Согласно энергетической стратегии России на период до 2035 года объекты электроэнергетики подлежат модернизации и развитию, а также должны быть оптимизирована структура электрогенерирующих мощностей.
Это означает лишь одно, что устаревшие устройства, участвующие в процессе генерации, трансформации, передачи и потребления электроэнергии, будут постепенно заменены на более современные аналоги.
Релейная защита является неотъемлемой частью электроэнергетического комплекса, и, соответственно, она также подлежит модернизации. В данной статье рассмотрены «классические» устройства релейной защиты и их более современные цифровые аналоги.
Ключевые слова: релейная защита, реле, цифровые устройства релейной защиты .
В релейной технике применяются электромеханические, полупроводниковые, статические, полупроводниковые реле. У одних при срабатывании замыкаются или размыкаются подвижные физические контакты, у других изменяется выходная величина (например, напряжение) при изменении входной (например, тока).
Электромеханическая элементная база использует в качестве органов реле с контактами. Их работа основана на относительном перемещении механических элементов под воздействием тока, проходящего по обмоткам реле.
В реле электромагнитная энергия поля преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. Электромеханические системы могут использоваться для создания реле с одной, двумя и несколькими воздействующими электрическими величинами.
В реле с одной воздействующей величиной осуществляется сравнение вращающего момента M эм с заданным противодействующим моментом M пр , как правило, создаваемым пружиной. Приходится также учитывать момент трения M тр , который, как и момент противодействующей пружины, препятствует срабатыванию и возврату реле.
В реле с двумя и более воздействующими величинами применительно к измерительным реле осуществляется сравнение сформированных из них величин между собой. Для таких реле противодействующий момент M пр не должен быть велик, так как для срабатывания реле требуется большое значение входной величины, однако он необходим для фиксирования контактов реле в начальной положении, когда воздействующая величина отсутствует либо недостаточна. В реле такого типа наиболее высокие требования предъявляются к их основным частям: катушкам и контактам.
Одним из подвидов электромеханических реле являются реле индукционного типа. Примером может служить отечественное реле РТ-80. Главной его особенность является наличие индукционного элемента, который представляет из себя алюминиевый диск, край которого проходит через зазор сердечника. При определенном значении тока, протекающего по обмоткам реле, диск начинает вращаться с определенной скоростью, пропорциональной значению тока. По мере вращения диска, коромысло поднимается, уменьшая зазор между коромыслом и сердечником. В тот момент, когда зазор уменьшится до необходимого размера, якорь 15 притянется к сердечнику электромагнита. Контакты замкнуться, и реле сработает.
Недостатком электромеханических реле является их главная особенность — наличие механических подвижных частей и коммутационный ресурс контактов.
Поляризованные реле являются разновидностью электромагнитных конструкций. В отличие от рассмотренных выше электромагнитных реле якорь поляризованного реле находится под воздействием двух магнитных потоков, из которых один создается током, питающим обмотку реле, а второй — постоянным магнитом. Магнитный поток обмотки называется рабочим, а постоянного магнита — поляризующим.
Конструкция таких реле включает в себя обмотку, постоянный магнит, якорь и контактную систему.
В одном и воздушных зазоров магнитные потоки, создаваемые обмоткой и постоянным магнитом, суммируются, а в другом вычитаются, создавая результирующий магнитный поток. При определенной силе тока суммирующийся магнитный поток становится больше противодействующего, якорь отклоняется, замыкая контакты. При изменении направления тока в обмотке, магнитный поток, создаваемой ею, также меняется свое направление. Поэтому данный тип реагирует не только на значение тока, но и на его направление. Следовательно, данный тип реле является направленным.
При питании реле переменным током якорь реле вибрирует, следуя за изменением направления тока. По этой причине поляризованные реле не пригодны для работы на переменном токе.
Недостатками поляризованных реле являются:
— малая мощность контактов;
— небольшой зазор между ними, от 0,1 до 0,5 мм;
— относительно невысокий коэффициент возврата.
Применение полупроводниковых приборов (диодов и триодов) позволяет уменьшить размеры реле, снизить потребление мощности от измерительных трансформаторов, повысить чувствительность, улучшить характеристики и выполнить реле без контактов и движущихся частей.
Полупроводниковые приборы имеют большие разбросы характеристик, зависимость параметров от температуры и нелинейность сопротивлений. Однако при учете этих недостатков в процессе конструирования их нежелательное влияние на параметры реле можно ограничить до допустимых пределов.
С использованием полупроводников могут выполняться как основные реле (т. е. реле тока, напряжения, мощности и сопротивления), так и элементы логической части схем защит.
Простые реле, реагирующие на одну электрическую величину — ток или напряжение, выполняются, как правило, на выпрямленном токе с помощью диодов.
Более сложные реле, такие как реле мощности и сопротивления, реагирующие на две электрические величины — ток и напряжение
Минусы полупроводниковых приборов:
— имеют большие разбросы характеристик;
— зависимость параметров от температуры;
— нелинейность сопротивлений.
В релейной защите в последнее десятилетие произошли качественные изменения, вызванные широким использованием цифровой (микропроцессорной) техники . Данное явление обусловлено, в первую очередь, существенными преимуществами цифровой релейной защиты по сравнению с электромеханической и электронной релейной защитой. Эти преимущества заключаются в следующем:
— повышении аппаратной надежности, уменьшении массы и габаритов устройств, благодаря существенному уменьшению числа используемых блоков и соединений (одно микропроцессорное устройство выполняет обычно различные защитные функции, для реализации которых ранее требовалось несколько устройств);
— существенном повышении удобства обслуживания и возможности сокращения обслуживающего персонала;
— расширении и улучшении качества защитных функций (чувствительности, селективности, статической и динамической устойчивости функционирования);
— возможности непосредственной регистрации процессов и событий и анализа возникших в энергосистеме повреждений;
— принципиально новых возможностях управления защитой и передачи от нее информации на географически удаленные уровни управления.
Одним из основных отличий цифрового комплекса релейной защиты от электромеханического является принцип их построения. Это связано с разной технической основой и способах обработки информации. Цифровая обработка сигналов и возможность обмена информацией позволили реализовать большой ряд функций, которые невозможно было организовать ранее.
Все это делает возможным повышение эффективности релейной защиты при применении цифровых устройств, благодаря более полному учету повреждений в энергосистеме, большей долговечности и меньшим затратам на обслуживание.
Цифровая релейной защиты обладает рядом существенных особенностей по сравнению с предыдущими поколениями устройств релейной защиты. Это относится, прежде всего, к самой структуре построения защиты, где не существует физических блоков, соответствующих отдельным защитным функциям.
Другим моментом является существенное увеличение в цифровых защитах числа параметров, установка которых производится пользователем, и наличие в сложных защитах большого числа сообщений различного вида.
Как показывает статистика, общий процент неправильных действий ЦРЗ особенно сложных устройств в начальный период эксплуатации не снижается по сравнению с электромеханическими и статическими устройствами защитами, а в некоторых случаях даже возрастает. Это определяется не отказами аппаратуры, а, в первую очередь, ошибками при проектировании и обслуживании, связанными с неправильным использованием отдельных функций защит, ошибками при выборе и установке их параметров и уставок. Эффективным средством снижения ошибок является использование программ расчета уставок и автоматизированных средств проверки. Важно также является обеспечение допустимой электромагнитной обстановки на объекте для снижения влияния помех и исключения возможности повреждения дорогостоящих устройств.
Литература:
- Кузьмин И. Л., Иванов И. Ю., Писковацкий Ю. В. Микропроцессорные устройства релейной защиты: учебное пособие / сост.: И. Л. Кузьмин, И. Ю. Иванов, Ю. В. Писковацкий. — Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2015. — 310 с.
- Чернобровов Н. В. Ч-49 Релейная защита. Учебное пособие для техникумов. Изд. 5-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1974. 680 с. С ил.
- Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей [Текст] / М. А. Шабад. — СПб: ПЭИПК. — 2012. — 350 с.
