17.2. Расчет уставок защит электрической сети напряжением 10 кВ

На воздушных и кабельных линиях электропередачи в сетях напряжением 6–10 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или высокоомный резистор, должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от много­фазных КЗ и от однофазных замыканий на землю [1, п.3.2.91]. Защита от однофазных замыканий на землю рассмотрена отдельно – в следующем разделе 18. Здесь будет рассмотрена защита от многофазных коротких замыканий.

На одиночных линиях с односторонним питанием от многофазных КЗ должна устанавливаться, как правило, двухступенчатая токовая защита. Первая ступень может быть выполнена в виде селективной защиты (максимальной токовой защиты) с независимой или зависимой от тока выдержкой времени, вторая ступень – в виде токовой отсечки без выдержки времени (мгновенная токовая отсечка) [1, п.3.2.93].

17.2.1. Защита радиальной линии, питающей одну тп

Организация защиты. На рис.17.3,а, б показаны схемы питания двухтрансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 кВ по радиальным линиям в первом случае с глухим присоединением трансформаторов к питающим линиям, во втором – с помощью вакуумных выключателей. В первом случае одно устройство защиты типа S20 защищает одновременно линию КЛ1 и трансформатор Т1. Во втором случае устанавливаются два устройства защиты: одно типа S20 для защиты линии, второе типа Т20 для защиты трансформатора (защита трансформаторов рассмотрена в 16-м разделе.

По линии КЛ1 протекают рабочий максимальный и пиковый токи, равные токам на стороне ВН трансформатора Т1, при включении трансформатора Т1 может появляться бросок тока намагничивания I_НАМ. В рассматриваемой схеме для расчёта релейной защиты необходимо знать следующие токи КЗ:

– на стороне НН трансформатора Т1 в точке А – ;

– на стороне ВН трансформатора Т1 (или в конце питающей линии КЛ1 в точке Б – ;

– в начале линии КЛ1 или сборных шинах РП в точке В – .

а)	б)
в)	г)
Рис. 17.3. Время-токовые характеристики двухступенчатой токовой защиты линии с зонами действия МТО, включающими: а - «линию + трансформатор»; б – только линию (показана часть характеристики)

Для защиты линии КЛ1 в её начале установлено устройство защиты типа S20, которое получает информацию от трёх фазных трансформаторов тока ТА1 и трансформатора тока нулевой последовательности ТА2. Выход устройства S20 связан с соленоидом отключения выключателя Q1.

Для защиты одиночной линии КЛ1 с односторонним питанием устройство S20 содержит:

– от многофазных КЗ селективную токовую защиту с независи­мой или зависимой от тока выдержкой времени и мгновенную токовую отсечку (функция ANSI 51 – две ступени);

– от однофазных замыканий на землю токовую защиту (функция ANSI 51N).

1. Селективная защита с независимой или зависимой от тока выдержкой времени. Для предотвращения излишних срабатываний при отсутствии повреждений в сети защита должна отстраиваться от наибольших токов нагрузки (пиковых токов) и быть согласованными с защитами нижестоящих участков.

1.1. Пиковый ток определяется для максимального режима работы линии с учетом его возрастания при возможных отключениях отдельных его участков сети (например, трансформаторов двухтрансформаторной ТП – ) и с учетом самозапуска электродвигателей (I_ПУСК) при восстановлении электроснабжения после отключения КЗ (после работы АВР в ТП). Ток срабатывания защиты по условию отстройки от нагрузки определяется по выражению

,

(17.1)

где К_Н.О – коэффициент надежности отстройки (несрабатывания) защиты; К_В – коэффициент возврата защиты; К_СЗП - коэффициент самозапуска учитывает увеличение рабочего тока за счет одновременного пуска всех электродвигателей, которые затормозились при снижении напряжения во время возникновения внешнего КЗ; – пиковый ток трансформатора. Для микропроцессорных защит К_Н.О принимают 1,1, К_В = 0,935±0,05; для статических реле К_Н.О принимают 1,2; К_В = 0,9.

Коэффициент самозапуска К_СЗП определяется характером потребителей:

– Для городских сетей бытовая нагрузка содержит относительно мало электродвигателей. Если нет конкретных данных о составе нагрузки, то коэффициент К_СЗП обычно принимают равным 1,2–1,3. Если от сетей питаются насосные станции, котельные и подобные потребители, то необходимо проводить расчет пиковых нагрузок .

– Для промышленных электрических сетей напряжением 380 В характерно наличие большого количества двигательной нагрузки. В этом случае при рассмотрении релейной защиты каждой конкретной линии необходимо производить расчет и наибольшего расчетного тока и пускового тока электродвигателей [Ч.2, см. раздел 8.5, рис. 8.5]. Для данных сетей коэффициент самозапуска К_СЗП может достигать значений 2–3 и более.

1.2. Согласование с селективной токовой отсечкой, установленной на стороне низшего напряжения ТП в автоматическом выключателе QF1 (рис. 17.3,а, в).

1.2.1. Условие согласования тока срабатывания I_С.СЗ вышестоящей защиты линии КЛ1 и с током срабатывания нижестоящей защитой на стороне НН трансформатора Т1 , приведённым к стороне ВН, определяется

,

(17.2)

где К_Н.СОГЛ =1,1–1,4 – коэффициент надежности согласования, значения которого зависят от типа токовых реле и разброса их параметров срабатывания.

Ток срабатывания I_С.СЗ селективной защиты линии принимается наибольшим из расчетных условий определённых по выражениям (17.1) или (17.2).

1.2.2. Условие согласования времени срабатывания вышестоящей (t_С.СЗ) и нижестоящей (t_С.СО) защит производится с применением принципа временной селективности (см. раздел 17.1)

,

(17.3)

где ∆t = 0,3 с – ступень селективности по времени.

1.3. Согласно ПУЭ [????] селективная защита с независимой или зависимой от тока выдержкой времени на каждом элементе распределительной сети должна выполнять две функции:

– функцию основной защиты для ее действия при повреждении в пределах защищаемого элемента (ближнее резервирование);

– функцию резервной защиты (дальнее резервирование) при отказе защиты или выключателя смежных элементов.

1.3.1. Коэффициент чувствительности защиты при выполнении ею основной функции определяется при двухфазном металлическом КЗ в конце защищаемой линии (точка Б) в минимальном режиме и вычисляется по выражению

,

(17.4)

где – минимальный ток двухфазного КЗ в конце своей кабельной линии

1.3.2. При выполнении функции дальнего резервирования защиты и автоматического выключателя на стороне НН трансформатора проверка проводится для двух видов КЗ за трансформатором (точка А) в минимальном режиме работы сети:

– Коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ [Ч.1, табл. 6.2]

,

(17.5)

где – – ток двухфазного КЗ за трансформатором Т1 и его приведённое значение к стороне ВН; К_U – коэффициент трансформации трансформатора Т1 по напряжению; I_С.СЗ – ток срабатывания селективной токовой защиты.

– Коэффициент чувствительности защиты при однофазном КЗ [Ч.1, табл. 6.3]

.

(17.6)

Согласно п.3.2.17 ПУЭ допускается не резервировать отключения КЗ за трансформатором.

2. Мгновенная токовая отсечка является быстродействующей максимальной токовой защитой с ограниченной зоной действия. Зона действия мгновенной токовой отсечки определяется выбором места возникновения тока КЗ, от величины которого она отстраивается. Для схемы, приведённой на рис. 17.3,а, могут быть рассмотрены две точки Б и А. Предпочтительней является точка А, т.к. на стороне ВН трансформатора Т1 защита отсутствует. Для схемы, приведённой на рис. 17.3,в, рассматривается ток КЗ в точке Б, т.к. перед трансформатором Т1 установлена своя защита. В первом случае мгновенная токовая отсечка будет защищать всю линию КЛ1 и часть первичной обмотки трансформатора Т1 (рис. 17.3,а), а во втором – часть линии КЛ1 (рис. 17.3,в). При КЗ за трансформатором на сборных шинах напряжением 0,4 кВ (точка В) отсечка не должна приходить в действие. Мгновенная токовая отсечка выполняется с действием на отключение трансформатора.

2.1. Ток срабатывания мгновенной токовой отсечки.

2.1.1. Ток срабатывания с учетом отстройки от максимального тока трехфазного КЗ на выводах 0,4 кВ трансформатора Т1 (точка А, рис. 17.3,а и рис. 17.3,б)

,

(17.7)

где – максимальный ток трехфазного КЗ на стороне НН трансформатора Т1, приведенный к стороне ВН.

2.1.2. Ток срабатывания с учетом отстройки от максимального тока трехфазного КЗ в конце линии КЛ1 (точка Б, рис. 17.3,в и рис. 17.3,г )

,

(17.8)

где К_Н.О – коэффициент надежности отстройки (несрабатывания) мгновенной токовой отсечки. Для микропроцессорных защит и статических реле он составляет 1,15; для РТ-40 – 1,3-1,4.

2.1.3. Ток срабатывания мгновенной токовой отсечки должен быть отстроен от броска тока намагничивания I_НАМ трансформатора при его включении

,

(17.9)

где I_Т.Н – номинальный ток трансформатора на стороне ВН; К_ОТС = 3–5 – коэффициент отстройки от броска тока намагничивания при включении силового трансформатора.

2.1.4. Ток срабатывания мгновенной токовой отсечки защиты линии КЛ1 должен быть согласован с нижестоящей защитой. В зависимости от варианта защиты трансформатора Т1 (рис. 17.3,а или 17.3,в) должно быть проведено согласование соответственно с защитой вводного автоматического выключателя QF1 на стороне 0,4 кВ трансформатора Т1 или с защитой на стороне ВН этого трансформатора (на выключателе Q2)

или	(17.10)
.	(17.11)

За расчетный ток срабатывания I_С.МГН мгновенной токовой отсечки принимается наибольший из токов, определенный по соотношениям 17.7, 17.9, 17.10 или 17.8, 17.9, 17.11 – в зависимости от выбранной зоны действия мгновенной токовой отсечки.

2.2. Мгновенная токовая отсечка имеет независимую от тока характеристику, срабатывает без выдержки времени (t_С.МГН = 0 c) и действует на отключение трансформатора.

2.3. Чувствительность мгновенной токовой отсечки. Она должна чувствовать ток двухфазного КЗ в месте установки защиты, т.е. на сборных шинах РП, от которого питается кабельная линия КЛ1 (рис. 17.3,а или рис. 17.3,в) в минимальном режиме работы сети. Коэффициент чувствительности отсечки [1, п.3.2.21, пп.8]

.

(17.12)

Примечания относительно мгновенной токовой отсечки, защищающей радиальную линию.

1. Рассмотренная защита применяется в радиальных схемах питания трансформаторных подстанций, в том числе в схеме блока «линия – трансформатор», когда зона действия отсечки распространяется частично на трансформатор.

2. Городские кабельные линии и также кабельные линии промышленных предприятий, как правило, имеют небольшие сопротивления (вследствие большого сечения кабелей и их относительно небольшой длины, например, линии, питающие РП) и, следовательно, небольшую разницу в значениях токов КЗ в начале и конце линии и, следовательно, небольшую зону действия [20, 21]. Поэтому мгновенная токовая отсечка для защиты только радиальных кабельных линий, как правило, не применяется.

3. Следует также отметить, что токовые защиты с пуском по напряжению в связи со сложностью эксплуатации для защиты кабельных линий напряжением 6–10 кВ широкого распространения не получили.