Релейная защита

При эксплуатации систем электроснабжения, в т. ч. тягового электроснабжения, эпизодически возникают ненормальные режимы, длительное существование которых может привести к выходу из строя оборудования и частей этих систем. Наиболее разрушительными и опасными являются короткие замыкания, перегрузки, превышения допустимых значений напряжения и частоты.
Устройства релейной защиты (РЗ) контролируют работу элементов и частей систем электроснабжения, а при появлении ненормальных режимов выдают команды на выполнение соответствующих коммутаций (отключений, переключений и включений необходимых элементов и частей) или сигнализируют о появлении ненормальных режимов для того, чтобы, соответственно, автоматически или путем вмешательства оперативного персонала прекратить их действие.
Основными компонентами устройств релейной защиты являются реле. Под «реле» понимают устройство, на выходе которого происходит скачкообразное изменение параметров, как только параметры на его входе (воздействующие параметры) достигают некоторого, заранее заданного, значения (уставки). В системах РЗ используют большей частью электрические реле, которые по функциональному назначению разделяют на измерительные, промежуточные (логические) и исполнительные.
Измерительные реле контролируют работу элементов и частей систем и выявляют ненормальные режимы в них по значениям воздействующих параметров: тока, напряжения, частоты в сети, сопротивления, температуры, по величине и направлению мощности и т. п. При достижении воздействующим параметром уставки реле срабатывают, т. е. резко изменяют свои выходные параметры, например сопротивление со стороны выходных зажимов. Уставка может достигаться как при увеличении, так и при уменьшении воздействующего параметра. По этому признаку измерительные реле подразделяют на максимальные и минимальные.
Промежуточные (логические) реле выполняют функции размножения сигнала о срабатывании измерительных реле, усиления этого сигнала, его инвертирования (изменения знака), задержку прохождения сигнала на некоторое, заранее заданное время. Следует отметить, что последняя функция очень важна для обеспечения селективности действия устройств РЗ.
Исполнительные (выходные) реле предназначены для усиления электрического или механического сигнала на выходе устройства РЗ до величины, достаточной для приведения в действие высоковольтных выключателей или других аппаратов, производящих коммутации в системах, необходимые для ликвидации ненормального режима.
По исполнению и физическому принципу, на котором основано их действие, электрические реле подразделяются на:
- электромагнитные,
- индукционные,
- электродинамические,
- полупроводниковые,
- микропроцессорные.
Микропроцессорное реле в виде отдельной законченной конструкции обычно не выполняется, т. к. устройство РЗ с микропроцессорными реле реализуется в виде нескольких узлов, центральной частью каждого из которых является электронное устройство – процессор, выполняющий сразу функции нескольких измерительных и логических реле. Защиту, выполненную с использованием микропроцессорной техники, правильнее называть не релейной, а микропроцессорной.

Назначение и свойства релейных защит

Релейная защита контролирует работу следующих элементов и частей систем электроснабжения:
• линий электропередачи;
• питающих линий и шин распределительных устройств;
• силовых трансформаторов и трансформаторов собственных нужд; устройств поперечной и продольной компенсации.
В системах тягового электроснабжения дополнительно контролируется работа:
• питающих линий (фидеров) контактной сети на ТПС и постах секционирования;
• постов параллельного соединения контактных подвесок путей;
• силовых понижающих и преобразовательных трансформаторов и трансформаторов собственных нужд;
• преобразователей (неуправляемых и управляемых выпрямителей, инверторов);
• специальных питающих линий связи, централизации и блокировки.

Релейные защиты, начиная от РЗ источника энергии и кончая РЗ потребителей, образуют систему релейной защиты, отличительной особенностью которой является селективность действия устройств, входящих в систему. Под селективностью действия РЗ понимается такая взаимоувязанная настройка системы РЗ, при которой срабатывают только устройства РЗ, подающие команды на производство коммутаций в системе электроснабжения на ближайших к месту повреждения участках. Наиболее просто селективность достигается заданием РЗ отдельных элементов и частей систем различных выдержек времени и направленности действия. Например, ряд комплектов РЗ подстанций, питающихся от магистральной ЛЭП (рис. 8.36,д), действуют селективно, если все они срабатывают только при направлении энергии от шин промежуточных ТПС 1-4 в линию (указано стрелками под РЗ 1, РЗ 2 и т.д.). К тому же выдержки времени всех комплектов РЗ, реагирующих на направление энергии (мощности) справа налево, возрастают в направлении слева направо, а у комплектов защит, реагирующих на направление энергии слева направо, они возрастают справа налево (см. рис. 8.36,6 и в). В результате этого при КЗ в точке К1 отключаются РЗ 2 и РЗ 3, имеющие наименьшие выдержки времени при направлениях энергии к месту КЗ. Таким образом, селективность действия РЗ позволяет при ненормальных режимах отключить наименьший по протяженности участок и, одновременно, сохранить питание максимально возможного числа потребителей. Негативные последствия КЗ будут тем меньше, чем меньше время отключения выключателей, ограждающих поврежденный участок, что возможно при быстродействующей РЗ. Последнее особенно важно на линиях электропередачи высокого напряжения и в контактных сетях, т. к. для пережога провода контактной сети необходимо всего ок. 400 А-с тока КЗ. Следовательно, РЗ тягового электроснабжения должны быть максимально быстродействующими. Учитывая это, всюду, где возможно, предпочитают применять т. н. защиты с абсолютной селективностью. К ним относятся РЗ, действие которых не зависит от действий РЗ смежных элементов или частей систем электроснабжения. Такими являются продольные дифференциальные защиты, которые строятся на принципе сравнения электрических величин на входе и выходе защищаемого элемента или части системы, и поперечные дифференциальные защиты, в которых используется принцип сравнения значений токов в идентичных, параллельно включенных элементах или частях. Широкое применение нашли продольные дифференциальные защиты трансформаторов (сравниваются приведенные значения токов по фазам на входе и выходе), а также продольные дифференциальные защиты линий электропередачи (сравниваются значения или направления токов по фазам в начале и конце линии). Продольные дифференциальные защиты на всех участках линии (например, между ТПС 1-4) можно выполнять без выдержки времени, т. е. действующими мгновенно. Для быстрой передачи данных о значении тока или его фазе с одного конца линии на другой используют высокочастотные каналы, образуемые по самой линии электропередачи. Построенные таким образом защиты называют высокочастотными.

Релейные защиты различных устройств систем электроснабжения

Питающие высоковольтные линии 110-220 кВ со стороны ТПС оборудуют РЗ от многофазных КЗ и замыканий на землю. В зависимости от типа и схемы подстанции указанные РЗ имеют различные исполнения.

Опорные и промежуточные транзитные ТПС

Опорные и промежуточные транзитные ТПС переменного и постоянного тока обычно имеют комплексы РЗ, состоящие из дифференциально-фазной высокочастотной защиты, реагирующей на все виды КЗ (основная РЗ), и трехфазной дистанционной защиты, дополненной двухфазной токовой отсечкой (резервная РЗ), или же комплексы, состоящие из трех или двухступенчатой трехфазной дистанционной защиты и двухфазной токовой отсечки. На опорных ТПС эти защиты устанавливают на каждом из вводов, на транзитной подстанции – на выключателе перемычки. На транзитных ТПС переменного тока дополнительно применяют защиту минимального напряжения с выдержкой времени, предназначенную для исключения длительного режима подпитки КЗ в линии питающего напряжения со стороны контактной сети через понижающий трансформатор.
На промежуточных отпаечных ТПС переменного тока устанавливают такие же защиты, как и на промежуточных транзитных. На промежуточных отпаечных ТПС постоянного тока устанавливают трехфазную токовую защиту с выдержкой времени, реагирующую на все виды КЗ, и дополнительно специальную защиту от замыканий на землю: токовую направленную защиту нулевой последовательности с выдержкой времени, более чувствительную, чем токовая.

Линии контактной сети

Линии контактной сети напряжением 27,5 кВ, 2×25 кВ переменного тока и 3,3 кВ постоянного тока защищать от последствий КЗ особенно трудно. Это объясняется спецификой конструкции тяговой сети и формирования тяговой нагрузки от электроподвижного состава – электропоезда и электровозы, случайно скопившиеся вблизи ТПС, которые загружают фидер контактной сети током, соизмеримым с током КЗ в конце фидерной зоны у соседней ТПС, а иногда и большим, чем ток КЗ. Для облегчения условий защиты производят секционирование контактной сети, в результате чего каждый участок (секция) питается через отдельный выключатель, обслуживаемый своей защитой. С этой целью между ТПС сооружают посты секционирования (ПС). Кроме того, в тяговых сетях переменного тока используют отличие тока нагрузки от тока КЗ равной величины по сопротивлению сети и по характеру тока – углу отставания его от напряжения сети. При нагрузке этот угол равен 30-35° эл., при КЗ составляет 65-80° эл. Сопротивление и характер тока в тяговой сети оценивают с помощью реле сопротивления (дистанционного реле), что возможно вследствие пропорциональности измеряемого сопротивления расстоянию (дистанции) до места КЗ.

В тяговой сети переменного тока защитами оборудуются все выключатели подстанций (А и Б) и поста секционирования (рис. 8.37,я). Защита фидеров ТПС – трехступенчатая, т. е. имеет три зоны действия с различными выдержками времени (на рис. 8.37,6 показаны ступени защиты выключателя В2 подстанции А); защита фидеров поста секционирования -двухступенчатая (на рис. 8.37,в показаны ступени защиты выключателя В6). Первая ступень защиты ТПС – ненаправленная, вторая и третья – направленные, все ступени защит поста – направленные. Направление энергии, при котором срабатывают направленные защиты, показаны на рис. 8.37, а стрелками. При КЗ, например, в точке К2 запускаются 2-я и 3-я ступени защит выключателей В1 и В2 подстанции А, защита выключателя В6 поста секционирования, 2-я и 3-я ступени защит выключателей В7 и В8 подстанции Б, однако нормально команду на отключение успевает дать только 1-я ступень защиты выключателя В6 ПС и 2-я ступень защиты выключателя В8. Защиты выключателей Bl, В2 и В7 возвращаются в исходное положение и команду на отключение не выдают, поскольку ток к месту КЗ после отключения В6 не поступает.

Аналогичным образом обеспечивается защита контактной сети на участках постоянного тока. В простейшем случае и исполнительный элемент защиты – выключатель, – и сама защита представляют собой единое целое; они срабатывают и отключают контактную сеть при определенном направлении и значении тока, т. е. с помощью выключателя можно реализовать только одноступенчатую защиту. Обычно применяют выключатели АБ-2/4 и ВАБ-43. Ток срабатывания (уставка выключателя) регулируется; направления тока, при которых работают выключатели ТПС и ПС, показаны на рис. 8.38 стрелками. Селективности действия защиты выключателями при КЗ в зонах их действия удается (не всегда) добиться лишь за счет разницы в уставках выключателей ТПС и ПС (у последнего она обычно в 1,5-2 раза ниже), а также вследствие того, что ток через выключатели ПС представляет собой сумму токов трех участков контактной сети. Например, при КЗ в точке К1 (рис. 8.38) уставка В4 достигается совокупным действием токов I1 I7 и I8.

С целью повышения чувствительности к малым токам КЗ, ограниченным переходными сопротивлениями или дугой в месте КЗ, защитные устройства выключателей дополняются т.н. индуктивными шунтами, обеспечивающими различную реакцию выключателей на «медленные» и «быстрые» (при КЗ) изменения тока в контактной сети.
Описанным выше образом выполняется защита тяговой сети, если используются выключатели АБ-2/4 или ВАБ-43. В выключателях типа ВАБ-49 функции собственно выключателя (ненаправленного действия) и устройства защиты разделены. Устройство защиты представлено в виде отдельного блока – реле-дифференциального шунта, защитные характеристики которого аналогичны характеристикам выключателя с индуктивным шунтом.
Защитные характеристики РЗ тяговой сети переменного и постоянного тока можно существенно улучшить, применив телеблокировку, т. е. связав по каналам телеуправления защиты, установленные с обеих сторон защищаемого участка, например защиту на фидерах контактной сети ТПС и ПС одной фидерной зоны.

Понижающие трансформаторы

Понижающие трансформаторы ТПС постоянного и переменного тока с первичным напряжением 110 (220) кВ защищают от токов КЗ в обмотках и на выводах первичной и вторичной сторон; от витковых КЗ и других внутренних повреждений, к которым относится, в частности, застревание механизма регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН); от внешних КЗ и перегрузки. На токи КЗ в обмотках и на выводах реагирует трехфазная продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени. Для повышения чувствительности защиты к внутренним КЗ, в частности к малым токам при КЗ в обмотках трансформаторов, и одновременно для загрубления ее к броскам токов намагничивания при включении трансформатора на холостой ход применяют реле, подключаемое через промежуточный трансформатор к обмоткам трансформаторов тока на входе и выходе понижающего трансформатора. Магнитная система промежуточного трансформатора насыщается апериодической составляющей тока намагничивания понижающего трансформатора (например, как в защите типа РНТ) или дополнительно частью рабочего тока обмотки со стороны источника питания (например, как в дифференциальной токовой защите). Указанные защиты можно использовать как для двух-, так и для трех-обмоточных понижающих трансформаторов. Для предотвращения значительных повреждений при витковых замыканиях и других внутренних неисправностях трансформаторы оборудуют специальным газовым реле (газовой защитой), которое реагирует на бурное газовыделение, вызванное разложением масла в месте замыкания внутри трансформатора. Срабатывание газового реле приводит к отключению трансформатора со всех сторон, откуда возможна подпитка места КЗ. Газовое реле устанавливают на патрубке, соединяющем бак трансформатора с расширителем. Застревание механизма РПН фиксируется специальным реле, отслеживающим время перехода механизма РПН с одной позиции на другую. Если переход не завершился за контрольное время (8-10 с), значительно превышающее необходимое, подается команда на отключение трансформатора со всех сторон, откуда возможна подпитка места повреждения (в данном случае механизма РПН).
От внешних (сквозных) КЗ на стороне питающего напряжения НО (220) кВ понижающие трансформаторы защищают максимальной токовой защитой с выдержкой времени в трехфазном трехрелейном исполнении. Селективность ее действия обеспечивается выбором уставок по току и выдержке времени, отстраиваемых от соответствующих уставок защит на стороне низшего напряжения. Эта защита лишь частично резервирует дифференциальную и газовую защиты при внутренних повреждениях, поскольку ее чувствительность к силе токов КЗ существенно меньше, чем названных.
Чтобы исключить ложную работу защиты трехобмоточных понижающих трансформаторов ТПС переменного тока со стороны тяговых обмоток, в случае, когда напряжение в контактную сеть подается двумя параллельно включенными трансформаторами, а к нетяговым потребителям – одним из них и при этом происходит КЗ на стороне нетяговых потребителей, максимальную токовую защиту выполняют с двойным комплектом реле (по комплекту на трансформатор), включенным каждый на ток, равный сумме токов обоих понижающих трансформаторов, и дополняют блокировкой по минимальному напряжению. На подстанциях постоянного тока на стороне тяговой обмотки 10 (35) кВ и на стороне 35 (10) кВ районных потребителей применяется максимальная токовая защита в двухфазном двухрелейном исполнении с выдержкой времени. Действие последней путем выбора соответствующих выдержек времени согласуют с действием защит отходящих линий 35 (10) кВ.
На перегрузку понижающих трансформаторов и подстанций переменного и постоянного тока реагирует максимальная токовая защита с выдержкой времени в однофазном исполнении, устанавливаемая со стороны питания и действующая на сигнал, а также неэлектрическая термическая защита, выполненная с помощью температурного реле.
Районные понижающие трансформаторы 35/10 кВ подстанций переменного и постоянного тока мощностью от 6300 кВ-А и выше оборудуют продольной дифференциальной токовой защитой без выдержки времени и газовой защитой (от внутренних повреждений и КЗ на выводах), максимальной токовой защитой без выдержки времени (для защиты от внешних КЗ) и токовой защитой от перегрузки. Трансформаторы мощностью менее 6300 кВА вместо дифференциальной токовой защиты оборудуют токовой отсечкой. Системы напряжением 35 и 10 кВ работают с изолированной или компенсированной нейтралью, и, следовательно, однофазные КЗ в них невозможны принципиально. Все указанные защиты имеют двухфазное двухрелейное исполнение, а защита от перегрузки – однофазное.
Трансформаторы собственных нужд (ТСН) с первичным напряжением 35(10) кВ оборудуют токовой отсечкой без выдержки времени в двухфазном двухрелейном исполнении, реагирующей на токи КЗ в обмотках и на выводах, и максимальной токовой защитой с выдержкой времени, реагирующей на все виды КЗ в трансформаторе и на шинах собственных нужд низшего напряжения (380/220 или 220/110 В). От перегрузки ТСН, как и районные понижающие трансформаторы, защищены максимальной токовой защитой с выдержкой времени в однофазном исполнении, действующей на сигнал.

Сборные шины

Сборные шины РУ 10-220 кВ защищают в зависимости от типа подстанции и значимости РУ. Наиболее ответственные РУ 110 (220) кВ опорных тяговых подстанций переменного и постоянного тока имеют дифференциальную защиту шин, работающую по тому же принципу, что и другие дифференциальные продольные защиты. На всех присоединениях сборных шин устанавливают трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации, вторичные обмотки которых суммарно питают измерительное реле защиты. Для отстройки от небаланса токов реле имеет уставку, отличную от нуля. Кроме того, шины опорных ТПС ПО (220) кВ оборудуют устройствами резервирования на случай отказов выключателей (УРОВ) и резервной защитой минимального напряжения с выдержкой времени. УРОВ контролирует нормальное завершение отключения выключателей всех присоединений РУ по времени этого процесса. Если время отключения превышает установленное, подается команда на отключение всех выключателей присоединения, через которые может подпитываться КЗ на шинах РУ. Выдержка времени защиты минимального напряжения выбирается больше выдержки времени защит вводов РУ.
Шины РУ 10; 27,5 и 35 кВ дифференциальной защитой обычно не оборудуют из-за ее дороговизны и сложности. Однако, как правило, для них применяют УРОВ. Резервной для шин РУ 27,5 кВ служит защита минимального напряжения.
Сборные шины РУ + 3,3 и -3,3 кВ постоянного тока оборудуют специфической земляной защитой, реагирующей не только на КЗ на шинах +3,3 кВ ТПС, но и на любое нарушение изоляции цепей +3,3 кВ в здании (при установке преобразователей внутри него), а также на открытой части подстанции (при наружной установке преобразователей). Земляная защита выполняется с помощью токовых реле, врезаемых в двух местах в заземляющие шины, соединяющие наружный контур заземления ТПС с магистралью заземления постоянного тока, которая объединяет все не находящиеся нормально под напряжением металлические корпуса ячеек РУ -3,3 кВ, преобразователей, фланцы изоляторов токоведущих частей +3,3 кВ и т. п. При повреждении изоляции цепи +3,3 кВ в любом ее месте (по сути при КЗ) возникает цепь тока КЗ от шины +3,3 кВ через место пробоя; магистраль заземления, заземляющие
шины и токовое реле земляной защиты, наружный контур заземления, землю, рельсы, рельсовый фидер – на шину напряжением -3,3 кВ. Токовое реле земляной защиты при этом срабатывает и дает команду на отключение всех преобразователей ТПС, выключателей фидеров, а также и линейных разъединителей контактной сети.

Установки поперечной компенсации

Установки поперечной компенсации (УППК) РУ 27,5 кВ имеют РЗ, отключающую их при: пробоях секций конденсаторов; замыканиях на землю (заземленную фазу) изолированной платформы, на которой размещена конденсаторная батарея; перегрузке конденсаторов по току. При КЗ на землю в любой точке УППК срабатывает продольная дифференциальная защита, сравнивающая токи на входе и выходе УППК. Защита имеет однофазное исполнение и действует без выдержки времени на отключение выключателя на входе УППК. На перегрузки конденсаторов по току, а также на КЗ в цепи УППК до батареи конденсаторов реагирует максимальная защита без выдержки времени, также отключающая УППК. Максимальная токовая защита одновременно резервирует дифференциальную защиту УППК, однако частично, поскольку не реагирует на токи КЗ при замыканиях на землю в конце батареи конденсаторов, меньшие рабочих токов, от которых максимальная защита должна быть отстроена. Специфической резервной для УППК является защита минимального напряжения с выдержкой времени, включаемая параллельно батарее конденсаторов УППК.

Установки продольной компенсации

Установки продольной компенсации (УПРК) имеют специфическую защиту, обеспечивающую шунтирование конденсаторов: при КЗ в тяговой сети, когда напряжение на батарее конденсаторов резко возрастает; при токовой перегрузке конденсаторов; при нарушении изоляции обкладок конденсаторов.

Преобразовательные агрегаты

Преобразовательные агрегаты подстанций постоянного тока оснащают максимальной токовой защитой без выдержки времени в двух- или трехфазном исполнении, предотвращающей воздействие на их диоды внешних КЗ на стороне выпрямленного тока, а также защищающей трансформатор от чрезмерных разрушений при многофазных замыканиях внутри него. Защита от витковых замыканий в трансформаторе осуществляется газовым реле. На замыкания одной из фаз вторичной обмотки преобразовательного трансформатора на землю или замыкания между двумя фазами, принадлежащими разным звездам вторичной обмотки (на преобразователях, выполненных по нулевым схемам), реагирует максимальная токовая защита по току обратной последовательности. Запредельное повышение температуры масла в трансформаторе предотвращает неэлектрическая термическая защита, выполненная с помощью температурного реле.
Специфической для преобразовательных агрегатов является защита от пробоя вентилей, которая реагирует на перераспределение напряжений в вентилях параллельных ветвей при пробое (закорачивании) хотя бы одного из них. Она может либо отключать агрегат, либо действовать только на сигнал.