9.5.1 Недостатки традиционных устройств РЗА

Почти все существующие устройства РЗ в распределительных се­тях 6-10 кВ выполнены на аналоговых электромеханических реле (бо­лее 95 % всех устройств РЗ), а остальные - на полупроводниковых ста­тических реле; на долю цифровых РЗ приходится около 2 %. Следует отметить, что многолетняя статистика показывает высокий процент правильных действий РЗА, обеспечиваемых большими трудозатратами. Наряду с необходимостью больших трудозатрат на обслуживание, для аналоговых реле характерны и некоторые другие существенные недос­татки, которые препятствуют или существенно затрудняют комплекс­ную автоматизацию распределительных сетей. К таким недостаткам следует отнести:

• большое время отключения междуфазных КЗ, особенно на го­ловных участках, т.е, вблизи источников питания, из-за боль­ших значений ступеней селективности, из-за отсутствия в большинстве электроустановок ускорения РЗ после ЛИВ, из-за отсутствия логической зашиты шин;

• невозможность выполнения многократных устройств АПВ, в том числе из-за указанного выше отсутствия ускорения защиты

после АПВ;

• большие трудности в выполнении устройств, запоминающих то­ки КЗ и токи замыканий на землю, а также, как следствие, большие трудности выполнения автоматического отключения поврежденного участка в бестоковую паузу с помощью управ­ляемых разъединителей;

• большие трудности по выполнению устройств для автоматиче­ского изменения уставок срабатывания РЗА при внезапном из­менении режима питания электрической сети, что необходимо для сетей с двумя источниками питания и так называемым сете­вым АВР;

• отсутствие эффективной РЗ от однофазных замыканий на зем­лю.

9.5.2. Недостатки существующих устройств автоматики

К устройствам сетевой автоматики в распределительных сетях традиционно относят следующие типы устройств:

• автоматическое повторное включение (АПВ) линий, шин, трансформаторов;

• автоматическое включение резервного источника питания (АВР), выполнения которого существенно различаются при ис­пользовании на одном объекте (местный АВР) и в сетевом рай­оне (сетевой АВР);

• автоматическая разгрузка линий (АРЛ), предназначенная для отключения части нагрузки в тех аварийных случаях, когда ре­зервный источник не может обеспечить качественное электро­снабжение всех резервируемых потребителей;

• автоматика деления, иначе «делительная защита», предназна­ченная для аварийного отделения от сети особых категорий по­требителей, имеющих в своем составе синхронные электродви­гатели, с целью автоматического разделения параллельно рабо­тающих источников питания в таких аварийных ситуациях, ко­гда их параллельная работа становится опасной, а также для предотвращения возможности автоматической подачи напряже­ния на поврежденный элемент сети от резервного источника пи­тания;

• автоматическая частотная разгрузка (АЧР) и частотное АПВ (ЧАПВ), выполняющие задачи отключения части потребителей при опасном снижении частоты, а затем осуществляющие авто­матическое включение отключенных потребителей после вос­становления нормального режима работы;

• автоматическая разгрузка (отключение части потребителей) при снижении напряжения, выполняющая аналогичные задачи при опасном снижении напряжения у части потребителей (если от­сутствуют другие технические средства регулирования напря­жения).

Перечисленные устройства автоматики в распределительных сетях в большинстве случаев выполнены на дискретных электромеханических или полупроводниковых аналоговых реле. Можно отметить следующие существенные недостатки этих устройств:

• малое число циклов АПВ (максимально два), что снижает эф­фективность АПВ при неустойчивых повреждениях в воздушных электрических сетях и препятствует использованию уст­ройств АПВ для автоматизации переключений с целью выделе­ния поврежденного участка в секционированной распредели­тельной сети;

• невозможность выполнения сетевого АВР в виде комплекса не­обходимых устройств РЗА из-за указанных выше недостатков аналоговых устройств РЗА;

• автоматическая разгрузка линий при существующей аппаратуре может действовать только после АВР, т.е. после возникновения режима перегрузки резервного источника питания, так как су­ществующая РЗ не способна запоминать и анализировать пред­шествующий режим работы объекта;

• автоматические устройства, реагирующие на скорость снижения частоты в аварийных условиях (АД, АЧР), требуют большого количества аналоговых реле для реализации необходимых функций, что ограничивает область их практического использо­вания.

Примеры функций цифровых реле

Цифровые устройства РЗ имеют ряд преимуществ перед аналого­выми устройствами РЗ (электромеханическими и полупроводниковы­ми), которые практически не зависят от обслуживающего персонала. К ним относятся непрерывная самодиагностика, регистрация процессов, многофункциональность при небольших габаритах. Кроме того, в циф­ровых реле заложен целый ряд возможностей, эффективное использова­ние которых зависит от компетентности обслуживающего персонала, особенно при выборе параметров срабатывания реле и выставлении их на реле (программирование реле).

Функции РЗ распределительных сетей, заложенные в цифровом реле, подразделяют на три группы: РЗ от междуфазных КЗ, РЗ (сигнали­зация) от замыкания на землю, РЗ (сигнализация) от различных ненор­мальных режимов, опасных для электроустановок.

9.6.1. Защита от междуфазных КЗ

При выборе типа цифрового реле и уставок его срабатывания для целей отключения междуфазных КЗ главной задачей является обеспе­чение минимально возможного времени отключения междуфазного КЗ.

Ускорение отключения междуфазных КЗ в распределительных сетях уменьшает размеры повреждения электрооборудования и стоимость восстановительных работ, повышает процент успешных действий АПВ и АВР, и следовательно уменьшает вероятность и длительность переры­ва электроснабжения. При выборе сечений проводов и кабелей дости­гают существенного снижения расхода металла путем уменьшения вре­мени КЗ, Тем более, если использовать такие свойства цифровых уст­ройств РЗ, как ускорение отключения после или до АПВТ логическая защита шин и другие.

Таким образом, чтобы использовать полностью возможности циф­ровых реле для быстрого селективного отключения междуфазных КЗ необходимо иметь в виду следующее:

• для участков сетей 6(10) кВ, состоящих из нескольких последо­вательно включенных линий, следует использовать реле с трехступенчатой МТЗ;

• при выборе уставок срабатывания необходимо рассмотреть воз­можность использования третьей (чувствительной) ступени этой защиты с обратно зависимой времятоковой характеристикой. что в ряде случаев позволяет существенно снизить время от­ключения КЗ на головных участках по сравнению с вариантом использования гутой защиты с независимым от тока (фиксиро­ванным) временем срабатывания;

• рекомендуется использовать обратнозависимую характеристику третьей ступени в реле SРАС-8005 именуемую нормальной, ко­торая обеспечивает наименьшее время отключения КЗ, а также наилучшую селективность с имеющимися на смежных участках сети стандартными отечественными электромеханическими реле типа РТ-80 и РТВ, полупроводниковыми типа ЯРЭ-2201, а на трансформаторах 10/0,4 кВ - с плавкими предохранителями ти­па ПКТ;                                                                                                                                                                                                                                                        

• при использовании третьей ступени с фиксированным временем срабатывания, а также второй ступени (отсечка с выдержкой времени), необходимо, с учетом времени отключения выключа­телей, стремиться к уменьшению ступеней селективности до 0,15-0,2 с, как это рекомендуется изготовителем цифровых реле;

• при выполнении АПВ линий, шин, трансформаторов, необходи­мо использовать ускорение РЗ после АПВ, а в некоторых случа­ях ускорение РЗ до АПВ;

• для ускорения отключения КЗ на шинах 6(10) кВ (в ячейках КРУ) необходимо использовать "логическую" защиту шин, пре­дусмотренную в схемах РЗ с цифровыми реле.

Наряду с уменьшением времени действия РЗ от междуфазных КЗ важной задачей является повышение се чувствительности за счет ра­зумного выбора тока срабатывания: для токовых отсечек - путем ис­пользования имеющегося в цифровых реле автоматического загрубления при бросках тока включения; для чувствительной ступени - путем систематического анализа значений рабочих токов в максимумы на­грузки и токов самозапуска нагрузки после АПВ, которые фиксируются цифровыми реле, а также другими регистраторами аварийных процес­сов.

При необходимости использования двух наборов уставок срабаты­вания на одном и том же цифровом реле, все приведенные выше реко­мендации относятся к выбору уставок срабатывания обоих наборов. Однако, при этом следует учитывать способ переключения реле с одно­го набора уставок срабатывания на другой, а именно: переключение происходит либо до подачи напряжения от резервного источника пита­ния (в бестоковую паузу по признаку отсутствия напряжения или по ка­налу связи от системы телеуправления), либо после подачи напряжения от резервного источника питания (по факту изменения напряжения, мощности или по каналу связи от системы телеуправления). Это осо­бенно важно для сетей с автоматическим резервированием и секциони­рованием (с сетевым ЛВР),

Таким образом, перечисленные выше преимущества цифровых устройств РЗ, обеспечивающие главную цель - быстрое, надежное и се­лективное отключение междуфазных КЗ - не требуют особых дополни­тельных экономических обоснований для ее использования на реконст­руируемых системах электроснабжения предприятий и цехов напряже­нием 6-10 кВ.

9.6.2. Защита (сигнализация) от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ

Используемые цифровые реле и терминалы имеют две ступени ГЗ от замыканий на землю, реагирующие на ток замыкания на землю ос­новной частоты и предназначенные для сетей, работающих с изолиро­ванной нейтралью или с заземлением нейтрали через резистор. Наличие двух ступеней РЗ и возможность выбора разных уставок срабатывания по току и по времени делают эти реле незаменимыми при использова­ния в сетях с заземлением нейтрали через резистор (резистивное заземление нейтрали). В сетях с изолированной нейтралью селективная на­стройка ненаправленных реле не всегда возможна, а в сетях с резонанс­но-компенсированной нейтралью принципиально невозможна.

Ключевой проблемой в электрических сетях напряжением 6-10 кВ является способ заземления нейтрали, поскольку он оказывает решаю­щее влияние на надежность электроснабжения потребителей, на со­хранность электрических машин и кабелей, на безопасность людей, на­ходящихся в местах прохождения линий, и в большой степени на выбор принципов и -ж нов устройств РЗА, а также на способы использования этих устройств дли отключения замыкания на землю или только для сигнализации, а в случаях отключения поврежденного элемента сети — на автоматическое восстановление питания неповрежденных участков.

В большинстве стран мира электрические сети среднего напряже­ния работают с резистивно-заземленной нейтралью. Поэтому исполь­зуемые в России цифровые реле (построенные по западноевропейским аналогам) имеют защиту от замыканий на землю, реагирующую на ток основной частоты 50 Гц. В России в большинстве электроустановок ис­пользуется либо режим изолированной нейтрали, либо режим резонанснокомпенсированной нейтрали. И лишь в новых ПУЭ допускается ис­пользование сравнительно нового для России режима е заземлением нейтрали через резистор.

Первый из этих режимов характерен для сетей с небольшими зна­чениями емкостное о тока замыкания на землю, которые не превышают 20 А при напряжении 10 кВ и 30 А при напряжении 6 кВ. В этих сетях главную опасность представляют перенапряжения, возникающие в процессе однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), которые могут приво­дить к возникновению междуфазных и двойных замыканий на землю. Междуфазные замыкания вызывают серьезные повреждения кабелей и электрических машин.

Большие трудности а выполнении селективной РЗ возникают так­же при очень малых значениях естественного емкостного тока замыка­ния на землю.

Заземление нейтрали через резистор устраняет опасность возникновения перенапряжений в электрической сети и обеспечивает необхо­димую чувствительность простой (ненаправленной) МТЗ от ОЗЗ.

Режим с резистивным заземлением нейтрали в сетях 6 кВ собст­венных нужд выполнен на нескольких российских ЭС, причем сопро­тивление резистора подобрано таким образом, что ток при 033 состав­ляет около 40 А.

Для сетей 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью (без компенсации емкостных токов) рекомендуют к использованию цифро­вые РЗ с токовой направленной РЗ от ОЗЗ, Направленные МТЗ устанав­ливают, главным образом, там, где требуется немедленное отключение ОЗЗ по условиям безопасности. Указанные реле реагируют на емкост­ной ток ОЗЗ основной частоты (50 Гц). Учитывая, что значение емкост­ного тока при ОЗЗ зависит от протяженности сети и может оказаться не­достаточным для срабатывания МТЗ поврежденной линии, предусмат­ривают резервную РЗ, реагирующая на напряжение нулевой последова­тельности, которая с небольшим интервалом времени отключает всю подстанцию в целях обеспечения безопасности.

Токовая ненаправленная РЗ в этих сетях может быть настроена се­лективно лишь при условии, что установившееся значение суммарного емкостного тока сети значительно больше собственного емкостного то­ка наиболее протяженной кабельной линии, а используемые цифровые токовые реле не реагируют на броски емкостного тока при возникнове­нии ОЗЗ. При этом следует учитывать, что значения емкостных токов не являются стабильными, так как завися ч в основном от конфигурации се­ти, которая непрерывно "дышит". Таким образом настройка (уставки) ненаправленных РЗ в такой сети должна периодически корректировать-

В сетях с резистивным заземлением нейтрали в зависимости от выбранного сопротивления заземляющего резистора значения токов при ОЗЗ могут находиться в очень широких пределах; от тысяч до несколь­ких ампер.

Современные цифровые реле тока имеют высокую чувствитель­ность и могут обеспечить срабатывание РЗ от ОЗЗ при первичных токах замыкания на землю практически начиная от 2 А.

В зависимости от значения тока, проходящего через РЗ при ОЗЗ, представляющего геометрическую сумму естественного суммарного емкостного тока неповрежденной части сети и активного тока установ­ленного резистора, выбирается ток срабатывания этой РЗ с учетом требуемого коэффициента чувствительности,

В зависимости от выбранного значения тока замыкания на землю, а также от других условий, действие РЗ может быть направлено на сиг­нал или на отключение, например, поврежденного электродвигателя или кабельной линии. В последнем случае необходимо обеспечить АВР Двигателей, источников питания и т.п. При небольших (безопасных) значениях тока замыкания на землю и действии РЗ на сигнал оператив­ный персонал будет иметь возможность перевести потребителей на исправный источник питания. Резистивное заземление нейтрали не только снижает вероятность возникновения в сети перенапряжений и двойных замыканий на землю, но и позволяет использовать простые МТЗ, не требующие элементов направления мощности и установки специальных ТН, от которых можно получить напряжение нулевой последовательно­сти.

Заключение

Возникающие в системах электроснабжения повреждения связаны с нарушением изоляции, приводящим, как правило, к замыканиям меж­ду фазами или между фазами и землей. Одним из распространенных ви­дов ненормального режима является перегрузка, вследствие которой возможны недопустимый перегрев и повреждение изоляции, сопровож­дающееся замыканием на землю или между фазами.

В целях предупреждения распространения аварии поврежденный элемент системы электроснабжения автоматически отключается с по­мощью выключателей. При перегрузках предусматривается автоматиче­ская подача сигнала, с тем, чтобы дежурным персоналом были приняты меры к ус гранению возникшего ненормального режима.

Указанные отключения и подачи сигнала осуществляются релей­ной защитой,

В аппаратуре релейной защиты и автоматики в подавляющем большинстве случаев использовались и до сих пор используются элек­тромеханические реле, В настоящее время в системах релейной защиты они составляют около 98 %. Следующим поколением реле стали стати­ческие аналоговые реле, которые не нашли широкого применения по сравнению с электромеханическими. Только с появлением новой эле­ментной базы - интегральных микросхем и новых микропроцессорных (цифровых) реле открылись большие возможности выполнения малога­баритных устройств защиты с большим количеством функций и высо­кой надежностью за счет непрерывного самоконтроля исправности ре­ле. В цифровых реле все аналоговые величины (токи, напряжения) по­ступают в аналого-цифровой преобразователь, который затем представ­ляет необходимую информацию в цифровом виде в микропроцессор, В цифровом реле может быть записано большое количество программ для работы защиты с различными функциями и характеристиками (алго­ритмами). Программы, алгоритмы и регулировочные значения заложе­ны в память реле, с которой связан микропроцессор. Микропроцессор­ная система, работающая в реальном масштабе времени, использует заложенные или предварительно обработанные данные временных зави­симостей в защищаемом элементе. Например, цифровое реле макси­мального тока с обратнозависимой времятоковой характеристикой вы­числяет по заданному алгоритму необходимое время срабатывания реле в зависимости от значения тока КЗ или тока перегрузки электрообору­дования. Необходимую времятоковую характеристику заранее выбира­ют из нескольких заложенных характеристик и программируют с по­мощью регулировочных ключей-команд. Компьютерные программы используют не только для обеспечения функционирования цифровых реле, но и для их дистанционной настройки и обслуживания. Цифровые реле, выполненные на компьютерной элементной базе, органично вхо­дят в современную цифровую АСУ электроустановками, как ее нижний иерархический уровень. Эти реле-терминалы обеспечивают не только защиту от КЗ и ненормальных режимов, но и управление коммутацион­ными аппаратами, регистрацию параметров нормальных и аварийных режимов, учет электроэнергии, передачу данных на верхний уровень АСУ и прием приходящих команд. Такой системой является, например, СКАДА(SCADA)

Для производителей изготовление цифровых реле значительно проще, чем аналоговых, из-за того, что производство и контроль каче­ства цифровых реле максимально автоматизированы. Цифровые реле обладают рядом уникальных достоинств, среди которых наиболее зна­чимым является автоматическая непрерывная самодиагностика, которая обеспечивает высокую надежность срабатывания этих реле и позволяет Существенно сократить объемы и сроки периодических профилактиче­ских проверок защитных устройств.

Цифровые защиты обеспечивают более быстрое отключение КЗ, чем электромеханические защиты. Для электрооборудования цифровые реле позволяют осуществить так называемые "профилактические" за­щиты от опасных ненормальных режимов, предотвращающие возник­новение КЗ. Наряду с высокой надежностью срабатывания применение цифровых реле снижает ущербы от недоотпуска электроэнергии потре­бителям и затраты на обслуживание и ремонт электрооборудования.

Большой экономический эффект при сооружении новых энергети­ческих объектов дает отказ от применения диспетчерских щитов, т.к. управление электроустановкам и осуществляется с помощью компьюте­ров по специальным программам, например, SСАDА, разработанной фирмой ЛВВ. В новых цифровых реле и терминалах предусмотрена возможность получения информации о токах и напряжениях защищае­мого элемента как от традиционных электромагнитных трансформаторов тока и напряжения, так и от малогабаритных воздушных трансфор­маторов (датчиков) по типу "катушки Роговского". Отсутствие в этом датчике нелинейного ферромагнитного сердечника (магнитопровода) обеспечивает малую по1решность преобразования первичных величин во вторичные и широкий диапазон измерения первичных значений тока. Основным недостатком "катушки Роговского" является малая выходная мощность и низкий уровень выходного сигнала, что является препятст­вием при согласовании с электромеханическими реле.

Наряду с достоинствами, у цифровых реле имеются недостатки: малая помехоустойчивость, слабый выходной сигнал, что делает необ­ходимым применение специальных усилителей, а также использование промежуточных электромеханических реле для связи с приводом вы­ключателя .

Переход на цифровые устройства в РЗА, а точнее на цифровые способы обработки информации не привел к появлению новых принци­пов построения защиты электрооборудования, но существенно улучшил эксплуатационные качества реле.

Самоконтроль значительно повысил надежность цифровых РЗА, так как появилась возможность своевременно оповещать персонал об отказах в аппаратной и программной частях, что позволяет принять не­медленные меры по восстановлению работоспособности РЗА.

Появление цифровых устройств РЗА не означает полный отказ от использования традиционных электромеханических устройств. Там, где последние обеспечивают требуемые чувствительность, быстродействие, надежность и избирательность, их надо использовать в полной мере, так как электромеханические устройства РЗА более экономичны, просты и, кроме того, накоплен большой опыт по их обслуживанию.

Надо отметить, что в технической литературе, равно как и в пе­риодической печати, в настоящее время уделяется значительное внима­ние самим устройствам цифровых реле и в меньшей степени - примене­нию их в схемах промышленной энергетики.

В приложении приведены характеристики некоторых отечественных цифровых реле типа "Орион" и "Сириус".

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ