Концепция развития релейной защиты системы электроснабжения крупного промышленного предприятия

Исаков Руслан Геннадьевич; Гарке Владимир Георгиевич

УДК.621.316

КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КРУПНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО

ПРЕДПРИЯТИЯ

Р.Г. ИСАКОВ, В.Г. ГАРКЕ

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ

В системе электроснабжения крупного промышленного предприятия возникают режимы работы, влияющие на селективность релейной защиты. Создание селективных быстродействующих защит является важной и трудной задачей техники релейной защиты.

Ключевые слова: токовая защита, логическая защита, система электроснабжения

Согласно ПУЭ п.3.2.4 «Устройства релейной защиты должны обеспечивать наименьшее возможное время отключения КЗ в целях сохранения бесперебойной работы неповрежденной части системы (устойчивая работа электрической системы и электроустановок потребителей, обеспечение возможности восстановления нормальной работы путем успешного действия АПВ и АВР, самозапуска электродвигателей, втягивания в синхронизм и пр.) и ограничения области и степени повреждения элемента» [1].

В системе электроснабжения крупного промышленного предприятия можно выделить следующие проблемы:

- невозможность применения токовой отсечки (ТО) на отходящих линиях малой длины;

- низкое быстродействие максимальной токовой защиты;

- подпитка от мощных электродвигателей в режиме короткого замыкания.

Токовая отсечка является быстродействующей токовой защитой, селективность

которой достигается отстройкой ее тока срабатывания от наибольшего тока КЗ в конце защищаемого участка.

Одним из условий, когда невозможно применить токовую отсечку, является использование коротких кабельных линий на распределительных подстанциях промышленных предприятий (выполнение токовой отсечки затруднено из-за малой разницы между токами КЗ в начале линии и в конце).

Для оценки зоны действия токовой отсечки кабельных линий 6-10 кВ выведем зависимость допустимой длины кабельной линии, когда токовая отсечка эффективна, от сопротивления системы.

Ток срабатывания токовой отсечки выбирается по выражению [2]

Ico. = ^зап (1)

№. =, (3)

K min л. л, ' V /

где кзап - коэффициент запаса, равен 1,1; IK max - ток трехфазного короткого

замыкания в максимальном режиме в конце защищаемого участка.

Коэффициент чувствительности токовой отсечки рассчитывается по выражению [1]

j (2)

кЧ =-Kmin, (2) JC.O.

где IK2^ - ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме в начале защищаемого участка,

_Ec

2 ZC min

где EC - ЭДС системы; Zc min - сопротивление системы в минимальном режиме работы.

Подставляя в выражение (2) выражение (1), получаем

j (2)

кч = Km3)n . (4)

к j(3) зал-1 K max

Ток трехфазного короткого замыкания в максимальном режиме в конце защищаемого участка

(3) EC (5)

K max 7,7' К ' ZC max + ZКЛ

где Zc max - сопротивление системы в максимальном режиме работы; Z^n -сопротивление защищаемой кабельной линии.

Подставив в выражение (4) выражения (3) и (5), получаем:

Т3 Ее

кЧ =, 2 ZCmax _^(ZCmin + 7КЛ)

к EC_ 2кзап ZC max

C min + 7 КЛ 2_

S'

ZC min + ZКЛ = /гкЧ кзап ZC max,

2

ZКЛ кЧкзапZCmax -ZCmin. (6)

Сопротивление кабельной линии можно представить следующим выражением:

7КЛ = lZ уд > (7)

где l - длина кабельной линии, м; Zуд - удельное сопротивление кабеля, Ом/м.

Следовательно, подставив выражение (7) в (6), получим выражение минимальной длины кабельной линии, при которой токовая отсечка будет обеспечивать требуемую чувствительность: 2

—j= кЧ кзап ZC max — ZC min

1мин =

7

Ауд

Рассмотрим на примере расчета сети энергоснабжения (рис.1), где Zc = 0,192 Ом; Zуд(КЛ)=0,268 Ом/км; кЧ = 1,2; кзап = 1,1.

Величина минимальной длины /мин при которой токовая отсечка будет обеспечивать требуемую чувствительность, равна

-^1,2 • 1,1 • 0,192 - 0,192

/м"» ---0,268-=376'85

Рис.1. Схема сети электроснабжения

Таким образом, в кабельных линиях с длиной / > /мин ТО не может применяться в качестве основной быстродействующей защиты, так как кч < 1,2 (согласно ПУЭ п.3.2.26 для ТО к^ > 1,2), при этом максимальная токовая защита, выполняющая функцию резервной защиты, имеет большую выдержку времени срабатывания [1].

Согласно «Нормам технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ» на каждой секции шин напряжением 6-10 кВ должна быть предусмотрена [3]:

- дуговая защита;

- логическая защита шин (ЛЗШ);

- сигнализация замыканий на землю. . - ^ч-.-^ IV л о

ЛЗШ широко применяется на подстанциях^асяредейительных сетей без двигательной нагрузки и синхронных генераторов.

Логическая защита шин реализуется с помощью устройства, стоящего на вводном выключателе, и группой устройств, стоящих на выключателях присоединений. Функция ЛЗШ реализует быстрое отключение вводного выключателя при возникновении повреждения на шинах методом «от противного», то КЗ Ша шинах фиксируется при наличии аварийного тока в вводном выключателе и при отсутствии пуска защит, установленных на всех присоединениях. Суть ЛЗШ - отдельная независимая дополнительная ступень МТЗ со своими уставками по току и времени, которая блокируется при пуске любой из фидерных защит [4].

Недостатки ЛЗШ. На подстанциях с мощными электродвигателями или генераторами ЛЗШ не применяется из-за возникновения режима подпитки от мощных электродвигателей в режиме короткого замыкания на шинах РП напряжением 6-10 кВ (рис.2).

В радиальной схеме начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ от синхронных электродвигателей следует определять по формуле [5]

1Д =

Е

ф.СД

>/( + )

2 + (^СД + Ае )2

(8)

где Еф.сд - сверхпереходная ЭДС синхронного электродвигателя (фазное значение),

н

В; Xс и ^сд - соответственно сверхпереходное индуктивное и активное

сопротивления электродвигателя, мОм; ^^ и Х^ - суммарное индуктивное и суммарное активное сопротивления прямой последовательности цепи, включенной между электродвигателем и расчетной точкой КЗ, мОм.

Рис.2. Режим подпитки от электродвигателей в системе электроснабжения промышленного

предприятия

Для синхронных электродвигателей, которые до КЗ работали с перевозбуждением, сверхпереходную ЭДС (в вольтах) следует рассчиЪКвать по формуле

-ф.СД

= V (иф|0|

cos Ф

+ ^0|^СД)2 + (Uф|0| sinФ|0| + I\0\Xd)2.

Для синхронных электродвигателей, работавших до КЗ с недовозбуждением, сверхпереходную ЭДС (в вольтах) следует определять по формуле

М|0|

-ф.СД = V(Uф|0| Ф|0| + ^|0|^СД ) + (иф|0| Ф|0|- 1\0\Хс1) .

Начальное действующее значение периодической составляющей т асинхронных электродвигателей (в килоамперах) следует рассчитывать по фо]

(10)

З от е [5]

1д =-

E

ф.АД

+ ( Яад + % )2

yj( Х А Д + Х1£ )2

где ЕфАД - сверхпереходная ЭДС, рассчитывается по выражению (10), з^мн^в в ней

н н н

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Xd и Rcд на Хад и RАД, В; Хад и RАД - соответственно сверхпереходное

индуктивное и активное сопротивления электродвигателя, мОм; Ris и Xis -суммарное индуктивное и суммарное активное сопротивления прямой последовательности цепи, включенной между электродвигателем и расчетнойточкой КЗ, мОм.

При выборе тока срабатывания максимальных токовых защит (МТЗ) линий, питающих электродвигатели, необходимо обеспечить несрабатывание защиты при прохождении токов КЗ, генерируемых синхронными двигателями, к месту КЗ на шинах 6-10 кВ (рис.2).

Ток срабатывания МТЗ с учётом подпитки от электродвигателей рассчитывается по формуле

1С.З. = кзап 1Д,

где кзап - коэффициент запаса, равен 1,1; 1д - ток подпитки, определяется по выражению (8).

Однако при проверке чувствительности МТЗ по выражению (4) коэффициент чувствительности может оказаться меньше требуемого значения кч < 1,5 (согласно ПУЭ п.3.2.21) [1].

Таким образом, на отходящих линиях, имеющих нагрузку - мощные электродвигатели, с максимальной токовой защитой, чувствительность которой не удовлетворяет требованиям ПУЭ, предлагается установка направленных токовых защит, что позволит решить проблему неселективной работы ЛЗШ.

Для обеспечения селективности в устройстве защиты любого явного или потенциального источника питания тока КЗ предлагается использовать орган направления мощности. Он должен гарантировать формирование двух управляющих воздействий - «свой» или «чужой» - в зависимости от знака мощности. «Свой» - при направлении мощности из защищаемого элемента, «чужой» - внутрь защищаемого элемента [6].

Сформулируем основные принципы выполнения селективной логической защиты шин (рис. 3):

Рис.3. Организация ЛЗШ с органом направления мощности

- на отходящей линии с электродвигателями должен устанавливаться терминал защиты с двумя ступенями МТЗ, имеющих направление: первая (МТЗ1) - для блокировки устройств защиты других питающих элементов (направление мощности от линии к шинам), вторая (МТЗ2) - для отключения «своего» выключателя (направление мощности от шин в линию);

50

СШ 1

МТЗ

св

МТ3 1 П2 МТ3 1 МТЗ 2 ^ МТЗ 2 ^

- для защит, срабатывающих при одном направлении мощности, должна быть собрана схема блокировки вышестоящих защит нижестоящими (рис.3).

Неэффективность токовой отсечки на отходящих кабельных линиях малой длины можно устранить установкой комплекта дистанционной защиты в простейшем исполнении (согласно ПУЭ п.3.2.95), при этом зоны защиты должны выбираться в соответствии с руководящими указаниями по дистанционной защите [1, 7].

Другим способом устранения недостаточной чувствительности токовой отсечки является организация логической защиты кабеля (рис.3).

Логическая защита кабеля (ЛЗК) реализуется двумя способами:

- если на кабельной линии имеются выключатели с двух сторон, то ЛЗК реализуется с помощью двух устройств, стоящих по концам защищаемой кабельной линии. Функция ЛЗК реализует быстрое отключение выключателей с двух сторон при возникновении повреждения на кабельной линии методом «от противного», то есть КЗ на кабельной линии фиксируется при наличии пуска защиты в вышестоящем выключателе (Р1) и при отсутствии пуска защиты нижестоящем выключателе (Р2) (рис.4, а).

- если кабельная линия имеет один выключатель, то ЛЗК реализуется по принципу ЛЗШ: при наличии пуска защиты в вышестоящем выключателе (Р1) и при отсутствии пуска защит отходящих линий (рис.4, б).

□о

а

□

А

5.

□р

А

□

пА ¿А А А пА пА А

а)

©

Г

б)

Рис.4. Организация логической защиты коротких кабелей

Для обеспечения правильной работы логической защиты кабельной линии ток срабатывания МТЗ, установленной на выключателе р2, должен быть выбран по следующим условиям:

- отстройка от наибольшего тока срабатывания МТЗ отходящих линий или секционного выключателя [2]

1С.З. = кзап 7С.З.пред;

- отстройка от суммарного тока подпитки от электродвигателей при коротком замыкании за выключателем (Р2) (рис.4, а) ^

51

™ МТЗ 1 ^ МТЗ 2

МТЗ СВ

1 С.З.

^зап Д,

где /^ д - суммарный ток подпитки от электродвигателей при КЗ за выключателем (02).

Для уменьшения времени срабатывания максимальной токовой защиты (МТЗ) используется зависимая времятоковая характеристика срабатывания, где время срабатывания защиты имеет линейную зависимость от места короткого замыкания (сопротивления короткого замыкания) (рис.5) [8, 9].

В К2

Рис.5 Двухступенчатая токовая защита ^Х ^

Таким образом, релейная^защита системы электроснабжения должна содержать следующие защиты:

- логическую защиту шин с использованием органа направления мощности;

- двухступенчатую токовую защиту, где первой ступенью является токовая отсечка, а в случае её неэффективности - логическая защита кабеля; вторая ступень является максимальной токовой защитой с зависимой от тока короткого замыкания времятоковой характеристикой срабатывания.

Предлагаемая зависимая времятоковая характеристика МТЗ имеет вполне определенное время срабатывания в начале и конце защищаемого и резервируемого объекта.

Первая часть характеристики (от начала до конца Л1), при

<// (1)

М

'Л1

(^ - ) =

М

ЕС

/к 2

_( - ^)

Е^ /к /к }

м

1К1

т^/м ^ту^ ень

1К 2 /К1 ^

где ^з(1)- время срабатывания защиты первой части характерисГиИТ - ступень селективности (0,3 с); /к - измеряемый защитой ток короткого замыкания; /к1 - ток трехфазного короткого замыкания в точке К1 (рис.4); /к 2 - ток трехфазного короткого ^^ замыкания в точке К2 (рис.4).

Вторая часть характеристики (от начала до конца Л2), при

I (кА) К1

1-ая ступень ТО или ЛЗК

£(2) = ^(Zk -(ZC + 2Ж)) + At = (f-= ^rA-y(f-

ZЛ2 ±С - ¡K ¡K 2 _J___L_ 7K ¡K2

¡K3 ¡K 2 ¡K3 ¡K 2

где (2)- время срабатывания защиты второй части характеристики; ¡кз - ток трехфазного короткого замыкания в точке КЗ (рис.4).

Выводы:

1) Применение логической защиты шин с органом направления мощности позволит выполнить селективную защиту шин в системе электроснабжения, где возникают режимы подпитки от мощных синхронных двигателей;

2) Применение логической защиты коротких кабелей, устраняет недостаток нечувствительной токовой отсечки кабельных линий малой длины и выполняет полную защиту кабеля без выдержки времени. Резервной защитой кабельной линии остается максимальная токовая защита.

3) Зависимые характеристики МТЗ имеют вполне определенные времена срабатывания в начале и конце защищаемого и резервируемого объекта. Это позволяет выполнить селективное согласование защит с меньшим накоплением времени срабатывания у источника питания.

4) Двухступенчатая защита обеспечивает как ближнее резервирование (первая часть характеристики МТЗ), так и дальнее резервирование (вторая часть характеристики МТЗ).

Summary

In an large industrial enterprise power supply system there are operating modes which influence an selectivity of relay protection. Development of a high-speed selective protection is an important and difficult task of relay protection technique.

Keywords: overcurrent protection, the protection logic, power supply system.

Литература

1. ПУЭ. Все действующие разделы шестого и седьмого изданий с имениями и дополнениями по состоянию на 1 февраля 2008 г. М.: КНОРУС, 2008. 488с.

2. Чернобровов Н.В. Релейная защита: Учеб. пособие для техникумов. М.: Энергия, 1974.

680 с.

3. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.240.10.028-2009 «Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ (НТП ПС)».

4. Техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт. Устройство микропроцессорной защиты вводного выключателя «Сириус-В».

5. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования, РД 153-34.0-20.527-98, М.: «Издательство Нц ЭНАС», 2002.

6. Гринев Николай. Алгоритм встречно-направленной логической защиты шин // Новости электротехники. №4(40). 2006.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск №7. Дистанционная защита линий 35330 кВ. М.: Энергия, 1966.

8. Гарке В.Г., Исаков Р.Г. Ступенчатые токовые защиты распределительных сетей с зависимой характеристикой срабатывания // Релейная защита и автоматизация. 2011. №01(02). Март. С. 22-26.

9. Исаков Р.Г., Гарке В.Г., Ференец А.В. Двухступенчатая токовая защита распределительной сети с зависимой характеристикой срабатывания // Энергетика Татарстана. 2011. №4. С.60-64.

Поступила в редакцию

15 мая 2012 г.

Исаков Руслан Геннадьевич - аспирант кафедры «Электрооборудование» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ. Тел.: 8 (960) 0619853. E-mail: ruslanisakov@yandex.ru.

Гарке Владимир Георгиевич - д-р техн. наук Рижского технического университета (РТУ), профессор кафедры «Электрооборудование» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ. Тел.: 8 (917) 8975103. E-mail: grinas41@mail.ru.

The concept of development of the power supply system relay protection for large industrial enterprise

Текст научной работы на тему «Концепция развития релейной защиты системы электроснабжения крупного промышленного предприятия»