МЕХАНОТРОНИКА:

ПРОБЛЕМА ДАЛЬНЕГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ В СЕТЯХ 0,4 кВ

Открыть в формате PDF

Сергей Гондуров, генеральный конструктор
Михаил Пирогов, начальник отдела системотехники
Илья Иванов, ведущий инженер отдела системотехники
ООО «НТЦ «Механотроника», г. Санкт-Петербург

Сети 0,4 кВ – важный узел в передаче электроэнергии от источника к потребителю. От его надежности напрямую зависит работа всех промышленных и сельскохозяйственных предприятий, электростанций и подстанций. Еще недавно проблема дальнего резервирования (ДР) сетей 0,4 кВ не имела качественного решения.

Осуществить резервирование в сети 0,4 кВ теми же методами, что и в высоковольтной сети не удавалось из-за существенного снижения тока короткого замыкания (КЗ) по мере удаления точки КЗ от источников питания.

Появление микропроцессорных устройств релейной защиты позволило решить проблему ДР в сетях 0,4 кВ благодаря реализации алгоритма, в основе которого лежит принципиально новая идея, ранее не существовавшая в мировой практике.

ТРАДИЦИОННАЯ МЕТОДИКА ВЫБОРА УСТАВОК

Рассмотрим проблему ДР на примере выбора уставок срабатывания защиты вводного выключателя подстанции 10/0,4 кВ мощностью 1000 кВА (рис. 1). Отметим, что в данном случае нагрузка Н1, Н2, Н3 не содержит в своем составе электродвигатели.

Рис. 1. Схема электроустановки

Уставки срабатывания защит выбираются в соответствии с рекомендациями [1].

Выбор уставок автоматического выключателя QF2 защиты электродвигателя

Токовая отсечка. Токовую отсечку выключателя отстраивают от пускового тока электродвигателя по выражению:

где K_н – коэффициент надежности отстройки отсечки от пускового тока электродвигателя, принимается равным 1,5;
1,05 – коэффициент, учитывающий, что в нормальном режиме напряжение может быть на 5% выше U_ном электродвигателя.

Уставка срабатывания токовой отсечки составляет I_с.о. ≥ 3528 А. Выдержка времени срабатывания минимальна и составляет 0,1 с.

Защита от перегрузки. Ток срабатывания защиты от перегрузки определяется из условия возврата защиты после окончания пуска или самозапуска электродвигателя по выражению:

, (2)

где K_н – коэффициент надежности, учитывающий запас по току, неточности настройки и разброс срабатывания защиты;
K_в – коэффициент возврата защиты;
I_ном – номинальный ток электродвигателя.

Для автоматических выключателей серии ВА с полупроводниковым расцепителем БПР: K_в = 0,97÷0,98, K_н =1,19÷1,32. По выражению (2) I_с.п. = 1,25 · I_ном = 400 А.

Время срабатывания защиты от перегрузки принимается из условия несрабатывания защиты при пуске или самозапуске электродвигателя и определяется по выражению:

где t_с.п. – время срабатывания защиты при токе, равном пусковому;
t_пуск – длительность пуска электродвигателя.

Время срабатывания защиты от перегрузки t_с.п. = 4,5 с.

Выбор уставок срабатывания защит автоматических выключателей QF4, QF5

Токовая отсечка. Ввиду отсутствия на данном присоединении двигательной нагрузки, уставка срабатывания отсечки определяется по следующему выражению:

где K_н – коэффициент надежности, для автоматических выключателей серии ВА составляет 1,5;
I_{раб.макс} – максимальный рабочий ток присоединения, равный в данном случае I_ном.

По выражению (4) находим I_с.о. = 1,5 · I_{раб.макс} =108 А.

Согласование с отсечками выключателей отходящих линий не производим ввиду их отсутствия.
Уставка времени срабатывания токовой отсечки выбирается минимальная – 0,1 с.

Защита от перегрузки. На данных присоединениях защита от перегрузки не используется, в связи с этим установлены автоматические выключатели, имеющие только электромагнитные расцепители.

Выбор уставок срабатывания защит автоматического выключателя QF3

Токовая отсечка. Определяется по двум условиям, из которых принимается наибольшее значение.
1-е условие: несрабатывание при максимальном рабочем токе. Определяется по выражению (4) и составляет:

2-е условие: согласование с отсечками выключателей отходящих линий. Определяется по выражению:

где K_н.с. – коэффициент надежности согласования, равный 1,4;
I_с.о.л. – наибольший из токов срабатывания отсечек выключателей отходящих линий, составляющий 108 А.

По выражению (5) I_с.о. = 151 А.
Таким образом, наибольшее значение I_с.о. =216 А.
Выдержка времени срабатывания отсечки определяется по выражению:

где t_с.о.л. – выдержка времени срабатывания отсечки выключателя отходящей линии;
Δt – ступень селективности, равная 0,15 с.
Уставка выдержки времени срабатывания токовой отсечки t_с.о. = 0,25 с.

Защита от перегрузки. На данном присоединении защита от перегрузки не используется.

Выбор уставок срабатывания защит автоматического выключателя QF1

Токовая отсечка. Выбор уставки срабатывания отсечки вводного автоматического выключателя определяется при полной нагрузке секции и электродвигателя с наибольшим пусковым током:

, (7)

где K_н – коэффициент надежности, равный 1,5;
– сумма максимальных рабочих токов электроприемников, кроме двигателя с наибольшим пусковым током;
I_{пуск.макс} – наибольший пусковой ток.

По выражению (7) ток срабатывания отсечки вводного выключателя составляет I_с.о. = 4356 А.
Согласование с отсечками выключателей отходящих линий определяется по выражению (5) и составляет I_с.о. = 4939 А.
Из полученных значений выбираем максимальное I_с.о. = = 4939 А.
Выдержка времени срабатывания отсечки определяется по выражению (6) и составляет t_с.о. = 0,4 с.

Защита от перегрузки. Уставка защиты от перегрузки рассчитывается так же, как и для электродвигателя (2), однако вместо I_ном используется максимальный рабочий ток, который с учетом допустимой перегрузки трансформатора 1,2 составляет I_{раб.макс} = 1,2 · I_н.т. = 1734 А.
По выражению (2) уставка срабатывания защиты от перегрузки I_с.п. = 1,25 · I_{раб.макс} =2167,5 А.
Время срабатывания защиты в 2 раза больше длительности пуска электродвигателей и составляет t_с.п. = 2 · t_пуск = 6 с.

Анализ выбранных уставок

Рассчитав токи КЗ [2], представим их в виде графика (рис. 2), где кривая указывает значение тока дугового двухфазного КЗ на кабельной линии ВВГ 3×70 + 1×35 по мере удаления от шин подстанции. Значения I_с.о. и I_с.п соответствуют значениям уставок срабатывания защит вводного выключателя QF1. На графике видно, что токовая отсечка вводного выключателя QF1, начиная с 84 м, не выполняет резервирование защит отходящего выключателя QF3. Защита от перегрузки также не удовлетворяет выбору проводников по условиям нагрева при КЗ [4] и нарушает требования п.1.4.16 ПУЭ [3]. Это означает, что при возникновении КЗ вне зоны резервирования защиты вводного выключателя QF1 и при отказе отходящего выключателя QF3 произойдет термическое повреждение кабеля по всей его длине, а в наихудшем случае – пожар в кабельных каналах.

Рис. 2. Токи КЗ на кабельной линии ВВГ 3×70 + 1×35 по мере удаления от шин подстанции

Пример расчета дан для простой схемы, в которой преобладает нагрузка с малой кратностью пускового тока. В более сложных случаях (наличие групп электродвигателей средней и большой мощности) уставки вводного выключателя увеличатся и, как следствие, зона ДР резко сократится (до 60–70 м).

Существующие автоматические выключатели различных производителей не способны решить эту проблему, так как принцип действия их защит одинаков: сравнение действующего значения тока с уставкой, которая должна быть отстроена от токов пуска и самозапуска. Основная причина появления зон, в которых защита вводного выключателя не способна резервировать отходящие выключатели, – резкое, в отличие от сетей среднего и высокого напряжения, снижение токов КЗ по мере удаления от источника питания, а также большие пусковые токи электродвигателей.

Защита ДР должна быть построена с учетом этих явлений и выполняться на принципах, точно определяющих факт возникновения КЗ, а не факт превышения током КЗ уставки. Благодаря появлению блоков цифровой релейной защиты это стало осуществимо.

АЛГОРИТМ ДАЛЬНЕГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

Впервые алгоритм ДР отказов защит выключателей был реализован А. В. Беляевым и М. А. Эдлиным в блоках БМРЗ-0,4 в 2000 г.

Многолетний опыт эксплуатации показал, что ДР в БМРЗ-0,4 надежно срабатывает при всех видах КЗ, достоверно определяет и не срабатывает при пусках или самозапусках электродвигателей, а также при повреждениях в высоковольтной сети. Алгоритм ДР основан на анализе переходного процесса, возникающего при КЗ, пусках или самозапусках электродвигателей. В основу алгоритма заложен анализ активного тока при возникновении КЗ в кабельных линиях и реактивного в случае пуска или самозапуска электродвигателей.

Особенность алгоритма ДР – анализ не абсолютных величин токов, а их производных, что существенно увеличивает зоны резервирования, ограниченные минимальным диапазоном измерения цифрового устройства, и позволяет с высокой точностью определить границу зоны ДР вне зависимости от нормируемых погрешностей измерений. Принцип функционирования данного алгоритма требует детального рассмотрения в отдельной статье.

Сегодня БМРЗ-0,4 – это единственное в мире устройство, которое проверено эксплуатацией и натурными испытаниями с реальными КЗ, выполняющее ДР отказов защит выключателей 0,4 кВ. Блоки БМРЗ-0,4 широко применяются на объектах нефтегазовой промышленности и в процессе эксплуатации зарекомендовали себя как надежное и качественное комплексное решение по защите и автоматике подстанции.

ВЫВОДЫ

В каждом проектном или эксплуатационном случае требуется проверка зон ДР для предотвращения пожаров в кабельных каналах. Проверку необходимо проводить для всех схем с кабельными линиями длиной более 60 метров.
Существующие модели автоматических выключателей не могут обеспечить ДР по принципу действия защиты.
Многолетний опыт эксплуатации доказал, что блоки БМРЗ-0,4 позволяют решить актуальную проблему ДР благодаря применению принципиально нового алгоритма.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляев А. В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ. СПб.: ПЭИПК, 2008.
2. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. Минск, 1994.
3. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп.
4. О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания: Циркуляр № Ц-02-98(Э). М., 1998.