Краткий исторический очерк по истории развития релейной защиты.

• В конце IXX века начали применяться плавкие предохранители для защиты оборудования от КЗ.
• С 1901 года появляются первые индукционные реле тока.
• В 1905-1908 годах был разработан дифференциальный токовый принцип.
• В первой половине 20-х годов были выпущены первые дистанционные защиты.
• В 1923-1928 годах начинают разрабатываться защиты на базе электроники, в частности токов высокой частоты, передаваемых по проводам защищаемой линии.
• В 1932г в СССР разработана дистанционная защита на электронных лампах.
• В 70-ых годах началось широкое применение для нужд РЗА электронных устройств. (УПЗ-70, МТЗ-М, БАУРПН, ЭПЗ-1636, ФИП-1, ФИП-2, АРТ-1Н, ТЗВР, КРЗА и многие другие).
• В 80-е годы началось использование устройств РЗА на интегральных микросхемах (ЯРЭ, ПДЭ, ШДЭ, ЛИФП, ФИС, АВЗК, АК-80, АНКА, АВПА, ПВЗ и многие другие).
• Сейчас происходит настоящая техническая революция, связанная с переходом на устройства РЗА нового поколения – микроэлектронной и микропроцессорной техники
  (украинского производства: “Диамант”, МРЗС-05)
  (российского производства:"Сириус",УЗА-10, ТЭМП).
  

1. Микропроцессорные защиты более быстродействующие, что в определенных случаях играет существенную роль.
2. Коэффициент возврата измерительных органов около 0.96-0.97.
3. Микропроцессорные защиты или микропроцессорные терминалы многофункциональны. Что позволяет объединить в одном терминале функций различных (возможно даже, совсем не идентичных) систем защиты.
4. Отсутствие движущихся частей повышает надежность устройств.
5. Потребляемая мощность находиться на уровне 0.1-0.5 ВА.
6. Погрешность составляет 2-5%.

Состояние вопроса. Цифровые микропроцессорные устройства защиты и автоматики появились сравнительно недавно. Но на энергообъектах они начинают внедряться довольно широко, особенно на крупных предприятиях.
Приборо и реле строительные предприятия выпускают микропроцессорные терминалы в широком ассортименте рассчитанных на различный класс напряжений от 0.4 до 750 кВ. Мировые лидеры в производстве устройств РЗА являются европейские концерны ABB, SIEMENS, ALSTOM. Общей для них является тенденция перехода на цифровую технику. МПЗ этих фирм имеют высокую стоимость. Значительно дешевле отечественные терминалы, например МРЗС-05 производственного предприятия "КИЕВПРИБОР".
На сегодняшний день описание и технические данные микропроцессорных терминалов можно найти в сети Интернет, но данные о практическом использовании, настройке и особенностях работы МПЗ отсутствуют. Некоторую информацию можно получить на заводах-производителях МПЗ. Характеристики микропроцессорных защит довольно высокие и они значительно повышают устойчивость работы узлов нагрузки электрических систем с двигателями. Исследование условий наилучшего использования микропроцессорных защит для таких узлов является актуальной задачей на сегодняшний день.

Значимость вопроса. Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием как по виду, так и по характеру повреждения. Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при различного рода повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений. Как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственные (или «металлическое») соединение фаз между собой, или на землю (для сети с заземленной нейтралью). Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий электропередачи напряжением до 330 кВ. Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми.

          Рис.1. Основные виды коротких замыканий:
           а) трехфазное; б) двухфазное; в) двухфазное на землю; г) однофазное.

Основные виды КЗ показаны на рис. 1. Межфазные КЗ — двухфазные и трехфазные — возникают в сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью.

Причины вызывающие повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывания и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия изоляции испражнениями птиц (аистов), перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.

Трехфазное короткое замыкание. Симметричное трехфазное КЗ — наиболее простой для расчета и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения всех фаз равны по значению как в месте КЗ, так и в любой точке сети:

          Iа=Iв=Iс                    Uа=Uв=Uс

Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток КЗ, проходящий в каждой фазе, отстает от создающей его ЭДС на одинаковый угол, определяемый соотношением активного и реактив- ного сопротивлений цепи короткого замыкания.

Для линий 110 кВ этот угол равен 60—78°; 220 кВ (один провод в фазе) — 73-82°; 330 кВ (два провода в фазе) — 80-85°; 500 кВ (три провода в фазе) — 84-87°; 750 кВ (четыре провода в фазе) — 86-88° (большие значения угла соответствуют большим сечениям проводов).

Так как все фазные и междуфазные напряжения в точке трехфазного короткого замыкания равны нулю, а в точках, удаленных от места КЗ на небольшое расстояние, их уровни незначительны. Рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы с точки зрения устойчивости параллельной работы электростанций и узлов нагрузки.

Двухфазное короткое замыкание. При двухфазном КЗ токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерные для двухфазного КЗ между фазами. В поврежденных фазах и месте КЗ проходят одинаковые токи, а в неповрежденной фазе ток КЗ отсутствует:

          Iа=0;                    Iв=Iс

Междуфазное напряжение в месте КЗ равно нулю, а фазные напряжения:

          Ub=Uc=E/2;                    Ubc=0

Двухфазное короткое замыкание на землю в сети с заземленной нейтралью. Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного КЗ. Токи, проходящие в месте КЗ и в ветвях рассматриваемой схемы, а также междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном КЗ.

В сетях же с заземленной нейтралью двухфазное КЗ на землю значительно более опасно, чем двухфазное КЗ. Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте КЗ, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других - до значения фазного напряжения неповрежденной фазы.

Соотношения токов и напряжений в месте КЗ для этого вида повреждения имеют следующий вид:

          Ub=Uc=0;                    Ia=0

Однофазное короткое замыкание в сети с заземленной нейтралью. Однофазное КЗ может иметь место только в сетях с заземленной нейтралью. Формулы, определяющие соотношения между ними, даны ниже:

          Ib=Ic=0;                    Ua=0

Однофазные КЗ, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения только одного фазного напряжения, представляют меньшую опасность для работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные КЗ.

Однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью. В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 3-35 кВ, работающие с изолированной нейтралью, или с нейтралью заземленной через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сопровождается значительно меньшими токами, чем токи КЗ.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз увеличиваются в 1,73 раза и становятся равными междуфазным.

Под действием напряжений через место повреждения проходит ток, замыкающийся через емкости неповрежденных фаз. Емкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания, и поэтому ток через нее не проходит.

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства - дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землей. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля, или до небольшого остаточного значения.

Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшие значения, а все междуфазные напряжения остаются неизменными, однофазное замыкание на землю не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал. Однако длительная работа сети с заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в 1,73 раза напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ. А в последствии и к трехфазному короткому замыканию. Как упоминалось выше эти замыкания могут привести к тяжелым повреждениям. Поэтому своевременное предупреждение или ликвидация существующего дефекта изоляции играет значительную роль в обеспечении надежной роботы объектов.

Современные реле защиты от замыканий на землю имеют такую чувствительность которая позволяет определить замыкание на землю только с низким сопротивлением и не позволяет диагностировать дефекты изоляции.

Микропроцессорный терминал автоматики типа МРЗС-05 имеет также защиту от замыканий на землю, минимальный ток срабатывания составляет 5 мА. Благодаря этому есть возможность диагностировать снижение сопротивления изоляции на ранних стадиях начала развития дефекта. Современные реле защиты от замыканий на землю не позволяют диагностировать ухудшение изоляции, а могут срабатывать только при уже развившемся замыкании.

Охарактеризовать МПЗ типа МРЗС-05 можно как:

• высокоэффективная 16-ти разрядная микропроцессорная система;
• полностью цифровая обработка измеряемых величин;
• полная гальваническая развязка внутренних цепей;
• простое управление с помощью кнопок панели управления или посредством подключения персонального компьютера к разъему RS232 с программным обеспечением для работы с помощью меню;
• запоминание сообщений и повреждениях;
• постоянный контроль, как измеренный величин так и технического программного обеспечения;
• связь с центральным пультом управления через последовательный интерфейс RS485.

Назначение. Микропроцессорное устройство защиты, автоматики, контроля и управления присоединений 6-35 кВ МРЗС-05-01 предназначено для:

• защиты от межфазных коротких замыканий;
• защиты по току нулевой последовательности;
• защиты минимального напряжения;
• защиты максимального напряжения;
• отключение смежных питающих присоединений при отказе силового выключения присоединения, на котором произошло короткое замыкание (УРОВ);
• автоматическое повторное включение присоединения после его отключения от устройств защиты (АПВ двукратного действия);
• автоматического отключения присоединения при снижении частоты в сети ниже заданной.

Технические характеристики. Номинальные входные аналоговые сигналы:

• входной переменный ток Iн=5А;
• входное переменное напряжение линейное Uн=100В;
• частота переменного тока - 50Гц.

Электропитание:

• напряжение оперативного постоянного тока 220 (+30, минус 65)В;
• потребляемая мощность по цепи электропитания в дежурном режиме не более 15 Вт и в режиме выдачи команд не более 20 Вт;
• функционирование устройства не нарушается при кратковременных, до 50 мс, провалах напряжения питания до нуля.

Допустимая перегрузка по цепям входных токов и напряжений:

• продолжительный режим работы - 3Iн, 1.5Uн;
• ток односекундной термической стойкости -30 Iн;
• продолжительный режим работы для тока нулевой последовательности до 2 А. Ток односекундной термической стойкости не более -50 А.

Коммутационная способность контактов реле цепей отключения и включения выключателей:

• при замыкании и размыкании цепей переменного тока не более 250 В, 8 А, 1000 ВА;
• при замыкании цепей постоянного тока не более - 250 В, 5 А, 1000 Вт;
• при размыкании цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой и постоянной времени, не превышающей 0.02 с при напряжении до 250 В не более 30 Вт;
• допустимый ток через контакты реле - 8 А длительно.

МРЗС выполняет функции релейной защиты:

• трехступенчатая максимальная токовая защита (МТЗ) от межфазных коротких замыканий;
• защита от замыканий на землю по току нулевой последовательности;
• защита максимального напряжения;
• защита минимального напряжения.

МРЗС выполняет функции автоматики:

• включение и отключение выключателя;
• автоматическое ускорение МТЗ при включении выключателя;
• двукратное или однократное автоматическое повторное включение (АПВ);
• устройство резервирования отказа выключателя (УРОВ);
• автоматическая частотная разгрузка.

МРЗС выполняет функции самодиагностики.

МРЗС выполняет функции регистрации дискретных и аналоговых сигналов.

МРЗС выполняет функции конфигурирования, ранжирования, настройки всех систем.

Исследования и результаты. Для решения поставленной задачи разработан проект, согласно которому создана физическая модель узла нагрузки. Физическая модель позволяет: моделировать межфазные короткие замыкания на присоединении и внешние замыкания. Моделировать замыкания на землю и дефекты изоляции на присоединении, которое контролируется, а также внешние замыкания одной фазы и внешние дефекты изоляции.

Основное назначение созданной физической модели узла нагрузки - исследование роботы защиты при межфазных коротких замыканиях и однофазных замыканиях на землю.

Основные допущения, которые были учтены при проведении работы:

1. Сеть и кабель, которые питают двигатель, представлены сосредоточенными емкостями.
2. Активные проводимости изоляции не моделируются, а используются только существующие проводимости элементов модели.
3. Моделирование дефекта осуществляется отдельным активным сопротивлением.
4. Вместо 6кВ используется напряжение 0,4кВ.

Выводы.

1. Исследования на физической модели подтвердили вывод, что трехфазные короткие замыкания в зоне действия защиты могут выявляться не только по амплитуде тока двигателя, но и на основе сравнения знака трехфазной активной мощности на вводе питания секции и знака трехфазной активной мощности на присоединении, которое контролируется.
2. Подтверждена возможность определения дефекта изоляции с помощью микропроцессорной защиты типа МРЗС-05. Для этого необходимо сделать незначительную модернизацию существующей схемы защиты присоединения.

Нерешенные вопросы и перспективы исследования.

Стоит отметить, что сейчас для большинства микропроцессорных терминалов (не исключая зарубежные устройства) коэффициент надежности на практике применяется достаточно заниженным. Это связано с появлением некоторых ошибок во время работы МПЗ, которые вызываются различного рода помехами присутствующими в энергосистеме.

В перспективе актуальным является вопрос исследование МПЗ на помехоустойчивость и разработка методов безошибочной работы микропроцессорных устройств.

Литература.

1. Правила устройства электроустановок/Минэнерго СССр. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.: ил.
2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учеб. для вузов по спец. «Электроснабжение». – 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1991. – 496 с.: ил.

Задание по созданию движущейся модели.