Система дуговой защиты, релейной защиты и автоматики

Выбор уставок защит линий 6-35 кВ

Основные виды и схемы сетей 6-35 кВ:

Распределительные сети 6-35 кВ предназначены для передачи электроэнергии

потребителям и состоят из линий электропередачи, питающих ряд трансформаторных подстанций

или вводов к электроустановкам потребителей, а также из трансформаторных подстанций ираспределительных пунктов [1,2].

Электрические сети различаются по конструктивному выполнению (воздушные и кабельные линии, токопроводы), по роду тока, напряжения (табл.1-1), по режиму заземления

нейтралей трансформаторов, конфигурации, назначению. К распределительным сетям относятся сети переменного тока с номинальным напряжением 0,3835 кВ, а также сети 110 кВ, а иногда и

220-330 кВ, не входящие в так называемую основную сеть энергосистемы и предназначенные для питания трансформаторных подстанций.

ТАБЛИЦА 1-1

Сети 6-35 кВ в России работают с изолированной или резонансно-компенсированной нейтралью.

Они характеризуются малыми токами при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ),

т.е. не более 30 А при напряжении 6 кВ и не более 20 А при напряжении 10 кВ. С середины 1990-х=годов допускается заземление нейтрали в сетях 6 и 10 кВ через активное сопротивление(резистор).

В режимах с резистивным заземлением нейтрали, в зависимости от параметров питающей сети и сопротивления заземляющего резистора, значения тока замыкания на землю

могут находиться в широких пределах от 4 до 40 А (распределительные устройства собственных нужд некоторых тепловых и атомных электростанций) и до 1000 А в новых городских кабельных сетях.

Что касается сетей напряжением до 1 кВ (в основном сетей 0,4 кВ), работающих в режиме с глухозаземленной нейтралью на стороне низшего напряжения, то значения токов при однофазных

КЗ на этой стороне зависят, главным образом, от схемы соединения обмоток питающего трансформатора 6/0,4 кВ или 10/0,4 кВ. При соединении обмоток по схеме Δ/Y при однофазном и

трехфазном КЗ значения токов примерно одинаковы. При схеме Y/Y ток однофазного КЗ может быть в 3 раза меньше, чем при трехфазном КЗ в этой же расчетной точке [9, 10].

Линии распределительных электрических сетей напряжением 6 и 10 кВ часто являются радиальными (рис.1-1).

РИСУНОК 1-1

В распределительных сетях 6 и 10 кВ с двумя и более источниками питания параллельная работа этих источников, как правило, не предусматривается.

Сеть работает в разомкнутом режиме с точкой (или точками раздела) и, таким образом, линии работают как радиальные (рис.1-2).

В случае КЗ на участках 1-2 и 2-3 аварийная мощность (и ток) имеют направление от источника А к месту КЗ.

РИСУНОК 1-2

Однако в ремонтных и аварийных режимах возможен перенос раздела, например, с выключателя 3 на выключатель 1 (рис.1-3).

При этом изменяется и направление потока мощности,например, через пункт секционирования 2, как в нормальном, так и в аварийном режиме,например, при КЗ на участке 1-2.

РИСУНОК 1-3

В этом режиме защита на пункте секционирования 2 должна иметь другие уставки по току и по времени, отличные от уставок для нормального режима (рис.1-2). Аналогично и на защите

пункта 4 должно быть предусмотрено два набора уставок по току и по времени.

Выбор уставок для этих защит производится дважды: один раз для режима по рис.1-2, другой раз для режима

по рис.1-3 или ему подобному, но с питанием от источника А при отключенном выключателе 5.

Однако в каждом из этих режимов линии рассматриваются как радиальные.

При расчетах уставок релейной защиты таким образом каждая из защит 1-5 рассматривается отдельно для всех режимов работы сети. Для возможности оперативного

изменения уставок РЗ 2 и РЗ 4 (возможно и других) необходимо устанавливать по два комплекта РЗ с аналоговыми реле или по одному цифровому реле с двумя наборами уставок, что проще и

дешевле.

В случаях параллельной работы двух линий (рис.14) на приемных концах каждой из них

(выключатели 2 и 4), как правило, устанавливается токовая направленная защита с небольшой выдержкой времени. При КЗ на одной из линий её направленная защита быстро отключает свой

выключатель на приемном конце, и, таким образом, обе линии становятся радиальными. Известны и другие способы быстрого перевода подобных линий из режима параллельной работы в радиальный

режим (поперечная дифференциальная защита на выключателях 2 и 4, защита «слабой связи» на секционном выключателе 5, который на рис.1-4 показан штриховыми линиями).

РИСУНОК 1-4

Понижающие трансформаторы распределительных сетей различаются мощностями,напряжениями и схемами соединения обмоток (стандартными являются схемы соединения

Y/D-11, Y/Y/D-0-11, а также Y/Y-0 и D/Y-11), диапазонами и способами регулирования напряжения, напряжениями КЗ (uк, %).

Защита трансформаторов выполняется в зависимости от этих данных.

Требования к релейной защите:

Релейная защита элементов распределительных сетей должна соответствовать требованиям «Правил устройств электроустановок» [2],

которые предъявляются ко всем устройствам релейной защиты: быстродействие, селективность, надежность и чувствительность.

Быстродействие релейной защиты должно обеспечивать наименьшее возможное время отключения коротких замыканий.

Быстрое отключение КЗ не только ограничивает область и степень повреждения защищаемого элемента, но и обеспечивает сохранение бесперебойной работы

неповрежденной части энергосистемы, электростанции или подстанции.

Быстрое отключение КЗ,как известно, предотвращает нарушение устойчивости параллельной работы синхронных

генераторов и синхронных электродвигателей, облегчает самозапуск электродвигателей, повышает вероятность успешных действий устройств автоматического повторного включения (АПВ) и

автоматического включения резервного питания (АВР).

Селективным (избирательным) действием защиты называется такое действие, при котором автоматически отключается только поврежденный элемент электроустановки (трансформатор,

линия, электродвигатель и т.п.).

Требования селективности и быстродействия наиболее просто удовлетворяются при использовании защит, обладающих абсолютной селективностью, как, например,

дифференциальные защиты трансформаторов, линий и других элементов энергосистемы.

По принципу действия они не срабатывают при КЗ на смежных элементах и поэтому выполняются с мгновенным действием на отключение поврежденного элемента.

Но такие защиты не могут использоваться в качестве резервных при КЗ на смежных элементах, для этих целей применяются

защиты, обладающие относительной селективностью (максимальные токовые, дистанционные), которые в общем случае должны выполняться с выдержками времени [3].

Время срабатывания этих защит в распределительных сетях выбирается, как правило, только по условию селективной

работы при КЗ.

Но могут быть случаи, когда требуется снижение времени отключения КЗ даже в ущерб селективности.

«Правила» допускают неселективное действие защиты, исправляемое последующим

действием устройств АПВ или АВР, в следующих случаях:

для быстрого отключения КЗ с целью предотвращения нарушения устойчивой работы

энергосистемы или электроустановок потребителей;

при использовании упрощенных главных электрических схем подстанций с отделителями

в цепях трансформаторов (или линий), которые отключаются в бестоковую паузу; это же

допущение может быть отнесено к линиям, питающим трансформаторы, защищаемые плавкими

предохранителями.

Допустимое время отключения КЗ по условиям предотвращения нарушения устойчивости работы энергосистемы или электроустановок потребителей определяется

службами (группами) электрических режимов энергосистемы.

Приближенно считается, что защита должна действовать без замедления при всех КЗ, обуславливающих остаточные

напряжения ниже (0,6 ÷ 0,7) Uном на сборных шинах, через которые осуществляется параллельная работа синхронных машин или питаются ответственные потребители.

Быстрое отключение КЗ может потребоваться и для сохранения в целости линий с малым сечением проводов, не обладающих необходимой термической стойкостью при имеющемся уровне токов КЗ.

Во всех остальных случаях действие защит с относительной селективностью может происходить с некоторым замедлением, однако следует стремиться к тому, чтобы замедление было минимальным.

Это возможно при использовании современных цифровых реле и выключателей, при умелом применении обратнозависимых времятоковых характеристик токовых

реле максимальных защит, что рассмотрено далее.

Надежность функционирования релейной защиты предполагает надежное срабатывание

устройства при появлении условий на срабатывание и надежное несрабатывание устройства при их отсутствии.

Надежность функционирования релейной защиты должна обеспечиваться устройствами, которые по своим параметрам и исполнению соответствуют назначению и условиям

применения, а также надлежащим обслуживанием этих устройств.

Однако наш многолетний опыт обслуживания аналоговых устройств РЗА, которые пока

составляют большую часть работающих реле, показывает, что несмотря на проведение

периодических трудоемких профилактических проверок, нет гарантии исправного состояния аналоговых реле.

Цифровые реле обладают функцией непрерывной диагностики.

Наряду с выполнением всех необходимых мероприятий по обеспечению надежности функционирования устройств релейной защиты должно предусматриваться резервирование

возможных отказов защит или выключателей. «Правила» [1] указывают на необходимость установки резервных защит, обеспечивающих дальнее резервирование, т.е. способность

действовать при КЗ на смежных линиях в случае отказа собственной защиты или выключателя поврежденной линии (шин, трансформатора и т.п.).

Если дальнее резервирование не обеспечивается, то должно осуществляться ближнее

резервирование, т.е. установка двух или более независимых устройств защиты, резервирующих друг друга.

Как правило, в сетях 110 кВ и выше также выполняются специальные устройства резервирования при отказе выключателей (УРОВ).

В тех случаях, когда полное обеспечение дальнего резервирования связано со значительным

усложнением защиты или технически невозможно, «Правила» допускают не резервировать отключения КЗ за трансформатором, на реактированных линиях, в конце длинного смежного участка линии напряжением 635 кВ,

а также на линиях напряжением 110 кВ и выше при наличии ближнего резервирования.

Допускается осуществлять дальнее резервирование только при наиболее частых видах повреждения (например, при КЗ на землю в сетях 110 кВ и выше, которые

составляют примерно 85% всех видов КЗ).

Допускается предусматривать неселективное действие защиты при КЗ на смежных элементах (при дальнем резервном действии) с обесточиванием в отдельных случаях подстанций; при этом следует по возможности обеспечивать исправление

этих неселективных отключений действием устройств АПВ или АВР.

Чувствительностью релейной защиты называют ее способность реагировать на все виды

повреждений и аварийные режимы, которые могут возникать в пределах основной защищаемой зоны и зоны резервирования.

Оценка чувствительности основных типов релейных защит должна производиться при помощи коэффициентов чувствительности, значения которых для разных типов защиты и реле указываются в «Правилах».

Определение коэффициентов чувствительности производится при наиболее неблагоприятных видах повреждения, но для реально возможного

режима работы электрической системы.

Все короткие замыкания при этом рассматриваются как металлические, т.е. не учитываются возможные переходные сопротивления в месте КЗ и, в том числе,

сопротивление электрической дуги.

Исключение составляют сети напряжением до 1 кВ.

Если при расчете коэффициентов чувствительности выясняется, что возможно неселективное действие защиты последующего (питающего) элемента из-за отказа вследствие

недостаточной чувствительности защиты предыдущего элемента, то чувствительность этих защит необходимо согласовать между собой. Методы и примеры согласования чувствительности

однотипных и разнотипных защит смежных элементов, обеспечивающих их селективную работу, будут рассматриваться далее...

Вместе с тем «Правила» допускают не согласовывать между собой чувствительность тех ступеней защит смежных элементов, которые предназначены для дальнего резервирования, если неотключение КЗ вследствие недостаточной чувствительности

последующего (питающего) элемента, например, автотрансформатора, может привести к тяжелым последствиям.

Решение об отказе согласования чувствительности защит должно утверждаться руководством энергетического предприятия наряду с решением о вынужденном

выполнении неселективных защит или других отступлений от основных требований к релейной защите.

В России действует Инструкция по учету действий РЗА, где оговариваются условия оформления возможных неправильных действий РЗА как заранее допущенных (издание 1990 г.).

Общие требования к расчету (выбору уставок) релейной защиты:

Расчет релейной защиты заключается в выборе рабочих параметров срабатывания (рабочих уставок) как отдельных реле, так и многофункциональных устройств защиты, в том числе

терминалов серии SEPAM.

Во всех существующих и разрабатываемых устройствах защиты должна быть предусмотрена возможность плавного или ступенчатого изменения параметров

срабатывания в определенных пределах. Но только правильный выбор и установка рабочего параметра превращают «реле» в «релейную защиту» конкретной электроустановки!

Традиционно выбор рабочих характеристик и уставок («настройка») РЗА производится в расчете на «наихудший случай», учитывая что неправильное действие РЗА может привести к нарушению электроснабжения.

И даже при том, что действие было оформлено как заранее допущенное (см. выше), ущерб от неселективного срабатывания и, тем более, от отказа РЗА может вызвать непредвиденные тяжелые последствия и для потребителей, и для электроснабжающего предприятия.

Для выполнения расчета релейной защиты (выбор рабочих характеристик и уставок) прежде всего необходимы полные и достоверные местные исходные данные, к которым относятся:

первичная схема защищаемой сети и режимы ее работы (с указанием, как создаются рабочие и ремонтные режимы – автоматически или неавтоматически);

сопротивление и ЭДС (или напряжения) питающей системы для максимального и минимального режимов ее работы (или мощности КЗ);

режимы заземления нейтралей силовых трансформаторов;

параметры линий, трансформаторов, реакторов и т.д.;

значения максимальных рабочих токов линий, трансформаторов и т.п. в рабочих, ремонтных и послеаварийных режимах;

характеристики электроприемников (особенно крупных электродвигателей);

типы выключателей;

типы и параметры измерительных трансформаторов тока и трансформаторов напряжения

с указанием мест их установки в схеме сети;

типы и параметры срабатывания (уставки) существующих устройств защиты и автоматики на смежных элементах (как питающих, так и отходящих);

типы и принципиальные схемы устройств релейной защиты и автоматики, подлежащих расчету.

Для обеспечения селективности РЗ рабочие уставки защит с относительной селективностью на смежных элементах (линиях, трансформаторах) должны быть согласованы между собой.

Для максимальных токовых защит речь идет о согласовании по току (чувствительности) и по времени.

Поэтому выбор уставок следует производить, как правило, не для одного элемента, а для участка сети, причем «попарно».

В каждой паре одна, например, линия и её защита будут называться «предыдущими» или нижестоящими (downstream), а другая линия (защита), расположенная

ближе к источнику питания – «последующей» или вышестоящей (upstream).

В течение производства расчета пары и названия элементов будут изменяться, т.е. та РЗ, которая была вышестоящей (последующей) может стать предыдущей в паре с РЗ питающей линии

(трансформатора).

Выбор уставок в такой сети ведется от наиболее удаленного элемента по направлению к источнику питания.

При необходимости расчета уставок защиты одного вновь включаемого элемента надо согласовать выбранные уставки с уставками существующих защит, по возможности не изменяя

последних.

В общем случае релейная защита не должна ограничивать возможности полного использования основного электрического оборудования сети.

Однако, при разработке режимов работы сети, в свою очередь, должны учитываться и технические возможности типовых устройств

релейной защиты.

Не исключено, что по результатам расчета уставок некоторые редкие режимы могут быть запрещены.

Необходимо комплексное рассмотрение вопросов релейной защиты и противоаварийной автоматики сети (АПВ, АВР, делительных устройств, автоматического секционирования).

Немаловажное значение имеет оформление материалов РЗА.

Расчет уставок должен состоять, как правило, из разделов:

1. Исходные данные (с указанием источников информации).

2. Расчет токов КЗ.

3. Выбор уставок (с необходимым графическом материалом в виде схем, карт

селективности и др.).

4. Результаты расчета. Этот раздел должен содержать окончательно выбранные

характеристики, уставки и данные для регулировки (программирования терминалов).

Рекомендуется прикладывать к расчету схему сети с условными обозначениями типов

устройств релейной защиты и указанием выбранных уставок. В характерных точках сети на схеме

могут быть приведены значения токов КЗ.

На основании расчета составляются задания на наладку защиты каждого из элементов сети.

Задание на наладку защиты должно содержать:

1) наименование и технические данные защищаемого элемента (необходимые для расчета

токов КЗ и уставок защиты);

2) тип, коэффициент трансформации, схему соединения и место установки трансформаторов тока и, при необходимости, трансформаторов напряжения;

3) номера принципиальных схем релейной защиты, автоматики и управления защищаемого элемента, дату их выпуска и наименование организации, выпустившей эти схемы

(или одну общую схему);

4) рабочие уставки терминалов (реле); для токовых реле, имеющих обратную зависимость времени действия от тока, дополнительно указываются ток и время срабатывания,

соответствующие независимой части характеристики, а при необходимости особенно точной настройки – ещё несколько контрольных точек (тока и времени) в зависимой части

характеристики (например, при вынужденном уменьшении ступени селективности);

для цифровых реле (терминалов) дополнительно указываются наименования времятоковых характеристик, их коды и другие параметры настройки.

В примечании к заданию должны указываться расчетные условия, для которых выбраны рабочие уставки: максимальные рабочие токи защищаемого элемента, режимы его работы и т.п.

При необходимости указываются сменные уставки. В задании следует привести конкретные указания по эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики (если таковые имеются),

которые затем будут включены в инструкцию для оперативного дежурного персонала.

Задание должно быть согласовано с организацией, эксплуатирующей энергетический объект, от которого получает питание защищаемый элемент.

Все сделанные расчеты и задания на наладку должны регистрироваться в специальных журналах.