Полное руководство по системам электрозащиты: устройства, реле и координация

Устройства и системы электрозащиты

Подробная статья о различных типах защиты для электрических систем и сетей. Охватываются методы защиты, устройства, селективность и координация, защита линий, кабелей, трансформаторов, двигателей, генераторов, конденсаторных батарей, шин, напряжения и частоты. Сохраните для дальнейшего изучения.

Введение в системы электрозащиты

Электроустановки HV (высокое напряжение), MV (среднее) и LV (низкое) подвержены внутренним и внешним неисправностям, способным причинить серьезный вред персоналу и оборудованию.

Для предотвращения и минимизации последствий неисправностей требуются устройства защиты, способные разрывать электрический ток.

Для лучшего понимания в каждом разделе рассматриваются наиболее частые неисправности соответствующего оборудования.

Все единицы механических и электрических параметров и их кратные/дробные величины соответствуют СИ; исключения: время в часах (h) вместо секунд, температура в °C вместо Кельвинов (K = °C + 273,15).

Устройства защиты и технологии

Устройства защиты

Для минимизации времени неисправности коммутационное оборудование оснащается защитными устройствами для обнаружения и изоляции поврежденного участка.

Требуются: раннее обнаружение и локализация неисправностей и быстрое отключение неисправного оборудования для:

• Сохранения работоспособности всей системы и непрерывности питания
• Минимизации ущерба и затрат на ремонт
• Обеспечения безопасности персонала

Ранее для защиты от перегрузок и токов КЗ широко использовались предохранители, они популярны в Северной Америке и до сих пор применяются в установках до 1000 В и в кабелях/трансформаторах до 630–1250 кВА.

Однако сложность сетей и требования надежности требуют более точных устройств защиты.

Современные реле защиты — более надежны, точны и способны обнаруживать не только перегрузки/токи КЗ, но и другие типы неисправностей в сетях и оборудовании.

Они срабатывают и инициируют отключение при обнаружении аварийного режима.

Каждая схема защиты системы питания состоит из:

• Реле обнаружения/измерения неисправностей
• Реле отключения и вспомогательных реле
• Автоматических выключателей
• Измерительных трансформаторов — тока (ТТ) и напряжения (ТН)

Первые модели реле защиты были электромеханическими, все еще используются в старых установках.

Это были реле с притягиваемым якорем: вторичный ток ТТ проходит через катушку, притягивая якорь против пружины. Движение замыкает контакт отключения.

Рис. 1 — Электромеханическое реле защиты

Теперь широко применяются электронные (полупроводниковые) и микропроцессорные реле защиты.

• Электронные реле — одна защитная функция, для разных функций нужны разные реле.
• Микропроцессорные реле — множество функций: защита, управление, мониторинг.

Интеллектуальные электронные устройства (IED)

Микропроцессорные реле известны как Intelligent Electronic Devices (IED), предоставляют:

• 5–12 функций защиты
• 5–8 функций управления отдельными устройствами
• Функцию автоподключения, самоконтроля и связи

Основные особенности IED:

• Множество функций в одном реле
• Групповые уставки, легко изменяемые при переконфигурации
• Программируемые выходные реле
• Порты связи для подключения к SCADA (Система диспетчеризации и сбора данных)
• Хранение последовательности событий для недавних неисправностей
• Осциллограммы/захват волн — сохранение форм тока/напряжения до и после КЗ
• Измерения, блокировки, помощь в обслуживании ВР
• Локатор неисправностей — отображение расстояния до КЗ

Рис. 2 — IED

Функции и сложность IED определяются защищаемым оборудованием, характеристиками сети и необходимыми дополнительными действиями.

Современные IED соответствуют МЭК^[2] Стандарту 61850 — протоколу связи для автоматизации подстанций, обеспечивающему интероперабельность и расширенные коммуникации.

Рост числа точек защиты/управления/мониторинга резко увеличивает объем данных подстанции. Данные в цифровом виде требуют обработки и анализа.

В традиционных системах данные от реле идут через РТУ (Remote Terminal Unit) в SCADA. Требуются обширные и дорогие кабели.

В современных системах с IED проводка между преобразователями и измерительными приборами не нужна. Данные идут прямо в SCADA через высокоскоростную выделенную сеть. Объем данных возрастает драматически.

Для связности используется сеть данных LONWORKS Local Operating Network (LON).

Стандарт МЭК 61850 определяет протоколы связи, работающие поверх TCP/IP сетей или подстанционной LAN на коммутируемом Ethernet для времени отклика < 4 мс.

Реле защиты и их коды

В подстанциях ВН/СН, оборудовании, коммутационных установках и электростанциях чаще всего применяются реле с кодами по IEEE/ANSI^[3]/МЭК:

• Защита подшипников (38)
• Защита от отказа выключателя (50 BF)
• Дифференциальная защита шины (87B)
• Направленная нулевая защита от тока КЗ (67N/67G)
• Направленная фазная защита от тока КЗ (67)
• Мгновенная нулевая защита от тока КЗ (50N/50G)
• Мгновенная фазная защита от тока КЗ (50)
• Защита от потери возбуждения (40)
• Защита от потери фазы (48)
• Защита от перевозбуждения (24)
• Защита от пере/недочастоты (81)
• Дифференциальная защита ЛЭП (87L)
• Дистанционная защита ЛЭП (21)
• Защита от перегрузки (49)
• Защита от перескорости (12)
• Защита от перенапряжения (59)
• Ограниченная нулевая защита (64G/64REF)
• Защита от обратной мощности (32)
• Времязадержанная нулевая защита от тока КЗ (51N/51G)
• Времязадержанная фазная защита от тока КЗ (51)
• Дифференциальная защита трансформатора (87P)
• Защита от сниженного напряжения (27)
• Слабый концевой питание (21WI)
• Защита от неверной последовательности фаз (47)

Для ЛЭП ВН, силовых трансформаторов ВН и СН мощностью выше 3–4 МВА обычной практикой является применение двух комплектов защиты — «основной» и «резервной» для повышения надежности.

Защита предохранителями

Предохранитель — низкоомный резистор, работающий как «жертвенное устройство» для защиты от перетоков, все еще используется в установках до 1000 В и до 1000 В.

Основной элемент — металлическая полоса или проводник, плавящийся при превышении тока, разрывая цепь и предотвращая перегрев/пожар.

Плавкий элемент имеет малое сечение по сравнению с проводниками цепи и заключен в негорючее тело.

Материалы: цинк, медь, серебро, алюминий или сплавы. Корпуса: керамика, стекло, пластик, стекловолокно, слюда, прессованное волокно.

Предохранители устанавливаются в держатели, предназначенные для конкретных типов и напряжений (например, HRC).

Рис. 3 — Низковольтный предохранитель типа NH и держатель

Рис. 4 — Средковольтные предохранители и держатель

Основные электрохарактеристики предохранителей:

• Номинальное напряжение
• Номинальный ток (I_n): макс. ток, который предохранитель может проводить бесконечно без срабатывания
• Разрывоспособность (I₁): макс. прогнозный ток КЗ, который предохранитель может разорвать (обычно 20–63 кА)
• Минимальный прерывающий ток (I_f): мин. ток, способный сработать предохранитель
• Условный неплавкий ток (I_nf): ток, который предохранитель выдерживает за заданное время без плавления (например, I_nf = 1,25×I_n)
• Номинальное плавкое тепло (I²t): энергия для плавления элемента (по закону Джоуля), константа для каждого элемента
• Времени-токовая характеристика: время срабатывания в зависимости от тока (по стандартам производителей)

Рис. 5 — Времени-токовая характеристика предохранителей

Окружающая температура меняет параметры предохранителя — необходима корректировка. Например, предохранитель на 1 А при 25 °C может проводить на 10–20% больше при -40 °C и срабатывать на 80% от номинала при 100 °C. Точные значения в даташитах производителей.

Основные факторы выбора предохранителя:

• Рабочий ток
• Номинальное напряжение (AC/DC)
• Окружающая температура
• Ток перегрузки и время срабатывания
• Макс. доступный ток КЗ
• Импульсы, пусковые токи, переходные процессы
• Гabarитные ограничения
• Особенности предохранителя (тип монтажа, индикация и т.д.)
• Особенности держателя
• Применение
• Национальные правила и стандарты

Французский стандарт NF EN 60269 классифицирует предохранители по времени-токовым кривым, функциям и применению (широко используется во многих странах):

• gL/gG — защита кабелей и электроустройств. Селективность при запасе двух номиналов (напр. 160 А и 100 А). Применение: все уровни распределения энергии в промышленности и жилых домах.
• aM — прямая защита двигателей, работает с термореле. Селективность с gG предохранителями вышестоящими. Применение: защита двигателей НН.
• gR — ультрабыстрая защита полупроводников, сильно ограничивающая ток, низкое I²t. Применение: защита силовой электроники (мягкие пускатели, статические реле, ИБП, частотники).

При защите предохранителями входные выключатели-предохранители обязательны для безопасности, чтобы обеспечить разрыв цепи перед заменой предохранителя или ТО.

При только предохранительной защите обнаруживаются только межфазные токи КЗ, для других неисправностей (утечка, ток КЗ на землю) нужны реле защиты и УЗИП (GFCI).

В этом случае выключатели должны иметь катушку размыкания, активируемую внутренней защитой оборудования.

Другая мера: предохранители должны иметь механическое устройство (ударник/штырь), размыкающее выключатель при срабатывании хотя бы одного предохранителя для полного отключения неисправной установки.

Предохранители также должны иметь цветной диск, выпадающий при срабатывании, или окно индикации в теле предохранителя.

Селективность и координация защиты

Введение в селективность и защиту

При задании уставок реле защиты или номинальных токов предохранителей и ВР до 1000 В (например, ВВ — воздушные выключатели) необходимо обеспечить, чтобы срабатывало только устройство, связанное с неисправной цепью, а не другие защитные устройства, что вызвало бы серьезные нарушения в сети и качестве/непрерывности снабжения.

Для этого требуется изучение селективности и координации защиты.

Основные принципы

Исследования координации реле защиты проводятся для определения уставок реле.

Уровни КЗ должны быть определены для всех возможных режимов работы системы, чтобы оценить способность реле к обнаружению и устранению неисправностей.

Схемы защиты настраиваются так, чтобы отключать минимально возможную часть электросистемы, минимизируя нарушения от неисправности.

Время срабатывания реле определяется для соответствия кратковременной устойчивости первичного оборудования, требованиям устойчивости системы и нормативным требованиям. Обеспечиваются правильные запасы по току и времени для исключения неселективности.

При настройке дистанционных реле на двухцепных ЛЭП ВН учитывается нулевое последовательное взаимосвязывание между цепями для минимизации пере/недозахвата.

Времени-токовые характеристики реле и их уставки должны быть тщательно скоординированы для достижения селективности.

Цель: отключить только неисправный элемент и остальную часть системы оставить в работе для минимизации перерывов и обеспечения устойчивости.

Селективность (дискриминация) между устройствами защиты — это «координация устройств защиты для того, чтобы неисправность в любой точке сети устранялась вышестоящим устройством защиты, непосредственно вышестоящим по отношению к неисправности, и только этим устройством».

Пример на однолинейной схеме (Рис. 6) с системами защиты SP1–SP6:

Рис. 6 — Однолинейная схема электроустановки

Селективность означает: при КЗ в точке A должно сработать только SP5, остальные — нет.

Два принципа селективности:

• Токовая дискриминация
• Временная дискриминация

Селективность и координация в сетях 0,4/10/110 кВ

При изучении селективности учитывают конфигурацию и сложность сети.

• Сети 0,4 кВ распределения и потребителей — обычно радиальная схема.
• Сети 6–10(35) кВ распределения — комбинация радиальной и двухстороннего питания с точкой НО и важной сложностью.
• Потребительские сети 6–10(35) кВ — обычно радиальные, на крупных заводах — двухстороннее питание с точкой НО.

Для сетей 110 кВ и выше передачи и 6–10(35) кВ распределения из-за сложности нужны специализированные инженеры и специализированное ПО (ETAP, PSS/E, EPSO, PTW).

Изучения селективности потребительских сетей 6–10(35) кВ обычно проще и могут следовать базовым инструкциям.

Особое внимание границе сети электросетевой организации (ввод) и потребительской сети — протокол координации защиты должен быть согласован между сторонами.

Для сетей 0,4 кВ с ВР и/или предохранителями селективность пар «ВР/ВР», «предохранитель/предохранитель» и «ВР/предохранитель» проверяется сравнением «времени-токовых характеристик» для заданного тока КЗ, используя принципы токовой и временной дискриминации.

Токовая дискриминация для защиты от перегрузок: селективна, если отношение уставок > 1,6.

Временная дискриминация для защиты от КЗ: вышестоящее устройство с задержкой, нижестоящее срабатывает быстрее; селективна, если отношение уставок по току КЗ ≥ 1,5.

Защита кабельных вводов

Подробнее в обновленной статье «Защита кабельных вводов — типы неисправностей, причины и дифференциальная защита».

Неисправности и защита трансформаторов

Тема обширная, перенесена в «Защита и неисправности силового трансформатора».

Неисправности и защита воздушных линий

Перенесено в «Неисправности и защита воздушных линий электропередач».

Защита двигателей

Перенесено в «Защита двигателей, типичные неисправности и устройства для ВН и НН».

Защита генераторов

Обсуждалось в «Защита генераторов, типичные неисправности и устройства».

Прочая защита

Защита напряжения и частоты

Колебания нагрузки, коммутации и аварии электростанций вызывают отклонения напряжения и частоты за допустимые пределы.

Это ведет к повреждению оборудования и частичным или полным черноутам.

Для предотвращения применяются защита от пониженного и повышенного напряжения (коды 27 и 59) и частоты (коды 81U и 81O).

Защита коллекторных шин

В подстанциях ВН обычно устанавливают реле защиты шин, чаще всего дифференциальную защиту (87B).

Реле подключается ко всем ТТ подстанции для оценки суммы входящих и исходящих токов (Рис. 25).

Рис. 25 — Схема дифференциальной защиты коллекторных шин

Принцип основан на законе Кирхгофа — законе тока.

ТТ защиты шин должны находиться на стороне ввода выключателя. Если на стороне шины — существует слепая зона защиты.

Применение реле высокого импеданса в дифференциальной защите делает систему более толерантной к насыщению ТТ.

Нелинейный резистор параллельно клеммам реле ограничивает напряжение на дифференциальном реле до безопасного значения при аварийных режимах.

Реле высокого импеданса широко используются в современной дифференциальной защите шин ВН.

Преимущество: могут быть настроены на нечувствительность к внешним КЗ даже при полном насыщении одной ТТ.

Худший случай внешнего КЗ: одна ТТ полностью насыщена, другая — нет. Возникающий дифференциальный ток создает макс. напряжение на реле. Уставка (в вольтах) выбирается с запасом, чтобы защита не сработала на внешнем КЗ.

Сопротивление вторичных обмоток ТТ и кабелей должно быть известно и используется в расчете уставок.

При внутренних КЗ высокий импеданс реле заставляет большую часть дифференциального тока течь через магнитизирующие импедансы ТТ. Напряжение на реле — по сути холостое напряжение ТТ, далеко выше уставки. Нелинейный резистор (варистор) ограничивает напряжение до безопасного уровня.

При обнаружении КЗ на шине отключаются все выключатели на этой шине. КЗ на шине почти всегда постоянны, а не переходные. Автоподключение после КЗ на шине недопустимо. Защита шины часто блокирует автоподключение, инициированное другими защитами.

Многие подстанции используют схемы шин типа двойная шина (Рис. 26), где вводы можно переключать изоляющими ножами.

Рис. 26 — Схема с двойной коллекторной шиной

Это усложняет защиту: вторичные цепи ТТ должны переключаться вспомогательными контактами ножей.

Обычно: одна зона защиты на секцию шины — дискриминирующие зоны.

Дополнительно: еще одна зона дифференциальной защиты на всю подстанцию — контрольная зона.

Для отключения шины при этой схеме нужно срабатывание и дискриминирующей зоны, и контрольной зоны.

Защита от отказа выключателя (Breaker Failure Protection)

В подстанциях ВН часто применяют защиту от отказа ВР (50BF), если ВР не срабатывает от команды отключения, определяется по неисчезновению тока КЗ. Эта резервная защита посылает команду отключения на вышестоящие или смежные выключатели.

Функция 50BF активируется бинарным сигналом 0/1 от функций защиты от тока КЗ (50/51, 50N/51N, 46, 67N, 67). Проверяет исчезновение тока в течение заданного интервала T.

Может учитывать положение ВР, считываемое на логических входах для определения фактического размыкания. Проводка контакта положения ВР (замкнутый при замкнутом ВР) на вход уравнения редактора гарантирует эффективность защиты при:

• Активации 50BF функцией 50N/51N (уставка I_s0 < 0,2 I_n) — детектирование тока 50BF может быть неработоспособно.
• Использовании контроля цепи отключения (TCS) — контакт положения ВР закоротчен.

Автоматическая активация требует программной логики управления ВР. Специфический вход может активировать защиту из редактора уравнений (полезно для спец. случаев, напр. отключения внешним блоком защиты).

Задержанный выход защиты назначается на логический выход через матрицу управления.

Запуск и останов таймера задержки T обусловлены наличием тока выше уставки (I > I_s).

Слабый концевой питание (Weak End Infeed)

Защита слабого концевого питания — дополнение к дистанционной защите, используется, если ток КЗ на ЛЭП ниже уставки дистанционной защиты.

Защита конденсаторных батарей

Каждая фаза конденсаторной батареи — группы конденсаторов в последовательном соединении для повышения коэф. мощности. 3 фазы соединены в звезду, нейтраль изолирован или заземлен по режиму сети (Рис. 27).

Рис. 27 — Схема конденсаторной батареи

Типичные неисправности конденсаторных батарей:

• КЗ конденсаторов или кабелей соединений
• КЗ между блоками и металлоконструкцией (КЗ на землю)
• Перегрузки от гармоник сети
• Пробой диэлектрика от перенапряжений или молний

При отказе группы конденсаторов при заземленном нейтрали батарея дисбалансируется и в нейтрали появляется ток.

Каждый конденсатор или группа обычно защищены предохранителями, устанавливаемыми производителем.

Предохранители должны иметь I²t характеристику, не срабатывающую от пускового тока при включении батареи.

Основные устройства защиты конденсаторных батарей:

• Мгновенная фазная защита от тока КЗ (50)
• Мгновенная нулевая защита от тока КЗ (50N/50G)
• Времязадержанная фазная защита от тока КЗ (51)
• Времязадержанная нулевая защита от тока КЗ (51N/51G)
• Защита от перенапряжения (59, в тексте было 49 — исправлено на 59)

---

^[1] HV: High Voltage (V ≥ 60 кВ); MV: Medium Voltage (1 кВ < V < 60 кВ); LV: Low Voltage (V ≤ 1 кВ).

^[2] МЭК: Международная электротехническая комиссия.

^[3] IEEE: Институт инженеров электротехники и электроники. ANSI: Американский национальный институт стандартов.

^[4] Резистивный емкостной ток при однофазном КЗ на землю (I_C) = 3X_cU, где X_c — емкостной реактивный сопротивление кабеля, U — межфазное напряжение.

^[5] В статье Газоизолированные трансформаторы (GIT) не рассматриваются.

^[6] rms: квадратный корень из среднего квадрата (СКЗ).

^[7] Первичный привод — компонент, вращающий генератор: ДВС, газовые/паровые турбины, ветро/гидротурбины.

^[8] Поле синхронного генератора — катушки, создающие магнитный поток при возбуждении. Поток пересекает якорь, индуцируя выходное напряжение.

Об авторе: Мануэль Болотинья

• Диплом инженера электротехники — Энергетика и системы электроснабжения (1974, Instituto Superior Técnico/Университет Лиссабона)
• Магистр электротехники и компьютерной инженерии (2017, Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
• Старший консультант по подстанциям и системам электроснабжения; профессиональный инструктор