Релейная защита

В сетях 35–110 кВ радиальной конфигурации с односторонним питанием при выполнении определенных условий могут эффективно применяться ненаправленные ступенчатые токовые защиты от многофазных КЗ.
В данной статье рассмотрены различные способы выбора уставок комплекта ступенчатых защит (КСЗ), в том числе с неполной селективностью (первая ступень, как правило). Приведенный авторами анализ способов выбора параметров защиты показывает, что при выполнении КСЗ с неполной селективностью можно значительно улучшить их основные свойства, при условии что допущенные излишние срабатывания исправляются сетевой электроавтоматикой (АПВ, АВР).

Виктор Ластовкин, начальник СРЗАиМ	Светлана Син, начальник сектора расчетов РЗА
ОАО «Магаданэнерго», г. Магадан

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 35–110 кВ
Токовые защиты от многофазных КЗ радиальных линий

ПОДХОДЫ К ВЫБОРУ УСТАВОК КCЗ

Возможны два подхода к выбору уставок токовых защит от междуфазных КЗ на радиальных ВЛ 35–110 кВ.

При классическом подходе первая ступень защиты – токовая отсечка – отстраивается от максимального тока КЗ в конце линии, что обеспечивает ее недействие (селективность несрабатывания) при КЗ в одном из трансформаторов двухтрансформаторной подстанции. Вторая ступень токовой защиты – отсечка с выдержкой времени – отстраивается от КЗ на шинах среднего (СН) или низшего напряжения (НН) подстанции, присоединенной к ВЛ, в зависимости от соотношения U_к,ВС и U_к,ВН в случае трехобмоточного трансформатора. При U_к,ВС < U_к,ВН ток КЗ, приведенный к ступени трансформации (ВН) 110 кВ, будет больше на стороне СН, поэтому вторая ступень токовой защиты от многофазных КЗ должна отстраиваться от максимального тока КЗ на стороне СН, и наоборот, если U_к,ВН < U_к,ВС. Последняя (третья) ступень токовой защиты от многофазных КЗ – МТЗ – отстраивается от максимального тока нагрузки.

При альтернативном подходе первая ступень токовой защиты – отсечка без выдержки времени – отстраивается от КЗ на шинах СН или НН приемной подстанции в зависимости от соотношения U_к,ВС и U_к,ВН и выполняется без выдержки времени. Параметр срабатывания второй ступени токовой защиты выбирается по условию согласования с защитой шин в виде токовой отсечки, в том числе неполной дифференциальной защитой шин (ДЗШ), а при ее отсутствии – с самой грубой отсечкой на отходящих ВЛ (КЛ) от шин СН(НН) при U_к,ВС < U_к,ВН (U_к,ВН < U_к,ВС). Выбор уставок третьей ступени осуществляется аналогично.

При таком подходе к выбору параметров срабатывания токовой защиты первая ступень защиты может сработать при КЗ в трансформаторе. Неселективное действие первой ступени защиты будет исправляться действием АПВ, что вполне допустимо для потребителя III категории надежности электроснабжения [1], какой предполагается при данной схеме электроснабжения (радиальная линия). Вторая ступень (отсечка с выдержкой времени), выбранная по принципу согласования с токовой отсечкой (ТО), установленной на вводе (отходящих линиях) стороны СН(НН), будет иметь, скорее всего, нормативный коэффициент чувствительности при КЗ в минимальном режиме, но несколько большую задержку на срабатывание.

На выбор подхода к настройке (выбору) уставок токовых защит от многофазных КЗ могут влиять различные схемно-режимные факторы, среди которых длина ВЛ 110, 35 кВ, различие уровней токов КЗ в максимальном и минимальном режимах, электрическая удаленность от центров питания (электростанций) и некоторые другие.

Альтернативный подход имеет некоторые преимущества: отключение без замедления КЗ в любой точке защищаемой линии (устойчивая работа электрической системы), большую чувствительность (устойчивость) первой и второй ступеней ТО, следовательно, большую зону (глубину) резервного действия в максимальных режимах и наиболее полный охват защищаемой линии (приемлемый К_ч) в минимальных режимах.
Среди недостатков: допускаемые отказы несрабатывания первой ступени токовой защиты при КЗ в трансформаторе, исправляемые действием АПВ [1], несколько увеличенная задержка срабатывания второй ступени токовой защиты от многофазных КЗ (ТО с выдержкой времени); в некоторых случаях излишнее погашение подстанции при отказе ТО, установленных на вводах трансформатора (отходящих фидерах) стороны СН(НН) подстанции, и опережающем действии второй ступени ТО на линии по отношению к МТЗ на вводе трансформатора (отходящих линиях).

По тому же принципу может быть выполнена настройка дистанционных защит, установленных на радиальных ВЛ 35–110 кВ и КЛ 35 кВ. Это дает возможность при сохранении всех преимуществ применения данной методики выбора уставок для дистанционных защит получить более устойчивую работу дистанционной защиты, которая, как известно, в определенных пределах не зависит от уровня токов КЗ в максимальном и минимальном режимах.

ПРИМЕР АЛЬТЕРНАТИВНОЙ НАСТРОЙКИ КСЗ ВЛ 110 кВ

Альтернативный метод расчета и выбора параметров срабатывания токовых защит от многофазных КЗ рассматривается на примере настройки резервной панели защиты типа ЭПЗ 1644, установленной на ВЛ 110 кВ «Центральная–Ольская» (рис. 1).

Рис. 1. Схема размещения токовых защит от многофазных КЗ

Примечания:
1. Вторая ступень ТО ЭПЗ 1644 отстроена от ТО отходящих ВЛ 35, обеспечивает резервное действие при отказе защиты шин 35 кВ и защиту ВЛ 110 с нормативным Кч в минимальном режиме.
2. Токи КЗ приведены к напряжению 110 кВ.

Ток срабатывания первой ступени токовой защиты от многофазных КЗ выбирается по условию отстройки от максимального тока КЗ на стороне 35 кВ (U_к,ВС < U_к,ВН) параллельно работающих трансформаторов (точка К3). Первая ступень токовой защиты действует без выдержки времени. Такой подход к выбору уставки первой ступени позволяет во всех случаях значительно повысить ее чувствительность, что в свою очередь дает возможность в максимальных режимах отключать КЗ по всей длине ВЛ без выдержки времени и обеспечить высокую динамическую устойчивость Магаданской ТЭЦ.

При такой настройке первой ступени возможно ее излишнее срабатывание при КЗ в Т1 (Т2) и работе дифференциальной защиты трансформатора (ДЗТ) на ПС 110 кВ «Ольская». В этом случае неселективная работа защиты исправляется действием АПВ [1].

Вторая ступень токовой защиты (отсечка с выдержкой времени) ЭПЗ 1644 согласовывается с защитой шин 35 кВ дополнительно установленной на ПС 110 кВ «Ольская» по параметру срабатывания и выдержке времени (рис. 1). При этом измерительные органы защиты шин 35 кВ включены на сумму токов Т1 и Т2 [2] и защита шин согласована по чувствительности и по выдержке времени с ТО отходящих ВЛ 35 кВ. Такая методика дает возможность значительно повысить чувствительность второй ступени, что обеспечивает защиту ВЛ 110 с нормативным К_ч = 1,5 (1,3) в минимальном режиме [1] токов КЗ, т.е. выполнение последней функции основной защиты линии (см. ниже).

Кроме того, обеспечивается недействие второй ступени защиты при КЗ на шинах 35 кВ, а при отказе защиты шин 35 кВ – резервное действие второй ступени и отключение КЗ в максимальном режиме со значительно меньшей выдержкой времени, чем резервными штатными защитами (МТЗ), установленными на Т1, Т2.

Применение предложенной методики позволяет использовать дистанционный орган (БРЭ 2801) ЭПЗ 1644 для эффективного дальнего резервирования. При этом последний отстраивается от максимальной нагрузки (минимального сопротивления нагрузки) ВЛ 110 кВ и надежно охватывает Т1, Т2 по стороне 6 кВ.

В качестве технического обоснования преимуществ нетрадиционной (альтернативной) методики приведен традиционный (классический) подход к выбору уставок и анализ его недостатков.

Состав защит от многофазных КЗ панели ЭПЗ 1644: 2-ступенчатая токовая защита и 1-ступенчатая дистанционная защита на базе БРЭ 2801. Возможные варианты использования токовых и дистанционной защит: в первом варианте токовые защиты обеспечивают защиту ВЛ, вторая ступень выполняет функцию основной защиты. Дистанционная защита используется в качестве резервной.

Такой подход возможно реализовать только с помощью альтернативной методики выбора уставок, преимущества которой рассмотрены выше. Невозможность выполнения первого варианта при традиционном подходе см. ниже; во втором варианте защита ВЛ выполняется первой ступенью токовой защиты и дистанционной защитой, которая является основной защитой линии. Вторая ступень токовой защиты настраивается как МТЗ и выполняет функцию дальнего резервирования. Неэффективность такого дальнего резервирования связана с зависимостью МТЗ от уровня токов КЗ.

При традиционном подходе в первом варианте применения защит ток срабатывания первой ступени ТО отстраивается от максимального тока КЗ (К2) в конце линии (рис. 1) I^I_с,з = К_отс • I⁽³⁾_К2,макс = 1,3 • 2149 = 2800 А и проверяется по чувствительности при КЗ (К1) в месте установки в минимальном режиме К_ч = I⁽²⁾_К1,мин / I^I_с,з = 730 / 2800 K 1, т.е. защита абсолютно неэффективна. Ток срабатывания второй ступени токовой защиты (ТО с выдержкой времени) в первом варианте выбирается по условию отстройки от КЗ (точка К3) за параллельно работающими трансформаторами в максимальном режиме I^II_с,з = К_отс • I⁽³⁾_К3,макс = 1,1 • 625 = 690 А и проверяется по чувствительности при КЗ (К2) в конце ВЛ в минимальном режиме К_ч = I⁽²⁾_К2,мин / I^II_с,з = 632 / 690 < 1, т.е. вторая ступень не может выполнять функцию основной защиты линии К_ч ≥ 1,3. Следовательно, уставку второй ступени надо выбирать по условию отстройки от максимальных токов нагрузки, т.е. использовать ее в качестве МТЗ (резервной ступени), при этом дистанционную защиту придется использовать в качестве основной защиты линии, что нерационально, учитывая технические возможности БРЭ 2801 (диапазон уставок 4–160 Ом/фазу), предназначенной для дальнего резервирования.

Для сравнения приведем уставки токовых защит от многофазных КЗ для первого варианта их применения, выбранные с использованием альтернативной методики: I^I_с,з = 800 А, чувствительность в точке К1 К_ч (2800 / 800) выше в 3,5 раза; I^II_с,з = 500 А, чувствительность в точке К2 К_ч (690 / 500) выше в 1,4 раза по сравнению с традиционной методикой.

Аналогичный подход использован при выборе уставок токовых защит от многофазных КЗ ВЛ 110 кВ «Центральная–Юго-Восточная 1,2», ВЛ 110 кВ «МТЭЦ–Армань»; ВЛ 110 кВ «Берелех–Ударник» и др.

Таким образом, альтернативный подход обеспечивает быстродействие, устойчивую работу токовой защиты линии и эффективное дальнее резервирование.

ПРИМЕР ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТЫ КЛ 35 кВ

Альтернативный подход успешно реализован при построении оперативной схемы электроснабжения (кабельной сети 35 кВ) г. Анадырь.
Схема кабельной сети предусматривает возможность двухстороннего питания ПС 35 кВ. Распределительные устройства (РУ 35 кВ) электростанций и подстанций выполнены по схеме одиночной секционированной системы шин и соединены между собой КЛ 35 кВ.
Кольцевание сети 35 кВ предполагает использование направленных КСЗ и защит с абсолютной селективностью на КЛ 35 кВ, которые либо отсутствуют, либо не могут быть эффективно использованы ввиду особенностей кабельной сети 35 кВ.

С учетом изложенного, для электроснабжения г. Анадырь взамен кольцевой сети применяется радиально-секционированная сеть с резервированием электроснабжения на основе использования АВР, установленных на секционных выключателях 6 кВ (АВР СВ 6 кВ) подстанций 35 кВ [1]. Защита КЛ 35 кВ в радиально-секционированной кабельной сети выполняется по схеме блока «линия–трансформатор» [3], которая позволяет питать каждый трансформатор двухтрансформаторной подстанции по отдельной КЛ 35 кВ. При этом СВ 6–35 кВ на подстанциях отключены и включаются при повреждении элемента блока – линии или трансформатора – оперативно (СВ 35 кВ) либо действием АВР (СВ 6 кВ). АПВ КЛ 35 кВ выведено и не используется ввиду его неэффективности.

Защита КЛ 35 кВ в блоке «линия–трансформатор» выполняется только с питающей стороны в соответствии с приведенной методикой, т.е. первая ступень ТО по току срабатывания отстроена от КЗ за трансформатором и действует без замедления или с минимальным замедлением по условию селективности; вторая ступень по параметрам настройки согласовывается с ТО, установленными на отходящих КЛ (ВЛ) 6 кВ на приемной подстанции. О преимуществах данного подхода сказано выше.

В частном случае построения нормальной оперативной схемы кабельной сети (рис. 2) применение альтернативной методики позволяет простыми техническими средствами организовать эффективную (быстродействующую) защиту КЛ 35 кВ, в том числе по условию обеспечения термической стойкости кабельных линий, и повысить надежность сети электроснабжения за счет применения сетевой электроавтоматики (АВР).

Рис. 2. Конфигурация защиты и автоматики блока «линия–трансформатор» в радиально секционированной сети

На рис. 2 в качестве примера приведена нормальная схема питания ПС1 по двум КЛ 35 кВ от двух источников: Анадырской ТЭЦ (АнТЭЦ) и газомоторной ТЭЦ (ГМТЭЦ) с кабельной связью между этими источниками. На линии связи, питающих кабельных линиях и оборудовании подстанций установлены в основном микропроцессорные терминалы токовой защиты (КСЗ и ДЗТ) «MUPASZ»; на КЛ 35 кВ со стороны АнТЭЦ – электромеханические защиты: панель дистанционной защиты типа ПЗ-4 в качестве основного комплекта (КСДЗ) и панель токовой защиты в качестве резервного комплекта защиты (КСТЗ).

При заданных параметрах настройки защиты КЛ 35 кВ в случае КЗ в Т1 (Т2) работает защита трансформатора с действием на отключение выключателей 35 кВ и 6 кВ Т1 (Т2); также допускается срабатывание первой (второй) ступени защиты КЛ 35 кВ, которая действует на отключение выключателя КЛ 35 кВ.

При КЗ в КЛ работает защита линии без выдержки времени или с минимальной выдержкой времени на отключение выключателя 35 кВ блока «линия–трансформатор». В любом случае электроснабжение потребителей I (II) секции сборных шин 6 кВ восстанавливается действием АВР; также в любом случае при КЗ на КЛ 35 кВ и в трансформаторе Т1 (Т2) работают быстродействующие защиты, что обеспечивает термическую стойкость КЛ 35 кВ и устойчивую работу электростанций в сети.

ВЫВОД

В радиальных сетях 35–110 кВ с односторонним питанием при применении рассмотренных способов выбора параметров КСЗ возможно улучшение защитоспособности, чувствительности и быстродействия основных (первой и второй) ступеней токовой (дистанционной) защиты при их выполнении с неполной селективностью (первая ступень) в сочетании с устройствами АПВ и АВР, исправляющими их допущенные излишние срабатывания.

Несколько улучшенные свойства второй ступени можно получить при условии ее согласования с защитой шин, включенной на сумму токов вводов трансформатора (неполной дифференциальной защитой шин) на стороне СН(НН) или с ТО (самой грубой) отходящих ВЛ (КЛ) 35 (6–10) кВ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок, 7-е изд.
2. Ластовкин В.Д., Куров Р.Г. Понижающие трансформаторы 110–220 кВ. Защита шин среднего напряжения // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 2(74).
3. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. М.:Энергоатомиздат, 1984.