В электрической части энергосистем могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций (ЭС), подстанций (ПС) и линий электропередачи (ЛЭП).
Повреждения вызывают появление значительных аварийных токов и сопровождаются глубоким понижением напряжения на шинах ЭС и ПС. Аварийные токи выделяют большое количество теплоты, которое вызывает сильное разрушение оборудования энергосистем.
Большинство повреждений приводит к коротким замыканиям (КЗ). Различают трехфазные, двухфазные, однофазные и двухфазные КЗ на землю в сети с глухозаземленной нейтралью 110 кВ и выше, а также замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью 6–10–35 кВ. В обмотках электрических машин и трансформаторов могут также возникать КЗ между витками одной фазы. Основными причинами повреждений являются: нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные ее старением, перенапряжениями, механическими повреждениями, гололедом, ураганным ветром, а также ошибки персонала при оперативных переключениях и др.
Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению напряжения, тока и частоты энергосистемы от допустимых значений. В соответствии с ГОСТ допустимые отклонения напряжения в среднем составляют 
. Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) и Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) в энергосистемах отклонение частоты допускается в пределах 
, т.е. 
= 0,2 – 0,4 %. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и ЛЭП. Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или отключению в пределах допустимого времени.
Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обеспечения нормальной работы неповрежденной части энергосистемы необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной части энергосистемы.
Выявление и отключение повреждений следует производить очень быстро - в большинстве случаев в течение сотых и десятых долей секунды, что может быть обеспечено только средствами автоматики. Для этих целей были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи электрических автоматов-реле. Такой способ защиты получил название релейной защиты.
Устройства релейной защиты (УРЗ) осуществляют непрерывный контроль за состоянием всех элементов энергосистемы и реагируют на возникновение повреждений и ненормальных режимов.
При возникновении повреждений УРЗ должно выявить поврежденный участок и отключить его от энергосистемы, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения.
При возникновении ненормальных режимов УРЗ также должно выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу, который должен принимать меры к ликвидации ненормальности.
1.2. Основные требования, предъявляемые к устройствам релейной
защиты
Требования к УРЗ от повреждений и к УРЗ, реагирующим на ненормальные режимы, имеют некоторые различия, поэтому они рассматриваются раздельно.
Защита от повреждений должна удовлетворять четырем основным требованиям: действовать селективно, быстро, обладать необходимой чувствительностью к повреждениям и надежно выполнять свои функции.
Селективность. Селективностью, или избирательностью, УРЗ называется его способность отключать только поврежденный участок сети. Так, при КЗ в точке К1 (рис. 1.1) УРЗ должно отключать поврежденную ЛЭП W3 выключателем Q2, ближайшим к месту повреждения. При таком действии УРЗ электроснабжение всех потребителей, кроме питавшихся от поврежденной ЛЭП W3, сохраняется. В случае КЗ в точке К2 при селективном действии УРЗ должна отключаться поврежденная ЛЭП W1 выключателями Q3 и Q4, а ЛЭП W2 оставаться в работе. При этом все потребители сохраняют питание.
Рис. 1.1. Селективное отключение короткого замыкания в сети
Быстрота действия. Отключение КЗ должно производиться с возможно большей быстротой для ограничения размеров разрушения в месте повреждения, обеспечения термической стойкости оборудования, кабельных и воздушных ЛЭП и сохранения устойчивости параллельной работы генераторов электростанций.
Для сохранения устойчивости энергосистем требуется весьма малое время отключения КЗ. На ЛЭП 750 – 1150 кВ междуфазные КЗ необходимо отключать через 
после их возникновения, на ЛЭП 330 – 500 кВ - за 
, на ЛЭП 110 – 220 кВ - за 
.
В распределительных сетях 6 – 35 кВ, удаленных от основных ЭС, допускается отключение КЗ с временем 
.
В качестве приближенного критерия необходимости применения быстродействующих УРЗ ПУЭ рекомендует определять остаточное напряжение на шинах ЭС и узловых ПС при трехфазных КЗ в конце защищаемого участка. Если остаточное напряжение получается ниже 60% номинального, то для сохранения устойчивости следует для быстрого отключения повреждения применять быстродействующее УРЗ.
Чувствительность. УРЗ должно обладать достаточной чувствительностью при возникновении КЗ в пределах зоны его действия. Так, например, УРЗ АК1 (рис. 1.2) должно отключать повреждения на участке АВ (первом - основном), защищаемом АК1, и, кроме того, иметь достаточную чувствительность для действия при КЗ на следующем (втором - резервируемом) участке ВС, защищаемом АК2. Последняя функция АК1 называется дальним резервированием. Такое резервирование необходимо для отключения КЗ в том случае, если УРЗ второго участка АК2 или выключатель Q2 не подействуют из-за неисправности. Таким образом, УРЗ АК1, предназначенное для дальнего резервирования, должно быть чувствительным и к КЗ в конце следующего участка ВС.
Рис. 1.2. Зоны действия устройств релейной защиты
Надежность. Требование надежности состоит в том, что УРЗ должно безотказно работать при повреждении в пределах установленной для него зоны и не должно работать неправильно, когда работа его не предусматривается. Отказ в работе или неправильное действие УРЗ приводят к дополнительному нарушению электропитания потребителей, а иногда к авариям системного значения. Например, при КЗ в точке К1 (рис. 1.3) и отказе АК1 или выключателя Q1 сработает АК3, в результате чего дополнительно отключаются подстанции С и D, а при неправильной работе АК4 в нормальном режиме отключится ЛЭП W4, и потребители подстанций B – Е потеряют питание.
Надежность УРЗ обеспечивается простотой и надежностью применяемых конструкций и схем реле, а также качеством изготовления вспомогательной аппаратуры и монтажных материалов. Важное значение для надежности УРЗ имеет автоматический и тестовый контроль за его исправностью.
Защита от ненормальных режимов также должна обладать селективностью, чувствительностью и надежностью. Быстрота действия от них, как правило, не требуется. Отключение оборудования при ненормальном режиме должно производится только тогда, когда создается опасность его повреждения. Если устранение ненормальных режимов может произвести дежурный персонал с соблюдением допустимого времени, то УРЗ от ненормальных режимов может выполняться с действием на сигнал.
Рис. 1.3. Неселективное отключение короткого замыкания в случае отказа устройства релейной защиты
