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.
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.
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».