Релейная защита первая ступень

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА СЕТЕЙ. СТУПЕНИ СЕЛЕКТИВНОСТИ ПО ВРЕМЕНИ

Дискуссионные публикации «Микропроцессорные реле защиты. Новые перспективы или новые проблемы?» («Новости ЭлектроТехники» № 6(36) 2005, № 1(37) 2006, № 2(38) 2006) вызвали заметный резонанс в профессиональной среде. Примечательно, что в обсуждение современных проблем РЗА включились не только разработчики и производители этой техники, но и представители эксплуатации.
В частности, по поводу такого качества микропроцессорных релейных защит, как снижение ступени селективности с 0,5 до 0,2 с, инженер ЭТЛ Вологодской ТЭЦ Виктор Леонидович Капченко замечает: «В технической литературе встречается даже цифра 0,15 с. Существуют ли нормативные документы по этому поводу? Как быть, если используются масляные выключатели с «тяжелым» приводом?» Внести ясность мы попросили Алексея Юрьевича Емельянцева.

Алексей Емельянцев, главный специалист по РЗА,
спецуправление «Леноргэнергогаз», г. Санкт-Петербург

Снижение ступени селективности
Применение микропроцессорных релейных защит подразумевает снижение ступеней селективности, однако нормативных документов, регламентирующих этот вопрос, не существует. Встречаются рекомендации о снижении ступени до 0,2 с и ниже, время срабатывания устройств резервирования при отказе выключателей (УРОВ) предлагается снижать до 0,15 с и ниже (аналогичные предложения высказывались после появления реле на полупроводниковой элементной базе).
На рис. 1 показана ступень селективности D t между согласуемыми защитами А и Б, которая складывается из следующих составляющих:

• время отключения выключателя Б;
• суммарная положительная погрешность защиты Б и отрицательная погрешность защиты А;
• время инерции (возврата) защиты Б;
• время запаса.

Время запаса
Согласно [1] время запаса принимается равным 0,1 с.
Время инерции
Для защит на электромеханической элементной базе это время в большинстве случаев не превышает 30–40 мс. Оно складывается из времени возврата пускового (токового) реле (10–20 мс) и времени инерции реле времени. При наличии у реле времени искрогасительного контура в виде диодов время инерции достигает 0,18 с.
Для микропроцессорных защит время инерции складывается из времени возврата пускового органа (определяется качеством фильтрации входных аналоговых сигналов и составляет 40 мс и более) и времени инерции быстродействующего выходного реле.
Таким образом, время инерции у микропроцессорных и электромеханических защит оказывается соизмеримым и составляет для микропроцессорных защит 40–60 мс.

Рис. 1. Ступень селективности между согласуемыми защитами А и Б

Время отключения выключателя

Этот показатель не зависит от типа применяемой защиты. Ниже приведены периоды отключения некоторых типов вакуумных выключателей 10 кВ:

• BB/TEL производства «Таврида Электрик» полное время отключения по паспортным данным составляет 25 мс;
• ВБЭ производства «Контакт» (г. Саратов) – 30–40 мс в зависимости от номинального тока отключения;
• ВВТЭ-М (г. Минусинск) – 40 мс.

Время отключения распространенного масляного выключателя типа ВМПЭ – 120 мс (фактическое время отключения – 0,1 с).

Таким образом, замена масляного выключателя ПС Б на вакуумный уменьшает ступень селективности примерно на 70 мс.

Суммарная погрешность

Суммарная отрицательная погрешность защиты А и положительная погрешность защиты Б складываются из основной погрешности (1/2 разброса) каждой защиты и дополнительных погрешностей, вызванных изменением температуры, напряжения оперативного питания, неточностью измерительных приборов (секундомеров) и др. Учитывая, что величины перечисленных составляющих носят случайный характер, в особенности это касается разбросов защит, для электромеханических реле принято считать полную погрешность как среднеквадратичную (т.е. квадратный корень из суммы квадратов составляющих). Из математики известно, что при нормальном законе распределения для составляющих вероятность превышения реальной полной погрешности над рассчитанной погрешностью практически равна нулю. Для примера рассчитаем суммарную погрешность в случае, если защиты А и Б выполнены на электромеханических реле типов РТ-40 и РСВ-13. По данным ОАО «ЧЭАЗ», для реле РСВ-13 основная погрешность при максимальной уставке диапазона 9,9 с рассчитывается по формуле:

Таким образом, при Т_{уставки} = 1 с основная погрешность составляет 64,5 мс. Дополнительная погрешность от температуры вычисляется по формуле 0,03 • d • D Т, где D Т – отклонение температуры от 20 O С (данные ОАО «ЧЭАЗ»).
При D Т = 40 O С дополнительная погрешность от температуры будет 77 мс (больше основной погрешности). Дополнительная погрешность от напряжения питания вычисляется по формуле 0,7 • d и составляет 45 мс. Суммарная погрешность защит А и Б, учитывающая указанные составляющие полной погрешности, будет около 0,14 с. В случае применения реле времени серии ВР-100 указанная погрешность возрастет до 0,2 с.

Приведенные значения ориентировочны, поскольку в них не учтены некоторые дополнительные погрешности, например от применяемых средств измерения. Секундомер типа ПВ-53Щ, применяемый в проверочных устройствах типа У5053, имеет погрешность 30 мс при частоте питающего напряжения 50 Гц, что больше чем основная погрешность у микропроцессорных защит!
Заметную часть в D t составляет температурная погрешность. В расчете предполагалось, что одно реле работает при +20 O С (т.е. не имеет температурной погрешности), другое – при –20 O С. В заводской документации сказано: «При изменении температуры окружающего воздуха от –20 O С до +40 O С происходит отклонение выдержек времени на 20%, разброс увеличивается на 50%». Величина времени срабатывания защиты в большей степени влияет на D t, чем диапазон (шкала) реле.
У микропроцессорных реле основная погрешность (при применении независимых характеристик максимальной токовой защиты (МТЗ) составляет 1–4%. Данные о дополнительных погрешностях в информации фирм-изготовителей часто отсутствуют, однако примем следующие исходные данные (из документации на терминал SIPROTEC фирмы Siemens):

• основная погрешность – 1%;
• дополнительная погрешность от изменения напряжения питания – 1%;
• дополнительная погрешность от изменения температуры – 0,5% на каждые 10 градусов;
• дополнительная погрешность от изменения частоты – 1%.

Другие дополнительные погрешности учитывать не будем (например, в некоторых защитах время срабатывания учитывает время работы выходного реле, в других не учитывает).
Суммарная погрешность защит А и Б при этих данных составляет:

что значительно ниже, чем у электромеханических реле (для большинства микропроцессорных защит погрешность будет больше). При Т_{уставки} = 1 с выигрыш составляет около 0,1 с. Именно на такую величину можно снизить ступень селективности D t.

Согласование защит

Ступень селективности при согласовании двух микропроцессорных защит при использовании вакуумных выключателей (время отключения выключателя – 50 мс; время инерции защиты – 50 мс; суммарная погрешность защит А и Б – 50 мс; время запаса – 100 мс) будет составлять 250 мс.
Приведенные расчеты приблизительны, так как не учтен ряд факторов, влияющих на увеличение D t как для электромеханических, так и для микропроцессорных защит. Подробно этот вопрос должен решаться с учетом опыта эксплуатации.

Зависимые характеристики многих микропроцессорных устройств выполнены в соответствии с британским стандартом BS 142 и стандартом МЭК 255. Согласно BS 142 рабочий диапазон токов для большинства характеристик определяется в пределах 2–20 крат от уставки. Многие устройства гарантированно пускаются не при I_с.з., а при несколько большем значении тока (SPAC-800 – при 1,3•I_с.з., БМРЗ – при 1,1•I_с.з.). При этом защиты, особенно в начальной части характеристики, имеют основную погрешность 10% и более. При применении зависимых характеристик МТЗ ступень селективности будет значительно больше 0,3 с.
Не была учтена токовая погрешность трансформаторов тока (ТТ) и возможность искажения формы кривой вторичного тока при больших кратностях тока КЗ, которая сказывается на точности замера по току. Можно считать, что при правильно выбранных ТТ и вторичной схемы цепей ТТ из-за малого сопротивления микропроцессорных защит токовая погрешность практически отсутствует, а форма у вторичного тока синусоидальная. При этом при больших кратностях тока (10%-ная токовая погрешность вычисляется при КЗ в конце зоны действия защиты при меньших токах) погрешность в замере тока из-за искаженной формы вторичного тока не имеет значения для МТЗ с независимой характеристикой (хотя имеется незначительная зависимость времени срабатывания от кратности тока КЗ).
При согласовании микропроцессорных защит с зависимыми характеристиками необходимо учитывать погрешность в замере тока (обычно не превышает 3%). Если ТТ работают с большой погрешностью, т.е. вторичные токи имеют несинусоидальный характер, необходимо учитывать, что большинство микропроцессорных защит реагируют на амплитудное значение тока, а, например, РТ-40 – на действующее.
Уставки микропроцессорных защит с зависимыми характеристиками можно выбирать по известным методикам, применяемым для защит на электромеханической и микроэлектронной базе, но требуется иметь в виду особенности, отмеченные выше.

Выводы

1. Ступень селективности по времени между согласуемыми микропроцессорными защитами не может быть менее 0,25 с, а при применении масляных выключателей – менее 0,3 с. Время УРОВ при этом составит 0,2–0,25 с.
2. Из приведенных примеров следует, что существенного снижения ступени селективности по времени можно достичь при согласовании микропроцессорных защит между собой.
3. Применение МТЗ с зависимой характеристикой может привести к увеличению Dt до 0,5 с и более.

Литература

1. Документ 4.3 // Cборник распорядительных материалов по эксплуатации энергосистем. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: СПО ОРГРЭС, 2002.