7. РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ МАКСИМАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ

Категория: М.А. Шабад "Максимальные токовые защиты"

Расчет параметров срабатывания максимальных токовых защит главным образом состоит из выбора тока срабатывания измерительных органов защиты и выдержки времени логического элемента задержки, т.е. уставок по току и по времени. Для токовых отсечек чаще всего выбирается только уставка по току, но иногда — и уставка по времени.

Выбранные уставки по току и по времени должны обеспечивать правильную работу защиты, отвечающую требованиям селективности, чувствительности, быстродействия и надежности [1].

При выборе уставок может выявиться непригодность предварительно принятой схемы и даже типа релейной защиты. Например, при недостаточной чувствительности максимальной токовой защиты трансформатора или линии к удаленным КЗ может потребоваться дополнительная установка пускового органа напряжения или вообще замена этого типа защиты на другой — дистанционный. Возможны случаи, когда в результате выбора уставок максимальной токовой защиты выявляются возможности обеспечения ее чувствительности только при условии преднамеренного ограничения сверхтоков перегрузки, например недопущения одновременного включения большого числа асинхронных двигателей, предусмотрев их поочередный пуск с помощью специальной автоматики.

Таким образом, выбор уставок защиты является очень ответственным делом. И чем проще устройство защиты, тем более сложным и трудоемким может оказаться выбор ее параметров срабатывания. Поэтому при расчетах релейной защиты интенсивно используются современные электронно-вычислительные машины (ЭВМ).

В распределительных электрических сетях простой конфигурации напряжением до 35 кВ, а иногда и 110 кВ, где в основном и применяются простые максимальные токовые защиты, для расчета уставок можно использовать как правило, персональные ЭВМ, называемые микро-ЭВМ, а в настоящее время — персональными ЭВМ (ПЭВМ).

В диалоге с ЭВМ можно быстро произвести расчеты токов короткого замыкания для различных режимов работы электроустановки, выполнить несколько вариантов выбора параметров срабатывания какой-либо защиты, при необходимости усложняя ее схему, заменяя дешевые электромеханические реле более дорогими полупроводниковыми реле с лучшими характеристиками. Практически одновременно решаются вопросы пуска и самозапуска электродвигателей нагрузки, производится выбор электродвигателей, которые предварительно, перед действием устройства АВР, должны отключаться, а также выбираются параметры срабатывания устройств АВР, определяющие очередность их действий. Далее производится расчетная проверка измерительных трансформаторов тока, которая также может оказаться многовариантной и привести к необходимости замены трансформаторов тока и изменения ранее выбранных типов и параметров срабатывания устройств защиты.

Для составления прикладных программ ЭВМ, так же как и для обычных расчетов параметров срабатывания максимальных токовых защит и токовых отсечек, используются известные, проверенные много летней практикой расчетные условия [1-5]. В этом параграфе они приводятся в общем виде, а конкретизируются — в следующих применительно к особенностям защищаемых элементов.

Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты.

Ток срабатывания максимальной токовой защиты выбирается в амперах по условию (7) несрабатывания защиты при сверхтоках послеаварийных перегрузок, по условию (8) согласования чувствительности защит защищаемого последующего и предыдущих элементов, а также по условию (2) обеспечения необходимой чувствительности защиты ко всем видам КЗ в основной зоне и в зонах дальнего резервирования (рис. 1).

По первому из этих условий ток срабатывания максимальной токовой защиты I_с.з выбирается по выражениям:

                                                                                                                  (7)

или

                                                                                                                           (7а)

где k_н — коэффициент надежности отстройки (табл. 7); k_в — коэффициент возврата максимальных реле тока или комплектных устройств того же назначения (табл. 7); k_сзп — коэффициент самозапуска, равный отношению максимального значения тока при самозапуске нагрузки I_сзп к максимальному реальному значению рабочего тока защищаемого элемента I_раб.max т. е. .

 

Таблица 7

Значения коэффициентов в Выражениях (7) и (8) выбора тока срабатывания максимальной токовой защиты

Тип (серия) реле тока	kн	kв	kн.с
РТВ	1,2 – 1,4	0,65	1,4 – 1,5
РТВ-40	1,1 – 1,2	0,8	1,2 – 1,4
РТ-80	1,1 – 1,2	0,8	1,3 – 1,4
РСТ 11, РСТ 13	1,15	0,9	1,1 – 1,3
ТЗВР	1,15	0,98	1,1 – 1,3

 

Максимальные значения тока самозапуска и коэффициента самозапуска при значительной доле электродвигательной (моторной) нагрузки определяются расчетом для конкретных условий, но обязательно при наиболее тяжелом условии пуска полностью заторможенных электродвигателей. Для нагрузок жилищно-коммунального (бытового) сектора, а также для большинства нагрузок в сельской местности, где преобладают осветительные и электронагревательные устройства при относительно небольшой доле мелкомоторной нагрузки, коэффициент самозапуска, как правило, не рассчитывается, а принимается в пре делах 1,2—1,5.

Максимальное значение рабочего тока защищаемого элемента I_раб.max определяется с учетом его максимально допустимой перегрузки. Например, для трансформаторов 10 и 6 кВ мощностью до 630 кВ*А допускается длительная перегрузка до 1,6—1,8 номинального тока, для трансформаторов двухтрансформаторных подстанций 110 кВ — до 1,4—1,6 номинального тока. Для некоторых элементов перегрузка вообще не допускается (кабели напряжением выше 10 кВ, реакторы). Значения допустимых максимальных нагрузок определяют диспетчерские службы.

По условию согласования чувствительности защит последующего (защищаемого) и предыдущих элементов ток срабатывания после дующей защиты выбирается по выражению

,                                            (8)

где k_н.с — коэффициент надежности согласования, значения которого приведены в табл. 7, причем большие из них относятся к тем случаям, когда защиты предыдущих элементов выполнены на реле прямого действия типа РТВ; k_р — коэффициент токораспределения, который учитывается только при наличии нескольких источников питания, а при одном источнике питания равен 1 (рис. 26); - наибольшая из геометрических сумм токов срабатывания максимальных токовых защит параллельно работающих предыдущих элементов (n); при разнице между углами фазового сдвига напряжения и тока для всех предыдущих элементов n не более 50° допустимо арифметическое сложение вместо геометрического; - геометрическая сумма максимальных значений рабочих токов всех предыдущих элементов (N), за исключением тех, с защитами которых производится согласование (n); при примерно однородной нагрузке допустимо арифметическое сложение вместо геометрического, что создает некоторый расчетный запас.

            Например, для каждой из предыдущих линий 2—7 (рис. 26) значения рабочего тока I_раб.max = 100 А; ток срабатывания у защит линий 5—7, работающих параллельно (n = 3), одинаков: I_с.з = 300 А. Тогда ток срабатывания максимальной токовой защиты последующей линии 1 по условию (8) при k_н.с = 1,3 должен быть

            Установив такой ток срабатывания защиты последующей линии 1, можно быть уверенным в том, что ее измерительные органы сработают лишь при таких значениях тока КЗ, при которых обеспечивается срабатывание защит предыдущих элементов. При этом учитывается возможность распределения тока К3 по двум или трем параллельно работающим предыдущим линиям или трансформаторам. Параллельная работа более чем трех элементов осуществляется очень редко.

Рис. 26. Схема электрической сети с параллельно работающими предыдущими элементами 3, 4 и 5—7, поясняющая условие (8) согласования чувствительности максимальных токовых защит последующих и предыдущих элементов.

 

            Правила [1] требуют выполнять согласование чувствительности защит во всех случаях, когда возможно действие защиты последующего элемента (линия 1 на рис. 26) из-за отказа вследствие недостаточной чувствительности защиты предыдущего элемента. Надо отметить, что в распределительных электрических сетях, где в основном и применяются максимальные токовые защиты, весьма вероятны отказы защит из-за недостаточной чувствительности при К3 в зонах дальнего резервирования. Например, при удаленных КЗ на линиях при отказе собственной защиты или выключателя (линия 8 на рис. 26) или при этих же условиях при КЗ в трансформаторах, в электродвигателях, за реакторами и т. п., когда значения токов КЗ невелики и близки к токам срабатывания защит последующих элементов (линий 5—7 на рис. 26) и эти защиты находятся на грани срабатывания.

Наиболее тяжелыми условия согласования чувствительности максимальных токовых защит оказываются при параллельно работающих предыдущих элементах, при разнотипных времятоковых характеристиках согласуемых защит (в том числе и плавких предохранителей), а также при выполнении на предыдущих элементах дистанционных защит [5].

Из полученных по выражениям (7) и (8) значений токов срабатывания защиты выбирается наибольшее, а затем по выражению (1) определяется ток срабатывания реле. Для защит, выполненных на токовых реле с плавной регулировкой тока срабатывания (например, РТ-40), полученное значение I_ср принимается за уставку по току. Для защит и реле со ступенчатой регулировкой тока срабатывания (4) подбирается ближайшее большее значение уставки по току.

Чувствительность защиты определяется по выражению (2). Минимальные значения тока в реле I_{р min}выбираются при самых неблагоприятных условиях: наибольшем сопротивлении питающей энергосистемы (минимальный режим) и наибольшем сопротивлении до места КЗ на защищаемом элементе (основная зона на рис. 1) и в зонах дальнего резервирования.

Для выбора минимального значения тока в реле рассматриваются все виды КЗ. Например, для двухфазной схемы максимальной токовой защиты (рис. 5) из табл. 1 видно, что при КЗ на защищаемых линиях минимальное значение тока в реле следует рассчитывать при двухфазных КЗ. А при тех же видах КЗ за трансформаторами со схемами соединения обмоток Y/∆-11 или ∆/Y0-11 важно учесть схему выполнения защиты: для двухрелейной схемы (реле РТ1, РТ2 на рис. 5) расчетное значение , а для трехрелейной — и, следовательно, чувствительность защиты повышается в 2 раза и получается одинаковой при трехфазном и всех видах двухфазных КЗ. Здесь надо отметить, что чувствительность защиты оценивается по наибольшему из вторичных токов, проходящих в измерительных реле защиты, хотя бы и в одном из трех реле, поскольку все реле самостоятельно действуют на логическую часть защиты (включены по схеме ИЛИ, рис. 5,8).

Ток срабатывания реле в выражении (2) рассчитывается по выражению (1). Значения коэффициента схемы указаны ранее при рассмотрении различных схем выполнения максимальных токовых защит. Для защит линий, выполненных по схеме неполной или полной звезды (рис. 5 и 7), с включением реле на фазные токи расчет коэффициента чувствительности защиты может производиться по первичным токам КЗ и срабатывания защиты (первичному):

                                                                                                                                        (9)

Для оценки чувствительности защит трансформаторов лучше пользоваться выражением (1).

Для защит, выполненных на реле прямого действия типа РТМ и РТВ (рис. 11), необходимо оценивать чувствительность с учетом действительного значения токовой погрешности f измерительных трансформаторов тока (если f ≥10%). Примеры расчета приведены в работе [5].

Для защит, выполненных по схеме с дешунтированием электромагнитов отключения ЭО (рис. 12, 13), дополнительно проверяются чувствительность ЭО и невозможность возврата защиты после дешунтирования ЭО при действительных значениях токовой погрешности в этом режиме, если они превышают 10%. Примеры расчета приведены в работе [5].

Увеличение чувствительности максимальной токовой защиты может быть достигнуто применением более совершенных реле (табл. 7) и уменьшением значений тока самозапуска моторной нагрузки. Используется также автоматическое секционирование линий электропередачи

с помощью выключателей с защитой с целью уменьшения длины защищаемых зон [5].

Выбор времени срабатывания и времятоковой характеристики максимальной токовой защиты.

Выдержка времени максимальных токовых защит вводится для замедления действия защиты с целью обеспечения селективности действия защиты последующего элемента по отношению к защитам предыдущих элементов. Для этого выдержка времени (или время срабатывания) защиты t_с.з последующей линии Л2 (рис. 1) выбирается большей, чем у защит предыдущих элементов: линии Л1 и трансформатора подстанции В.

В свою очередь, выдержка защиты линии Л3 должна быть больше, чем у защит линии Л2 и трансформатора подстанции Б. При этом выборе выдержек времени обеспечивается селективное (избирательное) отключение в первую очередь ближайшего к месту КЗ выключателя. Тем самым предотвращаются дополнительные излишние отключения неповрежденных элементов.

Недостатками максимальных токовых защит является накопление выдержек времени, особенно существенное для головных элементов в многоступенчатых электрических сетях (рис. 1). Для преодоления этого недостатка используются реле времени с повышенной точностью работы (электронные), максимальные реле тока с обратнозависимыми времятоковыми характеристиками различной формы, сочетание максимальных токовых защит и токовых отсечек.

После выбора выдержек времени максимальных токовых защит по условию селективности необходимо в ряде случаев проверять термическую стойкость защищаемого элемента, т.е. допустимость прохождения максимального тока КЗ в течение выбранного времени действия защиты. Это объясняется тем, что термическое воздействие электрического тока прямо пропорционально времени его прохождения. При недопустимо длительном прохождении большого сверхтока может произойти опасный перегрев токоведущих частей и изоляции и разрушение защищаемого элемента, например перегорание проводов воздушных линий электропередачи малого сечения, повреждение электрических кабелей и т. п. Следует учитывать и дополнительное время прохождения тока КЗ после АПВ линии на устойчивое неустранившееся повреждение [5].

Выбор времени срабатывания максимальных токовых защит с независимой от тока выдержки времени.

По условию селективности время срабатывания (уставка по времени) защиты последующего элемента выбирается в секундах, по выражению

,                                                                                                              (10)

где t_{c.з.посл} — время срабатывания максимальной токовой защиты предыдущего элемента, т. е. более удаленного от источника питания (рис. 27, а); ∆t — ступень селективности.

Значения ступени селективности для защит с независимой от тока выдержкой времени определяются в основном точностью реле времени [2]. У электромеханических реле времени с часовым механизмом серий РВ-100 и РВ-200 точность работы снижается с увеличением диапазона уставок по шкале [7]. Поэтому для максимальных токовых защит следует использовать реле времени со шкалой 0,25—3,5 с, а при возможности — со шкалой 0,1—1,3 с (§ 5). При этом значение ступени селективности можно уменьшить до 0,4 с. При использовании реле времени этих серий с более широкой шкалой (до 9 с) ступень селективности увеличивается до 0,5—0,6 с. Такая же ступень селективности принимается при установке реле времени типов РВМ-12 и РВМ-13.

При выполнении защиты с электронными реле времени РВ-01 минимальная ступень селективности может быть принята равной 0,3 с.

Рис. 27. Схема электрической сети (а) и карты селективности (б, в), поясняющие условия выбора ступеней селективности между защитами последующего и предыдущего элементов.

 

Выбор времятоковых характеристик максимальных токовых защит с реле РТ-80, РТВ и им подобных.

Времятоковые характеристики защит последующего и предыдущего элементов выбираются такими, чтобы была обеспечена ступень селективности ∆t при одном из следующих значений тока КЗ:

а) при максимальном значении тока КЗ в начале предыдущего элемента, если и на последующем 2 и на предыдущем 1 элементах выполнены защиты с обратнозависимым от тока времятоковыми характеристиками (рис. 27, 6)

б) при токе КЗ, равном току срабатывания защиты 2 последующего элемента, если эта защита выполнена с независимым от тока временем срабатывания, а защита 1 предыдущего элемента имеет обратнозависимую от тока времятоковую характеристику (рис. 27, в).

Значения ступеней селективности в первом случае (рис. 27, б) принимаются примерно равными 0,7 с для реле РТВ и примерно равными 0,6 с для реле РТ-80, если при максимальном значении тока К3 в начале защищаемого элемента реле обеих защит работают в независимой части характеристики или близко к ней. При согласовании характеристик защит с реле РТВ в зависимой части, т.е. при малых кратностях токов КЗ, рекомендуется увеличивать значение ступени селективности до 1 с.

Во втором случае (рис. 27, в) значение ступени селективности можно несколько уменьшить.

Опыт использования полупроводниковых реле и защит с обратно зависимой от тока времятоковой характеристикой еще невелик. Рекомендуемые ступени селективности находятся в пределах 0,4—0,5 с. При больших кратностях тока КЗ значение ступени селективности может быть снижено до 0,3 с, а при малых (2—З) — должно быть увеличено до 0,6 с.

Выбор характеристик максимальных токовых защит с обратно зависимой времятоковой характеристикой производится аналитическим или графическим способом [5].

Выбранное по условию селективности время срабатывания защиты проверяется по условию обеспечения термической стойкости защищаемого элемента, особенно в тех случаях, когда защищается понижающий трансформатор, кабельная линия или воздушная линия с про водами малых сечений. Примеры проверки приведены в работе [5].