Що таке релейний захист?

Призначення і застосування

Все енергосистеми утворені електростанціями, підстанціями, лініями електропередачі та установками споживачів енергії. В результаті тих чи інших подій в кожній з перерахованих складових енергосистем можуть виникати різні пошкодження і аварії. При пошкодженнях струми можуть багаторазово збільшуватися, а напруга генерується електростанціями і далі на підстанціях зменшуватися до неприйнятною величини.

При цьому виникає зона високих температур і навіть руйнування поблизу місця пошкодження. У зоні високих температур виявляються дроти ліній електропередачі і обладнання, для яких збільшення температури може бути небезпечним. А зниження напруги пов`язане з такими процесами може призвести до порушення стійкості паралельної роботи електростанцій і порушити нормальну роботу підключених до них споживачів.

Ще більше посилює ці процеси зміни частоти напруги, особливо в бік зменшення. При цьому істотно збільшується ймовірність насичення магнітопроводів електричних машин, що додатково збільшує величину струмів і розширює зону високих температур. Тому для збереження цілісності окремих частин і енергосистеми в цілому при виникненні пошкоджень та аварій, а також для збереження нормального функціонування обладнання за межами аварійної ділянки останній повинен бути відключений і ізольований максимально швидко.

Багато аварійні ситуації спочатку є допустимими перевантаженнями. Однак проіснувавши певний час, такі перевантаження обертаються небезпечними наслідками. При своєчасному зміні режимів перевантаження, можна було б уникнути їх. Тому в разі потреби краще знеструмити переобтяжене обладнання. Обробляти дані і виконувати відключення в разі пошкоджень необхідно за частки секунди. Подібну швидкість можна отримати тільки засобами автоматизації.

Спосіб захисту, заснований на застосуванні автоматичних реле, називається релейного захистом.

Принцип дії

Безперервний моніторинг всіх елементів енергетичної системи з реакцією на появу пошкоджень і аварійні режими є головні функції релейного захисту. В електричних ланцюгах енергосистеми встановлюються спеціальні вимикачі. Вони виконують відключення струмів, які з`являються в результаті пошкоджень та аварій. Захист повинна визначити ділянку з пошкодженням і впливом на найближчий вимикач, який здатний відключити ділянку від енергосистеми виконати відключення. Приклад показаний на зображенні нижче:

Однак відключення це не єдине призначення релейного захисту. Захисні пристрої повинні розрізняти властивості порушення та по можливості або автоматично виконувати дії для того щоб нормальний режим в енергосистемі був відновлений, або сигналізувати відповідним службам, які зможуть прийняти необхідні заходи по цьому порушенню.

В сучасних електромережах використовуються і інші групи пристроїв автоматики:

• автоматичне повторне включення;
• автоматичне включення резервного живлення;
• автоматичне частотне розвантаження.

Ці три основні групи лише частина переліку. Релейний захист має з ними найбільш тісну і першорядне взаємодія.

Найбільш часто захисні системи усувають різні види короткого замикання, показані на зображенні нижче:

Причинами таких пошкоджень можуть стати:

• міжвиткові короткі замикання в електричних двигунах і трансформаторах;
• руйнування ізоляційного матеріалу в струмоведучих частинах згодом і під впливом несприятливих чинників навколишнього середовища;
• механічні пошкодження;
• перенапруги;
• стан проводів ліній електропередачі при сильному вітрі і ожеледі;
• залишені підключеними і забуті після ремонту заземлення.

На додаток до перерахованих причин пошкоджень в електричній мережі можуть виникати режими з параметрами, що виходять за встановлені значення для працюючого обладнання, так звані «ненормальні режими»:

• Надструм, який перевершує номінальний струм і додатково нагріває струмопровідні частини, а також їх ізоляцію скорочуючи термін їх нормальної працездатності;
• перенапруги, викликані відключенням електрогенераторів і протяжних високовольтних ліній електропередачі;
• порушення правильної фазування роторів електрогенераторів, що працюють паралельно, що призводить до хитання і зниження напруги у споживачів електроенергії;
• виникнення асинхронного режиму в синхронному генераторі, що призводить до зменшення напруги у споживачів і викликає ризик втрати стійкості енергосистем з паралельно працюючими електрогенераторами.

Залежно від свого призначення системи захисту відповідають:

• вимогам для ситуацій пов`язаних з ушкодженнями;
• те ж саме, але для ненормальних режимів.

У ситуаціях з ушкодженнями релейний захист повинен володіти

• вибірковістю, інакше - «селективність», щоб максимально точно вибирати електричні ланцюги, пов`язані з місцем ушкодження і виконувати оптимальні відключення;
• швидкодією, оскільки велика електрична потужність, що витрачається в місці пошкодження, і тепло, пов`язане з нею, призводять до більш руйнівних наслідків при збільшенні часу відключення;
• чутливістю, щоб фіксувати пошкодження на необхідному віддаленні від місця його виникнення;
• надійністю, щоб спрацьовування відбувалося тільки при виникненні пошкодження в заданій області і не відбувалося помилково при його відсутності.

При ненормальних режимах в цілому вимоги такі ж, як і для пошкоджень. Відмінність полягає лише в менш жорстких вимогах до швидкодії систем захисту. У деяких випадках відключення може бути зроблено ручному режимі і від захисту необхідно отримати лише сигнал для цього.