Релейная защита

Когда мы поднимаем рычаг управления, подвижный и неподвижный контакты внутри выключателя замыкаются между собой, и наоборот. Так же в нём есть:
1) Дугогасительная камера – представляет собой что-то вроде лабиринта, попадая в который дуга, образующаяся при отключении, удлиняется и гаснет без вреда для самого выключателя.
2) Встроенная защита – от КЗ и перегрузок.
Защита от КЗ («электромагнитный расцепитель») представляет собой катушку с подвижным сердечником, через которую проходит ток нагрузки. При превышении определенного значения тока сердечник катушки мгновенно втянется и нажмет на защелку, которая освободит возвратную пружину, и автомат отключится.
Защита от перегрузки («тепловой расцепитель») представляет собой биметаллическую пластину, которая при протекании большого тока начитает нагреваться и изгибаться. Если перегрузка продлится дольше допустимого, пластина, изогнувшись, дотянется до защелки возвратной пружины и автомат отключится.

Про УЗО уже было подробно написано тут, повторяться не вижу смысла Чтобы током не убило. Всё про УЗО
Если кратко, то УЗО защищает человека от удара током.

Дифференциальный автомат, он же дифавтомат.
Если в обычный автомат добавить УЗО, получится дифавтомат. Вот, собственно, и всё.

Про бытовые автоматы вроде рассказал, теперь перейдем к высоковольтным. Принципиальных отличий между автоматом в вашем квартирном щитке и высоковольтным выключателем в ТП по сути нет. Разница в уровне напряжения влияет только на размеры, принцип работы остается тем же, КЗ – оно и в Африке КЗ. Чтобы не путаться, я буду называть бытовой автоматический выключатель «автоматом», а высоковольтный промышленный – «выключателем».

Итак, высоковольтный выключатель. Конкретно этот – масляный, типа ВМГ-133, на напряжение 10 кВ. Данный тип выключателя уже давно морально устарел, но он до сих пор повсеместно эксплуатируется и существенно не отличается от более компактных и современных.

На чертеже поз. 18 — это подвижный контакт, при включении он посредством системы тяг и рычагов опускается вниз, в бак с маслом (15), внутри которого установлена розетка (неподвижный контакт). При отключении всё наоборот. Ток в нашем выключателе протекает так: через шины (5), гибкую связь (6), контакт (18), розетку (внутри бака 15) и шины (14). Если сравнить с автоматом, то внутри выключателя остались только подвижный и неподвижный контакты, автоматика вынесена наружу, в привод выключателя (1), а защита – в терминал РЗА.

Вручную такой выключатель обычно не включают, так как сам процесс достаточно неудобный. Сам выключатель стал гораздо больше бытового, отключает он гораздо бОльшие токи и возвратная пружина там соответствующая. Поэтому процесс включения и отключения автоматизирован, всю работу делают мощные электромагниты, пружину взводит электродвигатель, а человек только нажимает кнопку. Электродвигатель заводки пружин, электромагниты управления и вся сопутствующая механика (редуктор, пружины, рычаги) называется «привод». Для питания привода выключателя используется постоянное напряжение 220 Вольт – так называемый «оперативный ток», от которого так же запитаны и устройства РЗА. Постоянка используется для надежности, любой источник оперативного тока содержит в себе аккумуляторную батарею, так что даже если всё вокруг погаснет, выключателями можно будет управлять и РЗА будет работать. Как правило, емкость батареи рассчитана на 2-3 часа автономной работы, на практике может быть и гораздо больше. На фото ниже современный шкаф оперативного тока (ШОТ). Обычно на подстанцию ставится один такой шкаф для питания всех выключателей и РЗА. Подстанция – это тоже ТП, но побольше (да простят меня коллеги за такое грубое сравнение).

В нижней части видны 17 батарей Дельта по 13 вольт каждая, соединенные последовательно батареи дают 220 вольт. Шкаф на фото имеет небольшую емкость, бывают системы с отдельным шкафом или даже шкафами для АКБ. В небольших ТП ШОТа может не быть, в таком случае выключатели и РЗА питаются от переменки 230 Вольт, что менее надежно, но допустимо.

Рассмотрим подробнее процесс гашения дуги. Как мы знаем из школьной физики, постоянный ток течет всегда в одном направлении, а переменный меняет направление движения 50 раз в секунду. Это означает, что 100 раз в секунду ток будет равен нулю (синусоида дважды за период проходит через ноль). Поэтому дугу на переменном токе погасить гораздо проще, чем на постоянном. При прохождении через воздух электрическая дуга ионизирует его, как бы оставляя себе «колею» из заряженных частиц, и после прохождения нуля снова загорается по тому же пути. Если действие происходит в вакууме, то существование такой «колеи» в принципе невозможно, и дуга гаснет после первого прохождения тока через ноль. При использовании в качестве среды для гашения масла или элегаза в процессе горения дуги будут образовываться газы, которые своим давлением будут гасить дугу. Есть и более редкие способы, которые применяются в основном на очень высоких напряжениях – например, выдувать дугу сжатым воздухом, или выталкивать ее мощным электромагнитом.

Но вернемся к нашему выключателю. При проявлении КЗ на защищаемом участке срабатывает защита и терминал РЗА отдает команду на отключение выключателя путем замыкания своего выходного реле, вот такого.

Да, внутри терминала РЗА есть миниатюрные электромагнитные реле, на самом деле мера эта вынужденная, так как современные твердотельные (полупроводниковые) реле пока что по характеристикам уступают электромеханическим. Так вот, это самое реле замыкает цепь ЭМО (электромагнит отключения), и выключатель отключается. Таких реле в терминале много, каждое из которых задействовано на разные функции. Одно реле включает выключатель, другое отключает, третье отключает соседний (помним про УРОВ), четвертое замыкает цепь сигнальной лампы при аварии, пятое подает сигнал диспетчеру о том, что произошла авария, и так далее. Кроме этого, помимо измерения тока и напряжения, у терминала РЗА есть дискретные входы – для приема дискретных («0» или «1») сигналов. С их помощью терминал видит положение своего выключателя, положение кнопок управления, принимает сигнал УРОВ от соседнего выключателя и т.п. Таким образом, РЗА контролирует вообще всё, что связано с конкретным выключателем. При срабатывании защиты и отключении выключателя на дисплее терминала РЗА высвечивается наименование защиты, которая сработала, загорается сигнальная лампа, срабатывает аварийная сигнализация и выпадает блинкер (он же «указательное реле»).

На первом фото блинкер не сработал, индикатор черный, на втором – сработал (выпал), индикатор черно-белый. Блинкер – это обычное электромагнитное реле, в котором предусмотрен поворачивающийся флажок – индикатор срабатывания, если флажок повернулся (выпал), то «поднять» его можно только вручную (рукоятка справа вверху на фото). Задача блинкера – сигнализация срабатывания защиты в условиях отсутствия вообще любого напряжения. Допустим, питающие кабели обесточены, АКБ в ШОТе разрядилась, бригада электриков приехала на подстанцию, ходит с фонариками и пытается понять, что же произошло, и можно ли включать всё как было. Такое бывает нечасто, но у релейщиков на любой случай есть своя защита, надёжность – наше всё. Дисплей терминала РЗА и сигнальные лампы не горят, а по положению блинкеров можно понять, была ли работа защиты, или нет. Если была, то прежде, чем включать выключатель, нужно убедиться в исправности оборудования – визуальный осмотр, измерение сопротивления изоляции, и т.п.

Современные ТП оборудованы каналами связи, по которым РЗА передает информацию о текущем состоянии объекта на диспетчерский пункт. На компьютере диспетчера отображается положение всех выключателей, величины токов и напряжений и сигналы об авариях.

Обычно для передачи данных используются оптоволоконные линии связи, либо GSM-каналы. Можно настроить систему так, чтобы при аварии диспетчеру приходило СМС на телефон с названием ТП и типом неисправности.  

Хотел написать покороче, но получилось, как получилось, надеюсь было понятно и интересно.

Спасибо за внимание! Если есть какие-то вопросы по данной теме – задавайте в комментариях, постараюсь ответить.

Наверняка каждый из вас хотя бы раз видел трансформаторную подстанцию (ТП) у себя во дворе.

В нее заходит два кабеля напряжением 6 или 10 киловольт, и с помощью 2-х силовых трансформаторов напряжение преобразуется в привычные нам 380/220 вольт. Эти силовые трансформаторы имеют мощность около 630 кВт (обычно мощность считают в кВА – киловольтамперах, но эти тонкости нам сейчас ни к чему). Если в такой ТП произойдет КЗ, вся мощность трансформаторов будет потрачена на горение электрической дуги в месте КЗ, представьте себе сварочный аппарат на 1260 кВт. Вообще, точную мощность посчитать практически невозможно, и там много разных факторов, и часть этой мощности будет рассеиваться в кабелях, трансформаторах и другом первичном оборудовании, но порядок цифр примерно такой.

При таких мощностях счет идет на доли секунд, если поврежденный участок не отключить, ущерб может быть очень серьезным. Вот тут и вступает в действие релейная защита и автоматика (РЗА).

РЗА - это специальная аппаратура, задача которой определить место повреждения и отключить поврежденный участок от остальной сети максимально быстро. Отключение производится с помощью выключателей (ваш кэп). При отключении выключателя в нем тоже образуется электрическая дуга, но с помощью дугогасительных камер она гасится без вреда для оборудования. Автомат в щитке у вас в квартире – это тоже выключатель, точнее автоматический воздушный выключатель. Воздушный – потому что в качестве среды гашения дуги в нем используется воздух. Также выключатели бывают масляные, вакуумные и элегазовые (SF6, шестифтористая сера, она же электротехнический газ, сокращенно «элегаз»). Используя различные среды для гашения дуги, можно добиться уменьшения габаритов и увеличения надежности и долговечности выключателей.

Как правило, РЗА устанавливается на каждый выключатель в сети. Защита называется «релейной», так как раньше она выполнялась на электромеханических аппаратах – реле. Современная РЗА строится на базе микропроцессорных устройств (терминалов).

Терминал РЗА собирает информацию о состоянии защищаемого участка сети посредством трансформаторов тока и напряжения, которые по сути являются датчиками.

ТТ и ТН непрерывно измеряют ток и напряжение в защищаемой сети и передают информацию в терминал РЗА. При возникновении короткого замыкания сила тока в сети резко возрастает, а напряжение снижается, терминал это видит и при необходимости производит отключение своего и/или соседних выключателей. Параметры настройки РЗА называются «уставки» и рассчитываются таким образом, чтобы максимально быстро отключить повреждение на своем участке и, при отказе соседнего терминала РЗА (если он конечно есть), отключить смежный участок.

При КЗ большой мощности время от возникновения повреждения до отключения выключателя будет составлять примерно 0,05-0,1 с.

Так же в составе РЗА есть множество функций автоматики, призванных упростить работу обслуживающего персонала, такие как:

УРОВ (Устройство Резервирования Отказавшего Выключателя) – если свой выключатель по каким-то причинам не отключился, РЗА отдает команду на отключение следующего выключателя, таким образом отключается бОльший участок сети.

АВР (автоматическое включение резерва) – при исчезновении напряжения на каком-то участке сети на него подается напряжение с соседнего участка, при условии отсутствия на них повреждений.

АПВ (автоматическое повторное включение) – при падении ветки на провода воздушной линии электропередачи, или при перехлесте проводов от ветра, линия будет отключена действием РЗА. При этом ветка скорее всего успеет сгореть или упасть, а перехлест самоустранится. Поэтому допускается однократное включение воздушной линии под напряжение, и если КЗ не пропало, то линия отключается окончательно.

АЧР (автоматическая частотная разгрузка) – в нормальном режиме в нашей электросети частота переменного напряжения составляет 50 Гц. При дефиците мощности частота начинает снижаться, что плохо влияет на генераторы. В таком случае функция АЧР отключит наименее важных потребителей от сети (в основном это жилые дома и мелкие пром. предприятия).

Каждая функция РЗА имеет условное международное обозначение – код ANSI. Если кому-то интересно, по ссылке есть перечень всех этих функций https://rza.by/ansi/

В современных терминалах РЗА имеется встроенный осциллограф, который при возникновении аварии сохраняет в памяти все параметры электрической сети в момент повреждения. По осциллограмме можно определить характер повреждения, оценить правильность и скорость работы РЗА, а в некоторых случаях и расстояние до места повреждения. Когда микропроцессорных терминалов еще не было, осциллографы записывали параметры сети на фотоплёнке, и после срабатывания защит первым делом необходимо было проявить плёнку, поэтому в каждой релейной службе была своя фотолаборатория.

Среди всех видов энергетиков релейщики считаются особой кастой, элитой, так как к ним предъявляются самые высокие требования в части квалификации (нисколько не умаляю важности остальных профессий, но сам себя не похвалишь – никто не похвалит). При любой аварии в электросети на место обязательно выезжают релейщики, чтобы разобраться в причинах и сделать заключение о возможности включения оборудования в работу после срабатывания защиты.

Ну и наконец, именно релейщики говорят знаменитое «это не наше, это КИПовцев».

Надеюсь, моя писанина была кому-нибудь интересной. Если есть какие-то вопросы по данной теме – задавайте в комментариях, постараюсь ответить.

Всем коллегам - релейщикам пламенный привет!