Несмотря на разнообразие в схемах и устройствах релейной защиты по назначению и виду параметра, на который реагирует защита, все они имеют общую структуру, и содержит много сходных элементов и узлов. Основными элементами общей структурной схемы (рис. 1) являются:
1) источники постоянного и переменного оперативного тока. К первым относятся аккумуляторные батареи 12–220 В, ко вторым – трансформаторы тока или напряжения, блоки питания, зарядные устройства;
2) датчики информации: трансформаторы тока и напряжения, устройства емкостного отбора напряжения, контакты сигнализации положения коммутационной аппаратуры (выключателей, разъединителей и т.п.);
3) блоки сравнения и логики конструктивно размещаются на панели защиты данного присоединения. К блокам сравнения относятся максимальные и минимальные реле тока или напряжения, реле сопротивления и т.п. Блоки логики содержат реле времени, промежуточные реле, устройства АПВ, АВР;
4) блоки управления и сигнализации конструктивно размещаются на панели управления данного присоединения. Это ключи управления, сигнальные лампы контроля положения выключателей, сигнализаторы положения разъединителей, сигнальные табло и измерительные приборы;
5) блок общей сигнализации содержит устройство мигающего света, реле звуковой сигнализации, звонок, сирену и сигнальное табло.
Как видно на рис. 1, непосредственное управление выключателем и контроль за его положением осуществляется с панели управления. При возникновении КЗ на защищаемом объекте увеличивается ток через трансформаторы тока, снижается напряжение на шинах, уменьшается сопротивление сети, появляется несимметрия в трехфазной системе – токи и напряжения обратной и нулевой последовательности. Различные устройства защиты реагируют на параметры I, U, z, I2, U2, I0, U0 и их комбинации, включая производные. С помощью трансформаторов тока и напряжение эта информация передается по кабелям на панель защиты. В блоке сравнения в зависимости от соотношения входного сигнала и заданных уставок срабатывают соответствующие пусковые реле и включаются реле блока логики, который в необходимой выдержкой времени посылает импульс на отключение выключателя (через панель управления). После отключения выключателя на панели управления начинает мигать сигнальная лампа (вследствие несоответствия положений ключа управления и выключателя), а на панели общей сигнализации горит табло «блинкер не поднят», звонит звонок и работает сирена.
Релейную защиту принято классифицировать по характеру изменения параметра, на который реагирует защита, по назначению в зависимости от ответственности и порядка работы при КЗ, а также для определенных видов КЗ.
1. По характеру изменения параметра защиты разделяются на максимальные и минимальные. Защиты, реагирующие на величины I, I2, U2, I0, U0, возрастающие в условиях КЗ, называются максимальными. Защиты, реагирующие на величины U, z, снижающиеся при КЗ, называются минимальными.
2. По назначению в зависимости от ответственности и порядка действия при КЗ защиты классифицируют как основные, резервные и дополнительные.
Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов КЗ в пределах всего защищаемого элемента со временем, меньшим, чем у других установленных защит. Например, токовая отсечка без выдержки времени, дифференциальная защита элемента и т.д.
Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного элемента в случаях ее отказа или вывода из работы (ближнее резервирование), а также вместо защит смежных элементов при их отказе или в случаях отказов выключателей смежных элементов (дальнее резервирование).
Необходимость ближнего резервирование применяется как правило на ответственных элементах электрической сети для исключения тяжёлых последствий от несвоевременных отключений, таких как значительное повреждения дорогостоящего оборудования, нарушение устойчивости энергосистемы, потеря питания ответственных потребителей. Также одним из требований по усилению ближнего резервирования объекта является отсутствие обеспечения защитами смежных объектов требуемой чувствительности в режиме дальнего резервирования. Обеспечение ближнего резервирования выполняется путем установки на защищаемом элементе дополнительных устройств релейной защиты, выполняемых на принципах, отличающихся от основной защиты. Например, на трансформаторах большой мощности в качестве основных защит применяются газовая и дифференциальная защиты, а в качестве резервных применяются максимальная токовая, защита нулевой последовательности и т.д. На линиях электропередачи напряжением 110 кВ и выше в качестве основной применяется дифференциально-фазная или продольная дифференциальная защита, в качестве резервных – дистанционная и токовая направленная защита нулевой последовательности.
Дальнее резервирование – наиболее распространенное средство резервирования защит в сети низкого, среднего и высокого напряжения. Выполняется с использованием защит предшествующих элементов.
Пример выполнения дальнего резервирования с применением максимальной токовой защиты (МТЗ) и токовой отсечки (ТО) приведен на рис. 2. В данном случае функцию дальнего резервирования выполняет защита МТЗ-2. Критерий обеспечения дальнего резервирования является достаточная чувствительность МТЗ-2 релейной защиты РЗ1 при двухфазном коротком замыкании на ПСВ при минимальном режиме работы энергосистемы.
Дополнительной называется защита, обеспечивающая частичное дублирование основной защиты и действующая в этом случае одновременно с ней. Обычно это простая защита, основанная на другом принципе и отключающая наиболее тяжелые виды КЗ на части защищаемого участка. Такой защитой может быть, например токовая отсечка, предназначенная для ликвидации близких междуфазных коротких замыканий.
1. По назначению для определённых видов КЗ классификация защит зависит от режима заземления нейтрали сети. Для сети 110 кВ и выше, работающих с эффективно заземленной нейтралью, выделяют защиты от между фазных повреждений (максимальные токовые и дистанционные), от замыканий на землю (максимальные токовые нулевой последовательности) и от всех видов повреждений (дифференциальные, дифференциально-фазные и направленные высокочастотные защиты, а также приставки высокочастотной блокировки).
2. По способу обеспечения селективности при внешних коротких замыканиях, можно выделить два вида защит: с относительной селективностью и абсолютной селективностью.
Защиты с относительной селективностью.
К данной группе относятся следующие виды защит: токовые, токовые направленные, дистанционные, защиты по напряжению. Особенностью достижения селективного действия для данных защит является, то, что время срабатывания зависит от точки КЗ или расстояния между местом установки защиты и места КЗ. При увеличении расстояния до места КЗ увеличивается и время срабатывания защиты. Время срабатывания защиты принято называть выдержкой времени. Для обеспечения селективного действия направленных защит необходимо дополнительно контролировать направление мощности короткого замыкания. На данный момент распространение получили защиты со ступенчатыми (рис. 3, а), непрерывными (рис. 3, б) и комбинированными (рис. 3, в) характеристиками времени срабатывания.
Защита, выполненная по ступенчатому принципу, обычно содержит три ступени. Каждая ступень характеризуется выдержкой времени и защищаемой зоной. На рис. 4 показан пример характеристики выдержек времени и защищаемой зоны трехступенчатой защиты РЗ1 линии между подстанциями А и Б. Время срабатывания первой ступени tIРЗ1 не устанавливается, так как является быстродействующей защитой. Время срабатывания данной защиты определяется быстродействием измерительных органов и других элементов устройства защиты и обычно не превышает 0,1 с. При этом невозможно обеспечить защиту всей линии АБ и исключить срабатывания первой ступени при КЗ в начале смежной линии БВ, поэтому для исключения излишних срабатываний защищаемая зона lII охватывает только часть линии. Повреждения в конце линии АБ ликвидируется второй ступенью защиты. Ее защищаемая зона охватывает также шины подстанции Б и часть линии БВ. Исключение неселективного срабатывания второй ступени достигается выбором времени срабатывания второй ступени tIIРЗ1=0,3÷0,5 с (в зависимости от элементной базы устройств РЗА). Также вторая ступень выполняет функцию резервирования работы первой ступени (ближнее резервирование), и осуществляет дальнее резервирование при КЗ в пределах своей защищаемой зоны. Третья ступень предназначена в основном для выполнения функции дальнего резервирования, но также резервирует работу первой и второй ступеней. Защищаемая зона третьей ступени, как правило, выходит за пределы смежных элементов (линия БВ), а время срабатывания защиты tIIIРЗ1 выбирается по ступенчатому принципу. При этом в зависимости от места включения защиты в системе электроснабжения время срабатывания третьей ступени может достигать нескольких секунд.
Защиты с абсолютной селективностью.
К этой группе относятся защиты, основанные на непосредственном или косвенном сравнении электрических величин по концам защищаемой линии или на двух или нескольких присоединенных к общим шинам линиях электроустановки. В первом случае защиты называются продольными, а во втором – поперечными.
В защитах с абсолютной селективностью могут сравниваться мгновенные токи или фазы токов, а также знаки мощностей или иногда направления мгновенных токов.
Защиты, непосредственно сравнивающие мгновенные токи, называются дифференциальными токовыми; разновидность является дифференциально-фазные токовые, в которых сравниваются фазы токов. Защиты, сравнивающие знаки мощностей, называются направленными.
На рис. 5, а показана линия с двухсторонним питанием, оборудованная защитой с абсолютной селективностью. Уловные положительные направления токов I1 и I2 с двух ее сторон, показанные на схеме стрелками, приняты от шин А и Б в сторону линии. При КЗ на защищаемой линии (точка К1) токи КЗ I1 и I2 сдвинуты по фазе на относительно небольшой угол (рис. 5, б), определяемый углом сдвига ЭДС ЕА и ЕБ и неодинаковыми углами сопротивлений arctg(XA/RA) и arctg(XB/RB) двух частей системы по отношению к точке К1. В случаях внешних КЗ (точка К2) этот угол равен 180º (рис. 5, в).
