Анализ эффективности релейной защиты распределительных сетей 10 кв. в сельской местности

Введение. В процессе функционирования электроэнергетической системы (ЭЭС) могут возникать короткие замыкания, сопровождаемые увеличением токов через отдельные элементы системы. Без принятия специальных мер могут возникнуть режимы, способные повредить элементы ЭС и нарушить электроснабжение потребителей.

Под необходимыми мерами в этом случае следует понимать отключение КЗ, переключение потребителей на другие цепи питания, автоматические повторные включения ранее отключенных элементов и т.п. Так как все процессы, связанные с электрическим током скоротечны, необходимо использовать автоматические устройства, в качестве которых в электроэнергетике используются устройства релейной защиты и автоматики.

Анализ исследований.

Согласно [1] для линий в сетях 10 кВ с изолированной нейтралью (в том числе и с нейтралью, заземленной через дугогасительный реактор) должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных замыканий и от однофазных замыканий на землю.

Защита от многофазных замыканий реализуется в двухфазном исполнении и включается в одни и те же фазы по всей сети данного напряжения для обеспечения отключения в большинстве случаев двойных замыканий на землю только одного места повреждения.

Защита выполняется одно-, двух- или трехрелейной в зависимости от требований чувствительности и надежности. [3]

На одиночных линиях с односторонним питанием от многофазных замыканий устанавливается, как правило, двухступенчатая токовая защита, первая ступень которой выполнена в виде токовой отсечки (ТО), а вторая — в виде максимальной токовой защиты (МТЗ) с независимой или зависимой характеристикой выдержки времени. [3]

На одиночных линиях с двусторонним питанием при наличии или отсутствии обходных связей, а также на линиях, входящих в кольцевую сеть с одной точкой питания, что становится все более актуальным с увеличением доли распределенной генерации для сетей 10кВ [2], рекомендуется применять те же защиты, что и на одиночных линиях с односторонним питанием, выполняя их при необходимости направленными.

Если ненаправленная или направленная токовая ступенчатая защита не обеспечивает требуемых быстродействия и селективности, допускается предусматривать следующие защиты [3]:

• 1)    дистанционную защиту в простейшем исполнении;

• 2)    поперечную дифференциальную токовую защиту (для сдвоенных кабельных линий);

• 3)    продольную дифференциальную токовую защиту для коротких участков линий; при необходимости прокладки специального кабеля только для продольной дифференциальной защиты длина его должна быть не более 3 км.

Защита от однофазных замыканий на землю должна быть выполнена в виде:

• 1)    селективной защиты (устанавливающей поврежденное направление), действующей на сигнал;

• 2)    селективной защиты (устанавливающей поврежденное направление), действующей на отключение, когда это необходимо по требованиям безопасности; защита должна быть установлена на питающих элементах во всей электрически связанной сети;

• 3)    устройства контроля изоляции; при этом отыскание

поврежденного элемента должно осуществляться специальными

устройствами; допускается отыскание поврежденного элемента поочередным отключением присоединений.

Традиционно для реализации токовых защит применяются электромеханические реле. Измерительным органом электромеханических комплектов, как правило, выступает индукционное реле типа РТ-80 или электромагнитное реле РТВ, которые обеспечивают зависимую защитную характеристику, либо электромагнитное реле типа РТ-40 или РТМ, которые обеспечивают независимую защитную характеристику МТЗ.

Применение защит с зависимой характеристикой предпочтительнее по сравнению с защитами с независимой характеристикой, так как они позволяют уменьшить время отключения повреждения, при этом сохраняя селективность работы с предыдущими комплектами защиты. Однако реализация защитной характеристики в электромеханических реле не в полной мере позволяет использовать это преимущество. Так в индукционных реле типа РТ-80 из-за "инерционного выбега" приходиться увеличивать ступень селективности до 0,7с, а у реле РТВ за счет большой погрешности и вовсе до 1с [4].

Целью является анализ эффективности релейной защиты ЛЭП 10 кВ в северных областях Украины с точки зрения обеспечения селективности, чувствительности и быстродействия.

Объектом исследования является комплекс релейной защиты и автоматики в существующих распределительных электрических сетях 10кВ.

Задачей исследования выступает анализ уставок релейной защиты ЛЭП 10кВ в северных областях Украины на предмет соответствия параметрам аварийных режимов.

Изложение основного материала

Электрические сети 10кВ северных областей Украины в основном были построены в 70-90-х годах ХХ ст. Они выполнены в воздушном исполнении. За многолетний срок эксплуатации провода ЛЭП подвергались как механическим, так и электрическим нагрузкам, что привело к значительному изменению их геометрических параметров (длины и сечения) и, как следствие, электрических характеристик (активного, в большей мере, и индуктивного сопротивления) [5, 6]. Кроме того из-за тяжелой экономической ситуации и ограниченного финансирования, техническое состояние электрических сетей 10кВ, особенно проходящих в сельской местности, значительно ухудшилось: не всегда вовремя происходит обрезка деревьев вдоль трасс ЛЭП, замена поврежденных опор, подтягивание провисших проводов и т.д. Все это значительно снизило надежность систем электроснабжения в целом [7]. Это привело к тому, что число КЗ увеличивается и все больше работы появляется у систем релейной защиты, от эффективности работы которой в значительной мере будет зависеть недоотпуск электроэнергии потребителям, а с другой стороны значения токов КЗ уменьшаются, что снижает чувствительность защит и усложняет определение аварийного режима.

С другой стороны плотность нагрузок в электрических сетях 10кВ сельской местности падает, из-за миграции сельского населения в города. Появляются новые потребители в составе фермерских хозяйств, которые могут значительно повышать нагрузку ЛЭП. Нередко такие потребители имеют в своем составе источники распределенной генерации, использующими биогаз, полученный из отходов производства, энергию солнца и ветра. Графики нагрузок данных сетей очень неравномерны и немонотонны. Это приводит к тому, что к системе релейной защиты необходимо предъявлять повышенное внимание на предмет корректности ее работы в таких сетях.

Исходя из вышеизложенного было принято решение оценить эффективность релейной защиты ЛЭП 10кВ северных областей Украины.

Оценку эффективности защиты проведем на примере типовой

ЛЭП, расчетная схема которой приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Типовая расчетная схема сети 10 кВ

Для оценки эффективности релейной защиты рассчитаем коэффициент чувствительности k _ЧУВ , который показывает, насколько ток в реле защиты при разных видах КЗ превышает ток срабатывания реле 1 с.р. :

'

I К . З . МИН .

' ЧУВ = _f

I C . Р .

где I ^' _{К . З . МИН .} – минимальный ток КЗ, приведенный к обмотке реле, А.

Чувствительность максимальной токовой защиты ЛЭП 10 кВ проверяют в основной зоне, по минимальному току короткого замыкания при повреждении в конце защищаемой линии, и в зоне резервирования, по минимальному току КЗ в конце смежного участка за трансформатором.

МТЗ линии электропередач напряжением 10 кВ, как правило, выполняют по схеме неполной звезды [4]. Следовательно минимальный ток междуфазного КЗ будет при двухфазном КЗ.

Упрощенно ток двухфазного КЗ можно определить по формуле:

КЗ 2 К.З. , где I(К3.)З. – трехфазный ток КЗ, А.

Ток трехфазного КЗ определяется по формуле [4]:

I КЗ ГТ          ,(3)

• ³ ■ Z CyM

  • где U_ОСН – минимальное значение междуфазного напряжения, принимаемое для расчетов токов КЗ в сетях 10 кВ равным 10500 В;

Z_СУМ - суммарное сопротивление до точки КЗ, Ом.

Минимальные значения коэффициента чувствительности МТЗ должны быть не менее 1,5 при КЗ в основной зоне защиты и не меньше 1,2 при КЗ в зонах дальнего резервирования [1].

Чувствительность отсечек проверяется по току короткого замыкания в месте установки защиты. Требуемый коэффициент чувствительности должен быть не ниже 1,2 (при использовании ТО в качестве резервной защиты) и не ниже 2 (при использовании ТО в качестве основной защиты).

Для представленной на рисунке 1 расчетной схемы результаты расчета тока КЗ точек К2 – К17 сведены в таблице 1. При этом значения токов КЗ в точках К3, К5, К7, К9, К11, К13, К15, К17 за трансформаторами 10/0,4 кВ приведены к напряжению 10кВ.

Таблица 1 - Результаты расчета токов КЗ

Точка КЗ	Значение (3) I КЗ , А	Значение (2) I КЗ , А	Точка КЗ	Значение (3) I КЗ , А	Значение I К (2 З ) , А
К2	1676,16	1449,88	К3	281,25	243,28
К4	1558,73	1348,30	К5	189,56	163,97
К6	1400,02	1211,02	К7	209,51	181,22
К8	1343,49	1162,12	К9	138,93	120,17
К10	1199,95	1037,96	К11	262,22	226,82
К12	1208,14	1045,04	К13	204,59	176,97
К14	1214,58	1050,61	К15	263,92	228,29
К16	1128,65	976,28	К17	181,16	156,70

Серым цветом выделены ячейки, в которых ток КЗ минимальный для основной и резервной зоны МТЗ. Следует обратить внимание на то, что для основной зоны действия МТЗ минимальное значение тока КЗ получено в наиболее удаленной точке ЛЭП 10кВ (К16), а в зоне резервирования - за наименее мощным трансформатором (К9).

Проверим чувствительность МТЗ в основной зоне.

Для данной ЛЭП, согласно действующим картам уставок релейной защиты, двуступенчатая токовая защита реализована на реле РТ-81/2 с уставкой МТЗ 3,5А, кратностью тока отсечки - 4, подключенному через трансформатор тока ТПЛ-10 с коэффициентом трансформации 200/5.

Так как схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле для ТЗ линий 10 кВ – неполная звезда, то при определении коэффициента чувствительности при КЗ в основной зоне МТЗ можно пользоваться первичными значениями токов I К.З. MIN и I С.З. .

Приведем токи срабатывания релейной защиты к первичным значениям:

^kI                            (4)

I C . З = , I C . Р                              ^v '

kCX где kCX - коэффициент схемы, для схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле неполная звезда kCX = 1 [4].

для МТЗ i   = 3003,5 = 140А,

C . З      5

для ТО Ь_ч = 140 • 4 = 560 А.

.

Рассчитаем коэффициент чувствительности МТЗ в основной зоне по формуле (1)

к _

ЧУВ

976, 28

= 6,97 >  1,5

Чувствительность в основной зоне обеспечивается. Проверим чувствительность МТЗ в резервной зоне.

120,17

k„_vR =------= 0,86 <  1,2

ЧУВ 140

Чувствительность в резервной зоне не обеспечивается. Проверим чувствительность защит токовой отсечки.

1710•— k4Vв =------— = 2,64 > 1,2

ЧУВ 560

Чувствительность ТО обеспечивается.

Аналогично проведем проверку чувствительности ТЗ для других ЛЭП 10 кВ в северных областях Украины, и результаты сведем в таблицу 2. Серым выделены линии 10 кВ, защита которых не удовлетворяет требованиям чувствительности.

Проанализировав полученные результаты, приведенные в таблице 2, можно сделать вывод:

• -    нечувствительных МТЗ в основной зоне – 4;

• -    нечувствительных МТЗ в резервной зоне – 39.

Увеличение чувствительности МТЗ может быть достигнуто несколькими способами, в том числе:

• а)    уменьшением тока срабатывания, путем использования новых цифровых реле со значениями коэффициента возврата пусковых органов k В =0,98;

• б)    путём снижения тока самозапуска с помощью предварительного отключения части электродвигателей (усложняет управление режимами электроустановок);

• в)    увеличением тока I К.МИН . путем уменьшения длины защищаемой основной зоны с помощью установки автоматических секционирующих выключателей с МТЗ (повышает затраты в связи с установкой дорогих секционирующих коммутационных аппаратов со своим комплектом релейной защиты);

• г)    допущением неселективных срабатываний МТЗ линий при малых значениях тока при маловероятных КЗ внутри трансформаторов, подключенных к этой линии через плавкие предохранители типа ПКТ напряжением 6 или 10 кВ (ведет к снижению надежности и увеличению недоотпуска электроэнергии).

  Таблица 2 - Результаты расчета

  
  

  чувствительности защит линий

  
  

  10 кВ

  
  

  Диспетчерское название отходящей ЛЭП 10 кВ	КЛУБ ТО	КЛУБ МТЗ	КЛУБ МТЗ
  Л-63	2,64	6,29	0,53
  Л-60	2,64	6,97	0,86
  Л-61	2,6	7,18	0,31
  Л-62	3,03	0,91	0,35
  Л-13		5,99	1.74
  Л-06	4,12	16,5	0,94
  Л-71	2,74	4,82	1,16
  Л-72	1.63	5,83	1.25
  Л-70	2,93	6,94	2,76
  Л-14	1,96	1,24	0,75
  Л-15	1,96	4,75	0,29
  Л-59	2,57	5,14	0,63
  Л-35		6,76	1,23
  Л-11	2,57	1,13	0,23
  Л-49		3,85	0,56
  Л-50		8,06	0,36
  Л-54	7,44	13,5	4,88
  Л-53	8,93	16,8	0,87
  Л-87	2,38	3,73	1,23
  Л-12	3,97	9,16	2,29
  Л-88 Коммунар	2,38 4,17	15,6	1.2 1,44
  Ж Поселок]	4,17	15,6	5,78
  ЖПоселок2	6,51	24,1	6,53
  БОС	4,17	15,5	5,77
  Л-91	3,44	14,2	1,45
  Л-03	5,3	22,2	1,89
  Л-17	2,87	4,01	2,21
  Л-07	3,44	14,2	1,26
  Л-57	2,87	2,96	1,01
  Л-04	4,59	18,9	1,36
  Л-81	2,87	4,82	2,13
  Л-90	3,44	14,2	1,53
  Л-48	3,28	2,72	0,55
  Л-05	3,06	12,3	1,51
  Л-83	3,72	9,53	4,24
  Л-84	3,72	18	1,47
  Л-85	3,72	18	1,68
  Л-86	3,72	12,3	1,1
  Л-36	5,53	8,06	0,56
  Л-37	7,37	3,43	0,39
  Л-39	6,63	7,72	0,71
  ГЭС	8,29	25	3,13
  Л-38	6,63	5,27	0,68

  
  
  
  
  

На наш взгляд наиболее предпочтительным средством повышения эффективности релейной защиты ЛЭП 10кВ в данной ситуации является замена существующих электромеханических комплектов релейной защиты на микропроцессорные терминалы. Это позволит не только повысить чувствительность МТЗ на некоторых ЛЭП за счет меньшей погрешности реле (лучшему согласованию с защитными характеристиками предохранителей) и дискретности уставок, но и увеличить быстродействие МТЗ.

Выводы. В данной работе была проанализирована эффективность релейной защиты линий 10 кВ, выполненной в электромеханическом исполнении, в северных областях Украины. На основании анализа было определено, что чувствительность релейной защиты на 39 отходящих линиях 10 кВ неудовлетворительна. Как мера по повышению чувствительности было рекомендовано применение микропроцессорных комплексов релейной защиты.