Релейная защита

Неселективность работы устройств релейной защиты в сетях 6–10, 20 кВ может привести не только к сбоям в электроснабжении потребителей, но и к серьезным авариям в сетях. При этом масштабы разрушения оборудования могут быть весьма значительны, а восстановительный ремонт потребует больших затрат.
В предлагаемой статье украинских авторов приведена схема защиты с применением селективной и неселективной токовой отсечки без выдержки времени при коротких замыканиях в кабельных линиях напряжением 6–10, 20 кВ.
Неселективность работы защиты предлагается исправить применением устройств автоматического включения резервного источника питания или автоматического повторного включения.

КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ 6–10, 20 кВ
Повышение надежности с использованием быстродействующих защит

Альфред Манилов,
Андрей Барна,
инженеры УК «Метрополия»,
г. Киев

На отходящих кабельных линиях к распределительным устройствам (РУ), как правило, предусматривается максимальная токовая защита (МТЗ) с выдержкой времени. Длительность короткого замыкания (КЗ), отключаемого МТЗ, достигает 1,0–2,5 с. Время автоматического включения резервного питания (АВР) составляет 1,5–3 с. При такой выдержке времени ухудшаются условия самозапуска электродвигателей, действуют технологические защиты, нарушается электроснабжение неповрежденных линий, присоединенных к одной секции с поврежденной линией.

Отключение повреждения МТЗ c выдержкой времени обуславливает увеличение сечения кабеля для обеспечения его термической стойкости.

Увеличение тока КЗ при изменении схемы сети 6–10, 20 кВ вызывает необходимость демонтажа нестойких к токам КЗ кабелей и прокладки новых кабелей, что требует больших материальных затрат. Для повышения устойчивости нагрузки и уменьшения сечения кабеля по условию термической стойкости, а также для исключения замены существующих кабелей или прокладки новых кабелей параллельно существующим, необходимо уменьшить продолжительность КЗ. Этого можно добиться применением быстродействующей защиты.

СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ

Селективная токовая отсечка без выдержки времени на кабельных линиях может оказаться малоэффективной, т.к. ее чувствительность определяется при трехфазном КЗ в начале линии в максимальном режиме. Зона ее действия определяется при металлическом КЗ, поэтому она охватывает только часть линий.

Продольная дифференциальная и дистанционная защиты требуют значительных материальных затрат. Зона действия первой ступени дистанционной защиты без выдержки времени не охватывает всю линию и уменьшается при КЗ через переходное сопротивление.

Представляется целесообразным для повышения надежности электроснабжения и исключения необходимости прокладки новых кабелей применять неселективную токовую отсечку без выдержки времени.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АПВ ИЛИ АВР

Исправление неселективного действия токовой отсечки может быть осуществлено устройствами автоматического включения резерва (АВР) или автоматического повторного включения (АПВ).

Следует указать, что исправление неселективного действия отсечки путем АВР или АПВ регламентируется пунктами 3.2.93 и 3.3.2 ПУЭ [1].

Однако АПВ включает питающую линию при КЗ на ней. Для исключения действия АПВ при КЗ на питающей линии необходимо предусмотреть его блокировку. Ток срабатывания реле блокировки определяется из выражения:

где I⁽²⁾_{кз мин} – минимальный ток двухфазного КЗ на шинах приемной подстанции;
k_отс – коэффициент отстройки (k_отс = 0,9).

В соответствии с пунктом 3.2.93 ПУЭ [1] на кабельных линиях 6–10 кВ с односторонним питанием, подключенным к шинам электростанции или к подстанциям с синхронными двигателями большой мощности, КЗ следует отключать токовой отсечкой без выдержки времени, если оно сопровождается снижением напряжения на зажимах генераторов или электродвигателей до 0,5–0,6 U_н.

Фактическое время отключения определяется собственным временем отключения выключателя и временем срабатывания защит, что составляет приблизительно 0,1–0,2 с. Это значительно меньше времени действия МТЗ, которая составляет 1,0–2,5 с. При отключении КЗ с выдержкой времени возможно нарушение синхронной параллельной работы электрических машин с энергосистемой.

Ток срабатывания защиты определяется из выражения:

, (2)

где U_{С мин} – напряжение питающей энергосистемы в минимальном режиме (U_{С мин} = 0,95 U_ном);
U_ост – допустимое остаточное напряжение (U_ост = 0,5–0,6U_ном);
Z_э – эквивалентное сопротивление, значение которого зависит от сопротивления системы и числа включенных генераторов;
k_н – коэффициент надежности (k_н = 1,2).

При отсутствии токовой отсечки и выполнении только МТЗ (реле 9KA, 10KA на рис. 1) на отходящей линии, АПВ на питающей линии не предусматривается. В этом случае целесообразно выполнение АВР на приемной подстанции.

Рис. 1. Токовая отсечка и МТЗ в сети 6–10 кВ. Поясняющая и принципиальная схемы

Ток срабатывания токовой отсечки без выдержки времени на питающей линии, когда необходимо обеспечить только термическую стойкость кабеля при отсутствии токовой отсечки на предыдущем участке, определяется из выражения:

, (3)

где S – сечение кабеля;
c – коэффициент теплового состояния. Для кабелей с алюминиевыми жилами c = 85, для кабелей с медными жилами с = 129;
t_откл1 – длительность КЗ при действии МТЗ;
n – число параллельно включенных кабелей;
k_отс2 – коэффициент отстройки (k_отс2 = 1,2).

ДЕЙСТВИЕ ЗАЩИТЫ

При КЗ на отходящей линии, например в точке К1 на линии Л2, срабатывают токовые реле 7КА и/или 8КА. При КЗ в точке К1 возможно отключение питающей линии раньше, чем отходящей линии. Для ее отключения контакты выходного реле 2KL предусматриваются с выдержкой времени 0,1–0,2 с на размыкание.

При КЗ реле блокировки не срабатывает, и поэтому АПВ на питающей линии не блокируется. При КЗ в точке К2 на питающей линии срабатывают токовые реле 1КА и/или 2КА. После замыкания контактов этих реле срабатывают реле 1KL с действием на отключение выключателя Q1, а также 3КА и/или 4КА, размыкающие контакты которых блокируют действие АПВ. Реле 1KL в цепи АПВ принято с замыкающими контактами с выдержкой времени на размыкание для обеспечения действия АПВ после отключения выключателя Q1.

Применение избирательного АПВ на кабельной линии Л1 не представляется возможным, т.к. токи КЗ на кабельных линиях Л1 и Л2 соизмеримы. АПВ при КЗ на линии Л1 малоэффективно.

Для резервирования токовой отсечки целесообразно действие МТЗ (реле 5KA, 6KA) без выдержки времени при снижении напряжения на шинах в месте установки защиты до 0,5–0,6U_ном.

Вместо применения неселективной отсечки целесообразно применение селективной токовой отсечки с выдержкой времени (реле 1КТ), если при этом обеспечивается устойчивость нагрузки и стойкость кабеля к токам КЗ. Ток срабатывания токовой отсечки с выдержкой времени должен быть отстроен от тока срабатывания токовой отсечки трансформатора и определен из выражения:

где k_нс – коэффициент надежности согласования (k_нс = 1,3);
I_{сз тр} – наибольший ток срабатывания токовой отсечки на линиях к трансформатору;
I_{н макс} – максимальный ток нагрузки, за исключением линии, с которой производится согласование.
Токовая отсечка удовлетворяет чувствительности при k_ч ≥ 1,5. Выдержка времени реле 1КТ принимается 0,3–0,4 с.

Допустимый ток КЗ для кабеля зависит от его сечения и длительности КЗ и может быть определен из выражения:

, (5)

где t_откл2 – длительность КЗ при действии отсечки, которая составляет 0,02 с при отсутствии промежуточного реле и 0,1 с при его наличии.

Например, для кабеля с алюминиевыми жилами сечением 95 мм² при t_откл = 0,1 с допустимый ток КЗ составляет 25 553 А, что больше допустимого тока КЗ, равного 20 кА, выключателей шкафов КРУ.

Таким образом, применение токовой отсечки без выдержки времени в большинстве случаев может обеспечить термическую стойкость кабелей.

При применении токовой отсечки с выдержкой времени допустимый ток КЗ для кабеля с алюминиевыми жилами сечением 95 мм² составит 14 950 А и 12 800 А соответственно при времени отключения 0,3 с и 0,4 с.

Следует учесть, что наиболее распространенным видом по- вреждения в электрических сетях с изолированной нейтралью 6–10, 20 кВ является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ). При действии защиты от ОЗЗ на сигнал возрастает вероятность замыкания разноименных фаз в разных точках электрической сети, что приводит к режиму двойного замыкания на землю (ДЗЗ), междуфазному короткому замыканию (МКЗ), многоместному замыканию на землю (МЗЗ).

Для обеспечения быстродействия защиты кабельных линий при указанных видах повреждений целесообразно применение защиты, которая отключает одно из двух повреждений при ДЗЗ и все повреждения на присоединениях при МЗЗ, мощность нулевой последовательности которых направлена в одну сторону [2].

ВЫВОДЫ

Для повышения надежности электроснабжения потребителей целесообразно применение селективной или неселективной токовой отсечки на кабельных линиях к РУ, МТЗ, действующее при снижении напряжения на шинах до 0,5–0,6 U_ном, быстродействующей защиты от двойных, многоместных и междуфазных КЗ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1986. 648 с.
2. Манилов А.М. Защита от двойных, многоместных и коротких замыканий на землю в сетях 6–10 кВ // Энергетик. 2010. №1. С. 34.