История электротехники - Коллектив авторов

Следует отметить еще одну проблему, связанную с испытаниями разнообразных объектов, в том числе и электрооборудования, на устойчивость при прямых ударах молнии. Для имитации удара молнии в объект на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений МЭИ созданы уникальные установки, способные в реальных масштабах амплитуд и времени воспроизводить сложные по форме импульсы тока, включая многокомпонентные токи молнии.

5.5. ТЕХНИКА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

5.5.1. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

Электроэнергетические системы (ЭЭС), их объединения и Единая энергосистема страны постоянно подвержены случайным возмущающим воздействиям, поэтому без автоматического управления их функционирование практически невозможно. Скачкообразно и случайно изменяющаяся электрическая нагрузка в условиях необходимого свойственного производству электроэнергии равенства в каждый момент времени генерируемой и потребляемой мощностей (их баланса) при отсутствии непрерывно действующего автоматического управления непременно вызовет недопустимые отклонения показателей качества электроэнергии, прежде всего амплитуды напряжения и частоты промышленного тока.

Неизбежные в силу физической природы электричества короткие замыкания, возникающие то в одном, то в другом месте рассредоточенной по всей территории страны ЕЭС и столь же неизбежные ввиду сложности электрической схемы ЕЭС случайные отключения синхронных генераторов и магистральных линий электропередачи, дискретно нарушающие баланс генерируемой и потребляемой мощностей, без экстренного и интенсивного воздействия автоматики могут вызвать нарушение синхронной работы генераторов электрических станций и, как следствие, полное прекращение процесса производства и передачи электроэнергии, т.е. общесистемную аварию с ее катастрофическими последствиями.

Эти специфические особенности электроэнергетики обусловили развитие технических средств автоматического управления еще в начальный период ее становления.

Прежде всего возникла и непрерывно совершенствовалась техника автоматического обнаружения коротких замыканий (КЗ) и быстродействующего отключения поврежденных электроэнергетических объектов — техника релейной защиты как абсолютно необходимая разновидность противоаварийной автоматики, без которой невозможна работа даже простейшей электроэнергетической установки.

Первыми и простейшими устройствами автоматического отключения электрооборудования при КЗ были легкоплавкие вставки (предохранители), расплавлявшиеся (перегоравшие) под воздействием токов КЗ, не менее чем на порядок превышавших рабочие. Они и до сих пор остаются техническим средством защиты (прежде всего от пожара) широко разветвленных промышленных и бытовых электрических сетей низкого (ниже 1000 В) напряжения. Их техническое исполнение и защитные свойства непрерывно совершенствовались, и теперь предохранители применяются в системах электроснабжения и при высоком (выше 1000 В) напряжении.

К техническим устройствам собственно релейной защиты относятся появившиеся в самом начале развития электроэнергетики электромагнитные расцепители механизмов отключения выключателей низкого и высокого напряжений, лавинообразно действующие на отключение выключателя при достижении током в защищаемой электрической цепи определенного фиксированного значения. Это максимальные первичные, а затем вторичные (включаемые в электрическую цепь через измерительные трансформаторы тока) реле тока. На их основе вплоть до последнего десятилетия выполнялись автоматические устройства максимальной токовой (МТЗ) и направленной защиты с использованием измерительного реле направления мощности.

На линиях электропередачи напряжением 110–330 кВ с глухо заземленной нейтралью широко применяется направленная токовая защита нулевой последовательности от однофазных и двухфазных КЗ на землю. Ее достоинство — независимость настройки и действия от рабочих режимов ЭЭС.

Аналогичным свойством обладает и появившаяся в начале 30-х годов первая отечественная дистанционная защита от междуфазных КЗ, которая вытеснила защиты иностранных фирм «Сименс» и «Вестингауз». По отношению напряжения и тока — сопротивлению она определяет расстояние до места КЗ. Направленная дистанционная защита с измерительными реле сопротивления стала наиболее распространенным устройством релейной защиты современных ОЭС и ЕЭС.

В развитии теории электромагнитных переходных процессов в ЭЭС, возникающих при КЗ, на основе которой функционирует релейная защита, важную роль сыграли труды российских ученых Н.Н. Щедрина, Н.Ф. Марголина, С.А. Ульянова, А.Б. Чернина [5.28; 5.29]. Первым обобщающим трудом отечественных авторов по теории и технике релейной защиты была книга В.И. Иванова «Реле и релейная защита», вышедшая в 1932 г.

Опыт проектирования и эксплуатации релейной защиты в военные годы был обобщен в выпущенной в 1945 г. книге М.Ф. Кострова, И.И. Соловьева и A.M. Федосеева «Основы техники релейной защиты». «Руководящие указания по релейной защите» вышли под руководством Л.Е. Соловьева тремя выпусками в 1933–1939 гг., а в последующем Руководящие указания по отдельным видам защит выходили в 1942–1975 гг. под руководством A.M. Федосеева.

Однако даже быстродействующие дистанционные защиты оказались недостаточно эффективными для сохранения при КЗ динамической устойчивости при параллельно работающих мощных электрических станциях, связанных длинными и сильно нагруженными линиями. Оснащенность линий высокочастотной связью, обеспечивающей обмен информацией между устройствами релейной защиты, установленными на противоположных концах, позволила создать сверхбыстродействующие высокочастотные защиты электропередач сверхвысокого напряжения 500–750 кВ. ВНИИЭ и институтом «Энергосетьпроект» были разработаны фильтровая направленная обратной последовательности (ФНЗОП) и дифференциально-фазная (ДФЗ) высокочастотные защиты таких линий электропередачи. Благодаря использованию фильтров симметричных составляющих, а именно обратной последовательности напряжений и токов, в первой из названных защит и комбинированных фильтров токов прямой, обратной и нулевой последовательностей во второй из них было достигнуто существенное повышение эффективности действия защит для сохранения динамической устойчивости электропередач при КЗ.

В процессе создания ФНЗОП и ДФЗ были радикально усовершенствованы электромеханические измерительные реле тока, напряжения, направления мощности, направленные реле сопротивления. Первые отечественные электромеханические измерительные реле выпускались Харьковским электромеханическим заводом. Во время Великой Отечественной войны он был эвакуирован в Чебоксары, где на его базе был создан Чебоксарский электроаппаратный завод (ЧЭАЗ), ставший основным релестроительным заводом страны.

Чебоксарский завод освоил и выпустил новые полупроводниковые, а затем микросхемные измерительные реле для дистанционных и высокочастотных защит. На основе сочетания взаимодополняющих свойств ФНЗОП и ДФЗ разработана и выпускается самая совершенная и быстродействующая высокочастотная фильтровая направленная и дифференциально-фазная защита для современных и вновь сооружаемых линий электропередачи напряжением 750–1150 кВ. На таких электропередачах широко используется отключение только одной фазы, поврежденной при однофазном КЗ на землю. Эта защита — единственная быстродействующая и правильно функционирующая в неполнофазном режиме работы линий электропередач.

Основы новой отечественной техники релейной защиты составили фундаментальные труды Г.И. Атабекова, Л.Е. Соловьева, В.Л. Фабриканта, A.M. Федосеева. В ее разработке принимали активное участие научные сотрудники института «Энергосетьпроект» (В.М. Ермоленко, С.Я. Петров), ВНИИЭ (Е.Д. Сапир, Я.С. Гельфанд, А.И. Левиуш, П.К. Фейст) и ведущие специалисты эксплуатационных организаций (М.А. Беркович, Н.В. Чернобровое, М.Ф. Мельников).

Непростой проблемой оказалось и создание быстродействующих, безотказно и правильно работающих автоматических устройств релейной защиты синхронных генераторов и трансформаторов, а также шин электрических станций и подстанций.

Работы И. А. Сыромятникова по режимам работы синхронных генераторов и электродвигателей способствовали повышению надежности собственных нужд электростанций.

Первые электромеханические дифференциальные защиты часто излишне срабатывали на отключение, особенно трансформаторов, под воздействием бросков токов намагничивания в момент включения или скачкообразного восстановления (после отключения КЗ) напряжения на трансформаторе.