Релейная защита и автоматика – что это такое, устройство, принцип работы, применение, требования, виды

Эксплуатация электроустановок неизбежно сопряжена со случаями перегрузки и короткого замыкания. Предупредить повреждение оборудования можно с помощью специального релейного защитного устройства. Разберем, что такое релейная защита и автоматика, как она устроена и по какому принципу работает, где применяется, каким требованиям должна подчиняться, а также на какие виды подразделяется.

Релейная защита и автоматика – что это такое, устройство, принцип действия, применение

Устройство предотвращения последствий от перегрузок и короткого замыкания в электроцепи, в основе которого лежит релейный механизм, называется релейной защитой и автоматикой, или РЗА-устройством. По сути, прибор представляет собой систему взаимодействующих реле, дополнительных механизмов и автоматов, отключающих оборудование при повреждении, или когда его работа выходит за рамки нормы.

Применяются подобные устройства в любых электрических схемах, где требуется защита или сигнализация в момент сбоя сети и оборудования. Кроме того, есть обязательные требования по монтажу защиты – в ситуациях, прописанных в ПЭУ.

Чтобы понять, как действует защитный механизм, следует разобраться в его устройстве. Состоит РЗА из следующих последовательных рабочих узлов:

• Модуль слежения. В основе лежат ТН/ТТ-измерители. В некоторых случаях импульсы могут сразу поступать на блок анализа, а также в форме цифровых сообщений.

• Анализирующий блок. Обрабатывает входящие импульсы, сравнивая со стандартами. В случае обнаружения несовпадения, посылает команду на включение защитного механизма.
• Исполнительный механизм. При поступлении команды переключает электроцепь в состояние защиты по заранее отработанному алгоритму.
• Сигнализация. С помощью световых, звуковых и зрительных каналов сообщает пользователю о событиях в системе.

После срабатывания защитного механизма и устранения неполадок в сети РЗА переводится обратно в рабочее состояние вручную. В состав устройства также входит источник питания, выдающий ток с исключительно стабильными характеристиками, для функционирования всех участников схемы прибора.

Релейная защита – это не только обязательный элемент схемы высоковольтных установок – в действительности применяется он достаточно широко:

• Электроустановки номиналом свыше 1 кВ.
• Генераторы.
• Трансформаторы.
• Синхронные компенсаторы.
• Шины, выключатели.
• Электрооборудование напряжением до 1000 вольт.
• Электромоторы.
• Воздушные линии и проч.

На заметку! Важность РЗА-устройства в том, что выявление замыкания или изменения рабочих параметров происходит на как можно более ранней стадии – это предупреждает возможные серьезные повреждения.

Рано или поздно электрооборудование начинает работать в нехарактерном режиме. Наиболее опасные случаи – перегрев из-за перегрузки и короткое замыкание. Происходить это может в силу разных причин – например:

1. Разрушение изоляции.
2. Пробой фазы.
3. Ошибки в монтаже или в ходе эксплуатации.
4. Разъединение элементов установок под током.
5. Неправильное заземление.
6. Нарушение правил работы.
7. Подача неверно рассчитанного напряжения.

Возникающее на участке короткое замыкание, как правило, сопровождается образованием мощной электродуги. В результате такого воздействия деформируются электропроводящие части оборудования, воспламеняется изоляция. При этом в зависимости от условий масштабы события могут быстро возрасти, что приведет к повреждению не только участка сети, на котором произошло ЧП, но и всей сети и рядом установленного оборудования.

Единственное, что может предотвратить быстрое развитие аварийной ситуации, это применение РЗА-устройства. Так как в его рабочие задачи входит:

• Обнаружение короткого замыкания.
• Локализация аварии.
• Мгновенное обесточивание проблемного участка.
• Определение точного местоположения неполадки.
• Выдача сообщения о происшествии.
• Предупреждение об ухудшении аварийной ситуации, если его вероятность высока.
• Создание паузы перед деактивацией – при необходимости.

Таким образом, релейная защита действует не только на пусковые установки и коммутаторы, но также при необходимости непосредственно на само рабочее оборудования, отключая приводы.

Требования

Для начинающих осваивать азы релейной защиты и автоматики важно знать, каким требованиям должны соответствовать устройства, чтобы не происходило отказа. Сбой в работе чаще всего происходит по причинам ложного или чрезмерно частого срабатывания и внутренних повреждений.

Справка! Отключение проблемного участка происходит за 0,1-0,02 сек, что значительно снижает масштаб повреждений, и сохраняет работоспособность как можно большего количества элементов сети, потребителей и источников тока.

Это, прежде всего, такой ряд требований:

• Селективность.

Характеристика избирательности РЗА-прибора дает возможность максимально точно определить место и устранить аварию – независимо от иерархичности цепи. Наиболее наглядно это проявляется на следующем примере:

1. На 3 участка цепи со своими потребителями поступает последовательно ток от источника.
2. На границах каждого участка есть своя защита – на первом 1 и 2, на втором 3 и 4, на третьем 5 – всего 5 штук.
3. Происходит замыкание на потребителе 3-го сегмента.
4. В результате срабатывает защита 5.
5. Если учесть, что ток течет по всем элементам РЗА, то для отключения проблемного сегмента требуется делать свою уставку для каждого участка.
6. Чтобы отключение поврежденного участка в этом случае сработало быстрее, требуется, чтобы его защита была максимально чувствительной.
7. При этом если защита № 5 не сработает, ее подстрахует № 4 на 2-ом участке и т. д.

Защита обустраивается таким образом, чтобы токо-временные характеристики приборов от источника к крайнему потребителю снижались.

• Быстродействие.

Насколько быстро защитный механизм проявит свое действие, зависит от 2-х факторов:

1. Времени срабатывания алгоритма с подачей команды на последующий рабочий элемент.
2. Отклика привода выключающего механизма.

1-ая характеристика настраивается в зависимости от возможностей реле и количества переходных узлов. Такой подход позволяет создавать задержку срабатывания для удаленных участников цепи. При этом чем ближе расположено оборудование к месту аварии, тем меньшим должен быть интервал включения защиты.

• Чувствительность.

Благодаря параметру чувствительности защитное устройство распознает тип и место повреждения. РЗА отличает ток, возникающий при ненормальной работе, например, при перегрузке, от тока при коротком замыкании.

Для числового выражения параметра применяется коэффициент чувствительности К_ч, вычисляемый по формуле:

К_ч = С_{кз мин}/С_сз

С_{кз мин} – минимальная сила тока при коротком замыкании,

С_сз – величина силы тока, необходимая для срабатывания защитного механизма.

РЗА-устройство будет работать в норме при К_ч, равном от 1,5 до 2.

Обратите внимание! Чувствительность должна быть такой, чтобы РЗА-устройство также срабатывало на повреждения в соседнем участке, но с некоторой задержкой. Такое свойство называется дальним резервированием.

• Надежность.

Параметр определяется таким рядом качеств:

• Безотказность, проявляемая в своевременном срабатывании при коротком замыкании и бездействии в нормальном режиме.

• Выработка заложенного ресурса по количеству циклов срабатывания.
• Возможность ремонта и замены частей.
• Долговечность – сохранность работоспособности в течение срока службы.

При этом выделяются 3 параметра надежности в работе РЗА-прибора:

1. В момент внутренних замыканий в защитной области.
2. Когда происходит внешнее замыкание за границами своего участка.
3. В благополучный период.

В общем, надежность релейной защиты бывает аппаратной и эксплуатационной.

Разновидности

Есть множество видов РЗА-устройств, классифицируются они по следующему ряду признаков:

• Изменение характеристик сети.

Совмещенный с автоматикой механизм релейной защиты в зависимости от характера воздействия на параметры электросети разделяется на такие виды:

1. Снижение частоты тока или отключение источников напряжения. Происходит при перегрузке и коротком замыкании в электрогенераторах.
2. Увеличение номинала. Возникает при неожиданной разгрузки электросети.
3. Перегрузка сети с характерным нагревом и искрением контактов и мест стыковки проводников.

Функционирующая совместно с защитным механизмом автоматика не только отключает, но и включает питание – путем повторного запуска и задействования резерва.

• Характерным свойствам.

По этому признаку РЗА-устройства делятся на такие категории:

1. Способу подключения – первичные, монтируемые непосредственно в электроцепь, и вторичные, подсоединяемые через трансформатор.
2. Типу исполнительного механизма – электромеханические, работающие на контактах, и электронные, основанные на полупроводниковых компонентах.
3. Назначению – для измерения характеристик и командные, подающие сигналы исполнительным элементам схемы, а также выполняющие задержку.
4. Методу действия – механические, напрямую связанные с оборудованием, и электромагнитные, обесточивающие сеть косвенным путем.

На заметку! В автоматах номиналом до 1 кВ устанавливается встроенный защитный механизм, называемый расцепителем. Действует защита только на отключение.

• Главные параметры.

Релейная защита разделяется на следующие виды:

1. Предельная токовая защита, срабатывает при достижении силы тока заданной величины.
2. Направленная максимальная защита по току – учитывающая не только величину тока, но и вектор мощности.
3. Дифференциальная, основанная на сравнении параметров сети на входе и выходе трансформатора, генератора или шин.
4. Логическая – для защиты и определения места замыкания шин и линий электростанций.
5. Газовая, или струйная – применяемая для агрегатов с емкостями, заправленными маслом. При перегреве выделяется газ, изменяются свойства жидкой среды – и потому требуется остановка работы.
6. Удаленная – для сложных схем электросетей, в которых не применимы стандартные решения. Основаны на выявлении расстояния до места ЧП и задержки отключения.
7. Дистанционная и дистанционная с ВЧ-блокировкой – для защиты ЛЭП от короткого замыкания.
8. Дифференциально-фазная – для проверки фаз на краю ЛЭП.

Помимо этого, РЗА-устройства различаются по минимальному и максимальному напряжению – как по группам, так и по отдельным потребителям.

Коротко о главном

Устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) предотвращает последствия короткого замыкания и ненормальной работы оборудования в сети. Состоит оно из модуля слежения, блока логистики и анализа, исполнительного устройства и сигнализации. Находит применение в высоковольтных линиях, электроустановках до 1 кВ и свыше, генераторах, трансформаторах, шинах, выключателях, электромоторах, синхронных компенсаторах.

РЗА-устройство защищает от разрушений, возникающих при коротком замыкании, обнаруживая его и локализуя. Также выполняет ряд других задач – обесточивание места ЧП, сообщение об аварии, предупреждении о возможном ухудшении, задержка перед деактивацией.

Есть различные виды РЗА, классифицируются они по таким параметрам:

• Измерение характеристик электросети – уменьшение частоты, рост напряжения, перегрузка.
• Характерным свойствам – способу подключения, типу исполнения, назначению, методу действия.
• Главным параметрам – предел тока, направление мощности, разница номинала, место замыкания, перегрев масла, расстояние и задержка для сложных схем, защита ЛЭП, минимальное и максимальное напряжение.

Для нормальной работы релейный механизм должен отвечать требованиям селективности, чувствительности, надежности и быстродействия.