Электрические системы, в соответствии с их назначением, большую часть времени обеспечивают потребителей качественной электрической энергией. Но какими бы надежными ни были эти системы, в них неизбежно возникают повреждения и ненормальные режимы, которые, в свою очередь, могут приводить к возникновению аварий [1].

При возникновении повреждения или нежелательного режима управление электрическими системами должно осуществляться по особым алгоритмам. Это необходимо, чтобы и в экстремальных условиях все же обеспечить нормальное электроснабжение хотя бы части потребителей, предотвратить развитие аварии и снизить возможные объемы разрушения поврежденного электрооборудования. Для реализации этих особых алгоритмов управления используются средства противоаварийной автоматики, основу которых составляет релейная защита [1–5].

Релейная защита — это огромная управляющая система, представляющая собой совокупность согласованно и целенаправленно действующих взаимосвязанных разнообразных по природе элементов и автоматических устройств. Она охватывает практически все основные элементы электроэнергетической системы (крупные и мелкие) — от генераторов, вырабатывающих электрическую энергию, до приемников электрической энергии, преобразующих ее в другие виды энергии.

Независимо от того, какие принципы положены в основу отдельных устройств релейной защиты для выявления повреждений, система в целом должна безошибочно находить поврежденные элементы и отделять их от исправной части электроэнергетической системы. Ключевую роль в решении этой задачи играет логика целенаправленного взаимодействия устройств и параметры их срабатывания, обеспечивающие реализацию процедур взаимодействия.

Расчеты, выполняемые с целью определения конкретных значений параметров срабатывания устройств релейной защиты, имеют в связи с этим высочайшую практическую значимость и создают методическую базу для согласования устройств релейной защиты в единой электроэнергетической системе.

Методология расчетов релейной защиты для решения конкретных задач предусматривает поэтапное подробное и тщательное исследование объектов, на которых устанавливаются устройства релейной защиты, и электроэнергетической системы в целом. Выявляются предельные нормальные режимы контролируемых защитами объектов и определяются характеризующие их параметры. С учетом принципов действия защит и возможных повреждений контролируемых элементов электрических систем определяются предельные значения токов при коротких замыканиях. На основе полученных параметров режимов и коротких замыканий формируется структура системы релейной защиты.

Другим важным этапом расчетов является определение параметров срабатывания защит и итерационный процесс взаимного согласования (корректировки параметров срабатывания) с применением графического представления характеристик защит (карт селективности).

Подробно рассмотренные в книге примеры построения на основе изложенного подхода системы релейной защиты электрических сетей напряжением 6-35 кВ, надеемся, позволят читателям получить ясное и целостное представление о процессе проектирования релейной защиты.

В первой главе кратко изложены основные понятия, термины и определения теории релейной защиты. Приведены требования к устройствам релейной защиты и автоматики с учетом возможных алгоритмов ликвидации основных видов повреждений и ненормальных режимов электроэнергетических систем.

Во второй главе рассматривается теория построения токовых защит с применением различной элементной базы. Сформулирован подход к расчету и выбору параметров аппаратуры защиты.

В третьей главе во всей возможной полноте показаны методы решения комплексной практической задачи построения релейной защиты системы электроснабжения. Приведенные примеры расчета параметров релейной защиты основаны на конкретной схеме системы электроснабжения. При необходимости такие расчеты могут быть адаптированы к иным схемам электрических сетей.

Четвертая глава содержит примеры, отражающие специфику согласования средств релейной защиты, выполненных на микропроцессорной и электромеханической базе. Микропроцессорные средства релейной защиты все шире применяются в современной электроэнергетике. В то же время продолжают использоваться и электромеханические устройства, имеющие собственные неоспоримые достоинства. В связи с этим возникает необходимость координации микропроцессорных и электромеханических защит, установленных на смежных участках сети.

В приложениях содержатся необходимые справочные материалы, использование которых поможет решить и многие другие конкретные задачи, связанные с релейной защитой.

Ненормальные режимы обычно связаны с относительно небольшими отклонениями величин напряжения, тока и (или) частоты от допустимых значений [2]. К ненормальным режимам относят перегрузки, однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, а также понижение уровня масла в расширителе масляного трансформатора [3].

Повреждения чаще всего сопровождаются значительным увеличением тока в элементах энергосистемы и глубоким понижением напряжения. Наиболее частыми и опасными повреждениями являются короткие замыкания (КЗ).

Аварии — это нарушения работы электроэнергетической системы или ее части, сопровождающиеся недоотпуском электроэнергии потребителям или недопустимым ухудшением ее качества, разрушением основного оборудования, возникновением угрозы здоровью и жизни людей. Ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждений, а вовремя не выявленные повреждения могут приводить к возникновению аварий.

Релейная защита — это комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого выявления и отделения от сети поврежденных элементов этой сети при их повреждениях и в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы исправной части сети.

Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. На рис. 1.1 приведена схема электрической сети, содержащей линии электропередачи W1—W6 разных уровней напряжения, трансформаторы Т1—Т4, электродвигатель М1, предохранители F1—F3, коммутационные аппараты и эквивалентный источник питания Е_С. Отдельные устройства релейной защиты, установленные на отдельных элементах электроэнергетических систем (генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи, электродвигателях и др.), объединены в единую систему релейной защиты общей целью функционирования.

В соответствии с этим принципом отдельные устройства релейной защиты (например, УРЗ-1—УРЗ-13) функционально связаны между собой практически только общей логикой действий. Причем каждое устройство релейной защиты для локализации повреждения может воздействовать только на коммутационные аппараты того объекта, на котором это устройство установлено.

Система релейной защиты, как правило, включает в себя устройства, разные не только по принципам выявления повреждений, но и по способам воздействия на контролируемый объект. Так, единой логике действий должны подчиняться как сложнейшие многофункциональные устройства релейной защиты, воздействующие на выключатели и другие аппараты управления, так и простейшие защитные устройства (например, предохранители), в которых функции выявления и коммутации поврежденной электрической цепи совмещены. На рис. 1.1 предохранители F1, F2, F3 показаны в цепях питания трансформаторов Т2—Т4.

В некоторых случаях устройства релейной защиты формируют лишь световые и звуковые сигналы, а отделение поврежденного элемента от исправной части электрической сети может производиться вручную оперативным персоналом.