Как рассчитать максимальную токовую защиту?

Расчет релейной защиты линии 10кВ

Линия электропередач осуществляет транспорт электроэнергии из точки А до точки В. На напряжении 6-35кВ ЛЭП выполняются с компенсированной или изолированной нейтралью. Данное обстоятельство накладывает определенные особенности выполнения устройств РЗА.

Например, в данных сетях допустима длительная (до нескольких часов) работа при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ). В данном случае нагрузку переводят на другую линию, после чего происходит отключение. Также возможны варианты, когда защита от ОЗЗ на землю действует только на сигнал, либо вообще отсутствует.

Защита от двухфазных и трехфазных замыканий КЗ обеспечивается установкой комплектов РЗА в двух фазах из трех: фазе А и фазе С. Так как однофазное КЗ не критичное, то при двухфазном или трехфазном КЗ всегда отключится вся линия.

  • ф.А+В => отключится по ф.А линия
  • ф.А+С => отключится по двум фазам
  • ф.В+С => отключится линия по ф.С

Другое дело, если произойдет двойное замыкание на землю. Это когда на двух параллельных линиях замыкается по одной разноименной фазе. В итоге у нас получается, что всего имеем 6 вариантов короткого замыкания:

  • в 2 случаях отключается одна линия
  • в 2 случаях другая линия
  • и еще в 2 случаях происходит отключение сразу 2 линий

Получается, что в 4 вариантах из 6 одна из линий остается в работе. Это является преимуществом данного способа подключения. Другое дело, если при расшиновке фаз, вдруг не туда посадят А и В, или В и С. Тогда варианты станут плачевнее и вероятность аварий увеличится.

Скромный пример, замеряли ток на секции, или на движке каком-то, через клеммник ТТ в релейном отсеке. И после пуска и набора нагрузки выявили, что отображается у нас самая настоящая ерунда. В итоге выяснилось, что фаза B и нуль от ТТ были перепутаны местами. Как говорится, выявили дефект к устранению. Для этого и существует наладка, чтобы после монтажа проверить готовность и сдать эксплуатации к безаварийной работе.

Вопрос на засыпку? А почему двойным замыканием на землю не считается вариант двойного замыкания на одноименные фазы?

Теперь перейдем к рассмотрению и беглому рассчету следующих защит: МТЗ, ТО, ОЗЗ. Беглому, так как существует столько нюансов, что люди не один десяток книг на эту тему написали. Защиты могут выполняться, как отдельно на реле, так и в комплексе, как часть микропроцессорного терминала. Для защиты линии может быть использована трехступенчатая токовая защита, где:

  • 1 ступень (токовая отсечка мгновенная) 3I>>>
  • 2 ступень (то с выдержкой времени) 3I>>
  • 3 ступень (мтз) 3I>

У ТО уставка по току самая большая — это грубая защита, а мтз более гибкая и позволяет выполнять функции дальнего резервирования.

МТЗ линии 6-35 кВ

Я уже рассматривал МТЗ, но, повторение — мать ученья. Максимальная токовая защита с выдержкой времени выступает в качестве первой ступени трехступенчатой защиты линии. Для расчета необходимо рассчитать ток срабатывания защиты, ток уставки, выдержку времени и отстроиться от соседних защит.

1) На первом этапе определяем ток срабатывания защиты с учетом токов самозапуска и других сверхтоков, которые протекают при ликвидации КЗ на предыдущем элементе:

в данной формуле мы имеем следующие составляющие:

Iс.з. — ток срабатывания защиты 2РЗ, величина, которую мы и определяем

— коэффициент надежности, который на самом деле можно считать скорее коэффициентом отстройки для увеличения значения уставки; для микропроцессорных равен 1,05-1,1, для электромеханических 1,1-1,4.

kсзп — коэффициент самозапуска, его смысл в том, что при КЗ происходит просадка напряжения и двигатели самозапускаются. Если нет двигателей 6(10) кВ, то коэффициент принимается 1,1-1,3. Если нагрузка есть, то производится расчет при условии самозапуска ЭД из полностью заторможенного состояния. Коэффициент самозапуска определяется, как отношение расчетного тока самозапуска к максимальному рабочему току. То есть зная ток самозапуска, можно не узнавать максимальный рабочий ток, хотя без этого знания не получится рассчитать ток самозапуска — в общем, сократить формулу не удастся особо.

— коэффициент возврата максимальных реле тока; для цифровых — 0,96, для механики — 0,65-0,9 (зависит от типа реле)

Iраб.макс. — максимальный рабочий ток с учетом возможных перегрузок, можно узнать у диспетчеров, если есть телефон и полномочия. Для трансформаторов до 630кВА = 1,6-1,8*Iном, для трансформаторов двухтрансформаторных подстанций 110кВ = 1,4-1,6*Iном.

2) На втором этапе определяем ток срабатывания защиты, согласуя защиты Л1 и Л2:

Iс.з.посл. — ток срабатывания защиты 2РЗ

kн.с. — коэффициент надежности согласования, величина данного коэффициента от 1,1 до 1,4. Для реле РТ-40 — 1,1, для РТВ — 1,3. 1,4.

— коэффициент токораспределения, при одном источнике питания равен единице. Если источников несколько, то рассчитывается через схемы замещения и сопротивления элементов.

Первая сумма в скобках — это наибольшая из геометрических сумм токов срабатывания МТЗ параллельно работающих предыдущих элементов. Вторая сумма — геометрическая сумма максимальных значений рабочих токов предыдущих элементов, кроме тех, с которыми происходит согласование.

3) На третьем этапе выбираем наибольший из токов, определенных по условиям 1) и 2) и рассчитываем токовую уставку:

kсх — коэффициент схемы, данный коэффициент показывает во сколько раз ток в реле больше, чем ток I2 трансформатора тока при симметричном нормальном режиме работы; при включении на фазные токи (звезда или разомкнутая звезда) равен 1, при включении на разность фазных токов (треугольник) равен 1,73.

— коэффициент трансформации трансформатора тока.

4) Далее определяется коэффициент чувствительности, который должен быть больше или равен значения, прописанного в ПУЭ.

Отношение минимального тока, протекающего в реле, при наименее благоприятных условиях работы, к току срабатывания реле (уставке). Для МТЗ значение kч должно быть не менее 1,5 при кз в основной зоне защиты и не менее 1,2 при кз в зонах дальнего резервирования.

5) Определяемся с уставкой по времени

Смысл уставок по времени в следующем: если у нас КЗ как на рисунке выше, то сначала должен отключиться выключатель Л1 (находящийся ближе к КЗ), это необходимо, чтобы оставить в работе неповрежденные участки системы.

То есть tс.2рз=tс.1рз+dt, где дельта t — ступень селективности. Эта величина зависит от быстродействия защит (в частности точности работы реле времени) и времени включения-отключения выключателей.

Если предыдущая РЗ является токовой отсечкой или же РЗ выполнена на электронных (полупроводниковых) реле — dt можно принять 0,3с. Если же в РЗ используются электромеханические реле, то dt может быть 0,5. 1,0. Для различных реле эта величина может доходить до нескольких секунд.

Как было написано выше, особенностью МТЗ является накапливание выдержек времени от элемента к элементу. И чем больше величина dt, тем большей будет отдаленная уставка. Для решения этой проблемы следует устанавливать цифровые РЗ (dt=0,15. 0,2с) и одинаковые выключатели. Ведь, если выключатели одного типа, то и время срабатывания у всех одинаковое. А если, оно невелико, то и суммарная величина будет мала.

В общем выбор мтз состоит из трех этапов:

  • несрабатывание 2РЗ при сверхтоках послеаварийных режимов
  • согласование 2РЗ с 1РЗ
  • обеспечение чувствительности при КЗ в конце Л1(рабочая зона) и в конце Л2 (зона дальнего резервирования)

Расчет токовой отсечки линии

ТО может выполняться как с выдержкой времени (токовая отсечка с замедлением), так и без нее. При расчете ТО отстраивается от максимального тока короткого замыкания в конце защищаемой линии. ТО трансформатора также отсраивается от броска тока намагничивания. Формулы и более подробно про токовую отсечку написано здесь.

Для предотвращения воздействия сверхтоков и коротких замыканий, которые нельзя отключать с выдержкой времени, используется неселективная ТО без выдержки времени. Это применимо для защиты синхронных машин от КЗ на шинах, которое может привести к нарушению устойчивости параллельной работы ТГ с энергосистемой и нарушению энергоснабжения. Формула для определения тока срабатывания неселективной ТО:

В вышеприведенной формуле:

Uс.мин — междуфазное напряжение системы в минимальном режиме работы (0,9. 0,95), В

— уже знакомый коэффициент надежности = 1,1. 1,2

zс.мин — сопротивление системы до места установки отсечки, Ом

ko — коэффициент зависимости остаточного напряжения в месте установки отсечки от удаленности 3ф КЗ, определяется по зависимости графической

Остаточное напряжение — это напряжение, при котором обеспечивается динамическая стойкость работы синхронных генераторов (Uост>0,6) и электродвигателей (Uост>0,5).

Данная неселективная ТО применяется совместно с автоматикой (АВР, АПВ), что обеспечивает быстродействие при отключениях опасных кз. Однако, для совместной работы необходимо выполнить ряд мероприятий:

  • отстроить ТО от токов намагничивания трансформаторов,
  • отстроить ТО от кз на шинах НН трансформаторов, находящихся в её зоне действия
  • согласовать ТО с предохранителями, выключателями и другими устройствами, находящимися в её зоне действия

Защита от однофазных замыканий на землю

При расчетах защиты от ОЗЗ следует знать способ заземления нейтрали и в зависимости от этого производить дальнейшие действия. В сетях 6-35 кВ применяется токовая защита нулевой последовательности. Условия её выбора состоит в определении тока срабатывания защиты и определении коэффициента чувствительности

В данной формуле

Iс.фид.макс — собственный емкостной ток фидера

— коэффициент надежности равный 1,2

kбр — коэффициент броска емкостного тока при возникновении ОЗЗ

Iс.сумм — суммарный емкостной ток сети, который можно определить по формулам ниже:

для изолированной нейтрали:

В сети с изолированной нейтралью допускается работа, если емкостной ток не превышает:

  • 30А для сети 6кВ
  • 20А для сети 10кВ

Если же значение емкостного тока превышает полученное значение, то необходимо компенсировать его с помощью реактора, то есть перейти на другой тип заземления нейтрали.

Данные токов также можно узнать в специализированных организациях. Или же определить экспериментальным путем, что дает наиболее точное и реальное значение.

Читайте также  Расчет гасящего резистора для светодиода

Пример расчета РЗ линии 10кВ

Ну и напоследок небольшой пример расчета рза трансформатора и кабеля по схеме, приведенной на рисунке ниже:

1)На первом этапе мы составили схему замещения, которая представлена справа от самой схемы.

2)На втором этапе мы рассчитываем параметры схемы замещения )(сопротивления шин, кабеля, трансформатора) и приводим их к одному напряжению:

3) Далее определим токи трехфазного короткого замыкания в точках К1, К2 и К3

4) Выберем параметры защит для трансформатора

МТЗ. определяем по формуле, которая была выше по тексту ( 9А — номинальный ток трансформатора)

ТО. Проверяем два условия (в примере приняли цифровую защиту), второе условие — отстройка от броска тока намагничивания:

5) Выберем аналогично защиту для кабельной линии плюс ОЗЗ. С учетом, что ток емкостной равен например 1,1 А/м. Получим следующее:

2020 Помегерим! — электрика и электроэнергетика

Максимальная токовая защита: МТЗ, принцип действия, реализация, схемы, выбор уставок

При коротком замыкании ток в линии увеличивается. Этот признак используется для выполнения токовых защит. Максимальная токовая защита (МТЗ) приходит в действие при увеличении тока в фазах линии сверх определенного значения.

Токовые защиты подразделяются на МТЗ, в которых для обеспечения селективности используется выдержка времени, и токовые отсечки, где селективность достигается выбором тока срабатывания. Таким образом, главное отличие между разными типами токовых защит в способе обеспечения селективности.

Рис. 4.1.1

  1. МТЗ с независимой выдержкой времени
  2. Схемы защиты МТЗ
  3. Трехфазная схема защиты МТЗ на постоянном оперативном токе
  4. Двухфазные схемы защиты МТЗ на постоянном оперативном токе
  5. Двухрелейная схема
  6. Одно-релейная схема МТЗ
  7. Выбор тока срабатывания защиты МТЗ
  8. Чувствительность защиты МТЗ
  9. Выдержка времени защиты МТЗ
  10. Выбор времени действия защит МТЗ

МТЗ с независимой выдержкой времени

МТЗ – основная защита для воздушных линий с односторонним питанием. МТЗ оснащаются не только ЛЭП, но также и силовые трансформаторы, кабельные линии, мощные двигатели напряжением 6, 10 кВ.


Рис. 4.2.1

Расположение защиты в начале каждой линии со стороны источника питания. На рис. 4.2.1 изображено действие защит при КЗ в точке К. Выдержки времени защит подбираются по ступенчатому принципу и не зависят от величины тока, протекающего по реле.

Схемы защиты МТЗ

Трехфазная схема защиты МТЗ на постоянном оперативном токе

Схема защиты представлена на рис.4.2.2: Основные реле:

  • Пусковой орган – токовые реле КА.
  • Орган времени – реле времени КТ.

Вспомогательные реле:

  • KL – промежуточное реле;
  • KH – указательное реле.


Рис. 4.2.2

Промежуточное реле устанавливается в тех случаях, когда реле времени не может замыкать цепь катушки отключения YAT из-за недостаточной мощности своих контактов. Блок-контакт выключателя SQ служит для разрыва тока, протекающего по катушке отключения, так как контакты промежуточных реле не рассчитываются на размыкание.

Двухфазные схемы защиты МТЗ на постоянном оперативном токе

В тех случаях, когда МТЗ должна реагировать только при междуфазных КЗ, применяются двухфазные схемы с двумя или одним реле, как более дешевые.

Двухрелейная схема

Достоинства

1. Схема реагирует на все междуфазные КЗ на линиях.

2. Экономичнее трехфазной схемы.

Недостатки

Меньшая чувствительность при 2 – фазных КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/–11 гр. (В два раза меньше чем у трехфазной схемы).


Рис. 4.2.4

При необходимости чувствительность можно повысить, установив третье токовое реле в общем проводе токовых цепей. Чувствительность повышается в два раза – схема становиться равноценной по чувствительности с трехфазной.

Схемы широко применяются в сетях с изолированной нейтралью, где возможны только междуфазные КЗ.

двухфазные схемы применяются в качестве защиты от междуфазных КЗ и в сетях с глухозаземленной нейтралью, при этом для защиты от однофазных КЗ устанавливается дополнительная защита, реагирующая на ток нулевой последовательности.

Одно-релейная схема МТЗ

Схема реагирует на все случаи междуфазных КЗ.

Достоинства

Недостатки

  1. Меньшая чувствительность по сравнению с 2 – релейной схемой при КЗ между фазами АВ и ВС.
  2. Недействие защиты при одном из трех возможных случаев 2 – фазных КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/–11 гр.
  3. Более низкая надежность – при неисправности единственного токового реле происходит отказ защиты. Схема применяется в распределительных сетях 6…10 кВ и для защиты электродвигателей.


Рис. 4.2.6

Выбор тока срабатывания защиты МТЗ

Защита должна надежно срабатывать при повреждениях, но не должна действовать при максимальных токах нагрузки и её кратковременных толчках (например, запуск двигателей).

  • Слишком чувствительная защита может привести к неоправданным отключениям.
  • Главная задача при выборе тока срабатывания состоит в надежной отстройке защиты от токов нагрузки.

Существуют два условия определения тока срабатывания защиты.

Первое условие. Токовые реле не должны приходить в действие от тока нагрузки:

Iс.з>Iн.макс, (4.1)

где Iс.з – ток срабатывания защиты (наименьший первичный ток в фазе линии, необходимый для действия защиты);

Iн.макс – максимальный рабочий ток нагрузки.

Второе условие. Токовые реле, сработавшие при КЗ в сети, должны надёжно возвращаться в исходное положение после отключения КЗ при оставшемся в защищаемой линии рабочем токе.

При КЗ приходят в действие реле защит I и II (рис.4.2.1). После отключения КЗ защитой I прохождение тока КЗ прекращается и токовые реле защиты II должны вернуться в исходное положение.

Ток возврата реле должен быть больше тока нагрузки линии, проходящего через защиту II после отключения КЗ.

И этот ток в первые моменты времени после отключения КЗ имеет повышенное значение из–за пусковых токов электродвигателей, которые при КЗ тормозятся вследствие понижения (при КЗ) напряжения:

Iвоз>kзIн.макс . (4.2)

Увеличение Iн.макс, вызванное самозапуском двигателей, оценивается коэффициентом запуска kз.

Учет самозапуска двигателей является обязательным.

При выполнении условия (4.2) выполняется и условие (4.1), так как Iвоз Рис. 4.2.8

2. Линии, питающие потребителя: Iн.макс=I1+I2.


Рис. 4.2.9

Чувствительность защиты МТЗ

Ток срабатывания защиты Iс.з проверяется по условию чувствительности защиты.

Рис. 4.2.10

Значение kч для различных типов защит нормируется. В основной зоне kч как правило равен 1,5; в зоне резервирования допускается 1,2.

Выдержка времени защиты МТЗ

Для обеспечения селективности выдержки времени МТЗ выбираются по ступенчатому принципу (см. рис. 4.2.1). Разница между временем действия защит двух смежных участков называется ступенью времени (ступенью селективности):

t=t2–t1. (4.7)

Ступень времени t должна быть такой, чтобы при КЗ на линии w2, МТЗ II (см. рис. 4.2.1) не успевала сработать.

Определение ступени селективности времени

При КЗ в точке К защита I работает в течение времени

tзI=tввI+tпI+tвI, (4.8)

где tввI – выдержка времени защиты I;

tпI – погрешность в сторону замедления реле времени защиты I;

tвI – время отключения выключателя Q1.

Условие несрабатывания защиты II при КЗ на линии w2

tввII>tввI+tпI+tвI. (4.9)

Выдержка времени защиты II может быть определена как

tввII=tввI+tпI+tвI+tпII+tзап, (4.10)

где tпII – погрешность в сторону снижения выдержки времени защиты II; tзап – время запаса.

Таким образом, минимальная ступень времени t может быть вычислена как

t=tввII – tввI=tпI+tвI+tпII+tзап. (4.11)

По формуле (4.11) определяется ступень времени для защит с независимой характеристикой времени срабатывания от тока.

Рекомендуется принимать t =0,35…0,6 с.

Выбор времени действия защит МТЗ

Для МТЗ с независимой выдержкой времени выдержка времени защит вычисляется по формуле (4.12), расчет начинается от МТЗ, установленных у потребителей электроэнергии (см. рис. 4.2.11):

tвв(n)= tвв(n–1)+ t. (4.12)

Рис. 4.2.11

Расчет уставок релейной защиты трансформатора 10/0,4 кВ

Содержание

  1. Общая часть
  2. Исходные данные
  3. Расчет уставок токовой отсечки (ТО)
  4. Расчет уставок максимальной токовой защиты (МТЗ)
  5. Расчет уставок защиты от перегрузки
  6. Расчет уставок выполненный в программе Excel.
  7. Список литературы

1. Общая часть

Чтобы у Вас меньше возникало вопросов, перед началом рассмотрения данного расчета уставок для понижающего трансформатора 10/0,4 рекомендую, сначала ознакомится с книгами, приведенными в содержании: «Список литературы».

И еще не большое отступление, если Вы используете другой тип защиты отличающейся от того что используется в данном примере, то все расчетные коэффициенты, можно посмотреть в [Л1] и [Л3].

И так перейдем, теперь непосредственно к самому расчету уставок.

В данном примере, нужно выполнить расчет уставок релейной защиты для понижающего сухого трансформатора cлитой изоляцией 10/0,4 кВ, типа TS-400 (компании TESAR) мощностью 400 кВА, питание осуществляется кабелем АПвЭВнг – 3х95 мм2 от ячейки №3 типа КСО-011, длина линии составляет 300 м. Однолинейная схема подстанции 10 кВ представлена на рис.1.

Рис.1 – Однолинейная схема подстанции 10 кВ

Для защиты трансформатора типа TS-400 применяется устройство релейной защиты и автоматики современного микропроцессорного многофункционального устройства типа SEPAM 1000+ серии S40 (компании Schneider Electric). Данное устройство обеспечивает, следующие виды защит:

  • токовая отсечка (ТО)– реализована с помощью первой ступени МТЗ терминала SEPAM S40 код ANSI 50/51, (ТО реализована согласно ПУЭ 7-ое издание, раздел 3.2.54 пункт 2);
  • максимально токовая защита (МТЗ) – реализована с помощью второй ступени МТЗ терминала SEPAM S40 код ANSI 50/51, (МТЗ реализована согласно ПУЭ 7-ое издание, раздел 3.2.60);
  • защита от перегрузки (ЗП) – реализована с помощью одной из ступеней МТЗ терминала SEPAM S40 код ANSI 50/51; (ЗП реализована согласно ПУЭ 7-ое издание, раздел 3.2.69);
  • защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) – код ANSI 50N/51N (ОЗЗ реализована согласно ПУЭ 7-ое издание, раздел 3.2.51)
  • газовая защита для данного трансформатора не предусматривалась.

2. Исходные данные

  • Мощность трансформатора: Sном.=400 кВА;
  • Схема соединения обмоток трансформатора 10/0,4 – Δ/Yн;
  • Ток 3х фазного КЗ на шинах 10 кВ в минимальном режиме: Iк.з.min=11,47 кА;
  • Напряжение: Uном.=10 кВ;
  • Напряжение короткого замыкания для двухобмоточного тр-ра типа TS-400: Uк%=4%; (выбирается из каталожных данных Завода-изготовителя)
  • Длина линии: L=300 м;
  • Кабель – АПвЭВнг – 3х95 мм2;
  • Коэффициент трансформации трансформаторов тока nт =100/5;
  • Вторичные обмотки трансформаторов тока выполнены по схеме «полная звезда»;
  • Тип защиты – SEPAM 1000+ серии S40.
Читайте также  Как считать параллельное соединение резисторов?

3. Расчет уставок токовой отсечки (ТО)

Чтобы токовая отсечка срабатывала селективно, нужно отстраивать ее от токов КЗ за трансформатором, то есть на стороне 0,4 кВ. Также нужно обеспечить, чтобы токовая отсечка не срабатывала во время бросков токов намагничивания, которые возникают при включении под напряжение ненагруженного трансформатора, которые могут превышать в 3-5 раз номинальный ток силового трансформатора [Л2, с.8, Л3, с.41]. Однако если мы отстраиваемся от токов КЗ на стороне 0,4 кВ, то, как правило, обеспечивается несрабатывание ТО при бросках токов намагничивания.

Уставка срабатывания ТО, должна выбираться больше от тока 3-х фазного КЗ на стороне 0,4 кВ. Зона действия токовой отсечки охватывает: питающий кабель 10 кВ от ячейки 10 кВ до силового тр-ра и часть обмоток трансформатора.

Для начала мы должны рассчитать ток 3-х фазного КЗ на стороне 0,4 кВ, для этого, рассчитаем сопротивления всех элементов защищаемой линии в нашем случае – это КЛ-10 №2.

Составляем расчетную схему защищаемой линии.

Рис.2 – Расчетная схема

Исходя из расчетной схемы, составляем схему замещения.

Рис.3 – Схема замещения

Расчет ведется в именованных единицах. Активные сопротивления элементов схемы замещения не учитываются. Если длина кабеля не большая, то сопротивление для данного кабеля, можно не учитывать.

3.1 Определяем сопротивление системы:

где:
Uc=10,5 кВ — напряжение среднее (для расчета токов КЗ, принимается в соответствии с таблицей 1-1 [Л1] страница 5);

3.2 Определяем сопротивление кабеля:

Хк=1/n* Худ.*L=1/1*0,121*0,3=0,0363 Ом;

  • Худ.=0,121 Ом/км – удельное сопротивление кабеля АПвЭВнг – 3х95 мм2 (выбирается из каталожных данных Завода-изготовителя);
  • n – количество ниток в кабеле;
  • L – длина защищаемой линии, км;

Как мы видим из расчета, величина сопротивления кабеля, не значительная и можно было сопротивление кабеля не учитывать при расчете токов КЗ.

3.3 Определяем сопротивление двухобмоточного трансформатора, приведенное к ВН:

3.4 Рассчитав все сопротивления со схемы замещения, определяем суммарное сопротивление:

3.5 Определяем ток трех фазного КЗ, когда возникает повреждение за трансформатором, приведенное к ВН:

3.6 Определяем первичный ток срабатывания защиты:

где:
Kотс — коэффициент отстройки, для SEPAM равен 1,1–1,15, согласно рекомендаций Schneider Electric.

3.7 Определяем бросок тока намагничивания трансформатора:

где:
Kбр = 3-5 коэффициент броска тока намагничивания, принимается kбр=5, согласно рекомендаций Schneider Electric.

За расчетный ток принимаем наибольший ток срабатывания защиты Iс.з.1=575,37 > Iс.з.2=127,16. Принимаем – 575,37 А.

3.8 Определяем вторичный ток срабатывания реле:

  • Ксх.= 1 – когда вторичные обмотки трансформаторов тока, выполнены по схеме «полная звезда»;
  • nт =100/5 — коэффициент трансформации трансформаторов тока.

3.9 Определяем коэффициент чувствительности защиты для случая 2х фазного КЗ, для схемы трех релейного исполнения. Если же у Вас защита выполнена для двух релейной схемы, то нужно еще умножить на 0,5, соответственно чувствительность защиты уменьшится в 2 раза по сравнению со схемой трех релейного исполнения.

Как мы видим Кч, соответствует требованиям ПУЭ (раздел 3.2.21 пункт 8) должен быть > 2.

3.10 Выбираем время срабатывания токовой отсечки:

В данном случае, токовая отсечка будет срабатывать мгновенно, без выдержки времени, то есть t=0 сек.

4. Расчет уставок максимальной токовой защиты (МТЗ)

Максимальная токовая защита должна отстраиваться от максимального возможного рабочего тока, с учетом того что возможен самозапуск электродвигателей 0,4 кВ.

4.1 Определяем максимальный рабочий ток:

где:
Kз=1,1 – фактически трансформатор загружен на 55%, поэтому принимаем 1,1.

4.2 Определяем первичный ток срабатывания защиты:

  • Kн.- коэффициент надежности, для терминалов SEPAM принимается 1,1;
  • Kв.- коэффициент возврата, для терминалов SEPAM принимается 0,935;
  • Kсзп.- коэффициент самозапуска электродвигателей обобщенной нагрузки; если двигателя не оборудованы устройством самозапуска, применяется 1,2÷1,3;

4.3 Выполним отстройку от защиты ввода на стороне 0,4 кВ, при этом должно выполнятся условие:

Iс.з>Кн*Iс.з.пред=1,2*27=32,4 А

  • Ксх.= 1 берется по аналогии из расчета ТО;
  • nт =100/5;

Коэффициент чувствительности нужно проверять при наименее благоприятных условий. В данном примере для трансформатора со схемой соединения обмоток ∆/Y-11, наименее благоприятным условием является однофазное КЗ на землю на стороне 0,4 кВ.

Однофазный ток КЗ на стороне 0,4 кВ практически равен трехфазному току КЗ, Iк.з.(1)

Iк.з.НН(3), это связано с тем, что у этих трансформаторов полные сопротивления прямой и нулевой последовательности практически равны.

Формулы по определению расчетных токов в реле максимальных токовых защит на стороне 6(10) кВ при однофазных КЗ на стороне 0,4 кВ трансформаторов Y/Y-0 и ∆/Y-11 представлены в таблице 2-3 [Л3. с.165].

4.5 Ток в реле при однофазном КЗ за трансформатором определяем по формуле приведенной в таблице 2-3 [Л3. с.165]:

4.6 Определяем коэффициент чувствительности при однофазном КЗ за трансформатором по формуле 1-4 [Л1. с.19] для полной звезды с тремя реле:

Согласно ПУЭ 7-издание пункт 3.2.21 коэффициент чувствительности МТЗ должен быть > 1,5 в основной зоне защиты.

4.7 Выбираем время срабатывания МТЗ:

Чтобы МТЗ работала селективно, нужно отстраиваться от времени срабатывания предыдущих защит, в данном случае это вводной автомат на стороне 0,4 кВ, где время его срабатывания tсз.пред.= 0,3 сек.

По рекомендациям на терминалы SEPAM, применяется временная ступень селективности ∆t=0,3 сек.

В результате время срабатывания МТЗ определяется по формуле:

tср = tсз.пред.+ ∆t = 0,3+0,3 = 0,6 сек

5. Расчет уставок защиты от перегрузки

Из-за того что, фактически трансформатор загружен на 55%, перегрузка трансформатора возможна, только на 10% от номинальной мощности.

5.1 Определяем первичный ток срабатывания защиты от перегрузки:

  • Kотс – коэффициент отстройки, принимается — 1,1;
  • Kв- коэффициент возврата, для терминалов SEPAM принимается 0,935.

5.2 Определяем вторичный ток срабатывания реле:

где:
Kсх.= 1 и nт =100/5 – берутся по аналогии из предыдущих расчетов.

В связи с тем, что данная подстанция с постоянным дежурным персоналом, выполняем данную защиту с действием на сигнал, уставку по времени принимаем – 9 сек. В случае если бы подстанция была бы без постоянного персонала, разрешается выполнять данную защиту на отключение. В любом случае, данные решения, лучше согласовывать с Заказчиком.

Результаты расчетов, заносим в таблицу 1.

Наименование
присоединения
Наименование вида защиты Тип реле защиты Уставки по току, А Уставки по времени, сек
КЛ-10 кВ №2 Токовая отсечка SEPAM S40 Ic.з=575,37
Ic.р=28,77
Kч=17,26 > 2
Максимальная токовая защита Ic.з=38,8 0,6
Ic.р=1,94
Kч=7,78 > 1,5
Защита от перегрузки Ic.з=27,2 9
Ic.р=1,36

6. Расчет уставок выполненный в программе Excel

Чтобы ускорить выполнение расчета уставок релейной защиты понижающего трансформатора и не тратить много времени на выполнение расчета на листке бумаги и с помощью калькулятора, мною было принято решение, сделать данный расчет с помощью программы Excel, тем самым ускорив процесс проектирования объекта.

Надеюсь, данный расчет Вам поможет, и Вы будете меньше тратить времени на выполнение расчетов уставок релейной защиты. Если у Вас возникли вопросы, предложения по улучшению расчета или замечания, оставляйте их в комментариях.

Расчет максимальной токовой защиты

Произведем расчет МТЗ для асинхронных двигателей Н-1, Н-2, Н-3 c характеристиками P=500кВт, cos𝜑=0,86, Iном=56А.

Защита электродвигателя выполняется трёхступенчатой. Защита работает по максимальному фазному току.

Определяем первичный ток срабатывания первой ступени защиты от симметричных перегрузок:

Время срабатывания первой ступени максимальной токовой защиты принимаем tс.з =0,1 с по условию отстройки от длительности броска пускового тока АД. Это необходимо для исключения неправильно действия защиты при подпитке двигателями КЗ на шинах или присоединениях питающей сети.

Вторая ступень защиты выполняется с инверсной характеристикой и работает с действием на отключение электродвигателя. Пуск защиты выполняется при кратности тока . Первичный ток пуска второй ступени защиты составит:

Время срабатывания защиты рассчитывается БМРЗ по формуле

Третью ступень защиты выполняем с независимой характеристикой с действием на сигнализацию. Первичный ток срабатывания третьей ступени максимальной токовой защиты электродвигателя определяем по формуле:

Если двигатель не подвержен технологическим перегрузкам – время срабатывания защиты выбирается из диапазона 10÷20 с (больше, чем время пуска электродвигателя). Если двигатель подвержен перегрузкам, время выбирается большим, чем допустимое время технологической перегрузки, как правило, 10÷1800 с (также отстраивается от времени пуска электродвигателя).

Произведем расчет МТЗ для асинхронного двигателя Н1 c характеристиками P=200кВт, cos =0,86, Iном=25А.

Уставки для двигателя Н1: =189 А, tс.з =0,1,

Расчеты защиты от замыканий на землю

Для асинхронных двигателей Н-1, Н-2, Н-3 c характеристиками P=500кВт, cos =0,86, Iном=56А рассчитаем защиту от замыканий на землю.

Определяем полную мощность двигателя

Определяем значение емкостного тока двигателя.

Для АД напряжением 6 кВ:

Определяем значение емкостного тока кабельной линии

Определяем первичное значение параметра срабатывания защиты по току от ОЗЗ:

Определяем коэффициент чувствительности защиты при ОЗЗ

Определяем вторичное значение тока срабатывания защиты с учетом коэффициента трансформации трансформатора тока нулевой последовательности типа ТЗР.

По такому же принципу рассчитали защиту от замыканий на землю для асинхронного двигателя Н1 c характеристиками P=200кВт, cos =0,86, Iном=25А.

Параметры срабатывания защиты для АД Н1 и коэффициент чувствительности.

= 6,08.

=0,013 А.

Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 2

В первой части данной работы [1] были рассмотрены примеры расчета уставок токовой отсечки. Во второй части приведем пример расчета уставок дифференциальных защит.

Часть 2. Дифференциальные защиты электродвигателя

Согласно требованиям ПУЭ [2] электродвигатели мощностью 5МВт и более, имеющие выводы от начал и концов фазных обмоток, должны защищаться [1] от междуфазных замыканий с помощью дифференциальной токовой защиты.

Такой же защитой должны быть оборудованы электродвигатели мощностью менее 5 МВт, если коэффициент чувствительности ТО (см. [1]) меньше или равен 2.

Измерительный элемент D (рис. 1) определяет значение дифференциального тока Id равного геометрической сумме токов трансформаторов тока ТА1иТА2.

Читайте также  Недорогой набор для начинающих usb starter kit от microchip

При КЗ внутри защищаемой зоны К1 (внутреннее КЗ) измеряемые токи I 1 и I2 практически совпадают по фазе, поэтому дифференциальный ток Id существенно больше нуля и соизмерим с геометрической суммой этих токов (рис. 2,а).

При КЗ вне зоны К2 (внешнее КЗ) геометрическая сумма токов (дифференциальный ток Id) в идеальном случае (при отсутствии погрешностей трансформаторов тока) равна нулю (рис. 2, б).


Рис. 2 Векторные диаграммы токов при внутреннем (а) и внешнем (б) КЗ [3]

Для обеспечения правильного срабатывания защиты как при внешних, так и при внутренних КЗ в цифровых устройствах используют алгоритм (рис. 3), обеспечивающий торможение (загрубление уставки срабатывания Id уст) с увеличением сравниваемых токов.

Использование такого алгоритма обеспечивает неселективное срабатывание [2] защиты при внешних КЗ и селективное срабатывание при внутренних КЗ, а в случае правильно выбранных уставок — несрабатывание при внешних КЗ.

Данный алгоритм формирует два сигнала:

  • дифференциальный ток Id = ∑I, абсолютное значение которого равно Id = |∑I|;
  • тормозной ток Iторм, равный сумме абсолютных значений сравниваемых токов Iторм = ∑|I|.

Сравнение тормозного и дифференциальных токов происходит в блоке сравнения БС. Алгоритм торможения, примененный в блоках БМРЗ, будет подробно рассмотрен в следующей статье.

Характеристики дифференциальных токовых защит приведены на рис. 4.


Рис. 4 Характеристики ДТО и ДЗТ

Дифференциальная защита электродвигателей может быть реализована в двух- или трехфазном исполнениях.

Двухфазную дифференциальную защиту допускается выполнять при совместном применении с ней одной из защит от:

  • замыканий на землю;
  • двойных замыканий на землю, использующей трансформатор тока нулевой последовательности и токовое реле.

Во всех остальных случаях дифференциальная защита должна выполняться с тремя трансформаторами тока.

В соответствии с требованиями ПУЭ для блоков электродвигатель — трансформатор (автотрансформатор) мощностью более 2 МВт должна предусматриваться дифференциальная отсечка в двухрелейном исполнении, отстроенная от бросков тока намагничивания трансформатора.

Такой же защитой должны быть оборудованы блоки электродвигатель — трансформатор (автотрансформатор) мощностью менее 2 МВт, если коэффициент чувствительности ТО (см. [1]) меньше или равен 2 при междуфазном КЗна выводах электродвигателя.

Для блоков электродвигатель — трансформатор (автотрансформатор) должна быть предусмотрена дифференциальная токовая защита в двухрелейном исполнении с промежуточными насыщающимися трансформаторами тока.

Аналогичной защитой должны быть оборудованы блоки электродвигатель — трансформатор (автотрансформатор) мощностью менее 2 МВт, если ТО (см. [1]) не удовлетворяют требованиям чувствительности.

Согласно [1] оценка чувствительности дифференциальных защит должна производиться при помощи коэффициента чувствительности, определяемого как отношение расчетного значения дифференциального тока при металлическом КЗ в пределах защищаемой зоны к значению дифференциального тока, при котором происходит срабатывание защиты.

Отметим, что при использовании цифровых устройств релейной защиты реализация двух- и трёхфазных исполнений дифференциальных защит не представляет трудностей, так как в этих устройствах предусмотрено необходимое количество цифровых реле максимального тока для каждой фазы.

Известны два варианта выполнения дифференциальной токовой защиты электродвигателей:

  • с током срабатывания меньше номинального тока защищаемого электродвигателя;
  • с током срабатывания больше номинального тока защищаемого электродвигателя.

Первый вариант защиты применяют на объектах с постоянным обслуживающим персоналом.

При его использовании следует учитывать возможность неправильного действия защиты электродвигателя при:

  • обрыве или другой неисправности токовых цепей;
  • неисправности одного из трансформаторов тока.

Тем не менее, данный вариант защиты обеспечивает минимизацию объема повреждений в электродвигателях при внутренних междуфазных коротких замыканиях в статорной обмотке машины.

Второй вариант защиты рекомендован для применения на ответственных объектах и обеспечивает её правильную работу при:

  • обрыве и неисправности токовых цепей;
  • неисправности одного из трансформаторов тока.

Дифференциальная токовая защита с торможением (ДЗТ) является основной. Вместе с ней применяют дифференциальную токовую отсечку (ДТО), являющуюся вспомогательной по отношению к ДЗТ.

Существуют исполнения блоков серии БМРЗ-100 в которых предусмотрен только алгоритм ДТО (рис. 5), а алгоритм ДЗТ отсутствует.


Рис. 5 Алгоритм дифференциальной токовой отсечки в блоке БМРЗ

В блоке А1 такого алгоритма выявляются максимальные значения токов со стороны питания защищаемого объекта Iв, а в блоке А2 — максимальные значения токов со стороны общей точки (нейтрали) защищаемого объекта Iн.

Дифференциальный ток вычисляет блок А3 по формуле (9) [3]:

Расчет уставок максимальной токовой защиты (МТЗ).

Максимальные токовые защиты являются основным видом защит для сетей с односторонним питанием и должны устанавливаться в начале каждой линии со стороны источника питания. При таком расположении защит каждая линия имеет самостоятельную защиту, отключающую линию в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее подстанции. Принцип действия МТЗ основан на том, что при возникновении КЗ ток увеличивается и начинает превышать ток нагрузочного режима. Селективность действия при этом достигается выбором выдержек времени.Для того чтобы защита работала при КЗ и не работала в нормальных режимах необходимо определять ток срабатывания защиты

— это наименьший первичный ток, необходимый для действия защиты. При этом необходимо обеспечить несрабатывание МТЗ при максимальных токах и пусковых токов нагрузки. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

1. — пусковые органы защит не должны приходить в действие при максимальном рабочем токе нагрузки;

2. Пусковые органы защиты, пришедшие в действие при внешнем КЗ, должны вернуться в исходное состояние после его отключения и снижения до .

Токи срабатывания защиты и возврата связаны коэффициентом возврата . Значения коэффициентов возврата для реле максимального тока РТ 40 и индукционных реле серии РТ 80 приведены в описаниях их технических характеристик.

Порядок расчета и выбора уставки максимальной токовой защиты следующий:

а. Рассчитывается максимальный рабочий ток на присоединении. При этом необходимо учесть максимальный коэффициент загрузки силовых трансформаторов КТП, подключенных на линии электропередачи . Как правило, .=0,7:

б. Рассчитывается уставка МТЗ. При расчете необходимо учитывать коэффицциент самозапуска нагрузки , отражающий увеличение рабочего тока за счет одновременного пуска всех тех электродвигателей, которые затормозились при снижении напряжения во время короткого замыкания. При отсутствии в составе нагрузки электродвигателей напряжением 6 кВ и 10 кВ и при времени срабатывания МТЗ более 0,3 с можно принимать значения kсзп = 1,1 — 1,3.

— коэффициент надежности несрабатывания защиты;

— коэффициент возврата максимальных реле тока (указан в справочных данных для каждого типа реле);

— коэффициент самозапуска нагрузки.

, полученное в пункте а.

в. Полученное значение необходимо согласовать со значениями срабатывания нижестоящих защит. Для линий электропередачи, на которых установлены КТП, трансформаторы которых защищаются, как правило, высоковольтными предохранителями, необходимо согласование с защитными характеристиками плавких вставок предохранителей. Для согласования действия защит (первоначально должна срабатывать та защита, которая расположена ближе к месту короткого замыкания) необходимо построить карту селективности, о чем будет рассмотрено в п. 5.3.

г. По карте селективности окончательно выбрать значение . Выбранное значение необходимо проверить по чувствительности к минимальным токам короткого замыкания в линии, рассчитав коэффициент чувствительности:

– минимальное значение 2-фазного тока КЗ в линии («на конце линии»).

д. Определяется ток срабатывания реле:

е. Выбирается время срабатывания . Для отходящих линий 6 или 10 кВ в распределительных пунктах время срабатывания МТЗ обычно составляет величину , называемую ступенью селективности. Как правило, для защит на электромеханических реле с независимой характеристикой ступень селективности составляет 0,5 секунды, для МТЗ на микропроцессорных устройствах ступень селективности понижается до 0,3-0,4 секунд.

5.3. Построение карты селективности. Карта селективности – это совокупность времятоковых характеристик защит, построенных в одних осях.

Защитные аппараты должны быть расположены в электрической сети последовательно один за другим. Как правило, на одной карте селективности изображаются время-токовые характеристики защит двух-трех защитных аппаратов.

Карты селективности защит обычно строятся на графиках с логарифмическими шкалами. По горизонтальной оси откладывается ток (А), а по вертикальной оси – время (с).

Рисунок 7. Карта селективности

На рисунке 7 изображена карта селективности защит ЛЭП 6 кВ, на которой установлено КТП мощностью 250 кВА. Силовой трансформатор КТП защищается со стороны высшего напряжения плавкими вставками номинальным током 31,5 А (кривая а). В ячейке отходящей линии в РП установлена ячейка с защитами на базе реле РТ 40 с независимыми характеристиками срабатывания (кривая б). Уставка срабатывания токовой отсечки 1200 А, 0 с (второй вертикальный участок кривой б). Уставка срабатывания МТЗ 220 А, 0,4 с (горизонтальный участок кривой б). Кривая а построена согласно время-токовым характеристикам плавих вставок предохранителей типа ПКТ, которые представляются заводами-изготовителями и представлены в Приложении. Допустим, согласно (9) было получено значение уставки МТЗ (кривая б`). Кривая б` пересекает кривую а, следовательно, при некоторых значениях тока плавкая вставка может сработать (перегореть) позже, чем сработает МТЗ отходящей линии – вышестоящая защита. Поэтом окончательно принимается уставка МТЗ, изображенная на кривой б. Выбранная уставка затем проверяется по чувствительности к минимальным токам КЗ «на конце» линии, и если коэффициент чувствительности больше 1,5, уставка кривой б принимается окончательно. Если коэффициент чувствительности меньше 1,5, необходимо принять дополнительные меры для обеспечения селективности и чувствительности защиты:

Если возможно, выбрать предохранители с меньшим током срабатывания, применить реле, обладающие зависимыми характеристиками (например, реле серии РС-80).

Построить карту селективности можно несколькими способами:

Вручную по точкам, используя стандартный графический редактор (Автокад, Визио, Компас),

Этот метод очень трудозатратен и неудобен, но позволяет отобразить всю необходимую информацию.

При помощи MS Excel (или MathCad), задавая характеристику в виде таблицы данных (ток-время). При использовании данного способа возникают проблемы с построением некоторых элементов, например, вертикальных меток для обозначения токов короткого замыкания.

При помощи специализированных программ, например, Гридис-КС (перейти по ссылке https://pro-rza.ru/raschety-ustavok-rza/postroenie-karty-selektivnosti-pri-pomoshhi-programmy-gridis-ks/).

Рассмотрим построение карты селективности при помощи программы КСТЗ (Карта Селективности Токовых Защит, MS Excel 2007, 130kB. Данная программа распространяется бесплатно в свободном доступе или ее можно получить у преподавателя. Файл MS Excel состоит из нескольких листов. В листе «Данные» находим таблицу :