Релейная защита

Релейная защита – это система защиты цепей и потребителей от перегрузок и выхода из строя путём использования разнообразных реле. Согласно классификации рассматриваемый предмет входит в состав электрической автоматики, разгружая собой рабочий персонал, сберегая человеко-часы.

Основные определения

Повреждениями принято называть мелкие неполадки, не сопровождающиеся крахом всей системы, но вызывающие утечки тока и, как следствие, понижение напряжения. Одновременно расчёт потребление. Повышенный ток вызывает перегрев отдельных частей сети, что уже само по себе может стать причиной серьёзной аварии. Пониженное напряжение служит также лимитирующим фактором, провоцируя отключение потребителей, нарушая таким образом график работы системы.

Ненормальные режимы сопровождаются описанными выше симптомами, когда параметры цепи покидают допустимый нормативными требованиями, инструкциями диапазон. Каждый случай вызывает отказ той или иной части системы, провоцируя разного рода отклонения и сбои. Ненормальный режим сам по себе может стать причиной повреждения, хотя непосредственно не является состоянием поломки или выхода из строя чего-либо. (См. также: Защита от статического электричества)

Система защиты

Система защиты

Зачастую работоспособность системы восстанавливается изоляцией сломавшейся части цепи, уберегая прочих абонентов от непредусмотренных инструкциями по эксплуатации условиями. Локализуя место короткого замыкания, релейная защита сберегает энергию, одновременно сигнализируя техническому персоналу о необходимости ремонта оборудования. Действенным методом профилактики также является приведение параметра в норму, когда это только возможно. Релейная защита может обеспечить регулировку системы, подстроить напряжение, ток, возвращая этим работоспособность.

Недостаток плавких предохранителей, применявшихся ранее, очевиден: приходится терпеливо ждать начала функционирования целой системы. Реле же по мере исчезновения деструктивных факторов самостоятельно налаживает работу оборудования, легко возвращая исходное состояние. Такая защита отличается неустанным вниманием к объекту охрану, поскольку напрочь исключается человеческий фактор. Вторым преимуществом становится скорость – аппаратура мгновенно выводится из зоны опасности.

Исполнительным элементом системы являются силовые контакторы. Реле, управляя ключами, формируют правильное распределение энергии между абонентами. Защита, как правило, действует совместно с автоматами:

  1. Повторного включения (АПВ).
  2. Частотной разгрузки (АЧР).
  3. Резервного оборудования и электроснабжения (АВР).

Зачем оборудование нужно защищать

Самым частым повреждением является короткое замыкание фаз между собой или на землю. Реже замыкаются между собой витки катушки трансформатора или двигателя, чем вызывается резкий перегрев участка, кроме того уплывают от номинала параметры. Все это описывается термином нарушение изоляции. Причинами могут стать:

  • Старение, в частности, деполимеризация кембрика.
  • Превышение параметров сети над предельно допустимыми.
  • Механические факторы, в том числе деформации.
  • Эксплуатационные ошибки персонала.
  • Конструктивное несовершенство оборудования, либо некачественная сборка.

Перечисленные факторы могут стать причиной как ненормального состояния, так и повреждений. Короткие замыкания часто рассматриваются в литературе по той причине, что считаются самыми опасными поломками. Эта неисправность часто сопровождается понижением напряжения, что представляет отдельную опасность в трёхфазных цепях, так как потенциально может стать предпосылкой для выхода оборудования из строя. Особенно это касается компрессоров различного толка. Наиболее сильно напряжение снижается в точке короткого замыкания, а по мере удаления от локализации аварии параметр восстанавливает своё значение.

Мощные подстанции настолько суровы… что могут не заметить короткого замыкания. Одновременно поставщик энергии несёт серьёзных потери, а посторонние люди и обслуживающий персонал подвергаются опасности. Существует даже статистика гибели ремонтников ЛЭП и рядовых граждан, случайно оказавшихся на месте происшествия. Погибает время от времени и рогатый скот. Главную опасность в последнем случае представляет шаговое напряжение. Не безобиден случай короткого замыкания и для самой подстанции: трансформаторы начинают функционировать в невыгодном режиме. (См. также: Защита от скачков напряжения)

Самым невыгодным случаем является возникновение электрической дуги. Причём как для человека, так и оборудования. Тогда короткое замыкание вызывает ожоги и порождает очаги возгорания. Что касается проседания напряжения, то негативный эффект пагубно влияет на работу асинхронных двигателей. Момент движения вала зависит от квадрата напряжения, что сильно повышает чувствительность этого оборудования. В свою очередь, дёрганые режимы, сопровождающиеся постоянным изменением вольтажа, также невыгодны при эксплуатации.

Пониженное напряжение вызывает снижение скорости вращения вала асинхронных двигателей. Из-за этого величина скольжения может превзойти критическую. Работа двигателя станет неустойчивой. Срыв оборотов и полный останов сопровождаются возрастанием потребления реактивной мощности. Дефицит её в сети лавинообразно снижает вольтаж, усугубляя тем самым и без того невыгодную для оборудования ситуацию. Аварии такого рода надолго лишают всех потребителей снабжения энергией.

Снижение напряжения в одной ветке трёхфазной сети нарушают работу параллельно включённых генераторов. Поскольку изменяется направление тока. Как результат, генераторы вовсе могут быть отключены. При снижении напряжения до нуля падает момент противодействия вращению вала турбины. Результатом служит резкое повышение оборотов. Так, что регулятор, обладающий обычно большой инерцией, может не справиться с задачей поддержания заданной скорости. Учитывая размеры крыльчатки, можно ожидать разных неприятных последствий. Вот ещё по какой причине генератор может быть отключён без уведомления потребителей.

Наконец, падающая вода ГЭС, либо поток пара на ТЭС поступают с прежней скоростью. Да, есть регулирующие заслонки, но они обладают большой инерцией. Следовательно, необходимо отключать оборудование, пока не произошло аварии. В то же время регулировка скорости не приведёт гарантированно к восстановлению работоспособности всей системы: потребитель все равно недополучит своё напряжение. Поэтому логичным решением будет отключить уязвлённую цепь вовсе от источника питания. Так можно будет сохранить вольтаж хотя бы для части абонентов.

Параллельно же работающий генератор, если находится далеко от места аварии, то не чувствует падения напряжения. Однако короткое замыкание существенно перегружает сеть, и в одиночестве источник может не справиться. Это выразится в том, что от непомерного веса потребителей вал станет замедляться. Таким образом, гарантированно нарушается синхронность работы параллельно включённых генераторов. И в любом случае рассинхронизация скорости вращения валов является причиной срыва частоты 50 Гц, к которой ГОСТ 13109 предъявляет особые требования.

Набор реле

Набор реле

Ненормальные режимы

Реле работают обычно на пару с автоматикой. Конструктивные особенности защитного оборудования тесно связаны со спецификой проявления ненормальных режимов:

  1. Перегрузка по току приводит к перегреву электрической изоляции кабелей и проводки, вызывает повышенное искрение. В этом случае оборудование срочно разгружается, часто для этого требуется полный останов. Пример: кухонная мясорубка. При попадании в нож кости потребляемый ток резко растёт, а вал заклинивает. Решение: немедленно выключить питание, избавиться от фактора, противодействующего вращению двигателя.
  2. Повышенный вольтаж. Увеличение напряжения всего лишь на 10% снижало срок службы лампочек накала едва ли не вдвое. Этот симптом наблюдается при резкой разгрузке сети. Например, когда напряжение на выводах генератора падает. В ответ вал увеличивает свою скорость под напором воды, пара или газа. Регулирующие заслонки затворяются, тем сам передавая наружу меньше мощности. Но из-за инерционности механизма вызывается кратковременная перегрузка по напряжению. При помощи реле в этом случае рекомендуется понизить ток возбуждения генератора.
  3. Снижение частоты, как это было показано выше, возникает при резкой перегрузке генераторов. Чаще всего это происходит при коротком замыкании в цепи, либо выводу из работы части источников питания (чем и повышается удельный вес каждого в сети). Решение: включить срочно резервный генератор, либо отсоединить часть потребителей.

Требования к релейной защите

Селективность

Прежде всего система должна локализовать неполадку до критического повреждения оборудования. Это качество характеризуется избирательностью системы или, как её ещё называют, селективностью. Чем большее стоит число различного типа датчиков, чем предусмотрительнее инженерный состав их расставил, тем больше вероятности, что лишь малая часть цепи будет выведена из работы.

Особенно важным качеством это является для защиты электростанций и подстанций. Поскольку именно в этом месте обычно наблюдается ветвление цепи. И каждое направление содержит множество потребителей. Если отключить их всех, то ситуация примет характер аварии: это потеря прибыли не только поставщика, но и его абонентов. Торговые точки, магазины, кабинеты оказания услуг населения лишатся в этот день своих клиентов.

Чувствительность

На мощных линиях авария может пройти незаметно. И ущерб тогда составит значительную сумму. Не считая того, что пострадать могут и потребители. Следовательно, хорошая релейная защита должна обеспечивать ещё и необходимую чувствительность. Чтобы вовремя пресечь неприятные последствия.

Быстродействие

Чем быстрее действуют цепи реле, тем быстрее будет устранена опасность. В масштабах всей системы это имеет огромное значение. Станки не остановятся, а транспорт продолжит своё движение. Для каждой системы быстродействие выбирается, исходя из наличествующих условий. Например, главенствующим фактором может оказаться послеаварийная величина напряжения. Чем меньше остаток, тем быстрее нужно отключать абонентов.

С этой точки зрения максимально опасными считается короткое замыкание по двум или по всем трём фазам, если нейтраль глухо заземлена. Именно в этих случаях напряжение снижается максимально, а ток через кабель достигает значительных размеров. А реле, соответственно, должны ответить на эту нештатную ситуацию скорейшим срабатыванием.

Вторым параметром считается общий вольтаж цепи:

  1. От 6 до 10 кВ – время отключения 1,5…3 секунды.
  2. От 110 до 220 кВ – время отключения 1,15…0,3 секунды.
  3. От 300 до 500 кВ – время отключения 0,1…0,12 секунды.

Что касается бытовой техники, то она обычно через реле не защищается, вместо это применяются автоматы и предохранители. И скорость срабатывания достаточно высока. Особенно это касается дифференциальных автоматов. Критерием достаточности скорости отключения цепи опять же служит остаточное напряжение. Оно находится, разумеется, не натурным экспериментом, а расчётами.

Согласно ПУЭ нужно определить остаточное напряжение (после аварии в виде короткого замыкания) на выходах шин всех питающих линий: трансформаторы, генераторы, подстанции. Если цифра выходит менее 60% от номинала, то следует немедленно отключить цепь. Время отключения, в свою очередь, складывается из нескольких элементов:

  1. Скорость срабатывания выключателя (типичные значения можно найти в справочниках).
  2. Быстродействие цепи релейной защиты.

Соответственно, по имеющимся требованиям, перечисленным выше, и известной скорости срабатывания выключателя определяют быстродействие цепи релейной защиты. В дальнейшем этот параметр нужно обеспечить, правильным образом подбирая оборудование. Защита, срабатывающая менее чем за 0,2 секунды, считается быстродействующей. Но современные системы могут обеспечить минимум на порядок лучшие параметры, практически мгновенно вырубая питание.