Автоматизированный выбор уставок цифровой релейной защиты трансформаторов

Аннотация. В данной статье рассмотрены пример программы по автоматизированному расчёту микропроцессорной релейной защиты трансформаторов и вопросы полной автоматизации такой задачи с минимальным участием специалиста.

Abstract. This article describes an example of a program for the automated calculation of the microprocessor relay protection of transformers and the issues of the full automation of such a task with minimal expert participation.

Ключевые слова: трансформатор, релейная защита, токовая отсечка, максимально-токовая защита, короткое замыкание, дуговое замыкание.

Keywords: transformer, relay protection, overcurrent protection, overcurrent protection, short circuit, arc circuit.

Понижающие трансформаторы 6(10)/0,4 кВ являются самым распространенным элементом в сетях 6(10) кВ. Область их применения достаточно велика – от жилых домов до подстанций высокого класса напряжений, где они применяются в качестве трансформаторов собственных нужд. Часто возникают вопросы с расчётом релейной защиты таких трансформаторов. Согласно ПУЭ на трансформаторах должны быть установлены следующие виды защит: максимальна-токовая защита (основная защита, резервирует следующий участок), токовая отсечка (дополнительная защита, быстро отключает большие токи КЗ); спец. МТЗ (имеет большую чувствительность к однофазным КЗ, чем МТЗ); защита от перегрузки (настраивается под перегрузочную характеристику и устраняет малые аварийные токи). Вопросы защиты трансформаторов предохранителями не рассматриваются.

Расчёт релейной защиты трансформаторов требует определённых навыков, опыта и владения специальной литературой, однако возможно максимально упростить все расчёты при помощи автоматизированных программ, тем самым участие человека в расчётах будет сведено к минимуму. Разумеется, один из самых ответственных и сложных этапов проектирования, а именно сбор исходных данных, в любом случае придётся выполнять что называется «вручную». Далее при расчёте уставок участие человека ограничивается выбором трансформаторов тока, наладкой релейной защиты и т.д.

К расчётам релейной защиты трансформатора стоит подходить максимально ответственно, ведь последствия неправильных расчётов или неверной наладки защиты не заставят себя долго ждать (начиная недоотпуском электроэнергии и заканчивая выходом из строя оборудования).

Программу по автоматизированному расчёту можно разработать в среде Excel. После первого этапа проектирования релейной защиты, а именно сбора исходных данных, следует приступать непосредственно к расчётам. В первую очередь необходимо задать паспортные данные трансформатора, а также токи коротких замыканий на шинах 6(10) кВ, тип отходящей нагрузки и параметры вводного автомата 0,4 кВ. К каждой цифре исходных данных следует отнестись серьёзно, ведь неточность выполнения любого из этих этапов может привести к максимально неприятным последствиям. Стоит отметить, что также важен тип отходящей нагрузки – обобщённый либо бытовой. В дальнейшем это повлияет на расчёт коэффициента самозапуска и, соответственно, на уставку максимально-токовой защиты. Напомню, что коэффициент самозапуска позволяет отстроить защиту от пусковых токов двигательной нагрузки. Тип нагрузки необходимо выбрать из выпадающего списка программы.

Рисунок 1. Ввод исходных данных

Для наглядного понимания все исходные данные представим на рисунке.

Рисунок 2. Исходные данные к расчёту релейной защиты трансформатора

После ввода исходных данных программа рассчитывает сопротивления элементов (трансформатора и системы) для расчёта токов коротких замыканий. Сопротивления приведены к стороне ВН. Также рассчитывается сопротивление трансформатора токам нулевой последовательности, после чего можно приступать к расчётам токов КЗ. Расчёт ТКЗ для релейной защиты трансформатора – это довольно сложный и трудоёмкий этап, где очень легко допустить ошибку практически в любом месте. Особенность расчёта заключается в том, что защита трансформатора устанавливается на стороне ВН, а повреждения могут и происходят на стороне НН. Ток повреждения на стороне 0,4 кВ претерпевает существенные изменения, прежде чем попасть в защиту. На величину тока (который «увидит» релейная защита) влияют такие особенности, как трансформация через схему соединения обмоток трансформатора и через схему исполнения релейной защиты (не говоря уже о коэффициентах трансформации). Расчёт вручную требует следующего порядка действия: расчёт КЗ на стороне 0,4 кВ, приведение тока с учётом соединения обмоток на сторону 6(10) кВ, трансформация тока в защиту с учётом трансформаторов тока и схемы исполнения релейной защиты. Начинающие и неопытные инженерам могут допустить ошибку в любом из этих расчётов и, следовательно, защита может быть отстроена от тех токов КЗ, которые никогда в неё не попадут. Программа все вышеописанные нюансы учитывает автоматически и позволяет рассчитать именно те токи, которые попадут непосредственно в защиту. Стоит отметить, что расчёт ведётся для микропроцессорной защиты, которая в абсолютном большинстве выполняется по трёхрелейной схеме (даже если защита строится на двух трансформаторах тока, т.к. ток третьей фазы она, как правило, рассчитывает). Помимо металлических замыканий программа считает и замыкания через активное сопротивление дуги, т.е. дуговые замыкания. Справедливости ради стоит уточнить, что практически все замыкания на стороне 0,4 кВ происходят именно через дугу, т.е. чувствительность защиты рекомендуется проверять и по токам дуговых коротких замыканий. Сопротивление дуги принимается равным 15 мОм, приведённым к стороне 0,4 кВ. В программе формируется таблица с результатами расчётов минимальных и максимальных токов КЗ, которые попадут в защиту.

Рисунок 3. Расчёт токов КЗ

Следующий этап – расчёт максимально-токовой защиты. Уставка защиты отстраивается от нагрузочных режимов и согласуется с уставкой автомата 0,4 кВ, после чего определяется чувствительность и выводится заключение о выбранной защите – обеспечивает или не обеспечивает необходимую чувствительность.

Рисунок 4. Расчёт максимально-токовой защиты

Вывод о чувствительности защиты можно пронаблюдать в соответствующей ячейке программы. После принимается решение о необходимости установки защиты от однофазных коротких замыканий (спец.МТЗ). Необходимость установки данной защиты в большей степени обусловлена схемой соединения обмоток трансформатора. Схема соединения обмоток влияет на сопротивление трансформатора токам нулевой последовательности. Сопротивление нулевой последовательности трансформатора со схемой соединения D/Yо немного меньше сопротивления прямой последовательности. Это обусловлено тем, что токи нулевой последовательности замыкаются в треугольнике и циркулируют там, не попадая в сеть. Соответственно, ток однофазного короткого замыкания для такого трансформатора будет немного превышать значение трёхфазного ТКЗ. Если же рассмотреть трансформатор со схемой соединения обмоток Y/Yo, то здесь дела обстоят совсем иначе. Сопротивление нулевой последовательности достаточно велико и может на порядок превышать сопротивление прямой последовательности трансформатора. Токи нулевой последовательности замыкаются через бак трансформатора, болтовые соединения и др. Естественно, ввиду значительного сопротивления нулевой последовательности ток однофазного короткого замыкания будет достаточно мал, поэтому максимальная токовая защита, как правило, не чувствует данные токи, и на таких трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Yo требуется установка специальной МТЗ для защиты от однофазных коротких замыканий.

Расчёт спец.МТЗ происходит следующим образом: первоначально нужно указать, есть ли на вводном автомате 0,4 кВ токовая защита нулевой последовательности. Так, например, в некоторых автоматах фирмы Schneider Electric на базе Micrologic 5.0 и др. такая функция предусмотрена, поэтому защиту нужно согласовывать в том числе с данным автоматом. Чувствительность токовой защиты нулевой последовательности всегда очень высока, и защита может быть рекомендована к установке.

Рисунок 5. Расчёт специальной максимально-токовой защиты

После расчёта из выпадающего списка предлагается выбрать необходимый трансформатор тока, установленный в нейтрали.

Рисунок 6. Выбор трансформатора тока для установки в нейтрали

К установке в программе рекомендуется принимать токовое реле РСТ-40, для чего в интерфейс интегрированы таблица исполнения по уставкам на ток срабатывания всех типов данного реле.

Токовая отсечка отстраивается от бросков тока намагничивания и максимального тока короткого замыкания на стороне 0,4 кВ.

Рисунок 7. Расчёт токовой отсечки

После расчёта всех защит из выпадающего списка соответствующей ячейки можно выбрать необходимые трансформаторы тока, после чего все уставки автоматически пересчитаются. Соответствия между рассчитанными уставками и их названиями в блоке БМРЗ-125-КЛ-01 можно определить по цветовому окрасу.

Рисунок 8. Уставки релейной защиты трансформатора

На данном рисунке предоставлен окончательный результат расчёта уставок без промежуточных вычислений.

Таким образом, разработанная программа позволяет рассчитывать релейную защиту понижающих трансформаторов 6(10)/0,4 кВ. Этапы расчётов можно систематизировать следующим образом: ввод всех исходных данных, расчёт МТЗ, если МТЗ недостаточно чувствительна, то рассчитывается спец.МТЗ от однофазных замыканий, расчёт токовой отсечки, выбор трансформаторов тока и формирование таблицы с окончательными значениями уставок.