.2020 № 555 (зарегистрирован Минюстом России 23.10.2020, регистрационный № 60538). Обязанность владельца объекта электроэнергетики организовать обслуживание по этим Правилам закреплена Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей, утвержденными приказом Минэнерго России от 04.10.2022 № 1070 (п. 29).
Виды технического обслуживания
Правила устанавливают десять видов обслуживания (приказ № 555, п. 17):
| Вид | Назначение |
|---|---|
| Проверка при новом включении (наладка) | настройка устройства, проверка исправности и работоспособности, проверка правильности схем вторичных цепей перед вводом в работу (п. 18) |
| Первый профилактический контроль | выявление дефектов, возникших после наладочных работ и не выявленных при наладке (п. 19) |
| Профилактический контроль | выявление неисправностей и изменений параметров между двумя профилактическими восстановлениями (п. 20) |
| Профилактическое восстановление | ремонт или замена изношенных элементов (п. 21) |
| Технический контроль | проверка функционирования микропроцессорных устройств, обслуживаемых по состоянию, в части элементов, не охваченных самодиагностикой (п. 22) |
| Тестовый контроль | проверка микроэлектронных устройств встроенными средствами (п. 23) |
| Опробование | проверка действия устройства в объеме, установленном Правилами (п. 24) |
| Технический осмотр | внешний осмотр аппаратуры и вторичных цепей, положения переключающих устройств и испытательных блоков; снимать защитные крышки запрещено (п. 25) |
| Внеочередная проверка | после монтажа нового оборудования, при неисправности, изменении схем или уставок (п. 26) |
| Послеаварийная проверка | выяснение причин неправильной работы устройств (п. 27) |
Первый профилактический контроль должен быть проведен не ранее десяти и не позднее пятнадцати месяцев с даты ввода устройства в работу после наладки (п. 50).
Периодичность зависит от элементной базы и от помещения
Цикл обслуживания определяют два параметра: аппаратное исполнение устройства и категория помещения, в котором оно установлено. К I категории относят щиты и пункты управления, релейные щиты и другие сухие отапливаемые помещения с относительной влажностью не выше 60 %, без вибрации, запыленности и ударных воздействий (п. 48).
Циклы технического обслуживания, лет (приложение № 6 к Правилам):
| Категория помещения | Электромеханическое | Микроэлектронное | Микропроцессорное |
|---|---|---|---|
| I | 8 | 6 | 4 (технический контроль) / 8 (профилактическое восстановление) |
| II | 6 | 6 | 3 / 6 |
| III | 3 | 3 | 3 |
Указанные интервалы — максимально допустимые. Их может сократить технический руководитель владельца объекта с учетом условий эксплуатации и технического состояния конкретного устройства (п. 45).
Обслуживание по состоянию
Для микропроцессорных устройств Правила допускают переход от календарного цикла к обслуживанию по состоянию. Условия перехода (п. 33):
- устройство установлено в помещении I или II категории;
- срок службы устройства не превышен;
- выполнены проверка при новом включении и первый профилактический контроль;
- обеспечен автоматизированный сбор информации с каждого устройства для мониторинга его функционирования;
- обеспечено выполнение самого мониторинга.
Возможность такого перехода опирается на самодиагностику терминала. Микропроцессорное устройство контролирует собственное состояние и локализует неисправность до узла: клавиатуры, каналов измерения цепей напряжения, АЦП, микросхем памяти. Для каждой неисправности указано, какие функции защиты и автоматики блокируются (Руководство по эксплуатации МКЗП-МИКРО 2.0, п. 4.15, табл. 4.15.2). Электромеханическое реле сообщить о собственной неисправности не может и обслуживается только по календарю.
Ремонт
Устройство относится к восстанавливаемым и ремонтопригодным. Ремонтопригодность обеспечивает модульная конструкция: неисправный блок заменяют на исправный на месте установки. В гарантийный период ремонт выполняет завод-изготовитель, в последующие годы ремонт производится по договору с заводом специалистами, аттестованными на право ремонта микропроцессорных устройств (Руководство по эксплуатации МКЗП-МИКРО 2.0, п. 6.3).
Частые вопросы о релейной защите
Релейная защита и автоматический выключатель — это одно и то же?
Нет. Релейная защита принимает решение об отключении, а выключатель его исполняет. Защита измеряет параметры сети и подает команду; выключатель разрывает цепь по этой команде.
Чем РЗ отличается от РЗА?
Релейная защита выявляет повреждение и отключает участок. РЗА — это защита вместе с сетевой автоматикой (АПВ, АВР, АЧР), которая восстанавливает режим после аварии и резервирует питание.
Может ли релейная защита сработать без короткого замыкания?
Да. Кроме КЗ, защита реагирует на ненормальные режимы: перегрузку, повышение или понижение напряжения, снижение частоты. Эти режимы не являются повреждением, но опасны для оборудования.
Какие устройства релейной защиты используют сегодня?
Основу составляют микропроцессорные терминалы. Они объединяют несколько функций защиты, автоматику, измерение и диагностику в одном устройстве и обмениваются данными по цифровым протоколам.
Аббревиатуры релейной защиты
| Сокращение | Расшифровка |
|---|---|
| РЗ | Релейная защита |
| РЗА | Релейная защита и автоматика |
| МТЗ | Максимальная токовая защита |
| ДЗ | Дистанционная защита |
| ДЗТ | Дифференциальная защита трансформатора |
| ДЗШ | Дифференциальная защита шин |
| ЛЗШ | Логическая защита шин |
| ОЗЗ | Однофазное замыкание на землю |
| АПВ | Автоматическое повторное включение |
| АВР | Автоматическое включение резерва |
| АЧР | Автоматическая частотная разгрузка |
| УРОВ | Устройство резервирования при отказе выключателя |
| ТТ / ТН | Трансформатор тока / трансформатор напряжения |
Устройства релейной защиты ЭСТРА
Научно-производственное предприятие «ЭСТРА» разрабатывает и производит микропроцессорные устройства релейной защиты, автоматики и диагностики с 1991 года. Название расшифровывается как Электрические Станции, Релейная защита и Автоматика.
В эксплуатации находится более 40 000 устройств. На продукцию действует гарантия 10 лет, средний срок отгрузки оборудования — 10 дней. Линейка включает 39 устройств для защиты сетей, подстанций и промышленных объектов.
Пример — серия МКЗП-МИКРО 2.0: микропроцессорное устройство комплексной защиты присоединений для сетей 6–35 кВ. Оно объединяет токовые защиты, защиту от ОЗЗ и автоматику в одном терминале.
Подобрать устройство под конкретную задачу помогут специалисты ЭСТРА — расскажите параметры сети и защищаемого объекта.
Источники:
- Чернобровов Н.В., Семенов В.А. «Релейная защита энергетических систем»;
- Федосеев А.М., Федосеев М.А. «Релейная защита электроэнергетических систем»; ПУЭ, 7-е изд., раздел 3; материалы по статистике отказов МП и электромеханических устройств РЗ;
- Документация НПП «ЭСТРА».