Методика оценки селективности работы устройств релейной защиты и автоматики с учётом охраны труда и повышения долговечности изоляции кабелей 6(10) кВ

От выбора уставок релейной защиты и автоматики (РЗиА) городских электрических сетей зависят условия ресурсосбережения изоляции силовых кабелей (КЛ) 6(10) кВ и безопасность обслуживающего персонала и населения. Одним из требований [1] к устройствам РЗиА является требование селективной и надёжной работы защиты. При необходимости рекомендуется разрабатывать меры повышения эффективности функционирования РЗиА и учитывать вероятность ошибочных действий обслуживающего персонала. Селективная и надёжная работа защит повышает условия электробезопасности оперативного персонала, так как снижается количество оперативных переключений и пребывание в опасных зонах. Проведённый нами анализ травматизма вблизи кабельных линий (КЛ) 6(10) кВ за прошедшие 12 лет показал, что при оперативных переключениях происходит до 46 % несчастных случаев, связанных с кабельными сетями [2]. На примерах схем, рассматриваемых ниже, видно, что при неселективной рабо- те защит КЛ количество пребываний людей в опасных зонах увеличивается пропорционально на количество подключённых к КЛ трансформаторных подстанций (ТП).

Анализ работы устройств РЗиА на примере г. Нефтекамска показал, что с ростом нагрузки ухудшаются условия согласования чувствительности защит предыдущего и последующих элементов (например, защит КЛ и ввода силового трансформатора). Задача настройки селективной работы защит питающих элементов является очень актуальной в настоящее время, так как снижает количество отключенных потребителей, время поиска места повреждения и повышается уровень безопасности населения, улучшаются условия ресурсосбережения изоляции КЛ.

Рассмотрим поиск повреждений в городской кабельной сети напряжением 6(10) кВ на примере 2 схем для малого (рис. 1) и большого города (рис. 2). На схемах показаны: один трансформатор (секционный выключатель (СВ) и второй

35кВ

TN1

4МВА

МТЗ

I _сз = 1200А    В3

ЦП- 6 кВ ^{t сз =2,5c}

РТ -40

I _сз =430А t _сз =1,5c

РТ -81

I _сз =180А t _сз =4,5c

I _сз =8 ⋅ 180=1440 t _сз =1с

Seram

I _сз =180А t _сз =4,5c

I _сз =8 ⋅ 180=1440 t _сз =0,7 с

В2

К1(3501А,макс.реж.) (2804А, мин. реж.)

б)

К3(844А, макс. реж.) (797 А, мин. реж.)

Т=8,0с

АСБ-3x120

1,5 км

ПКТ-160А

I _КЗ = 1860А

I _КЗ = 1800А

I = 1355А КЗ

ПКТ- 80А

^I КЗ =

ААШВ -3x120 0,93 км

Зона селект.

К5(686А,макс.реж.) (654А6мин. реж.)

К2(3007 А,макс. реж.) (2495 А, мин. реж.)

РТП-бкВ

К4(2674А,макс.реж.) (2278А, мин. реж.)

КЛ3

ААШВ-3x95

^{0,53 км} К6(2466А,макс.реж.)

(2138А, мин. реж.)

ПКТ -50 А

TN3 400 кВА

TN 4 250кВА

Зон а резерв. 3селект.

Обозначения: --------РТ-40 --- --- РТ-81 — • — SERAM

ЗЪиГТ7$ез'е]Ж“

Зона резерв.

I _КЗ =516А

-о-№2 (ПКТ-6-160)

“О” №4 (Независимая)

№6 (Микропр.)

О

500      1000     1500     2000     2500

К7(468 А, макс. реж.) (453 А, мин. реж.)

Зона селект.

--- Зона селект.

Зона резерв.

-^№1 (ПКТ-6-80)

-й-№3 (50А)

-ж-5-5 (РТ-81)

Рис. 1. Схема участка городской кабельной сети (а) и карта селективности (б) (токи приведены к напряжению 6 кВ)

трансформатор на схеме не показаны), токи трёхфазного КЗ в максимальном и минимальном режимах питающей системы, обозначены выключатели, на которые воздействует защита, Iсз , tсз – соответственно ток и время срабатывания защит, указаны заданные уставки защиты силового трансформатора ТN1. Защита ввода 6(10) кВ трансформатора, секционного выключателя (СВ) выполнена на постоянном оперативном токе с реле типа РТ-40; защита КЛ выполняется по схеме неполной звезды на постоянном оперативном токе с реле типа РТ-40, РТ-81, SEPAM. На схемах указа- ны зоны селективности и резервирования защит трансформаторных пунктов защитами КЛ. Расчёты и карты селективности произведены в соответствии с [3]. На схемах (рис. 1, 2) введены следующие обозначения: горизонтальные линии условно показывают границы зон селективности и резервирования обмоток трансформаторов, ниже каких токов защита КЛ на В2 может работать быстрее, чем сгорят предохранители, что видно на картах селективности. Характеристики защит пересекаются в разных точках для разных реле.

ЦП

• а)

• б)

110кВ

TN1

16 MBA

РТ -40

I _сз = 600А t _сз =2,5c

В3

В2

МТЗ-10кВ I _сз = 2200А t _сз =3,5c

РТ -81                Seram

I _сз =360А; t _сз =8,5c    I _сз =360А; t _сз =8c

I _сз = 2880 А; t _сз =1,1с I

_сз = 2000 А; t _сз =1,0 с

К1(8757А, (6374А,

макс. реж.)

(6374 А, мин. реж.)

АСБ-3x240(185)

1,5 км       К2 (7317 А, макс. реж.)

(5615 А, мин. реж.)

ПКТ-160А [

К3 1003А

I =1180А КЗ

TN2

КЛ3

TN3 630 кВА

I =720А КЗ

Зона резерв.

РТП

ААШВ -3x150 0,93 км

К4 (6374 А, макс. реж.) (5091А, мин. реж.)

ААШВ - 3x120

0,53 км

К5 659

К6 (5815 А, макс. реж.) (4763 А, мин. реж.)

Зона резерв.

Г1ПКТ-50А

TN4 400 кВА

Зона селект.

Зона селект.

I _КЗ =720А Зона резерв.

К7 520

Зона селект.

Зона резерв.

Зона селект

—№6 (Микропроцессорная)

Ток, А

Рис. 2. Схема участка городской кабельной сети (а) и карта селективности (б) (токи приведены к напряжению 10 кВ)

^-.№2 ЩКТ-1а-80)

-й-№3 ЩКТ-10-160)

На карте селективности, например, для рис. 2 (б) строятся расчётная ампер-секундная характеристика 1 – плавких предохранителей ПКТ-10-50 (400 кВА), 2 – предохранителей ПКТ-10-80 (630 кВА), 3 – предохранителей ПКТ-10-160 (для защиты трансформатор 1000 кВА), выбранная независимая от тока характеристика 4 срабатывания МТЗ КЛ, времятоковая характеристика 5 для реле РТ-81 и 6 – стандартная обратнозависимая, реализованная в терминалах SEPAM.

Как видно из рассмотренной схемы, в данной системе электроснабжения невозможно обеспе- чить во всех случаях условие селективности и резервирование защит, табл. 1.

Из табл. 1 видно, что реле РТ-81 и SEPAM, имеющие обратнозависимую характеристику, лучше чем РТ-40 согласуются с характеристиками предохранителей, защищающих ТП и реле РТ 40 не обеспечивает резервирование защит ТП 250 кВА и ниже.

Поиск повреждения при отключении КЛ производится делением сети на участки в следующей последовательности: осмотр и отключение ТП, РТП, РП, подключённых к данной КЛ, отключение коммутационных аппаратов на ТП проходного типа, что занимает много времени и повышает степень опасности для оперативного персонала. Селективная и надёжная работа защит повышает условия электробезопасности оперативного персонала, так как снижается количество оперативных переключений, время поиска повреждений и время пребывания в действующих электроустановках в 3 и более раз.

Подобно анализу схемы на рис. 1 проведён расчёт для схемы на рис. 2, результаты сведены в табл. 2.

В городской радиальной кабельной сети 6(10) кВ из-за сравнительно небольшой длины кабельных линий разница токов КЗ в начале и конце линии несущественна. Статистически учитывая, что многофазные КЗ в кабеле не самоустраняются, АПВ на КЛ выводят, при этом попутно добиваются снижения интеграла Джоуля на 50 %. Однако при этом проявляется другая проблема: установленные в качестве дополнительных защит (МТЗ основная) токовые отсечки с принятым коэффициентом чувствительности 1, 2 [1] становятся неэффективными при любых типах реле, в том числе и микропроцессорных. Токовые отсечки выводят из действия, что обуславливает обратный рост термического импульса и, как следствие, необоснованное увеличение требуемого сечения КЛ [4].

Для рассматриваемой схемы на рис. 2: согласно [1, 3] ток уставки селективной токовой отсечки определяется: I _ср.ТО ≥ К _н ⋅ I _К ⁽³ _З ⁾ _max , где I _К ⁽³ _З ⁾ _max – ток трёхфазного КЗ в максимальном режиме в конце защищаемой КЛ 2=7317 А (отстройка от ближайшего трансформатора 1000 кВА); К _н – коэффициент надёжности для токовых отсечек без выдержки времени (табл. 3).

В данном случае значения тока срабатывания ТО больше максимального трёхфазного тока КЗ в точках К1, такие токовые отсечки неэффективны и смысла выполнения их нет. Анализ схем городских сетей показывает, что данная ситуация характерна для большинства участков кабельной сети. Указанные факторы приводят к тому, что анализируемая городская кабельная сеть 6(10) кВ в условиях эксплуатации защищается только одной ступенью максимальной токовой защиты (МТЗ) с временем от 1 до 5 с в зависимости от схемы сети, количества ТП, типа подключенной нагрузки (дви-

Таблица 1

Анализ селективности и резервирования защит для схемы рис. 1

Тип применяемых реле в схеме защит КЛ (на В2)	Обеспечение селективности с предохранителями ТП, кВА			Обеспечение резервирования защит ТП, кВА			Количество ТП для осмотра без зон селективности и резервирования	Количество ТП для осмотра с указанием зон селективности и резервирования	Снижение ТП для осмотра при отключении КЛ, %
ТП с ТР	Более 630	400	250	Более 630	400	250
РТ-40	нет (61 % сел-ти)	нет (96% сел-ти)	да	да	да	нет	3	2	33
РТ-81	нет (25 % сел-ти)	да	да	да	да	да	3	1	66
SEРAM	нет (21 % сел-ти)	да	да	да	да	да	3	1	66

Таблица 2

Анализ селективности и резервирования защит для схемы рис. 2

Тип применяемых реле в схеме защит КЛ (на В2)	Обеспечение селективности с предохранителями ТП, кВА			Обеспечение резервирования защит ТП, кВА			Количество ТП для осмотра без зон селективности и резервирования	Количество ТП для осмотра с указанием зон селективности и резервирования	Снижение ТП для осмотра при отключении КЛ, %
ТП с ТР	Более 1000	630	400	Более 1000	630	400
РТ-40	нет (86 % сел-ти)	да	да	да	нет (88 % резер.)	нет (88 % резер.)	3	1	66
РТ-81	нет (86 % сел-ти)	да	да	да	да	да	3	1	66
SEPAM	нет (86 % сел-ти)	да	да	да	да	да	3	1	66

гательной или бытовой) и условий согласования с предыдущими электроустановками (РП, ТП, РТП) при любых типах реле. Увеличение времени отключения повреждённого участка ухудшает условия электробезопасности для человека и увеличивает негативное воздействие на изоляцию термических и электродинамических импульсов.

Поэтому ранее нами [4] для рассматриваемой системы электроснабжения с целью решения указанной проблемы предложено вводить неселективную ТО с временем 0,1–0,5 с, с независимой характеристикой при любых типах реле, что может быть реализовано и в микропроцессорных терми- налах (в качестве одной из ступеней защит).

Анализ теплового режима работы изоляции, по предложенной нами методике, был проведён с разработкой математической модели в ANSYS. Отдельный результат представлен на рис. 3 на примере трёхжильного кабеля с бумажно-масляной изоляцией сечением жил 240 мм ² . Снижение времени работы защиты с 4 с до 1 с приводит к снижению нагрева изоляции с 213 до 106 градусов Цельсия, а как известно согласно закону Вант Гоффа–Аррениуса при снижении температуры нагрева изоляции продлевается ресурс силовых кабелей.

Для повышения уровня безопасности для опе-

Таблица 3

Эффективность токовых отсечек

Типы реле	Коэффициент надёжности К н	Ток уставки селективной ТО, А	Коэффициент чувствительности в месте установки при I К (3 З ) max =8757 А должен быть более 1,2
Цифровые реле	1,1–1,15	8049–8415	1,09–1,04
РТ–40	1,2–1,3	8780–9512	1,00–0,92
РТ–80	1,5–1,6	10976–11707	0,80–0,75
РТМ	1,4–1,5	10244–10976	0,86–0,80

а)

б)

Рис. 3. Математическая модель в ANSIS теплового режима работы кабеля с учётом уставок устройст РЗиА: а) время отключения двухфазного КЗ 4 с; б) время отключения двухфазного КЗ 1 с ративного, ремонтного персонала предлагаем следующий алгоритм поиска повреждений.

• 1.    Составляются режимные карты кабельных линий, на которых указываются зоны резервирования и селективности защит КЛ.

• 2.    Составляется очерёдность осмотра и отключения ТП, РТП при поиске повреждения с учётом:

• –    возможности неселективной работы защит КЛ при КЗ в трансформаторах, подключенных к данной КЛ;

• –    возможности резервирования защит ТП, РТП защитами КЛ;

• –    категории и важности питаемых потребителей.

Данный порядок позволит осматривать в последнюю очередь ТП, РТП, которые не резервируются защитой КЛ с необходимым коэффициентом чувствительности при КЗ на шинах низшего напряжения трансформаторов. Это позволит снизить количество ненужных осмотров и переключений, время поиска повреждения в кабельной сети.

Выводы

• 1.    Степень селективности и резервирования защит в сети 10 кВ выше, чем в сети 6 кВ. При использовании предложенной нами методики выбора уставок РЗиА улучшаются условия ресурсосбережения изоляции КЛ 6(10) кВ и повышаются условия электробезопасности при поиске повреждений в кабельной сети 10 кВ.

• 2.    Рекомендуется на режимных картах участков кабельной сети указывать зоны селективности и резервирования защит КЛ, РТП, определять порядок очерёдности осмотра, отключений, включений КЛ, ТП, РТП с учётом неселективной работы и резервирования защит.

• 3.    Моделирование тепловых расчётов предложено проводить в современных программных продуктах (например, ANSYS), учитывая реальные режимы работы КЛ и уставки РЗиА.