Петербургский энергетический институт

МИНИСТЕРСТВО ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ЭНЕРГЕТИКЕ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ РУКОВОДЯЩИХ РАБОТНИКОВ

И СПЕЦИАЛИСТОВ -

(ПЭИпк)

КАФЕДРА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ, СЕТЕЙ И СИСТЕМ

А.Л. Соловьев

Методические указания по выбору

Характеристик и уставок защиты электрооборудования с использованием микропроцессорных терминалов серии

SEPAM

Производства фирмы

Шнейдер Электрик

Часть первая

Г. Санкт-Петербург

2005
СОЛОВЬЕВ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ, кандидат технических наук, доцент

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫБОРУ ХАРАКТЕРИСТИК И УСТАВОК ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ТЕРМИНАЛОВ СЕРИИ SEPAM ПРОИЗВОДСТВА ШНЕЙДЕР ЭЛЕКТРИК

 

Методические указания с примерами

 

Часть первая

 

 

Одобрены и рекомендованы к опубликованию Ученым Советом Института

Протокол № 2 от 27 октября 2004 г.

 

 

В первой части рассмотрены методы и примеры выбора времятоковых характеристики и уставок ступенчатых защит сетей 6 - 35 кВ от междуфазных коротких замыканий (КЗ) концерна Шнейдер Электрик серии Sepam. Рассмотрены варианты согласования терминалов Sepam с различными типами реле. Предназначено для специалистов, работающих в области релейной защиты и системной автоматики, эксплуатирующих цифровые защиты серии SEPAM.

 

 

Научный редактор: М.А.Шабад, кандидат технических наук, доцент

 

 

Издание Петербургского энергетического института повышения квалификации руководящих работников и специалистов

Минпромэнерго РФ

2005

Предисловие

Известная электротехническая фирма "Шнейдер Электрик" выпускает и поставляет в Россию различное электрооборудование и в том числе микропроцессорные (цифровые) реле-терминалы серии SEPAM.

Компания Шнейдер Электрик с 2000 года приступила к выпуску новой серии микропроцессорных защит Sepam 1000+. Применяемые при разработке этой серии технические решения позволили создать фактически универсальные устройства релейной защиты с широким спектром применения в сетях 6-35 кВ. Цифровые терминалы серии Sepam 1000+ обладают всеми стандартными функциями микропроцессорных защит: измерением, релейной защиты, системной автоматики, самодиагностики, диагностики работы коммутационного аппарата и сети, цифрового осциллографирования и имеют связь с системой АСУ по интерфейсу RS-485 c открытым протоколом MODBUS. Данные устройства имеют модульную конструкцию и программное формирование защит. Применяя эти принципы при построении терминалов Sepam компания Шнейдер Электрик предлагает потребителю многофункциональные программируемые устройства для различных применений в системах релейной защиты и системной автоматики. Таким образом, наладив производство трех типов электронных аппаратов: Sepam серии 20, Sepam серии 40 и Sepam серии 80, компания Шнейдер Электрик выпускает целую серию надежных и простых в эксплуатации устройств. Снижение номенклатуры выпускаемой продукции позволило обеспечить более высокую надежность этих устройств. Терминалы Sepam имеют 16 типов различных времятоковых характеристик защит. Это позволяет использовать эти реле для работы совместно с другими устройствами релейной защиты, включая электромеханические реле.

Sepam серии 20 представляет собой терминал для использования в простых защитах одного присоединения, основанных на измерении токов или напряжений. Например: защита воздушных линий со встроенным АПВ; защита вводов и фидеров подстанции от междуфазных КЗ и замыканий на землю; защита трансформаторов 6-10 кВ малой мощности от перегрузок (в том числе тепловая защита с учетом температуры окружающей среды и двумя группами уставок для разных режимов обдува); защита двигателей от внутренних повреждений и повреждений, зависящих от нагрузки с контролем режима пуска, включая защиту от перегрузок (в том числе термическая защита с учетом температуры окружающей среды и кривой холодного состояния, которую можно отрегулировать в соответствии с характеристиками двигателя). Устройства Sepam серии 20 B21 и B22 с модулями измерения напряжения применяются для контроля напряжения и частоты сети; обнаружения потери питания при помощи органов скорости изменения частоты (для распредустройств с генераторами).

Sepam серии 40 позволяет одновременно измерять токи и напряжения. Поэтому, в дополнение к функциям Sepam серии 20, реле Sepam серии 40 обеспечивает реализацию направленных защит. Sepam серии 40 позволяют выполнить защиты кольцевых сетей или сетей с вводами, работающими параллельно; защиты от замыканий на землю для сетей с глухозаземленной нейтралью, изолированной нейтралью и резистивным заземлением нейтрали. В 40-й серии имеется редактор логических уравнений, позволяющий реализовывать различные функции автоматики. Цифровой осциллограф обеспечивает запись 12 аналоговых и 16 дискретных параметров на временном интервале до 20 секунд. В энергонезависимой памяти реле сохраняются подробный журнал последних 200 аварийных состояний и осциллограммы последних 5 аварийных режимов. Устройства 40 серии позволяют выполнять технический учет электроэнергии.

Sepam серии 80 могут быть использованы для защиты любого электроэнергетического оборудования в сетях 6-35 кВ и силовых трансформаторов 110 (220) кВ. Устройства 80 серии обладают всеми необходимыми защитами, имеют большое число дискретных входов и выходных реле (в максимальном варианте - до 42 входов и 23 выходов), расширенный редактор логических уравнений. Это позволяет применять эти терминалы в устройствах сложной системной автоматики. Терминалы Sepam серии 80 имеют возможность построения (по 30 точкам) и реализации "пользовательской" времятоковой характеристики для токовых защит. Цифровые терминалы Sepam серии 80 применяются для защиты генераторов средней и большой мощности, трансформаторов 35-220 кВ, мощных синхронных и асинхронных двигателей, трансформаторных вводов с напряжением 6-10 кВ. Функциональное назначение терминалов Sepam серии 80 и алгоритм работы системной автоматики определяются программным обеспечением сменного картриджа. В программу сменного картриджа также записываются все настройки и регулировки, выполненные пользователем. Заменой картриджа можно изменить назначение цифрового терминала. Для сохранения большого объема записанных осциллограмм аварийных процессов (при исчезновении оперативного питания) применяется литиевая батарея.

Какие функции и параметры срабатывания (уставки) выбрать и задействовать, чтобы стандартное заводское "реле" превратить в "релейную защиту" конкретной электроустановки? Ответам на эти практические вопросы посвящено данное учебное пособие, предназначенное для пользователей цифровых реле-терминалов серии SEPAM.

В учебном пособии по расчетам характеристик и уставок релейной защиты электроустановок с терминалами SEPAM рассматриваются следующие вопросы:

1. Времятоковые характеристики ступенчатых токовых защит сетей 6 и 10 кВ от междуфазных коротких замыканий (КЗ) и от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в терминалах SEPAM, предназначенных для присоединений 6-35 кВ распределительных сетей России.

2. Выбор рабочих уставок максимальной токовой защиты (МТЗ) по току и по времени при междуфазных КЗ и при ОЗЗ. Рассматриваются варианты использования различных типов реле (терминалов) на питающих и отходящих линиях в сочетаниях: SEPAM – SEPAM, SEPAM – РТ-80(РТВ), SEPAM – SPAC и т.п., а также SEPAM – ПКТ (предохранитель  6 или 10 кВ). Варианты ОЗЗ рассматриваются для разных режимов заземления нейтрали 6 (10) кВ. Приводятся численные примеры расчетов. Рассматриваются варианты выбора рабочих уставок по току и по времени для токовых отсечек, логической защиты шин 6 (10) кВ.

3. Выбор рабочих уставок защит понижающих трансформаторов 6/0,4 кВ и 10/0,4 кВ: токовой отсечки, максимальной токовой защиты, защиты от ОЗЗ, защиты от КЗ на землю в сети 0,4 кВ.

4. Ввод выбранных характеристик и уставок в цифровых терминалах Sepam.

Расчеты уставок релейной защиты и автоматики электрооборудования в России и других странах имеют многолетние традиции, им посвящен ряд изданий [1 - 6]. Современный расчетчик релейной защиты в России эти традиции должен учитывать при использовании российских и зарубежных устройств РЗА, в том числе новых микропроцессорных (цифровых) реле-терминалов серии SEPAM.

 

Таблица 1-1

Примеры расчета рабочих уставок ступенчатых токовых защит линий от междуфазных КЗ с цифровыми и аналоговыми реле

В примерах рассматривается несколько характерных случаев выбора рабочих характеристик и уставок для разных типов защитной аппаратуры в сетях 10 и 6 кВ.

Сначала рассматривается согласование РЗ SEPAM линии 10 кВ и плавкого предохранителя трансформатора (рис.1-12).

Случай 1, когда предыдущим элементом является трансформатор 10/0,4 кВ, защита которого выполнена отечественными плавкими предохранителями (кварцевыми) типа ПКТ, а последующим элементом является линия 10 кВ с защитой на цифровом реле SEPAM (рис.1-12, а). Необходимо выбрать характеристику МТЗ на реле SEPAM, которая обеспечивала бы селективную работу этих защитных устройств. В России селективным считается опережающее отключение трансформатора с ПКТ.

Рис.1-12. Пример согласования различных характеристик цифрового реле

серии SEPAM и плавкого предохранителя ПКТ.

Главной задачей расчета является обеспечение селективности работы защиты линии на реле SEPAM при устойчивом КЗ на выводах 10 кВ рассматриваемого трансформатора. Здесь междуфазные КЗ более вероятны, чем внутри бака трансформатора. При КЗ на выводах низшего напряжения защиты питающих линий часто вообще нечувствительны, что допускается «Правилами устройства электроустановок» [2].

Расчет рекомендуется начать с ближайшего наиболее мощного трансформатора 10/0,4 кВ. Номинальный ток плавких предохранителей типа ПКТ на стороне 10 кВ I_пр в амперах должен соответствовать номинальной мощности трансформатора S_ном, МВ×А: 

S_ном, МВ×А  0,063 0,1    0,16  0,25  0,4    0,63

I_пр, A            10     16     20     31,5  50     80

Времятоковые характеристики плавких предохранителей типа ПКТ, как и предохранителей других типов, приводятся в информационных материалах заводов-изготовителей и в справочниках. Времятоковая характеристика предохранителя ПКТ с I_пр =20А показана на рис.1-12, б (кривая 1).

При известном значении тока I⁽²⁾_к следует определить время плавления t_пл плавкой вставки (fuse link), соответствующее расчетному току I_расч = 0,8 × I⁽²⁾_к. Уменьшение тока КЗ производится для учета допускаемого для предохранителей разброса времятоковых характеристик на 20%.

При этом расчётном токе время срабатывания последующей (вышестоящей) релейной защиты 2 с реле SEPAM должно быть выбрано по выражению (1-5):

t_{с.з 2} = t_пл + Dt,

где: Dt - ступень селективности; при отсутствии на питающей линии АПВ (autoreclosing). Ступень селективности должна учитывать время гашения электрической дуги в патроне плавкого предохранителя, но при наличии АПВ это время можно не учитывать, так как дуга погаснет во время безтоковой паузы перед АПВ.

Для выбранного по условиям (1-1), (1-2) и (1-4) тока срабатывания защиты 2 определяется кратность тока I_* = 0,8 × /I_{с.з 2}, и затем подбирается времятоковая характеристика реле SEPAM защиты 2. Рекомендуется начать выбор со стандартной зависимой характеристики SEPAM. Для этой характеристики SEPAM определяем коэффициент TMS по выражению (1-10 а), где a = 0,02; k = 0,14.

Далее для построения этой времятоковой характеристики реле SEPAM защиты 2 рассчитываются значения t_с.з.2 при нескольких произвольных значениях кратности тока I_*, например, 1,5; 2; 2,5 и 3 при выбранном TMS по выражению (1-7).

Построенные времятоковые характеристики 1 и 2 покажут, удалось ли обеспечить селективность во всем диапазоне возможных токов КЗ или только при больших значениях этих токов. Сделаем два числовых примера к этому случаю.

Пример 1. Трансформатор 0,16 МВ×А, I_пр = 20 А. Ток срабатывания защиты 2 I_с.з.2 = 75 А (первичных). Ток = 150 A. Определяется расчётный ток:

I_расч = 0,8 ´ = 0,8 × 150 = 120 A. При этом токе определяется время плавления плавкого предохранителя: t_пл = 0,4 с (рис.1-12). Принимаем ступень селективности Dt = 0,3 с и определяем t_с.з.2 = t_пл + Dt = 0,4 + 0,3 = 0,7 с.

Кратность тока I_* = 0,8 ×  / I_с.з.2 = 120 / 75 = 1,6. Для "стандартной" характеристики SEPAM по выражению (1-9) определяется коэффициент TMS:

TMS = = 0,047.

Принимается уставка коэффициента TMS = 0,05 (рис.1-11).

Для построения времятоковой характеристики реле SEPAM защиты 2 рассчитывается несколько значений t_с.з.2 по выражению (1-8):

При I_* = 1,3 (100 А) t_с.з.2 =  = 1,9 с

         1,5 (112 А).............…………… 0,86 с

         2,0 (150 А).............…………… 0,5 с

         2,5 (187 А).............…………… 0,4 с.

Построенные характеристики 1 и 2 показывают, что селективность обеспечивается при всех значениях токов КЗ (рис.1-12).

Пример 2. При тех же данных, что и в предыдущем примере, но при меньшем токе срабатывания защиты 2, например, I_с.з.2 =50 А (первичных), кратность тока I_* = =120/50 = 2,4, а коэффициент TMS по выражению (1-9):

TMS =  = 0,09, принимаем TMS = 0,1.

По выражению (1-12) для "стандартной" (SIT) времятоковой характеристики определяем t_с.з.2  при разных кратностях тока I_*:   

I_*= 1,3 (65 А)               t_с.з.2 = 2,6 с

         1,5 (75 А)..........………………. 1,7 с          

   2,0 (100 А)..........……………… 1,0 с

                                             2,5 (125 А)..........……………… 0,7 с

                                             3,0 (150 А)..........……………… 0,6 с.

Построенная на рис.1-12, б штрих-пунктирная кривая 2' пересекается с характеристикой предохранителя 1, что указывает на отсутствие селективности при малых значениях токов КЗ, т.е. при маловероятных междуфазных КЗ внутри трансформатора. Если защита 2 чувствительна к КЗ за трансформатором, то рекомендуется согласовать характеристики этой линейной защиты 2 и автоматических выключателей на линиях низшего напряжения (0,4 кВ).

В этом же случае можно попробовать использовать другую времятоковую характеристику SEPAM, а именно “очень зависимую” (VIT - very inverse time) характеристику, для которой значения коэффициентов a = 1, k =13,5. Для этой характеристики определяем коэффициент TMS  по выражению (1-9):

TMS = = ;                    

при t_с.з.2= 0,7 с и I_* =120 / 50 =2,4 TMS = 0,07. Определяется по выражению (1-10) время срабатывания реле SEPAM при разных кратностях тока: 1,3; 1,5; 2,0; 2,5 и 3. При I_* = 1,3 (I = 65 А):

t_с.з =  =  = 4 с.

при       I_* = 1,5 (75 А)               t_с.з = 1,9 с

                 1,8 (90 А)..........………………. 1,2 с

                 2,0 (100 А)..........……………… 0,9 с

                 2,5 (125 А)..........……………… 0,6 с

                 3,0 (150 А)..........……………… 0,5 с.

Из этих цифр видно, что использование этого типа характеристики несколько уменьшает время срабатывания защиты 2 при больших токах КЗ.

Кривая 2V построена на рис.1-12, в масштабе отличном от рис.1-12, б.

Далее для сравнения сделаем расчет "чрезвычайно" обратнозависимой времятоковой характеристики (EIT - extremely inverse time), для которой значения a=2, k =80. Коэффициент TMS определяется по выражению (1-9):

и для t_с.з.2 = 0,7 c и I_* = 120 / 50 = 2,4 TMS = 0,04, принимаем TMS = 0,05 по выражению (1-8):

t_с.з = =

определяется несколько значений t_с.з:

при       I_* = 1,3 (65 А)                    t_с.з = 5,8 с      

         1,5 (75 А)..........……………….. 3,2 с 

         1,8 (90 А)..........……………….. 1,8 с 

         2,0 (100 А).........………………. 1,3 с 

         2,5 (125 А).........………………. 0,76 с         

         3,0 (150 А).........………………. 0,5 с 

Экстремальная характеристика построена на рис.1-12, в  (кривая EIT). Хорошо видно, что защита 2 с "чрезвычайно" обратнозависимой характеристикой обеспечивает значительно лучшую селективность защиты линии с предохранителем 1, чем с другими характеристиками ("стандартной" SIT и "очень зависимой" VIT). Однако, при повреждениях на линии, например, в диапазоне токов КЗ от 80 до 110 А при использовании чрезвычайно обратнозависимой характеристики защита линии будет действовать значительно медленнее, чем при использовании других характеристик. Поскольку вероятность КЗ на линиях значительно выше, чем вероятность междуфазных КЗ внутри бака трансформаторов использование чрезвычайно обратнозависимой характеристики в данном случае следует считать нецелесообразным. Тем более, что при КЗ на выводах трансформатора (в данном примере I_к = 150 A, рис.1-12, а) все рассмотренные характеристики идентичны: t_с.з» 0,5 с. Кроме того, использование чрезвычайно обратнозависимой характеристики вместо "стандартной" может потребовать увеличение времени срабатывания вышестоящей защиты (которая на рис.1-12 не показана).

Построенная на этом же рис.1-12 RI-характеристика защиты 2 с тем же током срабатывания 50 А оказывается совершенно непригодной по условию согласования с времятоковой характеристикой 1 плавкого предохранителя типа ПКТ.

Случай 2, когда на предыдущей (нижестоящей) линии Л1 установлена защита с индукционным реле РТ-80 с обратнозависимой времятоковой характеристикой (рис.1-13) с известными уставками, а на последующей (вышестоящей) линии 2 надо выбрать обратнозависимую характеристику МТЗ реле SEPAM. Предположим, что ток срабатывания защиты 2 уже выбран по условиям (1-1), (1-2) и (1-4) и равен, например, 120 А (первичных).

Рис.1-13. Пример согласования характеристик реле SEPAM

и дискового индукционного реле РТ-80

Для защиты 2 вначале выбираем "стандартную" характеристику, выраженную формулой (1-12а), где a = 0,02, k = 0,14. Кратность тока I_* определяется по отношению к току срабатывания (уставке) I_с.з = 120 А.

За расчетный ток через защиту 2 принимается сумма токов: максимальное значение тока при КЗ в начале предыдущей линии 1 (200 А) плюс ток нагрузки неповрежденных предыдущих линий (20 А). Таким образом:

 =  1,83.

Время срабатывания защиты 1 при КЗ в начале защищаемой линии (I_к.макс=200 А и I_*1 = = 2,5) определяется по типовой характеристике реле РТ-80 равным t_с.з.1 = =0,8 с (рис.1-13, б). Принимая Dt=0,3 с, получаем, что для реле SEPAM  t_с.з.2 = 0,8 + +0,3 = 1,1 с при I_* = 1,83.

Выбирается коэффициент TMS для "стандартной" характеристики защиты 2 по выражению (1-9):

TMS = =  = 0,1.

Для построения “стандартной” времятоковой характеристики реле SEPAM защиты 2 рассчитываются значения t_с.з.2 при нескольких произвольных значениях I_* по формуле(1-10) при выбранном TMS = 0,1:

t_с.з = = .

Результаты расчета следующие:

при:      I_* = 1,5(180 А)              t_с.з.2 = 1,7 с

                 1,7(200 А)..........………………. 1,3 с

                 2,0(240 А)..........………………. 1,0 с

         2,5(300 А)..........………………. 0,75 с         

         3,0(360 А)..........………………. 0,6 с

"Стандартная" характеристика защиты 2 показана на рис.1-13.

Для сравнения построим на том же рисунке "очень зависимую" характеристику защиты 2 V (very inverse), для которой a = 1, а k = 13,5. Выбираем значение коэффициента TMS по выражению (1-10):

TMS = = 0,07.

Далее рассчитываются точки этой кривой:

при     I_* = 1,5 (180 A)             t_с.з.2 = 1,9 с

      1,7 (200 А)..........……………… 1,35 с

     2,0 (240 А)..........……………… 0,9 с

     2,5 (300 А)..........……………… 0,6 с

      3,0 (360 А)..........……………… 0,47 с

Характеристика 2 V обеспечивает несколько более быстрое отключение близких КЗ на защищаемой линии Л2. Однако это не будет иметь значения, если у защиты 2 ввести токовую отсечку (I>>). Выбор уставок для такого варианта будет подробно рассмотрен далее.

Также для сравнения построим на том же рис.1-13 кривую RI-характеристики защиты 2 по формуле (1-11). Кривая 2RI при малых значениях токов КЗ опасно сближается с кривой 1, что может вызвать неселективное действие вышестоящей защиты 2.

Необходимо обратить внимание на трансформаторы тока (ТТ) защиты 1 и рассчитать их погрешность при том же расчетном токе, при котором определялось время срабатывания защиты 1. В данном случае это ток при КЗ в начале предыдущей линии 1 (200 А на рис.1-13). Погрешность ТТ не должна превышать 10%. Увеличение погрешности ТТ вызывает уменьшение тока в реле и, как следствие, увеличение времени срабатывания зависимой защиты 1 и может привести к неселективному отключению линии Л2. Расчет погрешностей ТТ рассматривается в [6].

Случай 3 отличается от предыдущего случая 2 тем, что в реле РТ-80 защиты 1 введена в действие "отсечка" - электромагнитный элемент мгновенного действия (I>>) с током срабатывания, например, в 2 раза большим, чем ток срабатывания индукционного элемента:

I_с.о = 2 × I_с.з = 2 × 8 = 160 А (первичных).

Характеристика защиты 1 показана на рис.1-14, б.

Для выбора коэффициента TMS "стандартной" обратнозависимой времятоковой характеристики МТЗ защиты 2 определяется кратность тока

I_* = = = 1,5, где: I_с.з.2 = 120 А из предыдущего случая 2.

Рис.1-14. Пример согласования характеристик цифрового реле SEPAM

с трёхступенчатой токовой защитой и реле РТ-80 с использованием "отсечки".

Затем определяем время срабатывания МТЗ защиты 2 по условию:

t_с.з = t_с.з.1 + Dt = 1,1 + 0,3 = 1,4 с,

где t_с.з.1 - время срабатывания защиты 1 при токе КЗ, равном току срабатывания отсечки в реле РТ-80, т.е. 160 А (рис.1-14, б).

Коэффициент TMS определяется по выражению (1-9):

TMS = = 0,08.

Построение кривой 2 производится так же, как в предыдущем случае по следующим точкам (сплошная линия на рис.1-14, б):

I_* = 1,3 (156 А)             t_с.з.2 = 2,1 с

      1,5 (180 А)..........……………... 1,4 с

      1,7 (200 А)..........……………... 1,05 с

      2,0 (240 А)..........……………... 0,8 с и т.д.

Для сравнения показана характеристика защиты 2 из предыдущего случая 2, которая расположена несколько выше (штрих-пунктирная кривая 2'). Снижение времени срабатывания последующей защиты 2 достигнуто в данном случае благодаря наличию отсечки с t_с.о = 0 с у предыдущей защиты 1. Но ещё более значительное снижение времени срабатывания защиты 2 достигается тем, что в реле SEPAM имеется двух или трехступенчатая токовая защита.

Выбираем ток срабатывания для отсечки I_с.о защиты 2 по условию (1-2) согласования с отсечкой защиты 1:

I_{с.о 2} = k_н.с × (I_{с.о 1} + I_н) = 1,3 × (160 +20) = 234 А.             

При выбранном токе срабатывания отсечка 2 оказывается недостаточно надёжно отстроенной от КЗ в начале предыдущей линии Л1: k_н = = = 1,17 (рис.1-14). Обычно считается достаточным k_н ³ 1,2. Поэтому следует ввести небольшое замедление действия этой отсечки, выбрав по выражению (1-5):

t_с.о.2 = t_с.о.1 + Dt = 0 + (0,2 ¸ 0,3) = (0,2 ¸ 0,3) с.

Это будет правильным решением, если в реле SEPAM имеется ещё одна отсечка, для которой следует выбрать ток срабатывания по условию отстройки от максимального тока КЗ на Л1.

I_с.о.2 ³ k_н × I_{к макс} = (1,2 ¸ 1,3) × 200 = 240 ¸ 260 А и тогда t = 0 с.

В том случае, когда в реле 2 имеется только двухступенчатая токовая защита 2, следует для второй ступени выбрать I_с.о.2 = 240 ¸ 260 А и t = 0 с (штриховая линия 2" на рис.1-14). Из рис.1-14, б видно, что трёхступенчатая токовая защита 2 значительно ускоряет отключение КЗ на линии Л2 в диапазоне токов от 234 А до (240 ¸ 260) А, по сравнению с двухступенчатой токовой защитой.

Важно отметить, что на предыдущей линии Л1 двухступенчатая токовая защита может быть выполнена не только на аналоговом реле косвенного действия, но и на реле прямого действия: РТМ (отсечка) и РТВ (МТЗ). В этих случаях, прежде всего, следует убедиться в возможности надёжного срабатывания токовой отсечки (реле РТМ) при реальных значениях погрешности трансформаторов тока, поскольку для этих защит допускаются погрешности трансформаторов тока более 10% и реально они могут быть даже более 50% [6].

Случай 4: на питающем элементе 2 (рис.1-15) установлена максимальная токовая защита с независимой характеристикой с заданными уставками: 600 А (первичных), 1 с.

 Необходимо выбрать обратнозависимую характеристику МТЗ цифрового реле на предыдущей (нижестоящей) линии Л1, которая обеспечивала бы необходимую селективность с защитой питающего (вышестоящего) элемента 2. Таким образом, необходимо обеспечить селективность для двух однотипных защит SEPAM.

Ступень селективности Dt между характеристиками защит 2 и 1 должна обеспечиваться при токе КЗ, равном току срабатывания вышестоящей защиты 2 минус ток нагрузки неповрежденных элементов (рис.1-15): I_к = 600 – 200 = 400 А.

Рис.1-15. Пример согласования обратнозависимой характеристики реле SEPAM или SPAC и независимой характеристики последующего элемента 2 (SEPAM)

Время срабатывания защиты 1 при этом токе КЗ выбирается по условию селективности:

 t_с.з.1 = t_с.з.2 - Dt = 1 - 0,3 = 0,7 с.

Предположим, что ток срабатывания защиты 1 не более 125 А, и определим кратность этого тока в выбранной контрольной точке характеристики 1:

I_* = 400 / 125 = 3,2.

Как уже указывалось выше при расчете МТЗ линий 10(6) кВ в России рекомендуется, прежде всего, рассмотреть возможность использования "стандартной" обратнозависимой характеристики цифрового реле. Для нее определяется по выражению (1-9) коэффициент TMS:

TMS = = = 0,12.

Для построения стандартной времятоковой характеристики цифрового реле SEPAM (или "нормальной" характеристики для SPAC) защиты 1 рассчитывается несколько значений t_{с.з 1} по выражению (1-10):

При I_* = 1,5      t_{с.з 1} = = 2 с (I_к = 187,5 А),

         2 (250 A).............…………….. 1,2 с

         2,5 (312,5 А)...........…………… 0,9 с и т.д.

Кривая 1 построена на рис.1-15, б.

Учет влияния нагрузки очень важен для обеспечения селективной работы защит с обратнозависимыми времятоковыми характеристиками, так как время срабатывания этих защит зависит от значения проходящего тока. Если бы мы не учли влияние тока нагрузки неповрежденных линий (200 А в этом примере), то могли бы ошибочно выбрать контрольную точку с параметрами 0,7 с и 600 А и построить характеристику 1' (штриховая линия на рис.1-15, б). Однако при токе КЗ, равном 600 А, когда приходит в действие защита 2 и срабатывает через 1 с, через защиту 1 проходит не 600 А, а (600 − 200) А, т.е. 400 А! При этом токе время срабатывания защиты 1 с ошибочно выбранной характеристикой 1' будет более 1,2 с, и защита попросту не успеет сработать раньше, чем защита 2 (вышестоящая). Это показывает штрихпунктирная кривая 1" на рис.1-15, б.

 Неселективное отключение всей секции 10 кВ приведет к дополнительному ущербу от недоотпуска электроэнергии. Можно приближенно оценить этот ущерб, как делается в зарубежных странах, например в Скандинавии.

Дополнительно отключенная нагрузка с I_н =200 А соответствует 3600 кВ×А и при cos j = 0,8  равна Р = 2880 кВт.

Стоимость ущерба в USD на 1 кВт от прекращения электроснабжения рассчитывается по формуле:

c = a + t × b,                                             (1-12)

где a - постоянная (фиксированная) часть ущерба (USD/кВт); b - переменная часть ущерба (USD/кВт×ч); t - продолжительность отсутствия электроснабжения (ч).

Ущерб в USD при известном электропотреблении Р подсчитывается с учетом Р:

у = a × P + t × b × P,                                (1-13)

где Р - потребляемая мощность (кВт).

Постоянная составляющая (a) учитывается, невзирая на продолжительность отсутствия электроснабжения, будь то одна секунда или несколько часов.

 

Потребительский сектор	Сельский	Бытовой	Промыш-ленный	Обслужи-вание	Муниципаль-ный
Постоянная составляющая "а",USD/кВт	0	0	1,2	1,1	0,5
Переменная составляющая "b",USD/кВт×ч	8,1	1,6	12,2	7,8	4,8

Переменная составляющая (b) различна для разных потребителей и дана как средняя величина в вышеприведенной таблице.

В этой таблице стоимость ущерба у скандинавских потребителей по причине прекращения электроснабжения базируется на данных из работы "Kostnader fцr elavbrott, TemaNord, 1994 627". Количество проанализированных в этой работе потребителей более 13 тысяч. Главный метод для анализа - обследование потребителей. Стоимость ущербов определялась самими потребителями [6].

Предположим, что на оперативные переговоры и осмотр распределительного устройства 10 кВ, отключенного действием МТЗ, потребуется 0,5 часа. Тогда продолжительность отсутствия электроснабжения в выражениях (1-12) и (1-13) равна t = 0,5 ч. Легко подсчитать, что ущерб для сельских потребителей:

у = 0 + 0,5 × 8,1 × 2880 = 11664 USD,

а для промышленных потребителей:

у = 1,2 × 2880 + 0,5 × 12,2 × 2880 = 21024 USD.

Эти, разумеется, весьма приближенные цифры указывают на важность правильного выбора характеристик срабатывания максимальных токовых защит, как и других устройств релейной защиты, а следовательно, и на большую ответственность инженеров по расчетам релейной защиты.

Случай 5, когда необходимо выбрать параметры срабатывания защиты 2 ввода (трансформатора), питающего несколько фидеров 10 кВ, два из которых работают параллельно (рис.1-16). При этом следует учитывать распределение токов при КЗ в сети приёмной подстанции РТП2, когда через защиту 1 каждой из линий Л1 и Л2 идет 0,5I_к, а через защиту 2 - полный ток I_к плюс суммарный рабочий ток нагрузки неповреждённых элементов I_н, в данном примере равный 500 А. В наиболее тяжёлом расчётном случае принимается такое значение тока I_к, при котором приходит в действие последующая защита 2. В данном примере задано I_с.з.2 = 1600 А, а ток I_к = I_с.з.2 – I_н = 1600 – 500 = 1100 А. Характеристика защиты 2 - независимая. На линиях Л1 и Л2 со стороны питающей подстанции РТП1 максимальные токовые защиты 1 выполнены на цифровых реле с характеристиками по стандарту МЭК, в данном примере ток срабатывания 200 А, характеристика «стандартная», коэффициент TMS равен 0,1.

Для построения времятоковой характеристики защиты 1 для случая раздельной работы Л1 и Л2 используется выражение (1-10). Для построения "суммарной" времятоковой характеристики для случая параллельной работы линии Л1 и Л2 используется это же выражение, но вместо I_* подставляется значение 0,5I_*, которое отражает такое токораспределение, при котором по каждой из этих линий идёт половина тока КЗ. Например,

t = = = 0,75 c.

На рис.1-16, б времятоковая характеристика 1 соответствует раздельной работе линий Л1 и Л2, а характеристика 1' - параллельной работе этих линий.

Характеристика 1", учитывающая ток нагрузки, строится по точкам, определяемым также по выражению (1-8), в котором вместо I_* используется (0,5 I_* − I_н). Эта характеристика оказывается сдвинутой вправо на значение I_н, в данном примере на 500 А (кривая 1" на рис.1-16, б).

 

Рис.1-16. Пример согласования характеристик токовых защит для сети

с параллельно работающими линиями Л1 и Л2.

При заданном токе срабатывания защиты 2 равном I_с.з.2 = 1600 А определяется t_с.з.2 = t_с.з.1 + Dt = 0,68 + 0,3 = 1 с, где t_с.з.1 = 0,68 с определяется по выражению (1-8), в котором

= = = 2,75;

либо по кривой 1" на рис.1-16, б.

Если бы линии Л1 и Л2 работали раздельно на РТП2 (например, через межсекционный выключатель), можно было бы выбрать меньшее время срабатывания защиты питающего элемента 2 (примерно на одну ступень).

Параллельная работа более чем двух линий крайне нежелательна, так как требует увеличения либо тока, либо времени срабатывания защиты питающего элемента 2. Например, при том же токе срабатывания I_с.з.2 пришлось бы выбрать t_с.з.2 = 1,5 с, если бы параллельно работали три линии.

Особенно опасно несанкционированное включение линий 10(6) кВ на параллельную работу. На рис.1-16, б штрихпунктирная кривая 1''' соответствует времятоковой характеристике для случая параллельной работы трёх линий. При этом наглядно видно, что защита питающего ввода 2 сработает неселективно при КЗ в точке К1 и отказе выключателя или защиты поврежденного элемента.

Для снижения уставок максимальных защит питающих элементов в городских сетях:

1) ограничивают число параллельно работающих кабельных линий, используя устройства АВР;

2) секционируют шины на приемных подстанциях, устанавливая на секционных выключателях мгновенную неселективную защиту ("слабую связь"), прекращающую параллельную работу при КЗ в сети;

3) применяют на питающих концах параллельно работающих линий максимальные защиты с независимыми характеристиками. Если это допустимо по условию согласования их характеристик с обратнозависимыми времятоковыми характеристиками защит питаемых (нижестоящих) элементов, например, трансформаторов 6/0,4 кВ и 10/0,4 кВ, которые защищаются плавкими предохранителями типа ПКТ.

Приведенные выше примеры не охватывают все возможные расчетные случаи, но рассмотренная методика выбора времятоковых характеристик и параметров срабатывания токовых защит поможет инженеру-релейщику найти правильное решение и при других расчетных условиях.

В заключение следует напомнить, что 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 большог