Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты

Опубликовано: 7 сентября 2011 г. в 10:31, 6281 просмотр7 комментариев

Параметры срабатывания любого устройства релейной защиты должны отвечать требованиям, изложенным ПУЭ [1] (см. главы 3.2, 5.3).

Для правильного выбора уставок срабатывания в руководствах по эксплуатации цифровых устройств релейной защиты, выпускаемых НТЦ «Механотроника», традиционно приводились методики их расчета только для наиболее сложных алгоритмов защиты.

В связи со значительным увеличением количества выпускаемых цифровых устройств и выдвижением новых требований организациями, проводящими аттестацию цифровых устройств для применения их на объектах ОАО «ФСК ЕЭС», в эксплуатационную документацию были введены методики расчета уставок для всех алгоритмов защиты, предусмотренных в цифровых устройствах производства НТЦ «Механотроника».

Для этого предприятие разработало методические указания по расчетам уставок, которые полностью учитывают:

  • требования и рекомендации, изложенные в ПУЭ;
  • особенности алгоритмов защиты, используемых в цифровых блоках серий БМРЗ и БМРЗ-100.

Разработка методических указаний была выполнена специалистами НТЦ «Механотроника» при участии к.т.н. Соловьёва А.Л., заведующего кафедрой релейной защиты и автоматики электрических станций, сетей и систем Петербургского Энергетического института повышения квалификации.

Настоящая публикация открывает серию статей в которых приведены методики расчета уставок, иллюстрированные практическими примерами.

Расчёт уставок токовой отсечки для электродвигателей

Согласно ПУЭ [1] однорелейная токовая отсечка [1], защищающая от многофазных замыканий, в обязательном порядке должна быть предусмотрена для электродвигателей мощностью менее 2 МВт.

В тех случаях, когда однорелейная токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, то для защиты электродвигателей мощностью менее 2 МВт можно использовать двухрелейную токовую отсечку.

Сразу необходимо отметить, что однорелейная токовая отсечка, в которой использован сигнал, получаемый как разность токов двух фаз, имеет в раз худшую чувствительность, чем двухрелейная схема с двумя трансформаторами тока [2].

ПУЭ рекомендует применять двухрелейную токовую отсечку для защиты электродвигателей мощностью 2 МВт и более, имеющих защиту от однофазных замыканий на землю, действующую на отключение.

Если же защита от однофазных замыканий на землю отсутствует, то для электродвигателей мощностью 2 МВт и более следует применять трехрелейную токовую отсечку с тремя трансформаторами тока.

ПУЭ допускает применять двухрелейную токовую отсечку для защиты электродвигателей мощностью 2 МВт и более, не имеющих защиты от однофазных замыканий на землю. Однако в этом случае необходимо дополнительно предусмотреть защиту от двойных замыканий на землю.

Наиболее просто и полно все требования, изложенные в ПУЭ, реализуются при использовании серийно выпускаемых устройств БМРЗ и БМРЗ-100 предназначенных для защиты синхронных и асинхронных электродвигателей. В ряде исключительных случаев для этих же целей возможно применить устройства БМРЗ и БМРЗ-100 для защиты кабельных и воздушных линий.

Для защиты асинхронных и синхронных электродвигателей используется первая ступень алгоритма максимальной токовой защиты МТЗ с нулевой выдержкой времени.

Упрощенная функциональная схема этого алгоритма приведена на рис. 1.


Рис. 1 Схема алгоритма максимальной токовой защиты
(ТО — первая ступень МТЗ) по [4]

При превышении любым из фазных токов IA, IB, IC уставки соответствующего компаратора 1-3 возникает сигнал «Пуск I>» [2] и при отсутствии блокирующих сигналов начинает отсчет времени элемент выдержки времени 5.

При использовании первой ступени МТЗ в качестве токовой отсечки ТО выдержка времени устанавливается равной нулю. Поэтому сигнал «Откл. I >» на выходе алгоритма появляется после сигнала «Пуск I>» без временной задержки.

Блокирование срабатывания любой ступени МТЗ выполняется элементом 4 как внешним сигналом, так и в цикле АПВ. Сигнал блокирования поступает на элемент 13.

В связи с тем, что в данном алгоритме устанавливается нулевое значение выдержки времени, то необходимость ускорения срабатывания алгоритма (при ручном включении выключателя или в цикле АПВ) отсутствует

В устройствах серий БМРЗ и БМРЗ-100 предусмотрено необходимое количество цифровых реле максимального тока для каждой фазы, поэтому применение предусмотренной в ПУЭ отсечки в виде однорелейной схемы на наш взгляд так же нецелесообразно.

Рассмотрение методики расчета уставок для ТО сопровождается практическими примерами, в которых используется асинхронный двухскоростной двигатель АДО-1600/1000-10/12 с прямым пуском на 1-й скорости.

Исходные данные для расчета

  • Мощность на валу двигателя для 1-ой скорости:
  • Мощность на валу двигателя для 2-ой скорости:
  • Коэффициент мощности для 1-ой скорости:
  • Коэффициент мощности для 2-ой скорости:
  • Номинальное напряжение:
  • КПД для 1-ой скорости:
  • КПД для 2-ой скорости:
  • Кратность пускового тока для 1-ой скорости:
  • Кратность пускового тока для 2-ой скорости:
  • Значение тока трехфазного КЗ на вводах питания электродвигателя:

Двигатель участвует в процессе самозапуска, который может осуществляться как на 1-ой, так и на 2-ой скорости.

Максимальное сопротивление токовых цепей со стороны питания электродвигателя (проектное значение) — не более 0,5 Ом.

Для расчета уставок токовой отсечки необходимо знать номинальный ток электродвигателя. Если значение этой характеристики не приведено в документации двигателя, определить его можно по формуле (1):

А
(1)

где — номинальная мощность электродвигателя, кВт; — номинальное линейное действующее напряжение двигателя, кВ; — номинальный к.п.д. электродвигателя; - номинальный коэффициент мощности электродвигателя.

Пример

1.1 Значение номинального тока для выбранного нами электродвигателя при работе на 1-й скорости согласно формуле (1) будет равно:

А
(1.1)

1.2 Номинальный ток выбранного нами электродвигателя при работе на 2-ой скорости определим также по формуле (1):

А
(1.2)

По номинальному току электродвигателя необходимо выбрать трансформаторы тока (сигнал с их вторичных обмоток поступает на токовые входы IA, IB, IC цифрового устройства, показанные на рис. 1) с таким коэффициентом трансформации, чтобы при номинальном токе электродвигателя вторичный ток не превышал 5 А. Рекомендуемый диапазон изменения вторичного тока от 1 до 4 А.

Пример

1.3 Для найденного по соотношению (1.1) значения тока (197, 3 А) предварительно выбираем трансформаторы тока ТЛМ10-5-82 с сердечником типа Р и коэффициентом трансформации kтр = 200/5.

При кратности тока до 17 и максимальном сопротивлении токовых цепей не более 0,5 Ом трансформаторы тока этого типа имеют погрешность не более 10% [3]. Указанная кратность тока соответствует току в первичной обмотке 3400 А (17×200 А).

Для оценки пригодности выбранного трансформатора тока по погрешности, соответствующей предельной кратности тока необходимо определить максимальные броски пускового тока электродвигателя (рис. 2)


Рис. 2 Пример пусковой характеристики электродвигателя

Принято считать, что процесс пуска электродвигателя завершен, когда пусковой ток станет меньше 1,25 Iном. дв..

Значение максимального пускового тока при прямом пуске электродвигателя с учетом апериодической составляющей находят по формуле (2):

А
(2)

где — коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую пускового тока машины, принимается 1,8; — кратность пускового тока машины (как правило, 3 ÷ 8).

Пример

1.4. При самозапуске электродвигателя на 1-й скорости

максимальный бросок пускового тока согласно формуле (2) составит:


(2-1)

1.5 Максимальный бросок тока самозапуска электродвигателя при его работе на 2-й скорости составит:


(2-2)

Уставку срабатывания ТО I>>> выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение (3):


(3)

Пример

1.6 Используя соотношение (3) выбираем уставки срабатывания алгоритма ТО для первой и второй скоростей одинаковыми и равными .

При расчете уставок для двигателей с реакторным пуском максимальный бросок пускового тока двигателя при реакторном пуске определяют по формуле (4):

А
(4)

где - индуктивное сопротивление сети; - индуктивное сопротивление реактора.

Значение полного пускового сопротивления двигателя, входящее в формулу (4) находят по соотношению (5)

Ом
(5)

Обоснование этой формулы можно найти в работе [5] на стр. 22. Полученное таким образом значение используют в соотношении (3).

Для двигателя, работающего в режиме самозапуска, значение тока полученное по формулам (2) или (4) необходимо увеличить в 1,3 — 1,4 раза, так как в этом режиме напряжение на двигателе может достигать 1,3- 1,4 номинального значения.

Выбранный ранее трансформатор тока (см. п. 1.3 Примера) проверяем на соблюдение требования, установленного в п.п. в п. 3.2.29 ПУЭ [1]

(1,1I>>>) < (кТ х I ном)
(6)

  • Где кТ — кратность тока КЗ при допустимой погрешности 10% .
  • ном — номинальный первичный ток трансформатора тока.
Пример

1.7 Вычисляем

(1,1 I >>>1 = 1,1×3350 = 3685) > (17×200 = 3400)
(6-1)

Из соотношения (6-1) видно, что требование (6) при применении данного трансформатора тока не выполняется.

В связи с тем, что погрешность выбранного ранее трансформатора тока с коэффициентом трансформации kрт = 200/5 превышает 10% при токе двигателя, превышающем уставку срабатывания на 10% (),выбираем трансформаторы тока этого же типа, но с коэффициентом трансформации 300/5.

Проверим выполнения требования (6) для такого трансформатора.

Пример

1.8 Находим

< 5100 = (17×300) А
(6-2)

Как видно из соотношения (6-2) при той же допустимой кратности тока 17 погрешность трансформаторов тока не будет превышать 10% даже при токе, равном 5100 А (17Х300А) и максимальном сопротивлении токовых цепей не более 0,5 Ом

Убедившись в том. что выбранные трансформаторы тока соответствует требованиям, изложенным в ПУЭ, продолжим дальнейшие расчеты.

Значение тока двухфазного КЗ на вводах питания электродвигателя определяем по формуле (7):

А,
(7)

где - значение тока трехфазного КЗ на вводах питания электродвигателя (см. выше исходные данные для расчета).

Пример

1.9 Расчетный ток двухфазного КЗ на вводах питания электродвигателя составит:


(7-1)

Коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ находим по формуле (8):


(8)

Данный коэффициент чувствительности представляет собой отношение расчетного значения фазного тока при металлическом КЗ в пределах защищаемой зоны к фазному току, соответствующему срабатыванию защиты.

Пример

1.10 Коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ находим по соотношению (8):


(8-1)

1.11 Поскольку коэффициент чувствительности ТО оказался больше 2, нет необходимости применять дополнительно дифференциальную защиту для защиты данного двигателя от междуфазных КЗ.

Алгоритм защита от междуфазных КЗ работает без выдержки времени, как и ТО.

В заключение отметим, что при расчете уставок для синхронного двигателя следует учитывать, что машина запускается в асинхронном режиме, поэтому значение броска пускового тока находят аналогично тому, как это было сделано в приведенных примерах.

Отстройка ТО выполняется от двух параметров:

  • броска апериодической составляющей пускового тока;
  • тока несинхронного включения двигателя.

Литература

  1. Правила устройства электроустановок. М.: Госэнергонадзор России, 1998 год, 608 с.
  2. Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ. СПб: ПЭИПК, 2010
  3. Королев Е.П., Либерзон Э.М. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. — М.:«Энергия», 1980/
  4. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007, 549 с.
  5. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М.:Энергоатомиздат, 1987

[1] Существует мнение, что этот термин возник потому, что алгоритм токовой отсечки обеспечивает защиту только части объекта, его отсека (см. www.rza001.narod.ru).

[2] По традиции в цифровых устройствах, выпускаемых НТЦ «Механотроника» характеристики первой, второй и третьей ступеней обозначают так: I>>> (первая ступень), I>> (вторая ступень), I> (третья ступень)

Гондуров С.А., Михалев С.В.,
Пирогов М.Г., Захаров О.Г.
НТЦ «Механотроника», С-Петербург

Рекомендуем почитать

Комментарии7 комментариев

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.