Защита минимального напряжения (ЗМН): назначение, принцип работы и расчёт уставок

Что такое защита минимального напряжения

Защита минимального напряжения контролирует уровень напряжения на секции шин и подаёт команду на отключение при его снижении ниже уставки срабатывания с заданной выдержкой времени. Измерительный орган относится к органам минимального действия: он срабатывает при уменьшении контролируемой величины, поэтому для него задают коэффициент возврата больше единицы.

ЗМН не определяет место повреждения. Она фиксирует режим, при котором напряжение на шинах стало недостаточным для работы двигателей, независимо от причины: близкое короткое замыкание (КЗ), перегрузка сети или потеря питания секции. По этой причине ЗМН работает совместно с автоматическим повторным включением (АПВ) и/или автоматическим вводом резерва (АВР). Общие принципы работы измерительных органов разобраны в материале о том, что такое релейная защита.

Зачем нужна ЗМН: режим самозапуска двигателей

Асинхронный двигатель при снижении напряжения снижает частоту вращения, а при глубоком провале останавливается. После восстановления напряжения группа двигателей разворачивается одновременно, в этом режиме пусковой ток двигателя превышает номинальный в 5–7 раз.

Режим самозапуска тяжелее нормального пуска отдельных двигателей. Одновременный разворот большого числа машин вызывает снижение напряжения и увеличение тока. Суммарный пусковой ток создаёт падение напряжения на сопротивлении питающей сети, и напряжение на выводах двигателей опускается ниже уровня, достаточного для разгона, поэтому самозапуск не завершается.

Принцип работы ЗМН: две ступени

В отечественной практике ЗМН двигателей выполняют в две ступени (две очереди):

• Первая ступень отключает неответственные двигатели, не участвующие в самозапуске, и освобождает мощность для разгона ответственных.
• Вторая ступень отключает все двигатели при длительном исчезновении напряжения по условиям технологического процесса и техники безопасности.

Если первая ступень обеспечила самозапуск ответственных двигателей, вторая ступень не работает. Отключённые по ЗМН присоединения возвращают в работу действием АПВ.

Метод работает при условии, что нагрузку можно разделить на ответственную и неответственную. Список отключаемых по каждой ступени двигателей согласуют с эксплуатирующей организацией. Если такое деление невозможно, первая ступень теряет смысл, и защиту сводят к одной ступени с отключением всей группы.

Что контролирует ЗМН: выбор напряжения и блокировки

ЗМН срабатывает при снижении всех линейных напряжений секции ниже уставки. Контролировать можно фазные или линейные напряжения, а также напряжение прямой последовательности U₁. Измерение по U₁ имеет преимущество: при разных видах КЗ отдельные фазные и линейные напряжения снижаются до нуля, поэтому исчезновение одного из них не всегда означает потерю питания секции.

Работа ЗМН зависит от исправности цепей напряжения. При перегорании предохранителя или отключении автомата в цепях трансформатора напряжения (ТН) измеряемое напряжение падает без реального снижения на шинах, и защита без блокировки вызовет ложное отключение нагрузки. При неисправности цепей напряжения ступени ЗМН блокируются устройством контроля цепей напряжения (КЦН).

Вторая блокировка исключает неселективное отключение вводных присоединений. При КЗ на отходящей линии небольшой протяжённости напряжение на секции проседает, и ЗМН ввода может сработать раньше, чем токовая защита линии отключит повреждение. Для этого вводят блокировку ЗМН при пуске токовых защит.

Где применяется ЗМН: двигатели, линии, вводные выключатели

Назначение и уставки ЗМН зависят от присоединения, на котором её реализуют (Метод. указания ЭСТРА, §3.4.11). Различают три случая:

1. ЗМН двигателя. Защита общая для всех электродвигателей секции, выполняется в две ступени и отключает сначала неответственные, затем все двигатели (Метод. указания ЭСТРА, §3.4.11).
2. ЗМН линии. Одноступенчатая защита отходящей линии с двигательной нагрузкой (Метод. указания ЭСТРА, §3.4.11).
3. ЗМН вводного выключателя. Защита фиксирует исчезновение питания на секции и запускает АВР (Метод. указания ЭСТРА, §3.4.11).

Установку защиты минимального напряжения на электродвигателях предусматривает ПУЭ. Третий случай связывает ЗМН с автоматикой резервирования: пусковой орган минимального напряжения на вводе служит признаком потери питания секции для схемы АВР. Расчёт и логика самого АВР разобраны в материале об автоматическом вводе резерва в сетях 6–35 кВ.

Уставки ЗМН: напряжение и время срабатывания

Уставки задают отдельно для каждого применения. По методике ЭСТРА рекомендуются следующие значения:

Уровень 0,7 U_ном для первой ступени соответствует напряжению в условиях самозапуска двигателей нагрузки. Порог второй ступени 0,5 U_ном отделяет глубокое длительное снижение, при котором сохранять двигатели в работе недопустимо по условиям техпроцесса.

Диапазон выбора порога ограничен с двух сторон. Значение выше 0,65 U_ном не принимают по условию отстройки от эксплуатационных снижений напряжения. Значение ниже 0,4 U_ном не берут: при таком пороге защита может отказать при КЗ на защищаемых шинах через переходное сопротивление. Для вводного выключателя порог опускают до 0,25–0,35 U_ном, поскольку признаком полной потери питания служит глубокое снижение напряжения.

Расчёт параметров срабатывания ЗМН

Напряжение срабатывания минимального реле напряжения выбирают по условию его возврата после отключения внешнего КЗ (Шабад, §2.3):

U_с.з = U_мин / (k_н · k_в)

где U_мин обозначает минимальное остаточное напряжение в месте установки ТН в начале самозапуска двигателей, k_н равен коэффициенту надёжности 1,1–1,2, а k_в равен коэффициенту возврата реле (1,2 для реле РН-50) (Шабад, §2.3). В блоках МКЗП коэффициент возврата органов минимального действия фиксирован и равен 1,05 (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, §4.1.4).

Методические указания АО «СО ЕЭС» задают три условия отстройки для органа минимального напряжения (Метод. указания АО «СО ЕЭС», 2021, §8.1.2):

• отстройка от нагрузочного режима: U_с.з ≤ U_{нагр.мин} / (k_н · k_в), при k_н = 1,2;
• отстройка от самозапуска двигателей: U_с.з ≤ U_мин / k_н, где U_мин ≈ 0,7 U_ном;
• отстройка от напряжения неповреждённой фазы: U_с.з ≤ U_неп / k_н.

Определяющим становится наименьшее из трёх значений. Выдержку времени ЗМН вводного выключателя принимают на ступень селективности больше выдержек защит присоединений, при КЗ в зоне действия которых напряжение на резервируемых шинах снижается до уставки срабатывания (Метод. указания ЭСТРА, §3.4.11).

Реализация ЗМН в блоках МКЗП-Микро 2.0 и ЭСТРА-ПС

Микропроцессорные блоки МКЗП-Микро 2.0 и ЭСТРА-ПС реализуют ЗМН в двух ступенях (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, §4.1.4). Каждую ступень настраивают в одной из конфигураций: с блокировкой по дискретному входу, с блокировкой от пуска максимальных токовых защит (МТЗ-3 и МТЗ-4), с действием на сигнал или на отключение (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, §4.1.4). Диапазоны уставок:

• напряжение срабатывания U_ср: 0,2–100 В во вторичных величинах, дискретность 0,1 В, заводское значение 60 В;
• коэффициент возврата пусковых органов: 1,05;
• выдержка времени срабатывания Т_ср: 0–300 с, дискретность 0,01 с, заводское значение 1 с (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, §4.1.4).

Функциональная схема ЗМН зависит от типа присоединения: для отходящей линии и ввода применяют одну схему, для присоединения с ТН другую (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, §4.1.4).

Для корректной работы задают дискретные входы «Авт ТН», «Разр ЗМН» и «РПВ» (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, раздел «Уставки защит»).

ЗМН секции реализуют двумя способами. Централизованная ЗМН измеряет напряжение секции одним устройством, которое подаёт общую команду на отключение неответственных присоединений. Распределённая ЗМН реализует функцию в терминале каждой ячейки двигателя (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, §4.1.4). Замена устаревших электромеханических комплектов на терминалы МКЗП рассмотрена в материале о ретрофите РЗА ячеек 6–35 кВ.

Проверка и наладка ЗМН

Проверку ЗМН выполняют, например, испытательным комплексом РЕТОМ. При наладке проверяют три параметра каждой ступени ЗМН: напряжение срабатывания, коэффициент возврата и выдержку времени. Отдельно проверяют блокировку по цепям напряжения: имитируют неисправность цепей ТН и убеждаются, что ступени ЗМН блокируются вместо отключения нагрузки (Руководство по эксплуатации МКЗП-Микро 2.0, §4.1.4).

Частые вопросы