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 об-служивающего 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 работе 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

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

трансформатор на схеме не показаны), токи трёх-фазного КЗ в максимальном и минимальном ре-жимах 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) к В трансформатора, секционного выключателя (СВ) выполнена на постоянном оперативном токе с реле типа РТ-40; защита КЛ выполняется по схеме не-полной звезды на постоянном оперативном токе с реле типа РТ-40, РТ-81, SEPAM. На схемах указаны 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. 

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

 

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

а 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 обеспечить 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: со-гласно [1, 3] ток уставки селективной токовой от-сечки определяется: (3) Iср.ТО  КнIКЗmax, где

(3)

IКЗmax – ток трёхфазного КЗ в максимальном режиме в конце защищаемой КЛ 2=7317 А (отстройка от ближайшего трансформатора 1000 к ВА); Кн – 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-

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
SEP AM	нет (21 % сел-ти)	да	да	да	да	да	3	1	66

 

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 терминалах (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 мм2. 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-

Эффективность токовых отсечек

Типы реле	Коэффициент надёжности Кн	Ток уставки селек­тивной ТО, А	Коэффициент чувствительности в месте установ­ки при /(Зтах =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

 

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 по-рядок 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.