Ниже рассмотрена методика расчета на трех конкретных примерах.
Пример 1. Защита распределительной линии. Электроснабжение городского микрорайона осуществляется по распределительной линии U = 10 кВ, к которой могут быть подключены до шести однотрансформаторных подстанций (рис.16). Трансформаторы ТМ-400/10. 5Н0М = 400 кВ-А, UB/UHH= 10/04 кВ, Iном=23,1 А, схема соединения Y/Y, ик = 4,5%. Трансформаторы защищены предохранителями ПКТ, номинальный ток плавкой вставки Iпном = 50 А. Уставка по времени последующей защиты 1 с. Оборудование ячейки: трансформаторы тока ТПЛ-10, Kj— 200/5, два реле типа РТ-85/1 подключены к сердечнику класса Р по схеме неполная звезда (рис. 17). Привод ПП-67 имеет два встроенных реле РТМ-1 (уставки 5-10 А). Ток трехфазного КЗ на шинах РП Iктах = 6000 А. Ток двухфазного КЗ в конце линии Iктiт = 3500 А. Ток трехфазного КЗ на шинах 0,4 кВ I'ктах = 513 А* Ток Двухфазного КЗ на шинах ОД кВ Iктш= 444 А.
Требуется рассчитать уставки релейной защиты и проверить пригодность трансформаторов тока.
Для выполнения требований 4 и 5.1 ток срабатывания защиты Iс э определяется по формуле
где кОТС - коэффициент отстройки, учитывающий погрешность работы реле и необходимый запас; для реле серии РТ-80 принимается котс = 1,2. Для нагрузки бытовых потребителей принимается по опыту эксплуатации кзап = 1,2. В формулу входит коэффициент возврата к& так как ток возврата реле должен быть также отстроен от максимальной нагрузки, иначе реле, сработав при КЗ в смежной зоне, после ликвидации КЗ основной защитой поврежденного участка может не возвратиться и вызвать излишнее отключение. Для реле серии РТ-80 принимается кв= 0,8.
Рис, 16. Расчетная схема участка городской сети
Рис. 17. Схема соединения трансформаторов тока и реле в неполную звезду
Определяем максимальный ток нагрузки, исходя из возможности 100%-ной загрузки всех трансформаторов:
Рис. 18. Карта селективности:
1 — характеристика предохранителя ПКТ-10/50; 2 — характеристика реле
Для выполнения требования 2 необходимо, чтобы при всех токах, превышающих 1п ноы, время действия защиты превышало время плавления вставки. Если на одном рисунке изобразить характеристики реле, приведенные к первичному току, и вставки предохранителя, то характеристика реле должна быть расположена выше (рис. 18). Такой рисунок называется картой селективности. Приняв ступень селективности равной 0,5 с, устанавливаем, что для обеспечения селективности с последующей защитой рассматриваемая нами защита должна иметь время в независимой части характеристики (н ч = 1 - 0,5 = 0,5 с.
По характеристике реле определяем, что при токе срабатывания его время составит 6 с. Исходя из этого поступаем следующим образом. Перестраиваем участок характеристики вставки 3/п ном "Г201Г] номв равномерную шкалу. Проводим от точки 6 с на оси ординат горизонтальную прямую до пересечения с характеристикой и на оси абсцисс определяем ток, при котором вставка перегорит за 6 с. Умножив этот ток на 1,4, получим ток срабатывания защиты. В данном случае
Iсз=1,4*180=252А.
Этот ток удовлетворяет и предыдущему требованию. Коэффициент 1,4 учитывает время гашения дуги в предохранителе, разброс характеристики по току до 20% и др. Нанеся остальные точки характеристики реле, убеждаемся, что селективность обеспечивается при всех токах. Далее на карту селективности наносим характеристик последующей защиты. Затем, определяем ток срабатывания репе:
где ксх — коэффициент схемы, равный 1 для двухрелейной схемы неполная звезда.
Получаем
По шкале уставок реле типа РТ-85/1 выбираем ближайшую в сторону увеличения уставку, равную 7 А. Окончательно определяем ток срабатывания зашиты:
Iсз = 7(200/5) = 280 А.
Проверим чувствительность защиты:
Проверим чувствительность защиты в качестве резервной. Необходимо убедиться, что защита чувствительна по меньшей мере к току двухфазного КЗ на шинах 0,4 кВ
Мы убедились, что зашита удовлетворяет всем вышеприведенным требованиям. Принятые уставки: 1 = 280 А, уставка по шкале реле 7 А, время в независимой части характеристики 0,5 с.
Напомним, что приводя уставки защиты, время следует указывать в независимой части характеристики, а не при токе срабатывания.
Следует отметить недостаток этой методики расчета. Он заключается в том, что при построении карты селективности не учтена нагрузка присоединения. Такая селективность является неполной. Однако, если полностью учесть влияние нагрузки, это приведет к загрублению защиты. Так, в нашем примере ток срабатывания защиты составит 252 + 139 = 391 А, а ее чувствительность в качестве резервной кч = 1,13, т. е. дальнее резервирование не будет обеспечено. Поэтому дать какую-либо общую рекомендацию относительно учета влияния нагрузки не представляется возможным. Следует ориентироваться на конкретные условия.
Как мы уже знаем, реле серии РТ-80 позволяет выполнить первую ступень защиты в виде токовой отсечки без выдержки времени. Токовую отсечку целесообразно или даже необходимо использовать в ряде случаев:
1) для защиты головного участка распределительной линии (от шин РП до первого ТП), если сопротивление этого участка настолько велико, что обеспечивается достаточное различие между токами КЗ в его начале и конце;
2) если последующая защита имеет выдержку 0,5 с и менее; если выдержка 0,5 с недопустима по условию термической стойкости проводов и кабелей; если от тех же шин питаются крупные синхронные двигатели, требующие по условию их устойчивости мгновенного отключения КЗ.
Излишнее действие токовой отсечки должно быть исправлено автоматическим повторным включением. Время срабатывания токовой отсечки реле серии РТ-80 составляет около 0,03 с, собственное время работы выключателя - около 0,1 с. Полное время отключения tоткл = 0,03 + 0,01 = 0,13 с. Если за это время вставка успеет перегореть, то гашение дуги в предохранителе произойдет в бестоковую паузу и АПВ будет успешным. В противном случае выключатель включится на неустраненное КЗ, АПВ будет неуспешным, а отключение неселективным.
Пример 2. Рассмотрим вариант выполнения неселективной токовой отсечки с вставкой предохранителя на 50 А.
Ток срабатывания отсечкиIс 3 0 отстраивается от тока трехфазного КЗ на выводах 0,4 кВ наиболее мощного трансформатора I^max"
Коэффициент отстройки к учитывает значительный разброс отсечки и наличие апериодической составляющей тока и принимается равным 1,5. Тогда
Несрабатывание отсечки при броске тока намагничивания обеспечивается условием
Суммарный номинальный ток всех трансформаторов, подключенных к распределительной линии, определяется так:
*"*цом, тр ном, тр = Jin
В нашем примере Z 1Н0М_ тр = 139 А. Получаем Iс> 3> 0 > 5 • 139 = 695 А < 770 А. Для обеспечения успешного повторного включения ток срабатывания отсечки должен превышать ток, при котором вставка предохранителя перегорит за 0,13 с. По времятоковой характеристике вставки на 50 А определяем, что этот ток меньше 770 А. Таким образом, Ic g 0 ^ 770 А.
770 Окончательно принимаем Ic 3 0= 770 А. А вторичный ток 1С 0= =
= 19,5 А. Кратность тока срабатывания отсечки к гоку срабатывания индукционного элемента составит 19,5/7 = 2,75.
Определим коэффициент чувствительности отсечки:
<Ч o-JWc, 3,0= 3500/770 = 4,5 > 1,5.
Переходим к расчетной проверке трансформаторов тока (вариант без токовой отсечки).
1. Проверка трансформаторов тока на 10%-ную погрешность ведется для тока 5Iс 3= 5 * 280 = 1400 А. Расчетный ток принимается с некоторым запасом
1расч = 1,1-1400 = 1540 А.
Теперь определим нагрузку вторичных обмоток трансформаторов тока ZHr Она складывается из сопротивлений реле Z соединительных проводов Z и переходного сопротивления контактов ZK. Ее значение зависит от схемы соединения токовых цепей, вида КЗ. Для схем соединения неполная звезда при двухфазном КЗ значение нагрузки наибольшее:
ZHr=2Znp + ZK-fZp. (14)
Если реле находится в ячейке распредустройства, сопротивление соединительных проводов незначительно, и его вместе с переходным сопротивлением контактов можно принять 0,1 Ом. Сопротивление реле определяется по известным потреблению ?р (В * А) и уставке 1С (А):
W'c2lP ;
тогда
Zp= 10/7Z= 0,2 Ом; ZHr= ОД + 0,2 - 0,3 Ом.
На рис. 19 представлены кривые зависимости кратности тока к номинальному кщ от сопротивления нагрузки ZHr при 10%-ной погрешности. Кривые построены для трансформаторов тока типа ТПЛ-10. Каждому значению ZHf соответствует кратность Iг10, при которой погрешность трансформатора тока I = 10%. По кривой I определяем, что для ZHr = 0,3 Ом, к 10 доп = 18. Это — допустимая кратность тока. Расчетная кратность
*Р= IРасч/'т= 1540/200 = 7,7 < 18.
Таким образом, fcjo доп > к , следовательно, трансформатор тока удовлетворяет условию 10%-ной погрешности.
2. Определение погрешности трансформатора тока при максимальном токе КЗ. Максимальная кратность
29
Рис. 19. Кривые предельных кратностей трансформаторов тока типа ТПЛ-10:
1 - для К} = 5/5 + 300/5 класса Р; 2 - для Кг = 5/5 + 300/5 класса 0,5; 3 - для Кг = = 400/5 класса Р; 4 - для К, = 400/5 класса 0,5; 5 - суммарная для последовательного включения обмоток классов Р и 0,5 (К} = 5/5 + 300/5) - построена путем суммирования 2НГ доп при одних и тех же значениях А10 по кривым 1 и 2
Определим отношение А = kmax/k10 доп"
Оно составит А = 30/18 = 1,67.
Расчет погрешности трансформаторов тока при максимальном токе КЗ выполнить по предыдущей методике затруднительно. Для каждого типа реле и защиты существует своя допустимая погрешность трансформатора тока, и поэтому потребовалось бы построение семейства кривых, аналогичных рис. 19. Гораздо удобнее пользоваться кривой рис. 20, по которой определяется фактическая погрешность трансформатора тока в зависимости от обобщенной величины А. Зависимость, единая для трансформаторов тока всех типов, построена расчетным и экспериментальным путем для условий работы трансформаторов тока в режиме глубокого насыщения. Как видно из формулы (16), погрешность таким путем определяется для данной нагрузки и при максимальном токе КЗ. По кривой определяем: при А = 1,58 I = 39% < 50%.
3. Определение максимального вторичного тока в реле т. е. не превышает допустимый.
Известно, что значительное число отказов реле вызвано повреждением дешунтирующих контактов: оплавлением, выгоранием, привариванием. Поэтому представляется целесообразным вести расчет с запасом без учета погрешности трансформаторов тока.
4. Проверка трансформатора тока на 10%-ную погрешность после дешунтирования при том же токе *расч- Для этого определим сопротивление электромагни-
Рис. 20. Зависимость I = ф(А) для определения токовых погрешностей трансформаторов тока, превышающих 10%
та отключения, в качестве которого служит реле РТМ-1 (потребляемая мощность 5Э 0= 58 В -А, ток срабатывания Iэ 0= 5 А). Тогда
гъ, о= 5э, Jll, o= 58/5 2= 2,32 Ом.
Сопротивление нагрузки после дешунтирования
Z'w= 0,3 + 2,32 = 2,62 Ом.
Для такой нагрузки к10доп= 4 А так как красч= 7,7 > *дог,,то погрешность после дешунтирования превысит 10%. Поэтому необходимо определить фактическую погрешность и убедиться, что при ^к^щ ток, вычисленный с ее учетом, будет больше, чем ток возврата. Несоблюдение этого условия приведет к "прыга-нию" реле. Для обеспечения большей надежности погрешность определяется при кратности к'тах = 1,5 красч Тогда к'тах = 1,5-7,7 = 11,55; кдОП= 4; А = 11,55/4 = = 2,9; /=54%.
Определим ток возврата электромагнитного элемента реле (первичный)
'в=*в*с,э
где кв — коэффициент возврата якоря реле, принимаемый 0,4 (не следует путать его с коэффициентом возврата индукционного элемента).
Получим 1В= 0,4 -280 = 112 А.
Чувствительность защиты
Низкий коэффициент возврата якоря способствует его удержанию при снижении вторичного тока.
Для проверки надежной работы электромагнита отключения погрешность трансформатора тока рассматривается при другом значении расчетного тока, а именно
Его кратность красч = 360/200 =1,8 при к10 доп= 4,/<10%.
Следовательно, при расчетном токе срабатывания не требуется специальная проверка чувствительности электромагнита отключения. При токе ^кт,^ чувствительность электромагнита отключения проверяется по формуле, аналогичной (18), но без учета коэффициента возврата
Согласно [6] минимальное значение коэффициента чувствительности электромагнитов отключения должно быть на 20% больше принимаемого для защиты, т. е. 1,8.
Мы убедились в пригодности трансформаторов тока. Однако в некоторых случаях расчеты могут выявить их непригодность. Замена трансформаторами тока с увеличенными коэффициентами трансформации дает уменьшение погрешностей и снижает вторичный ток. В то же время снижается чувствительность электромагнита отключения в схемах с дешунтированием. Другой путь снижения погрешности - последовательное соединение вторичных обмоток обоих классов трансформаторов тока, если обмотка класса 0,5 не задействована для учета.
Пример 3. Защита силового трансформатора. Нагрузка двухтрансформаторной подстанции небольшого промышленного предприятия является комплексной (обобщенной), причем 50% нагрузки приходится на долю электродвигателей 0,4 кВ. Силовые трансформаторы типа ТМ-630/6, SHOM = 630 кВ * A, V^Urn, = = 6/0,4 кВ, 1ном= 61 А, схема соединения обмоток Y/Y, ик=4,5%.
Трансформаторы тока типа ТПЛ-10, К{= 150/5 А, реле подключены к сердечнику класса Р. Привод ПП-67 с двумя реле РТМ-1. Двухсекционное РУ 0,4 кВ оснащено устройством автоматического ввода резерва (АВР). Трансформаторы подключены к шинам 0,4 кВ через автоматические выключатели ABM-ЮС, имеющие расцепители максимального тока типа 2. Уставка расцепителя J = 1000 А (рис. 21). Релейная защита выполнена с помощью двух реле РТ-85 по схеме неполная звезда. Требуется рассчитать уставки защиты.
Согласно [6] защита должна действовать при междуфазных КЗ в обмотках и на выводах трансформатора, витковых замыканиях, недопустимых перегрузках. При КЗ на шинах 0,4 кВ защита должна действовать в качестве резервной. Желательно, чтобы она была чувствительной к однофазным КЗ на землю на стороне 0,4 кВ до автоматического выключателя. Однако в большинстве случаев не удается достичь требуемой чувствительности, и для защиты от однофазных КЗ применяется отдельное устройство. Вопросы защиты трансформатора подробно рассмотрены в [8]. В то же время защита не должна действовать при увеличении тока после автоматического включения секционного выключателя с последующим самозапуском электродвигателей. Необходимо также обеспечить селективность с расцепителями максимального тока.
Ток срабатывания максимальной токовой защиты можно определять по формуле
где 1нг — нагрузка второго трансформатора, подключившаяся после АВР. ПринимаемIмг=0,7iHOM,
1,2(2,4-0,7-61 + 61)
1Г = * -------'---------------- = 244 А;
С'3 0,8
244
1Г =---------- = 8,1 А.
с'р 150/S
Принимаем уставку J = 8 А, Iс з = 240 А. Уставка по времени в независимой части характеристики принимается 0,5—0,8 с. Большее время принимать ие следует во избежание недопустимого завышения уставки предыдущей защиты. Примем fj = 0,7 с. Тогда при ступени селективности Д( = 0,5 с защита на автоматическом выключателе должна иметь выдержку времени tj= t, - At ^ = 0,7 - 0,5 = 0,2 с. Нанеся на карту (рис. 22) характеристики обеих защит, убеждаемся в их селективности.
Для дальнейших расчетов нам необходимо знать токи трех- и двухфазного КЗ на шинах 0,4 кВ, приведенные к напряжению 6 кВ, 1ктах и 1^тт. Если пренебречь сопротивлением питающей системы, то эти токи можно определить по известным формулам:
Согласно [6] коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5. Однако, учитывая возможность КЗ через дугу, а также некоторое уменьшение тока КЗ
Рис. 21. Расчетная схема двухтрансформаторной подстанции к примеру 2
Рис. 22. Карта селективности:
1 — характеристика расцепителя; 2 — характеристика реле
Однорелейная схема имеет различную чувствительность к одному и тому же значению тока, зависящую от вида КЗ и поврежденных фаз. Наименьшая чувствительность имеет место при двухфазном КЗ между фазами, в одной из которых трансформатор тока отсутствует. Ток в реле в этом случае
кратность 67,8/8 = 8,5.
Расчетная проверка трансформаторов тока выполняется по методике, изложенной в примере 1.
Пример 4. Защита двигателя. Асинхронный двигатель типа А-13-53-8, Рном= 500 кВт, Iном = 59,5 A, Uном= 6 кВ предназначен для насоса. Ток трехфазного КЗ на выводах двигателя IКтах = 5000 А. Пуск двигателя осуществляется прямым включением в сеть, причем кратность пускового тока ктск= 5. Самозапуск не предусмотрен. Оборудование ячейки: привод выключателя ПЭ-11, трансформаторы тока типа ТПЛ-10, К{~ 150/5 А. Рассчитать защиту ст КЗ и перегрузок.
Как известно, при возникновении КЗ двигатель должен быть отключен мгновенно, иначе произойдут серьезные разрушения, требующие капитального ремонта или даже приводящие двигатель в состояние полной негодности. Поэтому в качестве защиты от междуфазных КЗ должна применяться токовая отсечка. Ее ток срабатывания Ic 3 0 должен быть отстроен от пускового тока JnvcK;
Iсзо = котс*Iпуск =котс*кпускIном
Для отсечек с реле серии РТ-80 и реле прямого действия принимается kотс = 2. Такое большое значение коэффициента отстройки принято в связи с возможностью броска намагничивающего тока в момент пуска. Таким образом,
Iсзо=2.5-59,5 = 595 А.
Согласно [б] для двигателей мощностью менее 2000 кВт рекомендуется однорелейная схема защиты с включением реле на разность токов. Для такой схемы ток срабатывания реле определяется с учетом коэффициента схемы fccx= V3:
Принимаем Iс - 0 = 35 А. Чувствительность токовой отсечки оценивается коэффициентом чувствительности Iгч, который должен быть не менее 2. С таким коэффициентом защита должна быть чувствительна к току двухфазного КЗ на выводах двигателя ly^^, который составляет
Принимаем Ic = 5 A, Ic э = 87 А. Кратность отсечки 35/5 = 7. Если защита действует на сигнал и технологическую разгрузку, следует выбрать реле типа РТ-84/1. Чтобы защита не срабатывала при затяжном пуске, уставку по времени следует принять максимальной, т. е. 16 с в независимой части характеристики.
