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% .
- I 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
- Правила устройства электроустановок. М.: Госэнергонадзор России, 1998 год, 608 с.
- Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ. СПб: ПЭИПК, 2010
- Королев Е.П., Либерзон Э.М. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. — М.:«Энергия», 1980/
- Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007, 549 с.
- 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