Релейная защита в распределительных электрических Б90 сетях

Требуется рассчитать и согласовать релейную защиту системы электроснабжения, схема которой представлена на рис. 4.1. Защиту линии W3 выполнить на электромеханической базе (реле РТ-40; независимая времятоковая характеристика МТЗ); линии W2 — на базе устройства «СИРИУС-2-Л» (независимая времятоковая характеристика МТЗ); линии W1 — также на основе устройства «СИРИУС-2-Л». Оценить эффективность МТЗ с различными времятоковыми характеристиками.

4.1. Исходные данные

Параметры энергосистемы:

Максимальные рабочие токи линий:

I_{MAX РАБ W1} = 330 A; I_{MAX РАБ W2} = 265 A; I_{MAX РАБ W3} = 210 A.

Время действия собственных защит нагрузок:

t_{СЗ Н1} = 0,6 c; t_{СЗ Н2} = 0,9 c; t_{СЗ Н3} = 1,1 c; t_{СЗ Н4} = 0,8 c.

Коэффициенты трансформации ТТ: k_TT = 500/5.

4.2. Расчет защиты линии W3

Токи трехфазного и двухфазного КЗ на линии W3 (функции от l):

Ток срабатывания отсечки линии W3:

Ток срабатывания реле:

Принятое значение тока срабатывания реле (уставка): I_УCT = 12 А.

Уточненное значение тока срабатывания отсечки линии W3:

Эффективность токовой отсечки линии W3 оценивается графически по длине зоны действия (рис. 4.2). Длина минимальной зоны действия токовой отсечки W3 (в процентах от длины всей линии):

Ток срабатывания МТЗ линии W3:

Ток срабатывания реле:

Принятое значение тока срабатывания реле (уставка): I_УСТ = 3,6 А.

Уточненное значение тока срабатывания отсечки линии W3:

Проверка чувствительности МТЗ линии W3:

Время срабатывания МТЗ линии W3:

t_{MTЗ W3} = t_{СЗ H4} + Δt = 0,8 + 0,5 = 1,3 с.

Токовые характеристики двухступенчатой защиты линии W3 представлены на рис. 4.3.

4.3. Расчет защиты линии W2

Токи трехфазного и двухфазного КЗ на линии W2 (функции от l):

Ток срабатывания отсечки линии W2:

Уставка по току (МТЗ-1) для устройства «СИРИУС-2-Л» (не требует уточнения):

Длина минимальной зоны действия токовой отсечки линии W2 определяется графическим путем (рис. 4.4):

Ток срабатывания МТЗ линии W2:

Уставка по току (МТЗ-3) для устройства «СИРИУС-2-Л»:

Проверка чувствительности МТЗ линии W2 в режимах основного и резервного действия:

Время срабатывания MT3 линии W2:

t_{МТЗ W2} = max (t_{МТЗ W3}; t_{CЗ H3}) + Δt = max (1,3; 1,1) + Δt = 1,3 + 0,4 = 1,7 c.

Mожно (но не обязательно) ввести дополнительную ступень защиты — токовую отсечку с выдержкой времени. Ток срабатывания этой отсечки:

I_{HO W2} = k_З × I_{TO W1} = 1,1 × 1200 = 1320,0 A.

Уставка по току (MT3-2) для устройства «СИРИУС-2-Л»:

Время срабатывания неселективной отсечки линии W2:

t_{HO W2} = t_{TO W2} + Δt_MIN = 0,1 + 0,4 = 0,5 с.

Токовые характеристики трехступенчатой защиты линии W2 представлены на рис. 4.5.

4.4. Расчет защиты линии W1

Токи трехфазного и двухфазного КЗ на линии W1 (функции от l):

Ток срабатывания отсечки линии W1:

Уставка по току (МТЗ-1) для устройства «СИРИУС-2-Л»:

Длина зоны действия токовой отсечки линии W1 определяется графическим методом (рис. 4.6):

Ток срабатывания МТЗ линии W1:

Уставка по току (МТЗ-3) для устройства «СИРИУС-2-Л»:

Проверка чувствительности МТЗ линии W1:

Ступень МТЗ-З устройства «СИРИУС-2-Л» может обладать независимой или одной из нескольких разновидностей зависимых времятоковых характеристик. Вне зависимости от принятого типа времятоковой характеристики уставки по току, как правило, остаются одними и теми же. Следовательно, токовые характеристики во всех случаях будут выглядеть одинаково (рис. 4.7, верхний график). Временные характеристики всех защит при независимом типе времятоковой характеристики МТЗ-З линии W1 приведены на рис. 4.7 (нижний график), а карта селективности — на рис. 4.8.

При внимательном изучении карты селективности (а также временных характеристик) становится понятно, что при всей простоте реализации защита с независимыми времятоковыми характеристиками во многих случаях имеет излишний запас по времени срабатывания по отношению к защите удаленного объекта. Например, если при КЗ ток принимает значение в интервале (I_{TO W2}; I_{TO W1}), то при отказе отсечки линии W2 (со временем действия ≈ 0,1 с) в режиме резервного действия сработает MT3 линии W1 со временем действия 2,1 с.

С таким же временем будет действовать эта MT3 при КЗ в конце линии W1. Уменьшить запас по времени срабатывания и повысить тем самым эффективность действия системы защиты в целом можно только путем использования защит, обладающих правильно подобранной зависимой характеристикой времени срабатывания.

Устройство «СИРИУС-2-Л» позволяет выбрать при реализации MT3 одну из пяти зависимых времятоковых характеристик (рис. 4.9).

Следует помнить, что Т_УСТ, входящее в описывающие эти характеристики выражения (см. формулы на соответствующих графиках рис. 4.9), необходимо определять расчетным путем или графически, поскольку время действия МТЗ теперь величина не постоянная, а зависящая от тока КЗ. Например, если в качестве Т_УСТ принять рассчитанное ранее время действия МТЗ линии W1, то реальное время действия этой защиты оказывается недопустимо большим. На рис. 4.10 показана карта селективности при использовании нормально инверсной характеристики (Т_УСТ = Т_{МТЗ 1} = 2,1 с), а на рис. 4.11 — временные характеристики защит при тех же параметрах срабатывания.

При использовании нормально инверсной времятоковой характеристики требуемой минимально возможной ступени селективности удается достичь при Т_УСТ = 0,315 с (рис. 4.12 — карта селективности; рис. 4.13 — временные характеристики защит). Экспериментальное сравнение защит с различными характеристиками показывает, что еще меньший запас по времени при сохранении взаимного резервирования обеспечивает защита с сильно инверсной характеристикой времени срабатывания при Т_УСТ = 0,285 с (рис. 4.14 и рис. 4.15).

Однако еще меньшего времени действия защит удается достичь, если временные характеристики МТЗ отстраивать не друг от друга, а от характеристик тех защит, которые, обладая достаточной зоной действия, срабатывают быстрее ввиду меньшей выдержки времени. Этот подход иллюстрируется рис. 4.16 (ср. с рис. 4.14) и рис. 4.17 (ср. с рис. 4.15). Здесь на линии W2, к примеру, МТЗ выполняет только резервные функции; защита линии полностью обеспечивается первыми двумя ступенями. Следовательно, от них и необходимо отстраивать МТЗ линии W1. Это позволяет принять Т_УСТ еще меньшим (Т_УСТ = 0,205 с; характеристика сильно инверсная).

Данный подход оказывается справедлив, если считать надежность отдельных защит достаточно высокой, так как в случае отказа какой-либо ступени селективность действия оказывается нарушенной.

При высоких требованиях к селективности можно, напротив, настроить защиты таким образом, чтобы не допускать неизбирательного действия защит при большинстве возможных вариантов их отказов. Однако в этом случае время действия защит оказывается завышенным, а использование зависимых времятоковых характеристик — нецелесообразным (рис. 4.18 и 4.19).

Упрощенная принципиальная электрическая схема подключения терминала «СИРИУС-2-Л» приведена на рис. 4.20.

Рис. 4.9. Зависимые времятоковые характеристики устройства «СИРИУС-2-Л»:

а — нормально инверсная

б — сильно инверсная;

в — чрезвычайно инверсная;

г — крутая (аналог РТВ-1);

д — пологая (аналог РТ-80, РТВ-IV)