Работа электрооборудования основывается на слаженном взаимодействии множества устройств, каждое из которых выполняет свои определенные задачи. Обязательным условием обеспечения работоспособности электротехнической аппаратуры является и снабжение током с оптимальными параметрами. Малейшее нарушение в цепях и отдельных компонентах системы влечет риски аварий и повреждения оборудования. Для предотвращения таких явлений используется релейная защита – это средство выявления, регистрации и сигнализации о возможных отклонениях от нормативных эксплуатационных параметров обслуживаемой системы.
Назначение релейной защиты
Основной целью применения систем РЗ является обеспечение стабильности работы энергетического оборудования. Комплекс релейных устройств в постоянном режиме отслеживает эксплуатационные параметры системы, выявляя и отделяя поврежденные компоненты. Так работает простейшая РЗ, однако существуют и более сложные устройства, функционирующие в разных режимах в зависимости от текущего состояния аппаратуры. Многофункциональные средства релейной защиты и автоматики выполняют также сигнальные функции, на основе которых принимаются команды об изменении параметров энергоснабжения или коррекции настроек оборудования. Так, если в питающей сети целевого устройства обнаруживаются большие перепады напряжения, система автоматически может перевести аппаратуру на резервное энергоснабжение благодаря встроенному контроллеру.
Требования к системам РЗ
Для выполнения основных и вспомогательных задач релейная система должна соответствовать определенным требованиям. В их числе отмечаются следующие:
- Селективность. Данное свойство определяет способность РЗ избирательно подходить к мониторингу отдельных участков и элементов системы. Отсев реализуется по характеру повреждения, расположенности и текущему функциональному состоянию объекта электроэнергетической системы.
- Чувствительность. Обслуживаемая система может работать в разных условиях внешнего воздействия. К сторонним факторам негативного влияния относят ненормативные электротехнические свойства источника тока, а также температурные, влажностные и физические нагрузки. Чувствительность релейной защиты – это способность выявлять поврежденные элементы системы, а также отклонения в ее рабочих параметрах независимо от внешнего воздействия. Стабильность передачи сигнала должна сохраняться в установленных условиях работы.
- Быстродействие. Означает определенную скорость, при которой РЗ будет выполнять свои задачи. Можно определить быстродействие через временной показатель в виде интервала от момента условной аварии до отделения поврежденного участка или компонента от общей системы.
- Надежность. Характеризует способность защиты продолжать работоспособность в нештатных условиях. Например, при использовании резервных источников энергоснабжения, подключении пиковых нагрузок и особых режимов работы обслуживаемого оборудования.
Составные части РЗ
Принципиальная схема релейной защиты предусматривает наличие коммуникаций между тремя группами функциональных компонентов:
- Пусковые. Предназначены для постоянного контроля состояния обслуживаемых участков и элементов. Могут реагировать на замыкания и нарушения работы системы. Как правило, это реле напряжения, тока и мощности.
- Измерительные. Данные устройства релейной защиты и автоматики анализируют характер неполадки. В частности, они могут определять месторасположение точки повреждения, ее тяжесть и возможные средства исправления ситуации. Измерительные и пусковые органы зачастую интегрируются в единый модуль контроля и управления защитой.
- Логические. Дают непосредственные команды на исправление нештатной ситуации или предотвращение негативных последствий при тех или иных поломках. Реакции могут выражаться в виде отключения неисправного блока, активации аварийного режима, подключении резервных источников энергоснабжения и т. д.
Разновидности систем РЗ
Среди традиционных РЗ выделяют электромагнитные и электромеханические устройства.
К первым относятся реле, которые работают за счет электромагнитных сил, образующихся при движении тока по катушке. В момент подачи управляющего сигнала магнитная основа притягивает якорь, в результате чего происходит замыкание или размыкание контакта на нужном участке цепи. В некоторых исполнениях предусматривается полупроводниковый диод, выполняющий функцию блокировки перенапряжения вследствие повышенной магнитной индукции.
В основе электромеханического блока релейной защиты находятся транзисторы или тиристоры, образующие узел контроля состояния целевых контактов. Обычно в управляющих алгоритмах таких устройств указывается два порога контроля – ток отпускания и ток срабатывания. Соответственно, также выполняются простые функции включения и отключения аппаратуры. Однако, в отличие от электромагнитных систем, электромеханические реле ориентируются именно на работу в условиях больших токовых нагрузок.
Особенности электронной РЗ
Эксплуатация механических и электромагнитных реле сопровождается массой негативных факторов от износа подвижных частей до необходимости включения вспомогательных защитных устройств. Поэтому традиционные модули все чаще заменяются электронными системами релейной защиты и автоматики, которые также называются статическими или полупроводниковыми. Они базируются на интегральных микросхемах, что само по себе дает целый ряд преимуществ:
- Расширение спектра функций.
- Виброустойчивость.
- Возможности тестового и диагностического контроля.
- Увеличение сложности решаемых задач.
- Снижение энергопотребления на измерительных цепях.
- Сокращение времени срабатывания (быстродействие).
Отдельно стоит подчеркнуть и реализацию цифровых средств управления в электронных реле. Преимущества таких интерфейсов заключаются в повышении эргономики и точности настроек по защитным функциям.
Микропроцессорное устройство релейной защиты
Своего рода контроллер современной РЗ, который представляет управляющую часть защитного комплекса. Благодаря микропроцессору система может выполнять несколько сложных функций, реализуя автоматический контроль с элементами управления обслуживаемой аппаратурой. Например, помимо простых операций отключения и подключения микропроцессорная релейная защита способна фиксировать потерю устойчивости электродвигателей, резервировать отказы отдельных модулей, производить самодиагностику и другие сервисные процедуры. Но, несмотря на многочисленные преимущества РЗ на базе микроконтроллеров, такая аппаратура стоит гораздо дороже и не поддается восстановлению при поломках основного блока управления (экономически нецелесообразно).
Контактные и бесконтактные системы РЗ
Независимо от принципа действия, реле защиты могут предполагать разные способы взаимодействия с обслуживаемыми элементами системы. Контактные устройства воздействуют посредством механических контактов, интегрированных в управляемую цепь изначально. То есть реле может замыкать или размыкать электрическую цепь, регулируя таким образом функцию защитного контроля. В свою очередь, бесконтактная релейная защита – это устройство, которое воздействует на ту же цепь посредством изменения ее рабочих показателей. Корректироваться в зависимости от условий могут такие электрические параметры, как сопротивление, напряжение, индуктивность и емкость. Базовые характеристики управляющего реле будут определяться зависимостями между показателями входного и выходного токов.
Расчет релейной защиты
Характеристики реле, а также их количество применительно для конкретной системы определяются по нескольким параметрам. Для начала стоит разделить три группы таких устройств в зависимости от охвата по величине напряжения:
- На 6-35 кВ.
- Для стандартных систем от 110 до 220 кВ.
- Для сетей до 1150 кВ.
Если речь идет о малых сетях электроснабжения (обычно в небольших поселках), то вполне может использоваться релейная защита подстанций на 35 или 110 кВ. Далее по мере роста энергетической мощности нагрузка может увеличиваться и до 630 кВ – высокопроизводительные трансформаторные модели. Принципиально важным является расчет токов, который будет определять уровень полного сопротивления энергосистемы. Также следует учитывать требования к питанию и защите вспомогательных устройств наподобие предохранителей и фильтров электромагнитных помех, которые нередко вводятся в энергетические сети. В совокупной модели энергоснабжения они могут брать на себя 10-15 % мощности.
Релейная защита для генераторов
Далеко не все генераторные установки дополняются средствами защиты в принципе. Например, совмещенные с трансформаторами комплексы обходятся без выключателей и систем аварийного контроля. В остальных случаях может задействоваться дифференциальная продольная защита с напряжением выше 1 кВ. К особенностям работы таких устройств относится исключение временной выдержки на отключение поврежденного элемента. Для генераторов мощностью менее 30 МВт используется двойная релейная защита и автоматика, но при условии наличия двух контуров замыкания на землю. Если же такая конфигурация невозможна, то мощные установки дополняются трехфазными реле.
Трансформаторная РЗ
Энергоснабжающая инфраструктура и подстанции, в частности, обеспечиваются трансформаторными установками с реле управления и защиты. Данное оборудование оберегается от замыканий на выходах и обмотках в случаях понижения уровня масла и нарушения изоляции. В автоматических трансформаторах релейная защита реализуется с расчетом на контроль в случаях однофазных замыканий при напряжении от 220 кВ. Это могут быть и контактные, и бесконтактные устройства, но преимущественно с электронным управлением.
Эксплуатация и обслуживание РЗ
Для обеспечения экономичной и надежной работы электротехнических систем с релейными модулями защиты требуется периодическая проверка техники. Проводится комплекс организационно-технических процедур, в ходе которых специалисты выполняют следующие операции по обслуживанию релейной защиты:
- Проверка конструкционной целостности деталей.
- Проверка электротехнических соединений и подключений.
- Испытание работоспособности измерительных и исполнительных органов реле.
- Проверка корректности работы электроавтоматики.
- Ремонтные операции в виде исправления мелких нарушений, замены расходников и изоляционной защиты.
Современная релейная техника
На сегодняшний день передовые компании используют реле пятого поколения, которые отличаются высокой точностью срабатывания и широкими средствами коммуникации. При этом основа блоков электротехнической защиты по-прежнему базируется на индукционных, электромагнитных и магнитоэлектрических элементах. Другое дело, что современная релейная защита – это система, построенная на более сложных конфигурациях с гибкими средствами индивидуальной регулировки. Также и возможности внешнего управления дополняются эффективными узлами сопряжения с аппаратурой и контакторами, благодаря которым повышается скорость реакций и действия измерительных устройств.
Заключение
Реле давно не рассматривается электротехниками как дополнительное или вспомогательное средство обеспечения защиты. Это вполне штатное устройство, отвечающее за безопасность рабочего комплекса в тех или иных границах. На базовом уровне системы релейной защиты предохраняют оборудование от коротких замыканий, перенапряжения и перегрева, а в расширенных вариациях берут на себя и часть функций управления. Более того, многие производители инженерного оборудования с автоматикой объединяют реле с термостатами и контроллерами, совмещая задачи настройки и защиты. Впрочем, сохраняют актуальность и традиционные системы, построенные на механике. Их ценят за автономность, надежность и доступную стоимость с минимальными затратами на обслуживание при эксплуатации.
