Микропроцессорные защиты

Сегодня интегрированные микропроцессорные автоматические устройства противоаварийного управления системами электроснабжения промышленных предприятий выполняют не только функции защитного отключения, но и функции автоматики: автоматической частотной разгрузки (АЧР), автоматики повторного (АПВ) и резервного (АВР) включений. Они являются интеллектуальными информационными техническими средствами автоматического управления, обладающими свойствами изменения настроек в соответствии с аварийными ситуациями, самотестирования и самодиагностики и даже самосовершенствования благодаря гибкому программированию.

Можно выделить ряд особенностей, которыми обладают микропроцессорные устройства: цифровые устройства компактны, имеют унифицированное исполнение с типовым программным обеспечением, позволяют создавать единую сеть из нескольких цифровых защит, удобны в использовании.

Отличительной особенностью микропроцессорных систем (МПС) от электромеханических систем РЗиА является также возможность анализа не только основных параметров сети (величины тока, напряжения, частоты), но и целого ряда дополнительных параметров (причина отключения, время и дата отключения, ток и длительность аварийной ситуации, возможность построения векторных диаграмм напряжений и токов в линии в момент отключения), что позволяет их использовать при построении автоматизированных систем диспетчерского управления электроэнергетическими комплексами.

Однако их использование имеет и свои недостатки: очень высокая чувствительность, которая может стать причиной ложных срабатываний, не способность выдерживать сильные нагрузки, требуется обновления программного продукта, который устаревает гораздо быстрее, чем микропроцессорная техника.

Расчёт релейной защиты заключается в выборе рабочих параметров срабатывания, как отдельных реле, так и многофункциональных устройств МПС РЗиА. Выбор уставок РЗиА предлагаем производить в расчёте на самый тяжёлый аварийный режим работы системы электроснабжения, с учётом того, что неселективное действие РЗиА может привести к нарушению оставшихся в работе участков системы электроснабжения.

Для выполнения расчёта уставок РЗиА прежде всего необходимы полные и достоверные исходные данные, к которым относятся:

- первичная схема защищаемой сети и режимы её работы (с указанием, нормальных и ремонтных режимов);

- сопротивление и ЭДС (напряжения) питающей системы для максимального и минимального режимов её работы или мощности короткого замыкания (КЗ);

- режимы заземления нейтралей силовых трансформаторов;

- параметры силовых структурных элементов СЭС;

- паспортные данные электроприёмников (особенно электродвигателей);

- типы выключателей;

- типы и параметры измерительных трансформаторов тока и трансформаторов напряжения, с указанием мест их установки в схеме сети;

- типы, принципиальные схемы и уставки существующих РЗиА, в т.ч. и на смежных питающих и отходящих участках.

Так как конечная задача любых устройств РЗиА выдать сигнал на отключение при аварийной ситуации в сети, то алгоритмы работы устройств защиты на разной элементной базе одинаковы, отличаются только способы их реализации, что отражается, в конечном счете, на некоторых особенностях при выборе уставок защит.

Рассмотрим обобщенный подход к выбору уставок типовых токовых защит реализуемых на микропроцессорных устройствах серий − REF, SPAC, SPAM , MICOM, SEPAM.

Одной из основных релейных защит реализуемых в сетях 6-10 кВ является максимальная токовая защита (МТЗ) воздушных линий электропередачи (ЛЭП). Настройку МТЗ будем производить по двум параметрам: по току и времени срабатывания. Выбор тока срабатывания защиты предлагается выполнять исходя из максимального тока нагрузки на ЛЭП, с учётом согласования защит предыдущего и последующего элементов, при соблюдении необходимого уровня чувствительности в случае КЗ в конце защищаемого элемента.

Ток срабатывания МТЗ рассчитываем по формуле:

где kн − коэффициент надёжности (1,2 − для реле MICOM; 1,1 − для реле SEPAM, SPAC, SPAM; 1,3 − для реле REF); kсзп − коэффициент самозапуска двигательной нагрузки (2 2,5 − для реле MICOM; 1,1¸1,3 для реле SEPAM, REF, SPAC, SPAM); Iраб.макс. − максимальный рабочий ток линии, А; kв. − коэффициент возврата защиты: 0,935.

Для расчёта тока срабатывания защиты необходимо знать максимальный ток нагрузки на линии. Так как часто такие данные отсутствуют, ток нагрузки выбираем приближённо по сумме всех номинальных токов потребителей с учётом коэффициента загрузки kзагр=1,4. Если линия электропередач питает нефтепромысловую нагрузку, состоящую из трансформаторных подстанций (ТП) 6/0,4 кВ, то расчёт предлагаем проводить по формуле:

где − суммарная номинальная мощность всех ТП, кВА; Uтр – номинальное напряжение ТП, кВ.

Согласование защит по чувствительности производим таким образом, чтобы она не срабатывала, если не работает последующая:

где k_н.с − коэффициент надежности согласования, значение которого зависит от типа токовых реле и принимаются от 1,1 при согласовании микропроцессорных защит между собой и с реле РТ-40 и до 1,3 ¸ 1,4 при согласовании микропроцессорных защит с реле типа РТВ; k_р − коэффициент токораспределения, который учитывается только при наличии нескольких источников питания, при одном источнике питания равен 1; − наибольшая из геометрических сумм токов срабатывания максимальных токовых защит параллельно работающих предыдущих элементов n; − геометрическая сумма максимальных значений рабочих токов всех предыдущих элементов (N), за исключением тех, с защитами которых производится согласование (n). При примерно однородной нагрузке допустимо арифметическое сложение вместо геометрического, что создаст некоторый расчётный запас.

Произведя расчёт тока срабатывания МТЗ необходимо проверить чувствительности защиты. «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют для токовых защит коэффициент чувствительности 1,5 при коротких замыканиях на защищаемом оборудовании, и 1,2 в зоне резервирования. Коэффициент чувствительности определяется по выражению:

где – ток двухфазного КЗ в минимальном режиме, который может быть определен по току трехфазного КЗ, А.

После расчета тока срабатывания МТЗ производим отстройку защиты по времени срабатывания. Выдержка времени защиты последующей линии выбирается большей, чем у защит предыдущих элементов, чтобы обеспечить селективное отключение ближайшего к месту КЗ участка сети:

t_{с.з.посл} = t_{с.з.пред} + Dt

где Dt - ступень селективности или ступень времени, которая выбирается по выражению:

Dt = t_откл + t_возвр + t_погр1 + t_погр2 + t_зап ,

где t_откл – время отключения выключателя (при отсутствии паспортных данных принимают tоткл=0,06 с); t_возвр – время возврата защиты 0,05 c; t_погр1 – погрешность срабатывания по времени для предыдущей защиты, t_погр2 – погрешность срабатывания по времени для последующей защиты; t_зап – время запаса надежности срабатывания реле (t_зап=0,1 с). Погрешность срабатывания цифровых реле по времени не превышает 2 % от значения уставки.

С учетом вышеизложенного рекомендуется выбирать ступень селективности по времени срабатывания для микропроцессорных реле 0,2÷0,4 с при согласовании МПС между собой и с электромеханическими реле.

Другим видом токовых защит устанавливаемых на ЛЭП является токовая отсечка (ТО) без выдержки времени. Выбор уставки ТО производим исходя из расчетных токов КЗ на наиболее удаленных от защиты присоединениях: линиях, трансформаторах, двигателях.

Уставка ТО выбирается исходя из условия:

I_с.о ³ k_н ×

где k_н − коэффициент надёжности (1,2 − для реле REF, для других микропроцессорных реле он может быть снижен до 1,1).

При расчете токовой отсечки ЛЭП, по которой питается несколько трансформаторов, чтобы обеспечить несрабатывание ТО при КЗ за каждым из трансформаторов нужно дополнительно проверить надёжность несрабатывания ТО от суммарного значения броска тока намагничивания всех трансформаторов, подключённых защищаемой ЛЭП. Условие отстройки ТО от бросков тока намагничивания трансформаторов имеет вид:

I_с.о ³(3÷4)×SI_ном.тр

где SI_ном.тр – сумма номинальных токов всех трансформаторов, которые могут одновременно включаться под напряжение по защищаемой линии.

Помимо основных токовых защит ЛЭП микропроцессорные устройства РЗиА могут реализовывать функции защиты двух-трех обмоточных трансформаторов. Одним из видов таких защит является токовая защита трансформатора от перегруза.

Ток срабатывания защиты от перегрузки определяется по зависимости:

где k_отс – коэффициент отстройки, принимаем равным 1,05; I_ном.тр – номинальный ток стороны трансформатора, где установлена защита, с учетом регулирования на данной стороне, А; k_в – коэффициент возврата устройства, принимаем равным 0,95.

Время срабатывания защиты от перегрузки во избежание ложных срабатываний должно превышать время работы защиты и время восстановления нормального режима при действии противоаварийной автоматики. Общепринятая для энергопредприятий выдержка времени t=9 сек.

Расчёт уставок токовых защит не заканчивается на выборе тока срабатывания защиты, для настройки электромеханического реле производится расчет тока срабатывания реле, который по сути и является уставкой. У микропроцессорных защит имеется своя особенность расчета уставки, которая будет выставлена на микропроцессорном терминале.

Для цифровых терминалов SEPAM, MICOM, SPAC, SPAM, REF уставки рассчитываются и задаются в первичных величинах или в процентах от номинальных значений (в зависимости от типа применяемых защит) с учетом номинального первичного тока трансформаторов тока Уставка, которую необходимо выполнить на реле:

где I – уставка по току задаваемая на реле; I_н.ТА - номинальный первичный ток трансформатора тока, А; I_с.з – рассчитанный ток срабатывания защиты, А.

Рассмотрим теперь методику выбора уставок микропроцессорных защит электродвигателей напряжением выше 1000 В. У МПС разных производителей существуют свои особенности по отстройке защит электродвигателей, которые и рассмотрим далее.

Одной из основных защит электродвигателей является токовая отсечка. Для реле MICOM отстройка ТО ведется из условия что в момент включения двигателя появляется бросок тока намагничивания, в 1,4÷1,7 раза превышающий по амплитуде установившийся пусковой ток двигателя, этот бросок учитывается повышенным коэффициентом надежности при отстройке защиты, по расчетной формуле:

где I_с.о - первичный ток срабатывания отсечки, А; k_н - коэффициент надежности, с учетом отстройки от броска тока намагничивания равен 1,8; I_ном.дв – номинальный ток двигателя, А; k_пуск – кратность пускового тока может быть взята из паспортных данных двигателя.

Для реле серии SPAM в целях повышения чувствительности ток срабатывания защиты выбирается 0,85÷0,9 от величины пускового тока двигателя по формуле:

От начального броска тока в момент пуска защита отстраивается путем автоматического удвоения уставки на время пуска, по окончании которого заданная уставка восстанавливается.

Выдержка времени ТО для защиты двигателей на микропроцессорных реле любых производителей задается минимально возможной.

Другим видом защит электродвигателей является защита от перегрузки, которая в зависимости от функций заложенных в микропроцессорное реле может действовать или в совокупности с защитой от перегрева или как отдельная защита.

Например, на реле серии SPAM, защиты от перегрева и перегрузки разделены. Поэтому рассматриваемая защита от перегрузки используется только как резервная к защите от перегрева двигателя. Уставка защиты рассчитывается по формуле:

Выдержка времени t выбирается близкой к максимально допустимому времени пуска t_п.max.

У микропроцессорных реле MICOM защиты от перегрузки и перегрева объединены. Микропроцессорное устройство создает тепловую модель двигателя по составляющим прямой и обратной последовательности тока, потребляемого двигателем, учитывая тепловое воздействие в статоре и роторе. Результирующий эквивалентный тепловой ток I_экв, отображает повышение температуры, вызванное током двигателя. Ток срабатывания пускового органа тепловой перегрузки рассчитывается по формуле:

Уставки по времени выбираются так чтобы учесть возможные режимы работы двигателя − тепловая постоянная времени Т_е1 применяется при <I_экв< , когда двигатель работает в режиме перегрузки; постоянная времени Т_е2 применяется при I_экв> , когда двигатель запускается или при заклинивании ротора.

Для цифровых терминалов защит двигателей MICOM, SPAC, SPAM уставки рассчитываются и задаются в первичных величинах или в процентах от номинальных значений, расчет уставок производится по аналогии с токовыми защитами с учетом номинального первичного тока трансформаторов тока.

Рассмотренные выше вопросы обобщения опыта расчёта уставок микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики, могут быть применены при выборе настроечных параметров микропроцессорных терминалов для сетей 6−10 кВ, которые выпускаются отечественными и зарубежными фирмами-производителями (НТЦ «Механотроника» − серия БМРЗ, «ABB Реле-Чебоксары» − серия SPAC 800; «Siemens» − серия SIPROTEC; «Alstom» − серия MICOM P1xx; «Schneider Electric» − серия Sepam).

На рисунке 2.24 приведена структурная схема Sepam серии 40 с дополнительными модулями.

Рисунок 2.24 – Структурная схема Sepam серии 40 с дополнительными модулями:

1 – Базовый блок с различным интерфейсом; 2 – Выносной графический дисплей; 3 – Модуль входов/выходов на 10 входов и 4 выхода; 4 – Порт связи Modbus; 5 – Модуль температурных датчиков; 6 – Модуль аналогового выхода; 7 – Программное обеспечение

Рисунок 2.25 – Схема соединений Sepam серии 40.

Существует семь типов Sepam серии 40: S40, S41, S42 – защита вводных и отходящих линий подстанций; T40, T42 – защита трансформатора; М41 – защита двигателя; G40 – защита генератора. Виды защит представлены в таблице 2.22.