Современные энергосистемы и их отдельные элементы не могут полноценно функционировать без набора автоматических устройств, выполняющих различные функции управления как в нормальных, так и в аварийных режимах. Независимо от качества компонентов, от того, насколько грамотно они смонтированы и правильно налажены, появление чрезвычайных ситуаций неизбежно. Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем призвана сократить ущерб от повреждения отдельных элементов.
В электроэнергетических системах нередко возникают повреждения и ненормальные режимы работы. Большинство из них приводит к коротким замыканиям. На протяжении продолжительного периода времени основным способом защиты от токов короткого замыкания (КЗ) и перегрузок были предохранители – коммутационные аппараты, предназначенные для отключения защищаемой цепи методом размыкания или разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
В настоящее время на смену предохранителям пришли сложные комплексы, состоящие из набора защитных средств. Релейная защита и автоматика используются для мгновенного выявления повреждений или отклонений от штатного режима работы и незамедлительной изоляции поврежденных компонентов от сети.
Когда речь идет о релейной защите применительно к автоматизированным системам энергоснабжения, сам термин используется скорее по привычке. Современные системы, предназначенные для контроля работы электроустановок – это не просто набор механических реле, а сложные многофункциональные электронные устройства. Они непрерывно мониторят энергосистему, выявляют угрозу аварии и оперативно принимают решение о необходимости той или иной коммутации.
Любое отклонение в работе силового оборудования создает угрозу поломки или способствует ускоренному износу. Своевременное выявление и правильная реакция систем контроля на возникшую ситуацию позволяют минимизировать риски, предотвратить убытки и сохранить работоспособность всей системы.
Подбор типа и марки оборудования – это не самая сложная часть работы, которая входит в компетенции специалистов по РЗА. Ключевая задача состоит в необходимости провести анализ вероятных чрезвычайных ситуаций и, исходя из этого, выбрать правильную конфигурацию элементов контроля и коммутации РЗиА систем энергоснабжения. Именно поэтому к релейной защите предъявляется ряд требований.
- Селективность (избирательность, чувствительность). Под этим качеством подразумевается способность защиты безошибочно определять аварийный участок системы и изолировать только поврежденный элемент при помощи ближайших к нему выключателей, не нарушая функционирование остальных.
Качественно спроектированная и эффективная релейная защита в состоянии правильно отреагировать на сбой и не допустить обесточивание элементов, если в этом нет необходимости.
Чувствительность релейной защиты – минимальное значение величины, запускающей ее в действие. Это наименьшее значение, при котором она включается в работу при появлении тока короткого замыкания в подконтрольной зоне.
На эти параметры могут оказывать влияние:
- Погрешность измерений;
- Ошибки в настройках;
- Точность самих реле;
- Внешние факторы;
- Параметры расчета неопределенности.
Понятие безопасности и чувствительности является индивидуальным для каждого отдельно взятого объекта. Ограничения могут быть откорректированы требованиями к устойчивости работы или возможностью переключения на резервные источники питания. Контуры с высокой степенью чувствительности, как правило, всегда сложны, состоят из большого количества оборудования и более дорогостоящие. Такую защиту используют только в тех случаях, когда простые устройства с низкой чувствительностью не смогут справиться с поставленной задачей.
Селективность может быть двух видов:
- Защита с абсолютной селективностью способна отреагировать на короткие замыкания только в зоне ее действия. Защита не срабатывает под действием внешних коротких замыканий. К этому типу относятся дифференциальные защиты линий, трансформаторных установок, шин и других элементов.
- Защита с относительной селективностью реагирует на короткие замыкания в зоне защищаемого элемента и в смежных зонах. Для согласованного действия защит смежных соседних компонентов в защитах такого типа используются выдержки времени. Это означает, что защита с относительной селективностью функционирует медленнее, чем защита с абсолютной селективностью. Однако ее функционал позволяет резервировать защиты смежных элементов сети и действовать в случае их отказа. К этому типу относятся максимальная токовая защита, дистанционная и другие ступенчатые защиты.
- Надежность и простота. Требование, которое определяет безотказную работу всей энергосистемы. Это означает способность РЗиА работать с минимальным количеством отказов и ложных срабатываний, которые могут способствовать усугублению аварийной ситуации вплоть до развития аварий системного характера. Надежность устройства релейной защиты закладывается на этапе его разработки и производства. В дальнейшем это качество обеспечивается правильной наладкой и соблюдением правил эксплуатации.
В упрощенном виде требование надежности означает, что система защиты должна быть готова функционировать правильно в любое время и при любых условиях, при наличии неисправностей и ненормальных режимов работы энергетической системы, в которую она интегрирована.
Надежность – это количественный термин, который определяется исходя из статистических данных. С увеличением количества подключений и соединений требования к надежности повышаются. Достижению этого показателя способствуют:
- Удобство монтажа;
- Высокая степень пылезащищенности корпусов;
- Качество контактов;
- Качество производства оборудования;
- Использование качественных материалов и контактных групп;
- Качество монтажа;
- Своевременное техническое обслуживание.
Простота и надежность тесно взаимосвязаны. Как правило, чем проще схема защиты и чем меньше в ней задействовано элементов, тем надежнее она будет. То же самое относится к датчикам контроля и анализа.
- Быстродействие защиты обеспечивает минимизацию повреждений электрооборудования и снижение риска для жизни людей и животных. Суть этого требования заключается в скорости выявления и отключения аварийных элементов. Время действия устройств релейной защиты должно быть минимальным насколько это возможно. Современные реле выполняют свою функцию за промежуток времени меньший, чем один период промышленной частоты.
Продолжительное протекание токов КЗ может спровоцировать нарушение устойчивости энергосистемы или технологического процесса, разрушение поврежденного элемента и даже стать причиной несчастного случая. Быстродействие дает возможность:
- Сократить ущерб;
- Повысить устойчивость системы электроснабжения;
- Сократить период прерывания энергообеспечения потребителей;
- Снизить вероятность развития одной неисправности в другую, предотвратить возникновение системных аварий.
Цифровые средства защиты
Сегодня в работе находится достаточно большое количество устройств релейной защиты, спроектированных и установленных несколько десятилетий назад. Они относятся к поколению электромеханических и микроэлектронных реле и не соответствуют современным научно-техническим требованиям. Сложившаяся ситуация объясняется продолжительным сроком службы традиционных устройств. Релейная защита последних поколений производится с использованием цифровой элементной базы. К преимуществам новых РЗиА можно отнести ряд факторов, отличающих их от аналоговых предшественников:
- Современные устройства защиты содержат в себе меньше измерительных трансформаторов и дают возможность использовать линейные преобразователи. Например, делители напряжения и оптические трансформаторы;
- В режиме контроля потребляют минимум энергии;
- Оснащены удобным интерфейсом с возможностью дистанционного управления и удаленного контроля режима работы энергообъекта и состояния самого устройства защиты;
- Не требуют установки дополнительных измерительных приборов;
- Регистрация режимов, событий и аварийных процессов осуществляется в автоматическом режиме, что позволяет сократить время, необходимое для выяснения причин аварии;
- Способны запоминать и хранить информацию;
- Возможность объединения устройств защиты и автоматики в составе АСУ с обеспечением дистанционной корректировки уставок.
Следует отметить, что цифровые реле – это программируемые устройства, где количество и сложность выполняемых задач определяются алгоритмами функционирования. Этим микропроцессорные устройства принципиально отличаются от традиционных защит на элементной базе.
Использование современных, сравнительно недорогих, но мощных микропроцессорных средств позволяет повысить быстродействие и заложить в реле функции, полностью недоступные электромеханическим и частично микроэлектронным устройствам.
Ключевым преимуществом цифровых реле является многофункциональность. Наряду с основными функциями – защитой оборудования и работы автоматических устройств – микропроцессорные терминалы осуществляют измерение электрических величин.
На более ранних панелях защит подстанционного оборудования можно увидеть множество разных реле и аналоговых измерительных приборов. При использовании цифровых защитных устройств необходимости в дополнительных измерительных приборах нет, поскольку значения основных электрических величин выводятся на дисплей терминалов защит. И что важно, данные указываются пофазно. Это дает возможность контролировать отключенное/включенное положение всех полюсов выключателей.
Следует отметить еще одно весомое преимущество цифровых средств защиты – точность измерений. Аналоговые устройства производят замеры величин с некоторыми погрешностями, а в случае если реле прослужило несколько десятков лет (в таком состоянии находится большинство измерительных приборов), то точность показаний значительно снижается. Да и фиксировать данные не всегда удобно.
Анализируя преимущества цифровых средств РЗиА, эксперты обращают внимание на еще один немаловажный «плюс» – это компактность микропроцессорных устройств. Использование цифровых технологий позволяет на 45–50% сократить общее количество панелей для защит, автоматики и управления оборудованием, установленных на общеподстанционном пункте управления.
К примеру, для защиты, функционирования автоматических устройств и управления выключателями силовой трансформаторной установки необходимо установить три панели с электромеханическими реле. В случае применения цифровых защитных устройств достаточно двух терминалов, смонтированных на одной панели.
В список преимуществ микропроцессорных средств защиты также входит удобство фиксации возникающих поломок и неисправностей в системах объектов энергоснабжения. О каждом отклонении от нормального режима работы энергооборудования сигнализируют светодиодные индикаторы, загорающиеся на терминале защит.
Микропроцессорные терминалы дают возможность отойти от практики использования схем-макетов. На дисплеях каждого присоединения отображается мнемосхема присоединения. На ней в автоматическом режиме (без участия оперативного персонала) демонстрируется каждое изменение положения коммутационных аппаратов, соответствующее их фактическому положению.
Помимо этого, существует возможность подключения всех терминалов защит к системе SCADA, где отображена вся схема энергообъекта, обозначены значения нагрузок по каждому присоединению и в режиме реального времени фиксируются возникающие аварийные ситуации.
Синхронизация работы системы SCADA с удаленным диспетчерским пунктом и передача информации по специальным каналам связи позволяет дежурному диспетчеру оперативно фиксировать возникающие сбои и аварийные ситуации, отслеживать процесс переключений, который выполняется оперативным персоналом.
Прежде чем одобрить допуск ремонтной бригады к энергообъекту для проведения плановых ремонтных работ, диспетчер, с помощью системы SCADA, может лично убедиться в правильности решения, а также в том, что приняты все необходимые меры безопасности.
Для изменения принципов работы цифровых реле большие возможности открывают программные продукты, позволяющие изменить настройки, не меняя при этом аппаратную часть устройства. Как правило, все модификации связаны с набором функций, доступных этому реле.
Также следует отметить, что микропроцессорные устройства обладают возможностью автоматического изменения настроек защиты при внезапной смене режима питания или при плановом выводе части энергооборудования в ремонт.
Использование энергонезависимой памяти позволяет программным путем выполнять более точный ввод и изменение значений уставок срабатывания защит и автоматики без использования специальных измерительных приборов.
В отличие от электромеханических реле цифровые защитные устройства имеют широкий диапазон уставок и потому не требуют модификаций с разнообразными диапазонами измерения входных аналоговых сигналов.
Кроме того, характеристики срабатывания практически не имеют разброса. Микропроцессорные устройства отличаются высоким коэффициентом возврата. Использование энергонезависимой памяти позволяет применять программный модуль регистратора входных токов и напряжений, последовательности срабатывания защит и автоматики, которого не было в реле, выполненных на традиционной электромеханической основе.
Использование цифровых средств защиты позволило выстроить новые принципы эксплуатации силового оборудования. Постоянный мониторинг состояния цепей включения и отключения коммутационных устройств, предельного количества оперативных действий и контроль токов отключения позволяют создать системы диагностики оборудования. Благодаря этой функции принимаются более обоснованные решения о проведении технического обслуживания и плановых ремонтов оборудования.
В конструкции электромеханических реле и большинства микроэлектронных средств защиты отсутствуют встроенные средства самодиагностики. Для микропроцессорных устройств наличие этой функции является обязательным. В автоматическом режиме проверяется исправность отдельных модулей и устройства в целом с индикацией состояния и блокировкой выходов средства защиты в случае обнаружения неисправности.
Современные микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики энергооборудования характеризуются множеством положительных качеств. Однако, как и любому техническому устройству, им свойственны и свои недостатки:
- Высокая стоимость оборудования. Одним из наиболее существенных «минусов» цифровых защитных устройств эксперты называют высокую стоимость оборудования на базе «цифры». Помимо этого предприятие вынуждено нести расходы, связанные с обслуживанием цифровых реле. Необходимо наличие дорогостоящего оборудования, программных продуктов, а также введение в штат специалистов с соответствующей квалификацией и компетенциями.
Этот недостаток становится менее значимым в том случае, если все энергообъекты компании укомплектованы оборудованием, изготовлены на базе цифровых технологий. Тогда техническое обслуживание устройств вменяется в обязанности работников службы релейной защиты и автоматики, которые специализируются на микропроцессорных типах защитных устройств.
Если же цифровые защиты установлены только на некоторых энергообъектах, в то время как часть оборудования функционирует под защитой аналоговых или микроэлектронных реле, то это действительно дорого обходится предприятию, поскольку требует содержания специалистов нескольких служб одновременно – для обслуживания как традиционных реле, так и защит, созданных с использованием цифровой элементной базы.
- Узкий диапазон рабочих температур. Еще один недостаток микропроцессорных устройств заключается в требовательности оборудования к соблюдению климатических показателей. Классические средства защиты, выполненные на базе обычных реле, достаточно неприхотливы и могут полноценно функционировать в широком диапазоне рабочих температур.
Для обеспечения корректной работы цифровых РЗиА необходимо устанавливать дополнительное климатическое оборудование: в осенне-зимний период воздух в помещении придется обогревать, а летом охлаждать.
- Периодические сбои в работе программного обеспечения. Справедливости ради стоит отметить, что современные программы характеризуются высокой устойчивостью и работают стабильно. Поэтому сбои, требующие периодической перезагрузки терминала, – это скорее исключение из правил. Однако если в момент такого сбоя происходит короткое замыкание, то это может повредить оборудование, поскольку в это время присоединение не защищено.
На фоне многочисленных преимуществ цифровых средств защиты их «слабые» стороны менее существенны, а в некоторых случаях даже могут быть предотвращены. Например, установка климатического оборудования с функцией климат-контроля или использование надежного программного обеспечения практически исключают вероятность возникновения сбоев или некорректной работы микропроцессорных устройств.
С каждым годом средства защиты становятся все более сложными. Для систем РЗиА разрабатывается специализированное программное обеспечение, а сама защита строится на модульной основе. Современные устройства коммутируют через интернет (включая беспроводные коммуникации) и программируются по USB.
В России темпы ввода в эксплуатацию современных высоконадежных типов РЗиА отстают от мировых тенденций. Чтобы ускорить этот процесс, ПАО «Россети» утверждена «Программа инновационного развития на период 2016-2020 годы с перспективой до 2025 года», разработаны целевые программы, в которых выполнено плановое распределение затрат на модернизацию парка устройств релейной защиты и автоматики. В 2017 году разработана Стратегия развития электросетевого комплекса РФ на 2018–2022 гг. и период до 2030 года.
В каждом из указанных документов одной из основных стратегических целей является модернизация средств РЗиА в отечественных электросетях. Кроме того, указана необходимость инновационного развития, которое нуждается в разработке инвестиционных программ, совершенствовании нормативно-технического обеспечения, повышении качества подготовки обслуживающего персонала и проведении научных исследований с целью создания инновационных устройств релейной защиты и автоматики.
