Логическая защита шин

Понятие релейной защиты и автоматики (РЗиА)

Правила техэксплуатации и устройства электроустановок (ПУЭ, ПТЭ) регламентируют применение релейных типов защиты. Данные приборы, а скорее, комплексы специальных элементов, часто совмещаются с автоматикой, поэтому сокращено называются РЗиА (а также это сокращение без «и» или РЗ).

По нормам ПТЭ силовые узлы и линии электроустановок — электростанций, подстанций, электросетей — защищаются от коротких замыканий (КЗ), ненормальных состояний, сверхнагрузок узлами РЗ и автоматики. Такие устройства интегрируются в конструкции, являются их частью (закладываются еще на стадии проекта), реже — монтируются к ним отдельно. Должны по правилам быть в постоянном состоянии готовности (ожидания), за исключением выводящихся из задействования согласно особенностям их задач, принципа конструкции, режимов энергообъектов, требованиям избирательности (селективности). Узлы сигнализации (предупреждение и сообщение о развитии поломок) должны также всегда быть готовыми к активации.

РЗиА ставят на электростанциях, генераторах, на любых электроустановках, на подобных габаритных мощных устройствах, то есть сфера использования не ограниченная, если релейная защита необходима по проекту. Область применения конкретизируется ПУЭ:

Содержание главы 3.2 ПУЭ:

Что такое релейная защита объясним более конкретно, описывая ее назначение. При задействовании электрооборудования, сетей, всегда сохраняются риски их повреждений, некорректные режимы, часто их невозможно избежать или такие условия характерные для работы ЭУ. Наиболее критические — перегрузки и КЗ. Причины: пробои, повреждения изоляционных частей, разрывы, ошибки работников, например, отсоединение узлов под нагрузкой, неправильная подача на заземленные конструкции напряжения.

КЗ на участке, где оно возникло, провоцирует появление электродуги, термическое влияние которой ведет к, как правило, бесповоротному разрушению токоведущих элементов, изолирующих частей, электроустройств в целом (реже, но такие случаи весьма распространенные). При этом на поврежденный сегмент подводятся высокие токи короткого замыкания в тысячи ампер. Возникает почти моментальный нагрев, за секунды элементы накаляются. Термические процессы также повреждают исправные участки, происходит развитие неполадки, пожар. На связанных магистралях, объектах параметры электричества глубоко понижаются, что причиняет остановку электромоторов, функционирование параллельно задействованных конструкций, генерирующих приборов, критически нарушается.

В описанных ситуациях важно моментально остановить развитие последствий, обычно этого достаточно для полного предотвращения аварий. Указанное достигается оперативным отключением опасного участка ЭУ, сети — автоустройствами, функционирующими на расцепление контактов, обесточивание

Это и есть релейного типа защита, она же РЗ или РЗиА.

РЗ деактивирует выключатели конструкции с неполадкой, при этом электродуга гаснет или даже не успевает возникнуть. Моментально останавливается течение ампер КЗ, параллельно на исправной части ЭУ или в сети восстанавливаются нормальные величины электричества. Минимизируются, исключаются повреждения оснащения с КЗ, нормализуется режим рабочего оборудования.

Задачи:

• выявляет точку КЗ, локацию поломки;
• быстро обеспечивает автоотключение, отделяет оснащение с небезопасным фактором, опасный сегмент от рабочих конструкций, сетей;
• фиксирует неполадку и сообщает о ней, предупреждает о возможности аварии;
• создает выдержку перед деактивацией, если это необходимо.

Возможны и другие нарушения на ЭУ: перегрузка, замыкание различного рода, образование газовых масс в трансформаторах, понижения там объема масла и пр. Если такие неполадки не опасные, самоустраняются, может не требоваться моментальное обесточивание. Обычно при наличии на ЭУ постоянного обслуживания специалистами хватит выдачи им уведомления. В иных случаях достаточно отключения, но с паузой.

Реле РЗ — это приборы, узлы с автоматическим принципом, осуществляющие изменение характерного периодического типа («релейное действие», скачками) при установленной трансформации (модификации) наблюдающихся характеристик.

Проще говоря, РЗ при фиксации нарушений параметров ЭУ производит обесточивание, разводит контакты. Пример: реле при критическом возрастании Ампер на контролируемой цепи (туда заведена его токовая намотка) до прописанной отметки расцепляет соединения.

Прибор РЗ — это взаимодействующая система реле и узлов вспомогательных, автоматических, устройств, отключающих оборудование, когда оно повреждается, при ненормальных состояниях.

Надежность ЛЗШ

В отличие от других защит, ЛЗШ редко срабатывает при проверках РЗА персоналом электролабораторий. При работе на отходящих присоединениях сигнал блокировки, хоть и поступает на входы терминалов линий питания, но вреда не приносит. Возможен только отказ в работе при совпадении фактора наличия проверочного тока на отходящем фидере и реальном КЗ на шинах, но вероятность такого казуса невелика.

При проверке РЗА питающей линии тем более ничего не произойдет. Если на шины приходит питание через секционный выключатель или другую линию питания, то их логические защиты работают независимо от проверяемой линии питания, достучаться до них оттуда нереально.

Отказы в работе ЛЗШ связаны, в основном, с короткими замыканиями на выводах трансформаторов тока. Дифференциальные защиты шин определяют КЗ на них с помощью реле, установленных в каждой фазе. Любое из реле, сработав, даст команду на отключение. В случае же с ЛЗШ наоборот: если через трансформатор тока любой из фаз отходящего фидера пойдет ток КЗ, сформируется сигнал блокировки.

Поэтому, если при КЗ в комплектной ячейке дуга перескочит за выводы трансформатора, произойдет отказ ЛЗШ. И замыкание будет устранено только с выдержкой времени МТЗ питающего фидера.

На рисунке 1 приведена простейшая схема логической защиты шин в комплексе с МТЗ на вводе 10 кВ.

При КЗ на шинах или на отходящей линии пускается защита на вводе от питающего трансформатора (срабатывает реле KA).

МТЗ на вводе отстроена по времени от защит отходящих линий и действует на отключение выключателя в двух случаях:

— отказе защит или выключателя отходящей линии;

— коротком замыкании на сборных шинах.

Рисунок 1. Схема логической защиты шин

При коротком замыкании на любой отходящей линии (КЛ1 – КЛn) срабатывает токовое реле KA1 в ее схеме и токовое реле KA в схеме ввода. Контактами KA1 блокируется действие защиты на реле KL.

При КЗ на шинах срабатывает реле KA в схеме ввода и нет срабатывания ни одного из реле KA1 в схемах отходящих линий. Реле KL срабатывает и действует на отключение выключателя ввода с запретом АПВ.

Схема достаточно простая, но имеет ряд недостатков:

1. При выводе в проверку защиты любого присоединения разрывается вся цепь, защита выводится из работы.

2. Большое количество последовательно соединенных элементов снижает надежность схемы в целом. Нарушение контакта в любом токовом реле или в соединительных проводах приводит к отказу защиты.

Более удобна и надежна схема, приведенная на следующем рисунке. Токовые реле всех отходящих линий соединены параллельно. Для исключения случайного срабатывания защиты при проверках РЗА присоединений включается последовательно с контактами собственных выключателей. В данном случае реле KL выступает в роли блокирующего.

Рисунок 2. Схема логической защиты шин

Принцип действия дуговой защиты

Для предотвращения выгорания ячеек комплектных распределительных устройств в современных схемах предусмотрены электродуговые защитные реле, которые выводят выключатели из рабочего положения при обнаружении повреждения в ячейке. Дуговая защита КРУ срабатывает гораздо быстрее и эффективнее традиционной максимальной токовой защиты (МТЗ), предохраняющей энергооборудование увеличением тока в цепи при выявлении КЗ.

Принцип защитного действия реле основан на распознавании датчиком вспышки электрической дуги и передаче информации исполнительным элементам, которые срабатывают отключением электроэнергии в КРУ для предупреждения негативных ситуаций. Появление дуги вызывает изменение параметров: яркости света, характеристик в цепи, давления и температуры.

Чтобы замыкания не перешли на другие ячейки КРУ, предусмотрено полное отключение оборудования, в том числе и дуговая защита шин (проводников электрического тока с низким сопротивлением).

Повышение эффективности дифзащиты

Несмотря на огромный ряд преимуществ перед другими видами защит, дифзащита требует повышения эффективности ее срабатывания в аварийной ситуации при эксплуатации генераторов. Для этого необходимо соблюдать следующие правила:

1. Включение добавочных резисторов к измерительным токовым реле.
2. Минимизация апериодических величин и настройка отсечек для переходных токов небаланса.
3. Применение реле с задержкой времени срабатывания.

Таким образом, дифзащита широко применяется для обеспечения стабильной работы электрооборудования и ЛЭП, защиты от пожаров и возгораний, непредвиденных финансовых затрат, а также для сохранения жизни и здоровья человека.

ЗДЗ волоконно-оптического типа

Устройство дуговой защиты Овод-МД. Блок преобразования и мониторинга открыт. Видны подключенные волоконно-оптические кабели (синие) идущие от волоконно-оптически датчиков

Как и ЗДЗ фототиристорного типа, данный тип ЗДЗ реагирует на световую вспышку от электрической дуги. В качестве датчика, реагирующего на световую вспышку от электрической дуги используется волоконно-оптический датчик (ВОД).
Применяется два типа ВОД:

• петлевого типа;
• радиального типа.

ВОД размещаются по одному в каждом отсеке ячейки КРУ:

• в отсеке ввода;
• в отсеке выкатного элемента;
• в кабельном отсеке;
• в пространстве шинного моста.

Применяются также эконом-варианты размещения ВОД — так, например, один ВОД может быть одновременно размещен и в шинных отсеках и в отсеках выкатных элементов в нескольких ячейках одной секции.
При дуговом КЗ каждый ВОД фиксирует световую вспышку от электрической дуги и формирует сигнал «Срабатывание», которые передается по ВОЛС на МП терминал ЗДЗ. В свою очередь МП терминал ЗДЗ на основании сигналов «Срабатывания» от ВОД формирует команды на отключение соответствующих выключателей с целью ликвидации дугового КЗ.

Для предотвращения неправильной работы ЗДЗ предусматривается токовый контроль — сигнал на отключение выдается МП терминалом ЗДЗ только при наличии 2-х факторов:

• сигнала «Срабатывание» от ВОД;
• сигнала «Пуск МТЗ» от терминала защиты (терминала защиты ввода КРУ или терминала защиты стороны ВН трансформатора).

При наличии только сигнала «Срабатывание» от ВОД без сигнала «Пуск МТЗ» отключение выключателей от ЗДЗ не происходит и МП терминал ЗДЗ выдает сигнал «Неисправность ВОД».

Построение оптико-электрических дуговых защит

Оптико-электрические дуговые защиты по типу используемых датчиков можно разделить на две группы: с полупроводниковыми фотодатчиками и с волоконно-оптическими датчиками. Тип датчика определяет не только алгоритмы обработки информации, но и исполнение защит, которые можно классифицировать как индивидуальные и централизованные.

Централизованная защита, как правило, предназначены для защиты секции или группы ячеек и не обеспечивают селективного выявления зоны повреждения. Оптические датчики, например полупроводниковые фотоприборы, соединяются параллельно, а ВОД включается в виде петли.

Индивидуальное исполнение защиты позволяет выполнить воздействие на выключатель поврежденной ячейки, обеспечить селективность действия защиты и выявить поврежденную зону.

Построение оптико — электрических дуговых защит (ОЭДЗ)

Дуговая защита КРУ должна строиться с учетом его конструктивных особенностей и типов коммутационных аппаратов. Для этого необходимо выделить как особые элементы распредустройства, к которым относятся ячейки вводного выключателя, ячейка секционного выключателя, особые зоны (отсеки) ячеек КРУ: отсек шинного моста, отсеки высоковольтных выключателей, трансформатора напряжения и т. д. Такое деление КРУ на зоны позволит наиболее оптимально выполнять воздействия на коммутационные аппараты с минимизацией объёмов повреждений.

При КЗ в особых элементах требуется отключение секции без выдержки времени, а при КЗ в особых зонах, например, в отсеках измерительных трансформаторов тока, кабельной разделки и проходных изоляторов возможно отключение только поврежденной ячейки, например, при использовании вакуумных выключателей.

Горение дуги в ячейке вводного выключателя требует воздействия на отключение не только секционного выключателя, но и выключателя со стороны высшего напряжения силового трансформатора. Повреждение же секционного выключателя требует отключения вводных выключателей. С учетом вышеизложенного защита должна обеспечивать селективное выявление дуговых коротких замыканий в ячейках и их отсеках.

Существует также и другой подход в построении дуговой защиты КРУ, согласно которому любое КЗ в КРУ должно отключаться вводным выключателем, что приводит к «погашению» секции. Такой подход упрощает реализацию защиты и допускает объединение датчиков, например, позволяет выполнять оптико-электрический датчик единым, что имеет место при использовании ВОЛС, соединенной в «петлю». При реализации защиты по первому варианту возможно объединение ОЭДЗ и устройств, воздействующих на одни и те же выключатели.

Схема клапанной дуговой защиты в КРУ 6(10) кВ

В данной статье я буду рассматривать схему клапанной дуговой защиты в КРУ 6(10) кВ. В данном рассматриваем случае, дуговая защита реализуется на концевых выключателях срывных клапанов сброса давления, установленных в отсеках: присоединений, выкатного элемента (В.Э.) и сборных шин.

На вводном выключателе и на вышестоящей релейной защите выполняется контроль фазных токов. Это необходимо из-за того, что при возникновении КЗ в ячейке вводного выключателя, трансформаторы тока могут быть шунтированы дугой, либо повреждены их вторичные цепи.

Контакты S7S, S7W, S7P показаны в положении закрытых выхлопных клапанов.

Рис.1 – Дуговая защита клапанная 1 секции

Рис.2 – Дуговая защита клапанная 2 секции

Логика работы дуговой защиты заключается в следующем:

В шкафах отходящих линий 1(2) секций:

При возникновении дугового замыкания в от отсеках сборных шин или в отсеке выкатного элемента, срабатывают соответствующие концевые выключатели S7S, S7W и выдается команда через шинку ED1 на отключение вводного выключателя своей секции и секционного выключателя независимо включен он или нет.

При возникновении дугового замыкания в отсеке присоединений срабатывает концевой выключатель S7P и срабатывает реле KL1, которое дает команду на отключение только выключателя данного присоединения.

В шкафах ТН1(2):

При возникновении дугового замыкания в отсеках: присоединений, выкатного элемента или сборных шинах срабатывают соответствующие концевые выключатели и через шинку ED1 поступает команда на отключение вводного выключателя данной секции и секционного выключателя.

В шкафах ВВ1(2):

При возникновении дугового замыкания в отсеках сборных шин или в отсеке выкатного элемента срабатывают концевые выключатели соответственно S7S и S7W, срабатывает реле KL1, которое отключает выключатель данной секции и дается команда на отключение СВ.

При возникновении дугового замыкания в отсеке присоединений, срабатывает концевой выключатель S7P, данный сигнал выведен на клеммник внешних цепей для отключение выше стоящего выключателя, например выключателя 110 кВ.

В шкафу СВ:

При возникновении дугового замыкания в отсеке сборных шин, срабатывает концевой выключатель S7S, и через шинку ED1 поступает команда на отключение вводного выключателя данной секции, реле KL1 отключает СВ.

При возникновении дугового замыкания в отсеке выкатного элемента, срабатывают концевые выключатели S7W и через шинку ED1(2) поступают команды на отключение вводных выключатель 1 и 2 секции, реле KL1 отключает СВ.

При возникновении дугового замыкания в отсеке присоединений, срабатывает концевой выключатель S7Р и через шинку ED2 поступает команда на отключение вводного выключателя 2 секции, реле KL2 отключает СВ.

В шкафу СР:

При возникновении дугового замыкания в отсеках сборных шин, выкатного элемента и присоединений срабатывают соответствующие концевые выключатели и через шинку ED2 поступает сигнал на отключение вводного выключателя 2 секции и СВ.

Также вы можете увидеть схемы клапанной дуговой защиты совместно с волоконно-оптическими датчиками или с фототиристорными датчиками, такое совместное использование клапанов и датчиков повышает надежность срабатывания ЗДЗ. Данные датчики устанавливаются в каждом отсеке, параллельно с концевыми выключателями клапанной дуговой защиты.

Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.

Основные требования к релейным устройствам

Основные свойства релейной заключаются в следующем:

1. Избирательность. Этот параметр характеризуется способностью системы отключать участки с повреждениями, в то время как не повреждённые элементы остаются включёнными. Выделяют два вида релейной: первый – это релейная со средней избирательностью (максимально токовая и дистанционная защита); второй – это защищенность с полной избирательностью (дифференциальная защита).
2.  Скорость отклика РЗ (быстрота срабатывания). Если скорость срабатывания системы будет высокой, то вероятность возникновения каких-либо повреждений или аварий будет ниже. Промежуток времени после появления аварии и до выключения устройства с повреждением из сети, называется временем отклика релейной защищенности. Это основной показатель этого параметра.
3. Возможность релейной срабатывать даже на незначительные аварийные параметры, называется чувствительностью РЗ. Оценить данный параметр можно с помощью коэффициента чувствительности.
4. Свойство, при котором устройство РЗ работает определённое время при указанных функциях, называется надёжностью. Выделяют два основных показателя этого параметра: число отклонений в единицу времени и период времени исправной работы.

Испытания

При подключении средства контроля (имитатора искрения) всё работает, как и написано в описании устройства. Но мне всегда хочется большего.

У меня нет испытательной лаборатории, чтобы провести испытания, рекомендованные в ГОСТ IEC 62606-2016. Однако, я собрал простейший испытательный генератор искрения на реле:

Генератор искрения на реле

Принцип работы этого генератора прост – при включении питания реле включается, его НЗ контакты размыкаются, реле выключается, НЗ контакты замыкаются, реле включается, и т.д., до бесконечности, с частотой 20…50 Гц, в зависимости от конструкции реле.

Испытательный стенд выглядел таким образом:

Установка для исследования работы устройства защиты от дугового пробоя. Нижний двухполюсный автомат – для подключении нагрузки

Через вторые НЗ контакты реле коммутируется нагрузка, обозначенная на схеме как Rn. В качестве активной (резистивной) нагрузки я использовал паяльник, масляный нагреватель и наборы мощных резисторов (cos φ > 0,9):

Резисторы для имитации мощной активной нагрузки

В качестве реактивной – трансформаторы (cos φ < 0,2).

Скажу сразу, систематизировать должным образом результаты измерения не удалось, поскольку такие параметры, как “интенсивность искрения” и импульсное перенапряжение, измерить очень сложно, можно лишь оценить.

Для начала напомню, какая форма напряжения у нас в сети между нейтральным и фазным проводами:

Синусоида в сети питания 220В

Если начинается искрение с преимущественно активной нагрузкой, мы видим такую картину:

Искрение (дуговые пробои) в цепи питания активной нагрузки

Устройство защиты от искрения срабатывало при токе нагрузки около 2,5 А. Почему “около”? При токе 2 А скорость срабатывания  – несколько секунд, при токе 3А – практически мгновенно. Ток рассчитывал на основе закона Ома.

А вот при индуктивной нагрузке в сети творилось вот что:

Форма напряжения при искрении в сети с индуктивной нагрузкой

Как видно, размах напряжения (от минимума до максимума) – более 1600 В! Вот почему могут гореть наши электроприборы! Хорошо, что сейчас такую нагрузку стараются исключить, и cos φ < 0,5 в домашней нагрузке встретить можно очень редко.

В этом случае УЗИс срабатывал уже при токе менее 1 А, что логично – он старается защитить нашу сеть от такого беспредела .

Разновидности дуговой защиты

Существуют два типа защиты от дуговых замыканий: механическая (клапанная и мембранная) и электронная (фототиристорная и волоконно-оптическая).

Клапанная ЗДЗ

В защитном устройстве данного типа находится датчик в виде клапанов с выключателями, срабатывающий на повышение давления воздуха в результате появления дуги. Нарастание давления в ячейке способствует выбиванию крышки, которая замыкает контакт датчика (клапана), и происходит защитное отключение оборудования от сети.

Клапанная ЗДЗ проста в исполнении и обслуживании, отличается доступной ценой, надежностью при токах КЗ свыше 3кА. Но в связи с тем, что реле реагирует не на саму дугу, а на ее последствия (повышение давления), то при небольших токах КЗ имеет не вполне высокую чувствительность и несколько длительное время срабатывания.

Мембранная защита от дуги

ЗДЗ мембранного типа наделена шлангами, которые подведены к отсекам ячеек распредустройства. Система шлангов объединена через вентили обратного давления и подключена к мембранному выключателю, который срабатывает при повышении давления воздуха, создаваемого дугой.

Фототиристорный тип дуговой защиты

Относится к электронному виду защиты от дуговых замыканий, реагирует на вспышку от электрической дуги с помощью датчика, в качестве которого применяется полупроводниковый прибор – фототиристор.

Советуем изучить Графические и буквенные условные обозначения в электрических схемах

Дуговая защита на основе фототиристорных датчиков обладает относительно высокой чувствительностью и быстротой реагирования. Однако их невозможно установить для полного обзора, трудно учесть организационные нюансы при контроле исправности. Также фототиристоры могут ложно срабатывать из-за токов утечки, прямых солнечных лучей или включенных ламп освещения.

Волоконно-оптическая ЗДЗ

Следующим представителем электронной защиты от дуговых замыканий является волоконно-оптический вид ЗДЗ – наиболее современный и качественный. Датчики размещают в отсеках ввода, выкатного элемента, в кабельном отсеке. Волоконно-оптическая линия связи служит передающим звеном при срабатывании датчика на вспышку дуги. Микропроцессорный терминал, получив сигнал от датчика, подает команду на отключение выключателей для устранения короткого замыкания.

Волоконно-оптическая ЗДЗ

Важно! Данные устройства релейной защиты наделены достоинствами фототиристорных ЗДЗ и не имеют их уязвимых характеристик. Высокая стоимость волоконно-оптических приборов оправдана эффективностью, надежностью и качеством. Лучшим представителем представленной защиты является прибор “Лайм”, имеющий самые эффективные технические характеристики:

Лучшим представителем представленной защиты является прибор “Лайм”, имеющий самые эффективные технические характеристики:

• реагирование (быстродействие) – 0,7-0,9 мс, то есть выше в 10 раз, чем в обычных устройствах;
• время начала срабатывания – 40 мс;
• длительность работы после отключения (инерция) – 3 с;
• благодаря возможности подключения трех датчиков, достигается угол обзора более 1800С.

С целью экономии средств на монтаж оптической ЗДЗ выбирают рациональный вариант построения защиты, объединяя одноименные зоны: отсеки шинного моста, выключателей, трансформаторов тока. В зависимости от особенностей схемы, также применяют объединение разноименных зон.

Дуговая защита является необходимостью при эксплуатации энергооборудования. Особенно это требуется на предприятиях, в учреждениях и организациях, от бесперебойного электроснабжения которых зависят важные человеческие и технические факторы

Применение надежной и качественной системы защиты от электрической дуги избавит от рисков работу оборудования стратегической важности, а также жизнь и здоровье большого количества людей