Релейни защити

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2008

Релейни защитиРелейни защитиРелейни защити

Съвременните решения обхващат система за мониторинг,
за телеуправление, за регулиране, за измерване и други

 

     Надеждността на съоръженията в електроенергийната система определя качеството на електроснабдяване и е сред перата, формиращи крайната цена на електроенергията. Независимо от това колко качествени са отделните съоръжения, колко прецизно са монтирани и колко добре се поддържат, появата на аварийни ситуации е неизбежна. Добре известно е, че средствата за защита ограничават вредните последици от авариите. Оптимално избраната и настроена релейна защита намалява общото време, през което е прекъснато електроснабдяването на потребителите и ограничава пораженията върху отделните съоръжения, причинени от възникналата авария.

Едисон и средствата за защита
Средства за защита се прилагат още от зората на електроснабдяването. Биографите на Томас Едисон разказват за един интересен случай. В началото на своето съществуване, компанията на Едисон предлага електроенергия, която се използва изключително за осветление и по този начин влиза в остра конкуренция със собствениците на фабрики за светилен газ (смес от въглероден окис, водород и други, получена при непълно изгаряне на въглища), които до този момент са владеели пазара. На едно изложение, където Едисон наема голям павилион, за да рекламира своя продукт, са изпратени саботьори, които трябва да причинят късо съединение и така да демонстрират ненадеждността на новото електрическо осветление. Инсталираните стопяеми предпазители, обаче, ограничили ефекта от късото съединение. Те били подменени изключително бързо и лесно и целият случай се превръща в допълнителна реклама, защото показва колко по-безопасна и лесна за поддръжка е електрическата инсталация, в сравнение с инсталацията за светилен газ. За сведение, светилният газ, освен пожароопасен, е и отровен, заради наличието на въглероден окис в него. Въпреки това, се е използвал широко в Западна Европа и Америка през втората половина на 19 в.

Те са комплексни многофункционални устройства
Понастоящем терминът "релейна защита" се асоциира по-скоро с електроенергийната система средно и високо напрежение. В действителност включва в себе си всички защитни съоръжения, които се използват за откриване (детектиране) на аварийните режими. "Релейна защита" е израз, използван по традиция - съвременните системи за защита на електросъоръженията са комплексни многофункционални електронни устройства, а не набор от електромеханични релета. Самите аварии се изключват от силови прекъсвачи, които са "мускулите" в системата. Наличието на авария се открива от релейната защита, която представлява "мозъка" и решава необходимо ли е изключване или не. Изборът на вида, типа и марката на защитните съоръжения е сравнително лесната част в работата на специалистите по релейна защита. Тяхната основна задача е анализът на възможните аварийни режими в дадено звено от електроенергийната система и правилната настройка на съоръженията.

Видове аварийни режими
Ток на късо съединение. В нормален режим, токът е пропорционален на големината на товара и се ограничава от него. Както е добре известно, късо съединение възниква при нарушаване на изолацията. То е съпътствано с протичане на ненормално голям ток, който е ограничен само от импеданса на електроразпределителната система. Основните поражения върху съоръженията при настъпване на късо съединение се дължат на термичното и на динамичното действия на тока. Те са значителни поради голямата му амплитуда. Други нежелани последици от късото съединение са евентуално наличие на електрическа дъга и намалено напрежение, което би могло да повлияе на околните индиректно засегнати консуматори. На защитата от късо съединение се обръща най-голямо внимание при мрежи средно и високо напрежение.
Претоварване. Режимът на претоварване, както подсказва и наименованието му, представлява по-висока от нормалната консумация на електроенергия, която се отразява на електроснабдителната система. Нежеланите явления, свързани с претоварването се изразяват в топлинно претоварване на проводниците и трансформаторите. Следователно и в съкращаване на живота на тяхната изолация. За защитата от претоварване се отделят сериозни грижи в мрежите ниско напрежение, но обикновено не представлява проблем при тези средно и високо напрежение.
Понижено натоварване. Пониженото натоварване и в частност нулевото натоварване (става въпрос за т.нар. отворена верига) не представлява проблем за преносната мрежа. То е потенциално опасен режим за въртящите се машини - генератори и някои типове двигатели. По тази причина защита от понижено натоварване се използва почти винаги само за генератори и двигатели и много рядко за други електрически съоръжения.
Ненормално високи стойности на напрежението и честотата. Обикновено стойности на напрежението и честотата, различаващи се от номиналните, са следствие от авария или неподходящ режим на работа на съоръженията. Пониженото напрежение често е резултат от претоварване в системата, докато пренапреженията са най-често атмосферни или комутационни. Те могат да предизвикат скъсяване на живота на изолацията и да повишат вероятността от пробиви в нея. Стойности на честотата, различаващи се от 50 Hz, са признак за лошо съгласуване между генераторни и консуматорни мощности. Електронната апаратура (компютри, комуникационни мрежи и др.) са много чувствителни към пренапрежения, затова през последното десетилетие се обръща все по-голямо внимание на защитата от пренапрежения.

Видове релейни защити
Релейните защити се различават по начина, по който разграничават нормалните режими от ненормалните състояния на мрежата, включително повредите. Разделят се на:
Токови защити. Големината на тока на защитавания обект е критерий за откриване на късо съединение;
Посочни токови защити. Критерият големина на тока се разширява и с неговата посока. Разрешение за задействане на защитата има, когато токът протича в посока от шините към защитавания обект. За защита се използват токови и посочни релета.
Дистанционна защита. Непрекъснато се контролира импеданса на защитавания обект. Ако стойността му се понижи под определена граница се счита за сигурно, че има късо съединение. Тези защити също обхващат релета за време, редица блокировки и др. Представляват сложни в логическо отношение релейни защити.
Диференциални защити. В двата края на защитавания обект се поставят токови трансформатори и се контролира разликата на вторичните им токове. Свързването им следва да осигури еднаквост на двата тока в нормален режим и при външно к.с., т.е. релето не задейства. При вътрешно к.с., влизащият и излизащият ток вече не са равни, през релето преминава сумата от токовете и защитата задейства.
Специални защити - термични, газови, дъгови, напреженови и др. Според начина, по който са реализирани, могат да бъдат разделени на релейни защити, класически тип (изпълнени с електромеханични релета) и на електронни цифрови защити.

Запазена е терминологията на класическите защити
В момента у нас функционират много уредби, построени преди повече от 30 години, защитавани със защити от класически тип с електромеханични релета. Това се дължи на дългия живот и задоволителната надеждност на електромеханичните устройства. В същото време на практика е невъзможно да се окомплектова нова подстанция с този тип защити. Най-малкото защото производителите вече просто не поддържат пълна гама електромеханични релета, а се произвеждат ограничени количества за евентуални ремонти. Така че, всички предлагани на пазара защити са електронни. Те обаче са базирани на същите принципи на работа, като класическите, затова е запазена същата терминология. Още от началото на съществуването си, електронните защити се изграждат като електронни копия на функционалността на класическите защити.

Предимства на цифрови електронни защити
Цифровите електронни защити се характеризират с редица предимства:
l натоварват по-малко измервателните трансформатори и дават възможност за използване на линейни преобразуватели, като оптични токови трансформатори, пояси на Роговски и делители на напрежение;
l имат малка консумация на оперативните вериги;
l предлагат много по-добра точност и гъвкавост при настройките;
l отличават се с по-добър интерфейс и възможности за телеуправление;
l принципно са по-евтини, при равни функционални възможности спрямо електромеханичните;
Основните блокове, изграждащи цифровите защити са:
l входни токови и напреженови преобразуватели - както личи от наименованието, преобразуват входните сигнали от токовите и напреженовите трансформатори във вид, удобен за аналогово-цифрово преобразуване;
l филтри - входните сигнали трябва да бъдат филтрирани, за да се отстранят шумовете, които могат да направят защитата нестабилна. Използват се както хардуерни, така и цифрови филтри;
l микропроцесорен блок със съответните интерфейси и памети;
l комуникационни модули - използвани, както за програмиране, така и за телеуправление;
l изходи - цифрови и евентуално аналогови изходи за управление на прекъсвачи, индикация и комуникация.

Целесъобразно е закупуването на инженерингов пакет
Те съчетават в себе си както функциите на релейна защита, така и на система за мониторинг, за телеуправление, за регулиране (например, на напрежението на трансформаторите или възбуждането на генераторите), за измерване и др.
Защитите стават все по-сложни. За тях се разработва специализиран софтуер. В повечето случаи е неразумно те просто да бъдат закупени. Целесъобразно е да се закупува цялостен инженерингов пакет, включващ самите устройства, тяхното инсталиране, програмиране, настройка и поддържане. В противен случай, съществува реален риск системата дори да не може да бъде пусната или поне да се хвърлят огромни усилия за целта. Разбира се, използването на съвременни защити налага изискването потребителят да поддържа висококвалифицирани специалисти за работа с тях или да наема външни.

Електронните защити се изграждат на модулен принцип
така че чрез комбинация от различни модули да може да се получи различна по цена и сложност крайна система.
Почти всички предлагани електронни защити предлагат възможност да се настройват за работа на различен принцип. Например, една и съща защита може да се настрои да работи като максималнотокова с различно времезакъснение, като токова отсечка, дори като дистанционна защита., ако входовете й го позволяват. Дължи се на обстоятелството, че всички електронни цифрови защити измерват тока, а по-сложните и напрежението на защитавания обект, а условието за сработване е въпрос на алгоритъм.
Някои компании предлагат релейни защити, които са разработени през осемдесетте и деветдесетте години на вече миналия век. Те са много добре тествани и много надеждни, но не предлагат удобни интерфейси за връзка с персонален компютър. Добре е защитата да предлага възможности за комуникация през Ethernet (включително безжичен) и USB за програмиране. Ако тези интерфейси не са вградени в устройствата се налага използването на различни конвертори, които често е свързано с различни проблеми. Все още масово се предлагат устройства, чиито комуникационни възможности се ограничават с RS232 и RS485.
В следващите редове са разгледани накратко основните принципи на работа, върху които се изграждат както класическите, така и цифровите релейни защити.

Максималнотокови защити
Токовите защити разчитат на факта, че в нормален режим токът достига до стойности около номиналния, а при к.с. неговата стойност нараства значително. Обикновено разликата между тези два тока е много голяма и токовите защити лесно ги разграничават. Максималнотоковите защити са най-разпространените релейни защити.
Защита с предпазители. Най-елементарната и най-евтината токова защита. Основна защита за мрежите НН и за електрическите инсталации в сградите.;
Максималнотокова защита без закъснение. Измерва тока в защитавания обект и задейства, когато неговата стойност надвиши определена граница. Традиционно, в литературата, този тип защити се делят на такива с директно и с индиректно действие. Такова разделяне има смисъл, само когато защитите са реализирани с електромеханични релета. Максималнотоковата защита без закъснение се прилага в уредбите високо напрежение, където разликата в стойностите на номиналния ток и на тока на к.с. е наистина значителна. Характерно за нея е бързото изключване и отсъствието на селективност.
Максималнотокова защита с независимо от тока закъснение. При този тип защити също се измерва тока. Големината му пак служи за регистриране на късото съединение. Сигнал за изключване обаче, не се генерира веднага, а след определено време, наричано закъснение. Целта на добавеното времезакъснение е да се осъществи селективност. На фиг.1 е дадена схема на три последователно свързани електропровода, като прекъсвачите 1, 2 и 3 се управляват от релета с независимо от тока закъснение. Релето в точка 3 е с време на сработване t3 (без нарочно времезакъснение), прекъсвачът в точка 2 ще сработи след време t2, по-голямо от t3 и най-бавно ще изключи прекъсвачът 1.
Ако късото съединение е в участъка надясно от прекъсвач 3, той ще го изключи почти веднага. При това релетата в точки 1 и 2 ще регистрират, че токът се е понижил под тяхната граница на задействане и няма да подадат сигнал за изключване изобщо, т.е. вече е налице селективност. Обикновено времезакъсненията на съседните стъпала се различават с около 0,3 - 0,5 s, в зависимост от това дали се използват електронни или електромеханични защити.
При този принцип на действие е лесно да се интегрира автоматично повторно включване за гасене на преходните къси съединения. Освен това, всеки следващ участък е резервиран от защитата на  всички предходни. Недостатък се явява голямото закъснение при изключване на късо съединение в участъка на първите стъпала. Колкото по-близо до източника е късото съединение, толкова по-голям би бил и тока на к.с., но именно този най-голям ток ще бъде изключен най-бавно.
Токовата защита с независимо от тока забавяне се използува като основна защита на електропроводи, трансформатори и шини в радиалните мрежи, захранвани от една страна. Използуват се също и при защита на малки генератори, високоволтови двигатели и др. В много случаи тази защита се използува като резервна.
Максималнотокова защита със зависимо от тока закъснение. За да се избегне основния недостатък на защитите с независимо закъснение, са реализира максималнотокова защита, при която закъснението на изключване е обратно пропорционално на големината на тока. Традиционно, тази характеристика се задава с времесекундни характеристики на защитата. В стандартите (IEC255) са нормирани определени времесекундни криви, които често се използват. Всяка от тях се отнася за определен клас приложения. Електромеханичните релета се произвеждат с определена времесекундна характеристика на сработване. Затова е необходимо да се закупи и инсталира точно определено реле. За разлика от тях, електронните защити се характеризират с възможност за настройка на тези криви. Обикновено в паметта на защитата са заложени определен брой криви, които могат да бъдат избирани директно. Ако е необходима по-специална зависимост, при много защити тя може да се зададе с няколко точки от характеристиката.
Описаният накратко принцип на изграждане на релейната защита е основен за уредбите ниско напрежение и при защитаване на разпределителните мрежи средно напрежение. Особено подходящ е при защита от претоварване.
Токова отсечка. Токовата отсечка (ТО) представлява максималнотокова защита, която определя наличието на к.с. по защитавания електропровод на базата на големината на тока на к.с. Разчита се на факта, че колкото к.с. е по-близко, толкова токът на к.с. е по-голям. ТО задейства само при повреди в обекта, не се включва при външни к.с., не се съгласува с други защити и не изисква релета за време.
Токът на късо съединение не може да бъде точно изчислен, затова и не е възможно да се гарантира, че токовата отсечка ще сработи абсолютно точно и в същото време селективно. Получава се т. нар. мъртва зона в края на електропровода. Ако късото съединение възникне в този участък, токовата отсечка няма да го изключи. Мъртвата зона би могла да се защити, ако токовата отсечка се съчетае с максимално токова защита или с друга токова отсечка, която има закъснение.
На фиг.2 е показана т.нар. многостъпална токова отсечка. Всеки прекъсвач - А, Б и В се управлява от токова отсечка, съчетана с максималнотокова защита. Токът на настройка на максималнотоковата защита в даден участък е равен на токът на настройка на токовата отсечка от следващия участък. Всички максималнотокови релета имат фиксирано времезакъснение от 0.5 s. Ако възникне близко късо съединение - КС1, то токовата отсечка в А ще го разпознае и изключи без закъснение. Ако късото съединение попада в мъртвата зона на токовата отсечка А, то ще бъде изключено след 0,5 s от максималнотоковата защита в А.
Токовите отсечки се отличават с елементарни и сигурни схеми. Поставянето им носи предимството на мигновеното изключване на близките к.с. Eфективни са в случаите, при които кривата на тока на к.с е по-стръмна. Такъв е случаят с токът при еднофазно к.с. в системи с ефективно заземена неутрала.

Посочна токова защита
Възможностите на токовата защита се разширяват, ако се въведе допълнителен критерий - сработването се разрешава само, ако посоката на тока на к.с. е от шини към електропровод. Този критерий е необходим за осъществяване на селективност при затворени мрежи, единични електропроводи, захранвани от две страни и паралелни електропроводи, захранени от една страна.
Възможността за посочно действие е функция, която в повечето случаи се добавя към другите възможности на релето. Например, максималнотоково реле би могло да се направи посочно. Така то ще задейства, само когато токът надвиши тока на настройка на релето и в същото време ъгълът между ток и напрежение е в определени граници. Те формират т. нар. ъгъл на максимална чувствителност. Посочните релета измерват ъгъла между тока във фаза А - IА и междуфазното напрежение между другите две фази - UBC. В зависимост от мястото на релето в електроснабдителната система, стойността на този ъгъл при късо съединение е между 60 и 85о.
Произвеждат се посочни релета с различни ъгли на максимална чувствителност. При електронните релета съществува възможност за разработването на посочни органи с регулируем в широки граници ъгъл на максималната чувствителност.

Дистанционна защита
Основна функция, която осъществява дистанционната защита е непрекъснатото измерване на отношението между напрежението и тока, т.е. на импеданса на системата. Импедансът е пропорционален на разстоянието до мястото на повредата. При празен ход на електропровода импедансът клони към безкрайност. В нормален режим се измерва съпротивлението на товара заедно със съпротивлението на захранващата го до мястото на дистанционната защита линия. При к.с. участва само съпротивлението на линията от защитата до късото съединение. Разликата в големините и фазите на тези вектори е значителна и гарантира сигурността и чувствителността на дистанционните защити.
Дистанционната защита осигурява по-големи възможности от токовата и посочно токовата защита, за постигане на селективност и бързодействие при мрежи с всякаква конфигурация. За разлика от диференциалните защити има способността да осъществява далечно резервиране на съседните присъединения. Това е най-сложният вид защита. Използва се рядко при средно напрежение, но е основният вид релейна защита при мрежи високо напрежение (напрежения по-високи или равни на 110 кV).

Диференциална защита
Работата на този тип защита е базирана пряко върху първия закон на Кирхоф. Сравняват се влизащият и излизащият от защитавания елемент токове. Ако те са равни, защитата не сработва, но ако те се различават (някъде се "губи" ток), т.е. налице е късо съединение се подава сигнал за изключване.
Всички други гореизброени принципи на изграждане на релейна защита включват някакъв компромис между надеждност, бързодействие, селективност и цена, докато диференциалната защита е елементарна, напълно селективна, много надеждна и относително евтина. Диференциалната защита (фиг. 3) е винаги първична и не може да се използва като допълнителна защита на отдалечени обекти.
Съществуват напречна и надлъжна диференциални защити. Напречната диференциална защита се зползува за защита на паралелни обекти с еднакво съпротивление - паралелни електропроводи и паралелни намотки на една фаза на мощни синхронни генератори. Надлъжната се използва за защита на трансформатори, електропроводи и др. Надлъжната диференциална защита реагира при к.с. само в участъка между двата трансформатора. Тя не зависи от съседните обекти. Положителните й страни са мигновеното действие (не се налага поставяне на реле за време) и селективността (действа само при повреди в собствения защитаван обект). Недостатъците на надлъжната диференциална защита са два:
Необходимостта от връзка между двата края на защитавания обект прави защитата скъпа. Вероятността от повреди по тази връзка я прави несигурна. По тази причина в мрежите средно напрежение надлъжната диференциална защита се прилага за елктропроводи до 5 km, а при по-високите напрежения се използува високочестотна връзка между двата края на обекта. Този недостатък не се проявява при защитата на трансформатори, генератори, двигатели и шини.
Надлъжната диференциална защита не резервира действието на защитите в съседните участъци. Това налага нейното приложение да се съгласува с други защити - токови, посочни токови и дистанционни, които имат резервно действие. Съществуват и много други модификации и специални защити, прилагани при специфични условия.




Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top