Статья И. В. Матвеева.
Источник: http://www.rza.org.ua/article/a-11-1.html
История релейной защиты и автоматики в отечественной науке
Содержание
Введение
1. Электромагнитное реле
2. История развития релейной защиты
3. История расчетов аварийных режимов
Заключение
Введение
Из всех известных сегодня видов энергии электрическая занимает особое положение. Ее исключительные качества, такие как возможность трансформации и легкое преобразование в другие виды энергии: тепловую, механическую, обусловили сегодняшнее широкое развитие электроэнергетических систем (ЭЭС). Сегодня производство, доставка и распространение электрической энергии осуществляется множеством служб: производства энергии, оперативные службы, диспетчерские службы распределительных сетей, ремонтники электрического оборудования и другие. Нужно отметить, что доставка и распространение электрической энергии обладает рядом отличительных особенностей, не характерных другим отраслям промышленности. Так например мгновенное распространение электрического тока, а также возможность передачи огромного количества энергии (при высоком напряжении) может привести к чрезвычайным последствиям в случае возникновения аварии. Вот почему ЭЭС особое место отводится обеспечению защиты. Сегодня разработано множество принципиальных схем защиты линий, аппаратов и участков сетей от возникновения ненормальных режимов, самыми опасными из которых являются Короткие Замыкания (КЗ). Кроме систем защиты также особое значение имеет контролирование параметров сети на отдельных ее участках, а также оперативное удаленное управление коммутационной аппаратуры. Телемеханика и измерения, наряду с защитой от ненормальных режимов, обычно также является зоной ответственности службы релейной защиты, обычно называют Служба Релейной Защиты, Автоматики и Измерений (РЗАИ). В данном реферате кратко представлена история возникновения и развития релейной защиты как таковой, история созданию электромагнитного реле, а также история разработки основных принципов проектирования защит, в заключении представлены перспективы для дальнейшего развития релейной защиты.
История релейной защиты и автоматики в отечественной науке
ГОУ ВПО «Камчатский государственный университет имени Витуса Беринга»
Матвеев И.В.
1. Электромагнитное реле
Свое название релейная защита получила от названия основного элемента схем защиты – реле. Историки утверждают, что реле впервые было разработано и построено русским ученым Павлом Шиллингом в 1830 -1832 гг. Это реле составляло основную часть вызывного устройства в разработанном им телеграфе [1]. Позже этот электрический аппарат получил название реле , от французского relais , что означало смену уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты спортсменом.
Первоначально электромеханическое реле представляло собой металлический сердечник (в виде бруска, стержня или подковообразной формы), на который намотано некоторое число витков провода. Неподалеку от торца металлического сердечника располагался якорь ,- подвижный элемент с металлической накладкой. При подаче в катушку постоянного тока, возникающее магнитное поле притягивает якорь к сердечнику катушки. Если якорь механически связать с контактной группой так, чтобы при притягивании якоря контакты замыкались или размыкались, получится коммутирующие реле . Такое реле называют сегодня реле тока .
В широком смысле реле - это любой аппарат, дискретно изменяющий свое состояние в зависимости от значения какой-то внешней, измеряемой величины. Нередко реле получает свое название в зависимости от контролируемого параметра. Так например тепловое реле , выполненное на основе биметаллической пластины в зависимости от температуры изменяет состояние своих электрических контактов (Рис. 2).
В отрасли релейной защиты термином реле обычно обозначают автоматически действующее устройство, производящее скачкообразное изменение (релейное действие) в управляющей системе при заданном изменении контролируемых параметров. Так, например, реле максимального тока при увеличении тока в контролируемой цепи (куда включена токовая обмотка этого реле) до заданного значения, называемого током срабатывания , замыкает своими контактами управляемую цепь.
В релейной защите применяются реле тока и напряжения , тепловое реле , реле сопротивления , индукционное реле и другие.
Широкое применение реле в начале XX столетия связано с развитием электрических систем. В 1901 г. появляется первое многофункциональное реле типа RI, и именно это время следует связывать с зарождением релейной защиты в России. В эти же годы появляются индукционные токовые реле. Появление в России зарубежного энергетического оборудования потребовало создания специальных служб, связанных с обеспечением надежной работы устройств релейной защиты. До октября 1917 года эти службы в основном возглавлялись представителями фирм-поставщиков основного энергетического оборудования: ASEA, Siemens и др. Впервые в России наиболее солидным предприятием, занявшимся теоретическими и практическими вопросами релейной защиты, стала лаборатория имени А.Л. Смурова в Ленинграде. Эту лабораторию возглавил Виктор Иванович Иванов.
Помимо релейной защиты реле применяется и в других технических областях: автоматике, телемеханике, телеграфии, телефонии и т.д.
В последнее время широкое распространение получают полупроводниковые коммутационные приборы, такие как тиристоры, симисторы, транзисторы. Они позволяют производить бесконтактную коммутацию цепи, возможна работа с большими токами и напряжением. К преимуществам полупроводниковых устройств также следует отнести быстродействие и отсутствие механических частей. Однако следует отметить, что полупроводниковые приборы не смогут окончательно заменить электромеханическое реле. Это связано с тем, что в ряде случаев от коммутирующего аппарата требуется так называемый «видимый разрыв», это определяется требованиями к безопасности персонала. Также при наладке устройств защиты часто требуется механически произвести коммутацию, удерживать реле в замкнутом или разомкнутом состоянии независимо от управляющего воздействия. Перечисленные требования проблематично обеспечить в полупроводниковых устройствах.
Рис. 1 - конструкция геркона (реле магнитного поля);
Рис. 2 - конструкция температурного реле;
2. История развития релейной защиты
В 1888 г. выдающийся русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский, которому принадлежит много работ и изобретений в разных областях электротехники, изобрел систему трехфазного тока. Вскоре под его руководством впервые в мире была осуществлена передача электрической энергии токами высокого напряжения (15 кВ) на большое расстояние. Это было важным событием в истории электроэнергетики, и системы трехфазного тока вскоре получили широчайшее применение. Однако их эксплуатация, как и других электрических систем, невозможна без защит от электрических повреждений, наиболее опасным из которых является КЗ. В электрической системе КЗ обычно сопровождаются резким возрастанием тока. Поэтому первыми появились токовые защиты , действующие в случае, когда ток в защищаемом элементе превышает заранее установленное значение. Первоначально токовые защиты выполнялись с использованием плавких предохранителей, которые и до этого использовались для защиты электрических установок еще с конца 19 века. Но недостатки плавких предохранителей очевидны: это их одноразовость и также недостаточная точность определения предельного тока. И в скором времени плавкие предохранители в ряде случаев перестали удовлетворять своему назначению, вместо них повсеместно стали использоваться электромагнитные реле. Первые попытки использования реле для защиты от коротких замыканий относятся к началу 1890-х годов, когда появились электроустановки с первичными электромагнитными реле тока прямого действия , установленными непосредственно на выключателях. Широкое применение для защиты реле получают, однако, только с первых десятилетий 20 столетия в связи с развитием электрических систем. С 1901 г. появляются индукционные реле тока, построенные на базе индукционных измерительных механизмов, предложенных и разработанных также М.О. Доливо-Добровольским. Тогда шведской фирмой ASEA было разработано индукционное дисковое реле типа RJ которое в практически неизменной форме с успехом используется и сейчас. В 1905-1908 г.г. разрабатываются дифференциальные токовые защиты, основанные на сравнении токов на разных участках защищаемой линии (Рис. 4). С 1910 начинают применяться токовые направленные защиты; к этому же времени относятся попытки выполнения дистанционных реле ( реле сопротивления ), завершившиеся выпуском в начале 20-х годов созданием дистанционных защит. В 1923-1928 г.г. предпринимаются первые шаги по использованию для релейной защиты токов высокой частоты, передаваемых по проводам защищаемых линий. К 20-тым годам двадцатого века относится также выпуск первых обобщающих публикаций по релейной защите, выполняемой на электромеханической элементной базе. К ним, в частности, относится книга под редакцией немецкого электротехника Р. Рюденберга, перевод которой на русский язык был выпущен в 1930 г. В 30-х годах была опубликована на ту же тему более глубокая по содержанию книга под редакцией М. Шлейхера, написанная с участием Нейгебауера. К рассматриваемому периоду относится также появление оригинальных обобщающих трудов советских авторов по вопросам защиты, первым из которых является монография В.Л. Иванова "Реле и релейная защита" [2]. Эта весьма ценная работа, не потерявшая значения и по настоящее время. В 1934 г. были опубликованы результаты разработок на электронных лампах реле различного назначения. В эти же годы в Советском Союзе была разработана на электронных лампах дистанционная защита. Однако на практике она распространения не получила; единственным, вероятно, исключением было многолетние использование ламповых приемопередатчиков в каналах для передачи высокочастотных сигналов по проводам защищаемых линий для осуществления быстродействующих защит. Более перспективным оказалось применение полупроводников (медно-закисных и селеновых выпрямителей), начатое также еще в 30-е годы для выполнения реле, работающих на выпрямленных токах. Дальнейшее развитие это направление получило в конце 40-х годов, когда стало возможным применение германиевых, кремниевых диодов и транзисторов. В последующие годы в Советском Союзе и за рубежом разрабатывались и выполнялись с использованием полупроводников как отдельные бесконтактные реле и устройства, так и защиты в целом. Опыт выполнения и эксплуатации таких защит несмотря на ряд возникающих трудностей оказался безусловно положительным. Однако надежды, возлагавшиеся на полупроводниковые защиты по потребляемым мощностям и связанным с ними чувствительностям, оправдались не полностью. Выявилась также их относительно невысокая надежность, обусловленная недостаточной стабильностью параметров и наличием весьма большого количества внешних соединений между отдельными функциональными элементами защиты. Положение с применением для защиты полупроводниковой элементной базы существенно изменилось в 60-е годы после разработки и начавшегося внедрения в разные области интегральной микроэлектроники со все возрастающей степенью интеграции, когда в одном кристалле удается "упаковывать" очень большое число элементов: резисторов, конденсаторов, диодов и т.д.). Поэтому в настоящее время как у нас, так и за рубежом разработаны и начинают широко внедряться защиты, использующие микроэлектронную элементную базу. В довоенное время основными научно-исследовательскими центрами СССР в области техники релейной защиты были: лаборатория высоких напряжений имени проф. А.А. Смурова (в Ленинграде) и в Москве отдел СРЗ и крупнейшие энергетические системы Союза - Мосэнерго, Ленэнерго, Уралэнерго и др. Ими был накоплен обширный экспериментальный материал, разработаны новые конструкции и типы защит, достигнуты большие успехи в области методов расчета защитных устройств и электрических величин при повреждениях, накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации релейной защиты. До последнего времени многие устройства релейной защиты, серийно выпускавшиеся отечественной промышленностью, выполнялись с использованием электромеханических реле электромагнитного и индукционного типов. Защиты с такими реле, как показывает опыт, удовлетворяют ряду обычно предъявляемых требований. Однако они обладают двумя практически весьма существенными недостатками - большими габаритами и значительными потреблениями мощности от измерительных трансформаторов. Поэтому рядом отечественных организаций проводились работы по выявлению технических возможностей и эффективности широкого использования других принципов для осуществления отдельных реле и защит в целом. Большое внимание было при этом уделено вопросам расширения использования электроники. Первые работы по применению электроники относятся к 20-м годам, когда как указывалось выше, были предложены высокочастотные защиты линий. В 1934 г. были опубликованы результаты разработок с использованием электронных ламп непосредственно для осуществления реле различного назначения [3]. В те же 30-е годы в Советском Союзе с электронными лампами была разработана дистанционная защита.
Рис. 3 - блок-схема обобщенного устройства РЗ:
ИЧ - измерительная часть; ЛЧ - логическая часть;
ИО - исполнительный орган; СО - сигнализирующий орган;
ИП - источник питания;
Рис. 4 - обобщенная схема продольной дифференциальной защиты линии;
|
3. История расчетов аваийных режимов Для обеспечения безопасной работы как правило разрабатывается комплекс из нескольких защит, частично перекрывающих друг друга по зоне действия. Для обеспечения требования селективности (отключение минимального поврежденного участка) все защиты, чье действие распространяется на определенную часть сети отстраиваются друг от друга по временной задержке, по току срабатывания или по другим параметрам. В этих условиях особое значение имеет теория расчета аварийных режимов сети и выбор соответствующих уставок защиты. История расчетов аварийных режимов в электроустановках трехфазного переменного тока берет начало от первой электропередачи, созданной Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. На гидроэлектростанции около города Лауфена (Германия) был смонтирован трехфазный генератор 300 л.с, повышающий трансформатор, линия электропередачи, понижающий трансформатор и приемник - в виде трехфазного двигателя. Налицо были все основные элементы современных систем электроснабжения. В их числе были смонтированы и устройства зашиты трехфазной линии электропередачи. Интересна история первого срабатывания первого защитного устройства трехфазной системы. Еще при проектировании линии электропередачи общественность высказала опасение относительно безопасности линии, при каких либо ее повреждениях. Поэтому вместо предложенного М.О. Доливо-Добровольским напряжения 28 - 30 кВ было дано добро только на напряжение 15 кВ. Несмотря на это, после окончания строительства власти городов, вблизи которых проходила эта линия, запретили ее включение, потребовав дополнительных доказательств ее безопасности. И тогда автор пошел на рискованный эксперимент. После подачи напряжения, в месте пересечения этой линии с железной дорогой был искусственно оборван провод. Сразу после касания рельса проводом М.О. Доливо-Добровольский подошел к нему и на глазах многочисленных официальных представителей коснулся его голой рукой [4]. Нельзя не восхищаться его смелостью и уверенностью в том, что защита, сконструированная им, отключит поврежденную линию. Трудно представить более наглядную демонстрацию необходимости защитных устройств и эффективности их действия. По мере развития трехфазных систем электроснабжения в XX веке стала развиваться и техника релейной защиты, на первом этапе основанная на принципе реагирования на увеличение тока, протекающего через защищаемый элемент. Почти сразу встал вопрос о том, как отличить токи, определяемые нагрузкой, от токов, которые определяются повреждением элементов электроснабжения. Другими словами, возникла необходимость рассчитать ток короткого замыкания. Развитие техники релейной защиты и теории расчета токов короткого замыкания шли параллельно, взаимно стимулируя свое совершенствование. Действительно, оказалось, что все параметры устройств релейной защиты базируются на расчетах токов короткого замыкания. Чем сложнее устройство, тем больше параметров требуется от расчетов. И вот уже стало одних токов недостаточно, потребовались другие электрические величины, такие как напряжения, фазовые соотношения, сопротивления и т.п. Такие расчеты уже нельзя называть расчетами токов короткого замыкания, это название сохранилось как условное, с пониманием того, что рассчитывается целый комплекс электрических величин, связанных с коротким замыканием. Первые попытки расчета сразу же показали, что это задача непростая, что требуется глубокое изучение всех электромагнитных процессов, связанных с началом и протеканием процесса короткого замыкания, включая процессы в электрических генераторах, двигателях, трансформаторах, линиях электропередачи. Интересно отметить, что еще в 1900 году, когда во многих странах (в том числе и в России) уже существовали многочисленные трехфазные системы электроснабжения, фактически не существовала теория расчета токов короткого замыкания. Выбор оборудования производился «на глазок», например, выключатели выбирали примерно с трехразовым запасом по отношению к номинальному току, примерно также выбирались и защитные устройства [5]. При этом наблюдалось значительное количество повреждений различного оборудования, что не могло не вызвать озабоченности энергетиков. Теоретическая база расчетов в тот период была готова только частично. Принципиальные законы расчета электрических цепей были уже известны, Г.Р. Кирхгоф еще в 1845 году сформулировал два основных закона расчета сложных электрических схем, он же положил начало расчета переходных процессов. Следует заметить, что анализ электрических цепей положил начало интенсивному развитию теории графов - одному из разделов математики - топологии , которая в дальнейшем сама стимулировала развитие теории электрических цепей. Работая над системой трехфазного переменного тока, М.О. Доливо-Добровольский начал использовать векторные диаграммы для изображения трехфазных токов и напряжений. В 1893 году на международном электротехническом конгрессе американский электротехник Ч.П. Штейнмец показал возможность использования комплексных чисел для описания электрических величин переменного тока. Все эти достижения готовили базу для расчета токов короткого замыкания. Однако до 1900 года все переходные процессы рассматривались на основе дифференциальных уравнений, и переменный ток также рассматривался как непрерывный переходный процесс. При этом известный ученый Г. Ми, изучая процессы распространения гармонического колебания вдоль проводов круглого сечения, обнаружил, что понятия емкости и индуктивности не имеют самостоятельного значения, а входят в некоторые функции, в которые входит также частота гармонического колебания. Говоря современным языком, он ввел понятие реактивного индуктивного и реактивного емкостного сопротивлений. К 1909 году была разработана теория протекания тока в земле, что оказалось важным для анализа несимметричных коротких замыканий. Однако до 1930 года все расчеты переходных процессов велись, выражаясь современным языком, в фазных координатах, так в изданной в Берлине в 1926 году книге Селективная защита [6], все расчеты проводимостей и сопротивлений, а также токов и напряжений производятся для каждой фазы отдельно, что значительно усложняло проведение расчетов. Особенно эти трудности становятся понятными, если учесть возможности вычислительной техники того времени. Перелом произошел к 1930 году, когда американский ученый Фортескью предложил несимметричную и некомпенсированную систему векторов представлять в виде геометрической суммы двух симметричных и скомпенсированных векторов и одной не скомпенсированной системы одинаково направленных векторов. Впоследствии эта система расчетов получила название метод симметричных составляющих. Преимущества такого метода расчета несимметрии оказались неоспоримыми, и он вошел в практику расчетов практически мгновенно. Модели постоянного тока сыграли выдающуюся роль в расчетах токов КЗ, но не столько в качестве инструмента, который позволял в упрощенной форме, но зато оперативно получать необходимые данные. Гораздо большую роль они сыграли как прообразы будущих кибернетических моделей электрических систем. Был осмыслен вопрос моделирования электрических процессов и границ их приемлемости, сформулировано понятие модели как конкретного воплощения абстрактных математических понятий моделей. Наконец, с их помощью были сформулированы требования к новому поколению моделей; моделям переменного тока. Однако, они не получили широкого распространения, поскольку были достаточно сложны, занимали много места, изготовлялись по индивидуальному заказу некоторых крупных энергосистем. Но несомненна их роль в формировании требований к созданию будущих моделей. Следующий этап - это появление вычислительной техники, которая позволила создать такие программы, которые могли рассчитать токи (а заодно и другие электрические величины), возникающие при коротких замыканиях. Первые опыты далеко не все были удачными, отчасти из-за недостаточной мощности ЭВМ первых поколений, а отчасти и от сложности решения таких задач. Например, пришлось отказаться от метода контурных токов (основанного на втором законе Кирхгофа), позволяющего достаточно просто учитывать взаимоиндукцию и продольные несимметрии и взять за основу метод узловых потенциалов (основанный на первом законе Кирхгофа), который оказался в целом более эффективен. По мере роста возможностей ЭВМ совершенствовались и программы. Следует сказать, что современные ЭВМ позволяют создать уже в настоящее время такие программные модели, которые в значительной степени можно было бы назвать изоморфными, т.е. взаимно-однозначно отображающими изучаемые процессы [7]. Симметричные составляющие получили распространение не только в расчетах токов КЗ, но и в практике релейной защиты в виде соответствующих фильтров симметричных составляющих. Сейчас физические модели постоянного и переменного тока ушли в историю. Их место прочно заняли цифровые методы расчета на базе программ и соответствующих ЭВМ, мощность которых постоянно растет, что открывает безграничные возможности по совершенствованию программ расчета электрических режимов и в частности расчета токов КЗ. Но что понимать под совершенствованием? Можно говорить об организации программ, о способах общения ЭВМ с человеком. Но не менее необходимо говорить и о содержании программ будущего. При создании программ нового поколения должен реализовываться принцип максимального соответствия расчетных электрических величин реальным, в частности с использованием оперативной и ретро информации. Заключение В настоящее время в разных областях начинает получать широкое применение микропроцессорная техника, в основе которой находятся микропроцессоры. Это перспективное направление начинает применяться и для осуществления релейной защиты, которая реализуется уже не с помощью реле, а в виде программ, закладываемых в память микропроцессорных систем. Развернуты начатые много раньше перспективные работы по созданию и введению в опытную эксплуатацию программных защит с использованием микропроцессорной техники во многих организациях. Большие и сложные задачи перед релейщиками были поставлены при проектировании, сооружении и введении в эксплуатацию линий электропередачи сверхвысокого и ультравысокого напряжений. Эти задачи были успешно решены. Необходимо отметить, что техника релейной защиты за последние десятилетия интенсивно развивалась и за рубежом, особенно в США, Швеции, Финляндии, Японии, Франции, Англии и ФРГ, опубликовано большое число научно-технических трудов, преимущественно в периодических изданиях, в частности фирменных. Принципиально представлялось бы весьма целесообразным такое выполнение защит от повреждений, при котором они могли бы не только фиксировать происшедшее повреждение, но и выявлять намечающееся. Практически в большинстве случаев выполнять такие защиты затруднительно или даже невозможно (например, защиту от КЗ, происшедшего вследствие грозового разряда). К этому, однако, необходимо стремиться. В этом реферате сведена информация об истории развития релейной защиты и автоматики электроэнергосистем, также представлены перспективы дальнейшего развития. В выводе, возможно, стоит обратить внимание на все возрастающую значимость системы релейной защиты и автоматики. Действительно, если в начале века в плане ГОЭЛРО говорилось о 1,5 ГВт мощностей на весь Советский Союз, то сейчас речь идет уже о сотнях и тысячах гигаватт. Кроме того, все больше растет интеграция сетей друг в друга, новые магистральные линии связывают независимые энергосистемы, кроме того, в будущем возможно и объединение энергосистем различных государств. В этих условиях предъявляются новые требования к защите, например магистральные линии больших мощностей и на большие расстояния имеет смысл делать не только сверхвысокого напряжения, но и постоянного тока, а для обеспечения защиты таких линий требуются совершенно особенные системы защиты. Наступивший новый век и третье тысячелетие ставят новые грандиозные задачи перед энергетиками и, в общем комплексе решения этих задач, роль специалистов по противоаварийному управлению будет возрастать. Для того чтобы не отстать от общего прогресса этой области необходимо сейчас всячески поддерживать работу опытно-конструкторских предприятий и внедрять их наработки. Список литературы Некоторые источники утверждают что реле было изобретено Дж. Генри в 1831 г., однако его реле было не коммутирующим, позже Бриз Морзе в 1837 г. построил и коммутирующие реле, которое использовал в своем телеграфном аппарате, подобно Шиллингу. |