Параметры срабатывания любого устройства релейной защиты должны отвечать требованиям, изложенным ПУЭ [1] (см. главы 3.2, 5.3).

Для правильного выбора уставок срабатывания в руководствах по эксплуатации цифровых устройств релейной защиты, выпускаемых НТЦ «Механотроника», традиционно приводились методики их расчета только для наиболее сложных алгоритмов защиты.

        В связи со значительным увеличением количества выпускаемых цифровых устройств и выдвижением новых требований организациями, проводящими аттестацию цифровых устройств для применения их на объектах ОАО «ФСК ЕЭС», в эксплуатационную документацию были введены  методики расчета уставок для всех алгоритмов защиты, предусмотренных в цифровых устройствах производства НТЦ «Механотроника».

        Для этого предприятие разработало методические указания по расчетам уставок, которые полностью учитывают:

- требования и рекомендации, изложенные в ПУЭ;

- особенности алгоритмов защиты, используемых в цифровых блоках серий БМРЗ и БМРЗ-100.

Разработка методических указаний была выполнена специалистами НТЦ «Механотроника» при участии к.т.н. Соловьёва А.Л., заведующего кафедрой релейной защиты и автоматики электрических станций, сетей и систем Петербургского Энергетического института повышения квалификации.

        Настоящая публикация открывает серию статей в которых приведены методики расчета уставок, иллюстрированные практическими примерами.

Уставки токовой отсечки для электродвигателей.

        Согласно ПУЭ [1] однорелейная токовая отсечка[1] , защищающая от многофазных замыканий, в обязательном порядке должна быть предусмотрена для электродвигателей мощностью менее 2 МВт.

        В тех случаях, когда однорелейная токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, то для защиты электродвигателей мощностью менее 2 МВт можно использовать двухрелейную токовую отсечку.

        Сразу необходимо отметить, что однорелейная токовая отсечка, в которой использован сигнал, получаемый как разность токов двух фаз, имеет в  раз худшую чувствительность, чем двухрелейная схема с двумя трансформаторами тока [2].

        ПУЭ рекомендует применять двухрелейную токовую отсечку для защиты электродвигателей мощностью 2 МВт и более, имеющих

защиту от однофазных замыканий на землю, действующую на отключение.

        Если же защита от однофазных замыканий на землю отсутствует, то для электродвигателей мощностью 2 МВт и более следует применять

трехрелейную токовую отсечку с тремя трансформаторами тока.

        ПУЭ допускает применять двухрелейную токовую отсечку для защиты электродвигателей мощностью 2 МВт и более, не имеющих защиты от однофазных замыканий на землю. Однако в этом случае необходимо дополнительно предусмотреть защиту от двойных замыканий на землю.

        Наиболее просто и полно все требования, изложенные в ПУЭ, реализуются при использовании серийно выпускаемых устройств БМРЗ и БМРЗ-100 предназначенных для защиты синхронных и асинхронных электродвигателей. В ряде исключительных случаев для этих же целей возможно применить устройства БМРЗ и БМРЗ-100 для защиты кабельных и воздушных линий.

Для защиты асинхронных и синхронных электродвигателей используется первая ступень алгоритма максимальной токовой защиты МТЗ с нулевой выдержкой времени.

Упрощенная функциональная схема этого алгоритма приведена на рис. 1.

При превышении любым из фазных токов I_A, I_B, I_C уставки соответствующего компаратора 1-3 возникает сигнал «Пуск I>»[2] и при отсутствии блокирующих сигналов начинает отсчет времени  элемент выдержки времени 5.

При использовании первой ступени МТЗ в качестве токовой отсечки ТО выдержка времени устанавливается равной нулю. Поэтому сигнал «Откл. I >» на выходе алгоритма появляется после сигнала «Пуск I>» без временной задержки.

Блокирование срабатывания любой ступени МТЗ выполняется элементом 4 как внешним сигналом, так и в цикле АПВ. Сигнал блокирования поступает на элемент 13.

В связи с тем, что в данном алгоритме устанавливается нулевое значение выдержки времени, то необходимость ускорения срабатывания алгоритма (при ручном включении выключателя или в цикле АПВ) отсутствует

В устройствах серий БМРЗ и БМРЗ-100 предусмотрено необходимое количество цифровых реле максимального тока для каждой фазы, поэтому применение предусмотренной в ПУЭ отсечки в виде однорелейной схемы на наш взгляд так же нецелесообразно.

Рассмотрение методики расчета уставок для ТО сопровождается практическими примерами, в которых используется асинхронный двухскоростной двигатель АДО-1600/1000-10/12 с прямым пуском на 1-й скорости.

Исходные данные для расчета:

Мощность на валу двигателя для 1-ой скорости:

Мощность на валу двигателя для 2-ой скорости:

Коэффициент мощности для 1-ой скорости:

Коэффициент мощности для 2-ой скорости:

Номинальное напряжение:

КПД для 1-ой скорости:

КПД для 2-ой скорости:

Кратность пускового тока для 1-ой скорости:

Кратность пускового тока для 2-ой скорости:

Значение тока трехфазного КЗ на вводах питания электродвигателя:

Двигатель участвует в процессе самозапуска, который может осуществляться как на 1-ой, так и на 2-ой скорости.

Максимальное сопротивление токовых цепей со стороны питания электродвигателя (проектное значение) – не более 0,5 Ом.

         Для расчета уставок токовой отсечки необходимо знать номинальный ток электродвигателя. Если значение этой характеристики не приведено в документации двигателя, определить его можно по формуле (1):

где - номинальная мощность электродвигателя, кВт;

- номинальное линейное действующее напряжение двигателя, кВ;

- номинальный к.п.д. электродвигателя;

 - номинальный коэффициент мощности электродвигателя.

        По номинальному току электродвигателя необходимо выбрать трансформаторы тока (сигнал с их вторичных обмоток поступает на токовые входы I_A, I_B, I_C цифрового устройства, показанные на рис. 1)

с таким коэффициентом трансформации, чтобы при номинальном токе электродвигателя вторичный ток не превышал 5 А. Рекомендуемый диапазон изменения вторичного тока от 1 до 4 А.

Для оценки пригодности выбранного трансформатора тока по погрешности, соответствующей предельной кратности тока необходимо

определить максимальные броски пускового тока электродвигателя

(рис. 2)

Принято считать, что процесс пуска электродвигателя завершен, когда пусковой ток станет меньше 1,25 I_{ном. дв.}.

Значение максимального пускового тока при прямом пуске электродвигателя с учетом апериодической составляющей находят по формуле (2):

где - коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую пускового тока машины, принимается 1,8;

- кратность пускового тока машины (как правило, 3 ÷ 8).

Уставку срабатывания ТО I>>> выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение (3):

При расчете уставок для двигателей с реакторным пуском максимальный бросок пускового тока двигателя при реакторном пуске определяют по формуле (4):

где  - индуктивное сопротивление сети,

 - индуктивное сопротивление реактора.

Значение полного пускового сопротивления двигателя, входящее в формулу (4) находят по соотношению (5)

Обоснование этой формулы можно найти в  работе [5] на стр. 22. Полученное таким образом значение используют в соотношении (3).

Для двигателя, работающего в режиме самозапуска, значение тока полученное по формулам (2) или (4) необходимо увеличить в

1,3 – 1,4 раза, так как в этом режиме напряжение на двигателе может достигать 1,3- 1,4 номинального значения.

Выбранный ранее трансформатор тока (см. п. 1.3 Примера) проверяем на соблюдение требования, установленного в п.п.  в п. 3.2.29

ПУЭ [1]

Где к_Т  - кратность тока КЗ при допустимой погрешности 10%

I ном – номинальный первичный ток трансформатора тока

В связи с тем, что погрешность выбранного ранее трансформатора тока с коэффициентом трансформации k_тр = 200/5 превышает 10% при токе двигателя, превышающем уставку срабатывания на 10 % (),выбираем трансформаторы тока этого же типа, но с коэффициентом трансформации 300/5.

Проверим выполнения требования (6) для такого трансформатора.

Убедившись в том. что выбранные трансформаторы тока соответствует требованиям, изложенным в ПУЭ, продолжим дальнейшие расчеты.

Значение тока двухфазного КЗ на вводах питания электродвигателя определяем по формуле (7):

где  - значение тока трехфазного КЗ на вводах питания электродвигателя (см. выше исходные данные для расчета).

Коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ находим по формуле (8):

Данный коэффициент чувствительности представляет собой отношение расчетного значения фазного тока при металлическом КЗ в пределах защищаемой зоны к фазному току, соответствующему  срабатыванию защиты.

В заключение отметим, что при расчете уставок для синхронного двигателя следует учитывать, что машина запускается в асинхронном режиме, поэтому значение броска пускового тока находят аналогично тому, как это было сделано в приведенных примерах.

Отстройка ТО выполняется от двух параметров:

- броска апериодической составляющей пускового тока;

- тока несинхронного включения двигателя.

Литература:

1. Правила устройства электроустановок. М.: Госэнергонадзор России, 1998 год, 608 с.

2. Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ. СПб: ПЭИПК, 2010

3. Королев Е.П., Либерзон Э.М. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. – М.:«Энергия», 1980/

4. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007, 549 с.

5. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ.  М.:Энергоатомиздат, 1987