Поле релейной защиты
Трансформаторы тока (ТТ) подают сигналы на защитные реле на заводах. При возникновении аномальных токов реле отключают прерыватели, предотвращая перегорание двигателя и дорогостоящее повреждение оборудования.
Устройства релейной защиты (реле защиты) играют решающую роль в обеспечении стабильности, безопасности и соответствия нормативным требованиям систем производства и распределения электроэнергии. Благодаря использованию возобновляемых источников энергии, распределенной генерации и строгим сетевым нормам реле играют центральную роль в обнаружении неисправностей, отключении сети, обеспечении соблюдения частоты и напряжения, а также в общей надежности системы.
Контекст нормативно-правового регулирования/стандартов
Немецкие правила подключения генерирующих систем к сети устанавливают юридические требования к реле защиты. Два основных правила технического подключения:
VDE-AR-N 4105: регулирует низковольтные соединения (≤100 кВт, <1000 В переменного тока).
VDE-AR-N 4110: для соединений среднего напряжения (>100 кВт или ≥1000 В переменного тока).
В обоих случаях необходимы реле питания или защиты сети для контроля напряжения, частоты, отключений и связанных с ними явлений; отключать генераторы в запредельных или небезопасных условиях; и предотвратить секционирование (т.е. непреднамеренное отделение части сети).
Ключевые приложения / практические примеры
1. Гидроэлектростанции и распределенная генерация
Конкретным примером является Lukas Anlagenbau GmbH, компания в Баварии, которая управляет множеством гидроэлектростанций (мощностью от 5 кВт до 10 МВт). В соответствии с регламентом VDE-AR-N 4105 (и его изменениями) предприятия компании должны соблюдать требования по мониторингу питания сети: обнаруживать повышенное/пониженное напряжение, повышенную/пониженную частоту и реагировать при отклонении параметров.
Чтобы удовлетворить эти требования, Лукас Анлагенбау внедрил реле контроля питания сети CM-UFD.M31 компании АББ на более чем 60 гидроэлектростанциях. Это реле постоянно контролирует соответствующие параметры и отключает переключатель интерфейса (отключает установку от общественной сети) при превышении предельных значений. Устройство также отображает сообщения об ошибках, поддерживает точные пороговые значения (частоты и напряжения) и обеспечивает удобство использования (установка на DIN-рейку, читаемый дисплей).
Этот случай иллюстрирует, как релейная защита обеспечивает как эксплуатационную безопасность, так и соответствие нормативным требованиям, одновременно позволяя распределенной генерации участвовать в сети.
2. Солнечные фотоэлектрические системы и «защита NA».
Еще одним ключевым примером является развертывание солнечных фотоэлектрических систем, особенно в секторе низкого напряжения. В соответствии с VDE-AR-N 4105 любая генерирующая установка мощностью от 30 до 135 кВт должна иметь установленную защиту сети и системы (защита NA).
Защита NA сочетает в себе реле контроля и резервные блокировочные выключатели. Реле контролирует напряжение и частоту сети и, когда отклонения превышают допуски, отключает фотоэлектрическую систему от сети в течение заданного времени (часто в течение 0,2 секунды). Блокировочные выключатели устроены таким образом, что два переключающих элемента, включенных последовательно, обеспечивают безопасность при отказе: в случае выхода из строя одного из них другой все равно обеспечивает отключение. Коммутационные устройства также передают информацию о состоянии реле контроля, обеспечивая правильную работу.
3. Используемые устройства/реле.
Немецкие производители, такие как Ziehl, производят реле защиты, соответствующие этим стандартам. Например, устройства UFR1001E и UFR1002IP контролируют напряжение, частоту, векторный сдвиг и скорость изменения частоты (ROCOF), среди прочего, отвечая требованиям VDE-AR-N 4105:2018-11 и VDE-AR-N 4110:2018-11.
Эти реле используются на генерирующих установках (солнечных, гидро-, ветровых) и обеспечивают важные функции: обнаружение аномальных состояний сети, безопасное отключение, дистанционное управление/режим ожидания, отображение и регистрацию неисправностей. Реле Ziehl спроектированы так, чтобы быть безопасными при единичных отказах (т. е. в случае выхода из строя одного компонента функция безопасности продолжает работать), что является требованием немецких правил энергосистемы.
Проблемы, решаемые релейной защитой
Из этих приложений мы можем увидеть несколько категорий проблем, с которыми помогают устройства релейной защиты.
Стабильность и безопасность энергосистемы
Возобновляемые источники энергии являются переменными; внезапные изменения в генерации (например, из-за облаков над фотоэлектрическими станциями или падения скорости ветра) могут вызвать колебания частоты и напряжения. Если не принять меры, эти колебания могут распространиться и дестабилизировать более широкую сеть. Реле обеспечивают отключение генерирующих станций, когда параметры превышают безопасные допуски, защищая как установку, так и сеть.
Предотвращение островирования.
Островок (продолжение работы энергоблока при отключении сети) опасен для обслуживающего персонала и может привести к повреждению оборудования. Реле защиты с правильным обнаружением (потеря напряжения, дрейф частоты, сдвиг вектора и т. д.) гарантируют, что в случае потери соединения с сетью или возникновения неисправностей генерация будет безопасно отключена. Солнечные системы в режиме защиты NA должны включать защиту от изолирования.
Соответствие сетевым нормам и юридическим требованиям
Нормативные стандарты, такие как VDE-AR-N 4105/4110 в Германии, предъявляют особые требования к защите, безопасности и производительности. Операторы должны использовать реле, сертифицированные по этим стандартам, с правильными настройками. Соблюдение требований позволяет избежать юридических санкций и гарантирует, что предприятия смогут оставаться на связи и получать вознаграждение. Примером может служить случай, когда гидроэнергетическая компания приняла CM-UFD.M31 от ABB для соответствия нормам VDE.
Обнаружение неисправностей и быстрое отключение.
Неисправности в линиях, повышенное или пониженное напряжение, повышенная или пониженная частота должны обнаруживаться быстро, чтобы предотвратить повреждение компонентов и предотвратить каскадные сбои. Реле обеспечивают быстрое обнаружение и срабатывание (отключение) для изоляции неисправных частей.
Качество электроэнергии и интеграция сети.
По мере роста возобновляемой энергии качество электроэнергии (колебания напряжения, мерцание, гармоники) и когерентность (фаза, частота) становятся все более сложными. Реле защиты помогают отслеживать и обеспечивать соблюдение ограничений, обеспечивающих приемлемое качество электроэнергии для всех пользователей. Они также поддерживают такие функции, как векторный сдвиг (для обнаружения аберрантных фазовых соотношений) и ROCOF (скорость изменения частоты), которые важны для стабильности, когда большие объемы распределенной генерации находятся в сети.
Обсуждение/Извлеченные уроки
Удобство использования устройства имеет значение: реальный случай в Германии показывает, что реле, которые легко настроить, с четким дисплеем и простыми процессами настройки, с гораздо большей вероятностью будут правильно установлены и обслуживаться. Оператор гидроэлектростанции заложил в бюджет простоту и точность настройки.
Резервирование и отказоустойчивость: два независимых переключающих элемента, включенных последовательно, контроль положения переключателей, двухканальные реле, отказоустойчивая конструкция — это не просто приятные особенности, но и нормативные требования многих немецких сетевых норм и правил.
Пороговые значения и время. Такие настройки, как пределы напряжения/частоты, задержка перед отключением, коммутационная способность и т. д., должны быть адаптированы к требованиям местного оператора сети. Немецкие правила определяют ограничения по времени (как быстро генератор должен отключиться, если напряжение/частота выходит за пределы допустимого диапазона). Чувствительность, точность и скорость реле имеют решающее значение.
Эволюция стандартов: стандарты VDE-AR-N 4105 и 4110 развивались. Производители и операторы должны следить за изменениями. Реле защиты часто предоставляют предустановленные пороговые значения для текущих версий этих стандартов.
Заключение
Устройства релейной защиты являются краеугольным камнем безопасной, совместимой и стабильной интеграции возобновляемых и распределенных источников энергии. Благодаря соблюдению нормативных стандартов (VDE-AR-N 4105/4110), внедрению передовых релейных устройств (ABB, Ziehl и т. д.) и практической работе с гидроэлектростанциями и солнечными фотоэлектрическими системами реле решают ключевые проблемы:
отключение в небезопасных условиях напряжения/частоты
предотвращение изолированности
защита оборудования и стабильность сети
обеспечение соблюдения требований и избежание штрафов
По мере того, как в Германии продолжается энергетический переход («Energiewende»), с более децентрализованной генерацией, хранением энергии, микросетями и интеллектуальными сетями, значение реле защиты будет расти — не только для безопасности и регулирования, но также как средство обеспечения надежности, отказоустойчивости и гибкости работы.
