Дальнее резервирование линий с большой двигательной нагрузкой относится к задачам, где формально правильные уставки дают неверный результат. Защита отстроена от нагрузки, коэффициенты соблюдены, но при удаленном симметричном КЗ она не срабатывает. Причина в том, что двигательная нагрузка на питаемых подстанциях меняет расчетные условия так, что традиционные методики перестают работать.
В чем проблема на реальном объекте
Дальнее резервирование — способность защиты данного элемента сети отключить повреждение на смежном участке при отказе его собственной защиты или выключателя. Резервируемые и резервирующие устройства находятся на разных подстанциях, неисправность на резервируемой ПС при этом не влияет на работу резервирующей защиты. В этом главное преимущество дальнего резервирования перед ближним [1].
Проблема в чувствительности. Для реализации дальнего резервирования защита должна «видеть» удаленное повреждение через весь участок от своей точки установки до конца смежной линии. При этом ток КЗ в конце резервируемого участка намного меньше, чем при ближнем повреждении. На линиях с большой долей электродвигательной нагрузки к этому добавляется второй фактор: режимы самозапуска двигателей создают токи, которые по значению сопоставимы с токами удаленных КЗ. Защита оказывается перед неразрешимым противоречием: если ее сделать достаточно чувствительной, она начинает ложно реагировать на пусковые режимы; если отстроить от самозапуска, перестает видеть удаленное повреждение.
Почему двигательная нагрузка мешает резервной защите
Самозапуск двигателей как расчетный режим
При кратковременном нарушении питания электродвигатели на шинах подстанции тормозятся. Когда питание восстанавливается (например, после успешного АПВ), все двигатели начинают разворачиваться одновременно. Этот режим принципиально отличается от нормального пуска отдельного двигателя.
Режим самозапуска характеризуется одновременным разворотом большого числа двигателей при наличии подключенной нагрузки. Это приводит к глубокому снижению напряжения на шинах и резкому росту суммарного тока. Характер режима зависит от длительности перерыва питания, типа двигателей (синхронные или асинхронные), доли двигательной нагрузки в составе потребителей промышленного энергорайона [2].
Для защиты, контролирующей участок с двигательной нагрузкой на питаемых шинах, ток после АПВ может быть существенно больше максимального установившегося рабочего тока. Ступени МТЗ должны быть отстроены от этого режима [3].
Влияние на уставку МТЗ
Ток срабатывания МТЗ линии, выполняющей функцию дальнего резервирования смежного участка, выбирается из двух условий [1]:
По условию несрабатывания при послеаварийных перегрузках:
IМТЗ ≥ (kн · kсзп / kв) · Iраб.макс
где kн = 1,2 — коэффициент надежности; kсзп — коэффициент самозапуска нагрузки; kв — коэффициент возврата; Iраб.макс — максимальный рабочий ток.
Именно kсзп «раздувает» уставку. При большой доле двигательной нагрузки коэффициент самозапуска превышает единицу, и ток срабатывания приходится задирать вверх, и чувствительность к удаленным симметричным КЗ падает ниже нормируемого уровня.
По условию согласования с защитами смежных элементов:
IМТЗ ≥ (kсогл / kтокрасп) · (∑Iс.з.пред.макс + ∑Iраб.макс)
где kсогл = 1,1 — коэффициент согласования. Это условие требует согласовать уставку со всеми предыдущими защитами и рабочими токами. При разветвленной сети с несколькими питаемыми подстанциями ток срабатывания растет еще сильнее.
В результате для линий с высокой долей двигательной нагрузки уставка МТЗ по отстройке от самозапуска оказывается выше тока при удаленном симметричном КЗ. Защита формально правильно рассчитана, но физически не выполняет функцию дальнего резервирования.
Когда МТЗ уже недостаточна и нужна дистанционная защита
Методические указания по расчету уставок 6-35 кВ прямо фиксируют эту ситуацию: при невозможности обеспечения дальнего резервирования токовыми защитами допускается не резервировать отключения КЗ за трансформаторами в конце длинного смежного участка, либо перейти на дистанционную защиту [1].
Дистанционная защита (ДЗ) измеряет не ток, а сопротивление — отношение напряжения к току. При КЗ сопротивление резко падает и вектор Zр попадает в зону действия. При нагрузке, включая самозапуск, Zнагр остается в характерной области нагрузочных режимов — за пределами зоны срабатывания.
Нормативные требования к коэффициентам чувствительности ступени ДЗ, выполняющей дальнее резервирование [2]:
- kч ≥ 1,5 — для основной зоны (пусковые органы и ДО);
- kч ≥ 1,2 — для ступени дальнего резервирования.
При невозможности одновременно выполнить требования по чувствительности и селективности для ступени ДЗ, выполняющей дальнее резервирование, приоритет отдается чувствительности [2]. Это принципиальное отличие от МТЗ, где такой нормативной нормы нет.
Как отстраивают дистанционную защиту от нагрузочных режимов
Расчет сопротивления в режиме самозапуска
Сопротивление в режиме самозапуска двигательной нагрузки рассчитывается по формуле [2]:
|Zнагр.сз| = |Uмин.сз| / (√3 · kсз · |IΣнагр|)
где Uмин.сз — минимальное напряжение в режиме самозапуска, принимается 0,8–0,9 от минимального рабочего; kсз = 1,5–2,0 — коэффициент увеличения тока при самозапуске; IΣнагр — суммарный ток нагрузки питаемых ПС.
Характеристика срабатывания ДЗ должна не пересекать область, где располагается Zнагр.сз.
Вырез нагрузки
Для линий с большим перетоком активной мощности, когда вектор Zнагр пересекает правую боковую сторону полигональной характеристики, применяют вырез нагрузки (специальный параметр настройки Rуст.нагр [2]):
Rуст.нагр ≤ |Zнагр| / (kн · kв) · cos(φнагр)
Угол выреза нагрузки: φуст.нагр ≥ φнагр.макс ± φзап
Вырез нагрузки доступен в терминалах с полигональной характеристикой. Терминалы с круговой характеристикой используют смещение характеристики в первый квадрант плоскости Z или замену круга на эллипс/линзу.
Что проверить на объекте с большой двигательной нагрузкой
Если на питаемых подстанциях присутствует высокая доля электродвигателей (насосные агрегаты, компрессоры, дробилки, мельницы), нужно проверить четыре позиции:
- Доля двигательной нагрузки. Чем выше доля двигателей в составе нагрузки ПС, тем больше kсзп и тем сильнее уставка МТЗ «уходит» от зоны удаленных КЗ.
- Условие чувствительности МТЗ. Коэффициент чувствительности МТЗ проверяется при двухфазном КЗ в конце резервируемого участка. Если kч < 1,2 — МТЗ с функцией дальнего резервирования не выполняет нормативное требование.
- Режим самозапуска как расчетный случай. Расчет уставок без учета самозапуска занижает реальный максимальный ток нагрузки. Это приводит либо к заниженной уставке с риском ложного срабатывания при самозапуске, либо к потере чувствительности к дальним КЗ, если уставка пересмотрена корректно.
- Тип характеристики ДЗ и наличие выреза нагрузки. Устаревшие терминалы с круговой характеристикой без возможности смещения или выреза хуже справляются с отстройкой при одновременно большом нагрузочном токе и тяжелом угле нагрузки.
Когда нужен ретрофит РЗА
Замена устройства РЗА на современный микропроцессорный терминал целесообразна, если:
- Электромеханические реле МТЗ имеют фиксированные характеристики срабатывания без возможности учета самозапуска в алгоритме.
- ДЗ с круговой характеристикой без выреза нагрузки не обеспечивает одновременно нужный kч для дальнего резервирования и отстройку от нагрузочных режимов.
- Анализ расчетных условий показывает, что на существующем оборудовании невозможно выполнить нормативный kч ≥ 1,2 для ступени дальнего резервирования.
Современные МП-терминалы реализуют полигональную характеристику с настраиваемым вырезом нагрузки, независимыми уставками по каждой ступени и регистрацию осциллограмм для анализа режимов. Это позволяет подобрать параметры настройки с учетом реального состава нагрузки и проверить работу защиты на основе осциллограмм реальных переходных процессов.
Где это особенно актуально
Задача дальнего резервирования с большой двигательной нагрузкой характерна для объектов, где электроснабжение организовано от двух ступеней РУ 6–35 кВ с мощными электродвигателями на питаемых подстанциях:
- Нефтегазовые месторождения: промысловые схемы с насосными и компрессорными агрегатами, приводами станков-качалок.
- Горнодобывающие комбинаты: экскаваторы, дробилки, мельницы, насосные установки водоотлива на ПС 35/10 кВ.
- Добыча руд цветных металлов: шаровые и стержневые мельницы, флотационные машины, конвейерные приводы.
- Распределительные сети: РП 6–35 кВ с несколькими ответвлениями и смешанным составом нагрузки.
На этих объектах при плановом пересмотре уставок необходимо выполнять расчет с явным учетом kсзп и проверкой режима самозапуска как отдельного расчетного случая.
Какие решения ЭСТРА стоит рассмотреть
Для присоединений 6–35 кВ с большой двигательной нагрузкой применимы:
- Терминалы серии МКЗП-МИКРО 2.0: реализуют МТЗ с несколькими независимыми ступенями, АПВ, АВР и функции дальнего резервирования. Поддерживают настройку уставок с учетом самозапуска.
- Ретрофит ячеек КСО, КРУ — замена устаревших реле МТЗ на современные терминалы без замены силовой части ячейки. Актуально, если расчет показал несоответствие уставок требованиям к дальнему резервированию.
- Защита электродвигателей — защита двигателей непосредственно на питаемых подстанциях снижает вероятность развития аварии до стадии, когда задействуется дальнее резервирование.
- ПО Oscillo — анализ осциллограмм переходных процессов позволяет верифицировать расчетные режимы самозапуска по реальным данным.
FAQ
Можно ли обеспечить дальнее резервирование на линии с большой двигательной нагрузкой только правильной настройкой МТЗ?
В ряде случаев — да, если kсзп невысок и расчетный ток удаленного КЗ достаточен. Но при высокой доле двигателей МТЗ физически не может одновременно отстроиться от самозапуска и сохранить kч ≥ 1,2 к дальнему КЗ. В этом случае нормативы прямо допускают отказ от дальнего резервирования для части режимов либо переход на дистанционную защиту.
Чем дистанционная защита лучше МТЗ при большой двигательной нагрузке?
ДЗ измеряет сопротивление, а не ток. В режиме самозапуска сопротивление снижается, но угол φнагр.сз и модуль Zнагр.сз при правильном расчете остаются за пределами зоны срабатывания. При удаленном КЗ вектор сопротивления Zр попадает в зону действия. Это разграничение работает там, где МТЗ видит оба режима как «большой ток» и не может их различить.
Что такое вырез нагрузки и когда он нужен?
Вырез нагрузки — это параметр настройки полигональной характеристики ДЗ, ограничивающий зону срабатывания со стороны активных сопротивлений. Он задается уставкой Rуст.нагр и углом φуст.нагр. Применяется при большом перетоке активной мощности, вектор Zнагр пересекает правую боковую сторону характеристики и возникает риск ложного срабатывания.
Как понять, что существующая защита не обеспечивает дальнего резервирования?
Проверить коэффициент чувствительности при металлическом двухфазном КЗ в конце резервируемого участка. Если kч < 1,2 для ступени дальнего резервирования, нормативное требование не выполнено [2]. Дополнительный признак: расчетная уставка МТЗ по условию самозапуска превышает ток КЗ в конце смежного участка.
На каких объектах проблема наиболее острая?
На промышленных объектах с высокой долей синхронных двигателей ситуация острее: при восстановлении питания двигатели могут выпасть из синхронизма и создать дополнительный бросок тока. Также на объектах с длинными линиями 6–35 кВ, где ток КЗ в конце резервируемого участка мал из-за сопротивления линии.
Источники
- Методические указания по расчету уставок защит распределительных сетей 6/35 кВ. Разделы 3 (общие принципы резервирования), 3.4.5 (расчет уставок МТЗ с учетом kсзп).
- Методические указания по расчету и выбору параметров настройки дистанционных защит линий электропередачи 110 кВ и выше. АО «СО ЕЭС», 2021. Разделы 3.3.5 (нормативные kч), 3.4 (отстройка от нагрузки и самозапуска), 4.3.4 (III ступень ДЗ и дальнее резервирование).
- Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007. С. 176 (токи после АПВ при двигательной нагрузке), §7.7 (область нагрузочных режимов в плоскости Z для ДЗ).
- Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1992. Гл. 5 (отстройка МТЗ от самозапуска, коэффициент kз), гл. 6 (дистанционная защита, kч ≥ 1,25 для резервирования смежных элементов).
- ПУЭ, 7-е издание. Глава 3.2 (требования к релейной защите, п. 3.2.54 — условия применения только МТЗ без токовой отсечки).