Защита энергосистемы — это раздел электротехники , который занимается защитой энергосистем от неисправностей [ требуется ссылка ] посредством отключения неисправных частей от остальной части электрической сети . Целью схемы защиты является поддержание стабильности энергосистемы путем изоляции только неисправных компонентов, при этом оставляя в работе как можно большую часть сети. Устройства, которые используются для защиты энергосистем от неисправностей, называются устройствами защиты .
Системы защиты обычно состоят из пяти компонентов
В некоторых частях распределительной системы предохранители способны как определять, так и отключать неисправности .
Неисправности могут возникать в каждой части, например, нарушение изоляции, упавшие или сломанные линии электропередачи, неправильная работа автоматических выключателей, короткие замыкания и обрывы цепей. Защитные устройства устанавливаются с целью защиты активов и обеспечения бесперебойной подачи энергии.
Коммутационная аппаратура представляет собой комбинацию электрических разъединителей, предохранителей или автоматических выключателей, используемых для управления, защиты и изоляции электрооборудования. Выключатели безопасно размыкаются при нормальном токе нагрузки (некоторые выключатели небезопасны для работы в нормальных или ненормальных условиях), в то время как защитные устройства безопасно размыкаются при токе короткого замыкания. Очень важное оборудование может иметь полностью избыточные и независимые защитные системы, в то время как второстепенная распределительная линия может иметь очень простую недорогую защиту. [1]
Защита системы передачи и распределения выполняет две функции: защиту завода и защиту населения (включая сотрудников). На базовом уровне защита отключает оборудование, которое испытывает перегрузку или короткое замыкание на землю. Некоторые элементы на подстанциях, такие как трансформаторы, могут потребовать дополнительной защиты, основанной на температуре или давлении газа, среди прочего.
На электростанции защитные реле предназначены для предотвращения повреждения генераторов или трансформаторов в случае ненормальных условий работы, вызванных внутренними отказами, а также отказами изоляции или сбоями регулирования. Такие отказы редки, поэтому защитные реле должны срабатывать очень редко. Если защитное реле не обнаруживает неисправность, вызванное этим повреждение генератора или трансформатора может потребовать дорогостоящего ремонта или замены оборудования, а также потери дохода из-за невозможности производить и продавать энергию.
Для защиты от перегрузки требуется трансформатор тока, который просто измеряет ток в цепи и сравнивает его с заданным значением. Существует два типа защиты от перегрузки: мгновенная перегрузка по току (IOC) и выдержка времени (TOC). Мгновенная перегрузка по току требует, чтобы ток превышал заданный уровень для срабатывания автоматического выключателя. Защита от перегрузки по току с выдержкой времени работает на основе кривой зависимости тока от времени. На основе этой кривой, если измеренный ток превышает заданный уровень в течение заданного периода времени, срабатывает автоматический выключатель или предохранитель. Функция обоих типов объясняется в разделе «Ненаправленная защита от перегрузки по току» на YouTube .
Защита от замыкания на землю также требует трансформаторов тока и обнаруживает дисбаланс в трехфазной цепи. Обычно три фазных тока находятся в равновесии, т. е. примерно равны по величине. Если одна или две фазы подключаются к земле через низкоомный путь, их величины резко возрастут, как и дисбаланс тока. Если этот дисбаланс превышает заранее определенное значение, должен сработать автоматический выключатель. Ограниченная защита от замыкания на землю — это тип защиты от замыкания на землю, которая ищет замыкание на землю между двумя наборами трансформаторов тока [2] (следовательно, ограничена этой зоной).
Дистанционная защита обнаруживает как напряжение, так и ток. Неисправность в цепи обычно приводит к падению уровня напряжения. Если отношение напряжения к току, измеренное на клеммах реле, что равно сопротивлению, попадает в заданный уровень, сработает автоматический выключатель. Это полезно для достаточно длинных линий, линий длиной более 10 миль, поскольку их рабочие характеристики основаны на характеристиках линии. Это означает, что при возникновении неисправности на линии настройка сопротивления в реле сравнивается с кажущимся сопротивлением линии от клемм реле до неисправности. Если настройка реле оказывается ниже кажущегося сопротивления, определяется, что неисправность находится в зоне защиты. Когда длина линии передачи слишком коротка, менее 10 миль, дистанционную защиту становится сложнее координировать. В этих случаях наилучшим выбором защиты является дифференциальная защита по току. [ необходима цитата ]
Цель защиты — удалить только пораженную часть установки и ничего больше. Автоматический выключатель или защитное реле могут выйти из строя. В важных системах отказ первичной защиты обычно приводит к срабатыванию резервной защиты. Дистанционная резервная защита обычно удаляет как пораженные, так и непораженные элементы установки для устранения неисправности. Локальная резервная защита удаляет пораженные элементы установки для устранения неисправности.
В низковольтной сети обычно используются предохранители или низковольтные выключатели для устранения как перегрузок, так и замыканий на землю.
Система, которая представляет собой большую взаимосвязанную электрическую систему, включающую систему передачи и управления, ежедневно сталкивается с новыми угрозами кибербезопасности. («Кибербезопасность электросетей», 2019). Большинство этих атак нацелены на системы управления в сетях. Эти системы управления подключены к Интернету, что облегчает хакерам возможность атаковать их. Эти атаки могут привести к повреждению оборудования и ограничить способность специалистов по коммунальным услугам контролировать систему.
Координация защитных устройств — это процесс определения «наилучшего» времени отключения тока при возникновении ненормальных электрических условий. Цель — максимально сократить время отключения. Исторически координация защитных устройств выполнялась на полупрозрачной бумаге в логарифмическом формате. Современные методы обычно включают подробный компьютерный анализ и отчетность.
Координация защиты также осуществляется путем разделения энергосистемы на защитные зоны. Если в данной зоне произойдет сбой, будут выполнены необходимые действия для изоляции этой зоны от всей системы. Определения зон учитывают генераторы , шины, трансформаторы , линии передачи и распределения и двигатели . Кроме того, зоны обладают следующими характеристиками: зоны перекрываются, области перекрытия обозначают автоматические выключатели, и все автоматические выключатели в данной зоне с неисправностью будут разомкнуты, чтобы изолировать неисправность. Перекрывающиеся области создаются двумя наборами измерительных трансформаторов и реле для каждого автоматического выключателя. Они предназначены для резервирования, чтобы исключить незащищенные области; однако перекрывающиеся области разработаны так, чтобы оставаться как можно меньше, так что когда неисправность происходит в области перекрытия и две зоны, которые охватывают неисправность, изолированы, сектор энергосистемы, который теряется из обслуживания, все еще мал, несмотря на то, что две зоны изолированы. [3]
Оборудование для мониторинга нарушений (DME) контролирует и записывает системные данные, относящиеся к неисправности . DME выполняет три основные задачи:
Устройства DME включают в себя: [5]
Инженеры по защите определяют надежность как тенденцию системы защиты работать правильно для неисправностей в зоне. Они определяют безопасность как тенденцию не работать для неисправностей вне зоны. И надежность, и безопасность являются вопросами надежности. Анализ дерева неисправностей является одним из инструментов, с помощью которого инженер по защите может сравнить относительную надежность предлагаемых схем защиты. Количественная оценка надежности защиты важна для принятия наилучших решений по улучшению системы защиты, управления компромиссами между надежностью и безопасностью и получения наилучших результатов за наименьшие деньги. Количественное понимание необходимо в конкурентной отрасли коммунальных услуг. [6] [7]
Надежность: надежность против безопасности
Существует два аспекта надежной работы систем защиты: надежность и безопасность. [8] Надежность — это способность системы защиты работать при вызове на удаление неисправного элемента из энергосистемы. Безопасность — это способность системы защиты удерживать себя от работы во время внешнего сбоя. Выбор надлежащего баланса между безопасностью и надежностью при проектировании системы защиты требует инженерного суждения и варьируется в зависимости от конкретного случая.