СХЕМА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ И ЗОННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ Российский патент 2015 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к релейной защите и автоматике (РЗиА) распределительных электрических сетей, предназначено для повышения долговечности и ресурсосбережения изоляции силовых кабелей 6(10) кВ с улучшением условий электробезопасности и селективности работы защит за счет минимизации времени отключения в случае междуфазных коротких замыканиях (КЗ) и снижения разрушающих воздействий на изоляцию кабелей 6(10) кВ факторов, обусловленных токами короткого замыкания (термических и электродинамических импульсов), и может быть использовано в городских распределительных кабельных сетях.

В настоящее время, известна схема релейной защиты в городских распределительных кабельных сетях 6 и 10 кВ от междуфазных коротких замыканий (принятый за прототип) [Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. - 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: ПЭИПК, ООО «Политехника-сервис», 2003, стр. 108-116], согласно которой на одиночных кабельных линиях (КЛ) с односторонним питанием от многофазных (междуфазных) замыканий устанавливается, как правило, двухступенчатая токовая защита, первая ступень которой выполнена в виде токовой отсечки (ТО), а вторая - в виде максимальной токовой защиты (МТЗ) с независимой или зависимой характеристикой выдержки времени. На КЛ 6(10) кВ автоматическое повторное включение (АПВ) рекомендуется применять в случаях, когда оно может быть эффективным в связи со значительной вероятностью повреждений с образованием открытой дуги (например, наличие нескольких промежуточных сборок, питание по одной линии нескольких подстанций), а также с целью исправления неселективного действия защиты. Для токовых отсечек без выдержки времени, устанавливаемых на линиях и выполняющих функции дополнительных защит, коэффициент чувствительности должен быть около 1,2 при КЗ в месте установки защиты в наиболее благоприятном по условию чувствительности режиме (в максимальном). Токовые отсечки применяются на нереактированных линиях при необходимости быстрого отключения КЗ, вызывающих снижение напряжения ниже 0,5-0,6 номинального на шинах подстанции с синхронными электродвигателями, или для обеспечения термической стойкости [Правила устройства электроустановок [Текст]: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 7-й выпуск. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007, п. 3.2.93, стр. 431; п. 3.3.2, стр. 446; п. 3.2.26, стр. 406; п. 3.2.93, стр. 431].

В схеме-прототипе при выборе типа и уставок защит в городской распределительной кабельной сети не учитываются вопросы повышения долговечности и ресурсосбережения изоляции, срок эксплуатации кабелей, количество ранее перенесенных коротких замыканий, местоположение кабеля в схеме фидера (вся кабельная сеть, подключенная к одному выключателю). В недостаточном объеме учтены вопросы выбора типа защит и уставок в радиальной кабельной сети с учетом снижения термического (теплового) и электродинамического импульсов при КЗ, даже если сечение проложенных кабелей удовлетворяет требованиям термической стойкости, а также согласования селективности токовых отсечек и обеспечение условий электробезопасности.

К недостаткам существующей схемы выбора уставок устройств релейной защиты и автоматики в распределительной кабельной сети, по критериям негативного воздействия факторов, связанных с протеканием токов короткого замыкания на изоляцию и ухудшения условий электробезопасности, следует отнести:

1. Анализ применяемых защит в настоящее время показывает, что городская распределительная кабельная сеть 6(10) кВ в условиях эксплуатации защищается только одной ступенью максимальной токовой защиты МТЗ с временем от 1 до ≈ 5 секунд в зависимости от схемы сети, количества трансформаторных подстанций (ТП), типа подключенной нагрузки (двигательной или бытовой) и условий согласования с предыдущими элементами (РП - Распределительный Пункт, ТП, РТП - Распределительная Трансформаторная Подстанция) при любых типах реле. Увеличение времени отключения поврежденного участка ухудшает условия электробезопасности для человека и повышает негативное воздействие токов КЗ на изоляцию кабелей [Коржов, А.В. Методика оценки селективности работы устройств релейной защиты и автоматики с учетом охраны труда и повышения долговечности изоляции кабелей 6(10) кВ [Текст] / А.В. Коржов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2012. - Выпуск 18. - №37 [296]. - С. 12-17].

Указанный недостаток влияет на применяемое сечение кабелей. Сечение силовых кабелей выбирается по нагреву и экономической плотности тока. Если сечение кабеля, определенное по этим условиям, получается меньше сечения, требуемого по другим условиям (термическая стойкость при токах КЗ, потери и отклонения напряжения, механическая прочность, защита от перегрузки), то должно приниматься наибольшее сечение, требуемое этими условиями [Правила устройства электроустановок [Текст]: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 7-й выпуск. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007]. Практика показывает, что зачастую определяющим фактором выбора сечения кабельной линии в городских электрических сетях напряжением 6(10) кВ является термическая стойкость при КЗ, что значительно увеличивает сечение применяемого кабеля, выбранного по нагреву и рабочей нагрузке, и стоимость КЛ 6(10) кВ.

Кроме того, в соответствии с циркуляром [Циркуляр № Ц-02-98 (Э). О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания. - М.: РАО «ЕЭС России», 1998] силовые кабели до 10 кВ необходимо проверять также и по условиям невозгорания, что приводит к дальнейшему увеличению сечения кабельных линий, особенно на подстанциях с большими токами КЗ на шинах 6(10) кВ.

Согласно [ГОСТ Р 50254-92. Межгосударственный стандарт. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания. Утвержден и введен в действие постановлением Госстандарта России от 08.09.92 №1141] проверка проводников на термическую стойкость при коротких замыканиях заключается в определении их температуры нагрева к моменту отключения КЗ и сравнении данной температуры с предельно допустимой температурой нагрева. Если нагрузка проводника (жил кабеля) до КЗ близка к продолжительно допустимой, минимальное сечение проводника, отвечающее условию термической стойкости при КЗ, следует рассчитывать по формуле:

где C_т=90 - постоянная для силовых кабелей (принимается в зависимости от типа кабеля); B_тер - интеграл Джоуля или тепловой импульс от тока КЗ.

По статистическим данным, собранным нами в городских распределительных кабельных сетях г. Челябинска [Коржов, А.В. Математическая модель повреждаемости изоляции силовых кабельных линий городских электрических сетей [Текст] / А.В. Коржов, А.И. Сидоров, Е.Ю. Юрченко, А.Б. Николаевский //Электрические станции. - 2008. - №8. - С. 40-47. Коржов, А.В. Методы и модели оценки состояния изоляции и электробезопасности кабельных линий 6(10) кВ городских электрических сетей [Текст]: монография / А.В. Коржов, А.И. Сидоров. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - 252 с.], установлено, что среднее время наработки изоляции КЛ до отказа для одного района сети, для кабелей, питающих и идущих от РП, составило 186 месяцев, а для кабелей, находящихся дальше от источника питания, связывающих ТП - 200 месяцев. Уменьшение времени наработки изоляции до отказа у КЛ, идущих от РП, выполненных большим сечением, чем КЛ между ТП, взаимосвязано с тем, что данные кабели воспринимают воздействия тепловых импульсов всех КЗ, происходящих в разветвленной кабельной сети. Для одного участка кабельной сети г. Челябинска (фиг. 1), в качестве примера, показано удельное количество КЗ, приведенное к одному году эксплуатации каждого кабеля. Количество КЗ определялось как сумма собственных коротких замыканий (N) за время эксплуатации кабеля (7) и коротких замыканий на кабелях, идущих ниже по схеме. Удельное количество (k) определялось делением числа КЗ на возраст кабеля. На фиг. 2 приведены эмпирические функции безотказной работы головных кабелей (кабель от РП) и кабелей, находящихся ниже по схеме фидера (КЛ 1-3 удаление от РП, между ТП), по статистике о повреждаемости изоляции по кабельным сетям 6 кВ г. Нефтекамск. Полученные результаты показали, что долговечность работы и ресурс изоляции силовых кабелей 6(10) кВ в условиях эксплуатации городской распределительной сети взаимосвязаны между собой, в структуре схемы всего фидера и связаны с выбранными уставками и типами устройств релейной защиты и автоматики, а как следствие, - воздействием факторов, связанных с токами КЗ [Коржов, А.В. Исследование влияния магнитной составляющей электромагнитного поля на интенсивность частичных разрядов в кабелях с бумажной пропитанной и полиэтиленовой изоляцией [Текст] / А.В. Коржов // Кабели и Провода. - М., 2012. - №6 (337). - С. 10-15], термическими и электродинамическими импульсами при коротких замыканиях [Коржов, А.В. Методика выбора уставок релейной защиты и зонное автоматическое повторное включение в кабельной сети 6(10) кВ для ресурсосбережения изоляции и улучшения условий труда [Текст] / А.В. Коржов // Промышленная энергетика. - М. - 2013. - №2. - С. 10-16]. Данный факт связан со спецификой радиальной кабельной сети и с тем, что устройства релейной защиты действуют на выключатели расположенные в голове схемы, а любое КЗ на кабелях фидера будет проявляться во всей радиальной цепочке на вышерасположенных кабелях.

2. На сегодняшний день, реально, учитывая, что многофазные КЗ в кабеле не самоустраняются, АПВ на КЛ выводят, при этом попутно добиваются снижения интеграла Джоуля на 50%. Однако при этом проявляется другая проблема: установленные в качестве дополнительных защит (МТЗ основная) токовые отсечки (ТО) с принятым коэффициентом чувствительности 1,2 становятся неэффективными, их выводят из действия, что приводит к обратному росту термического импульса. При выводе АПВ необходимо уставку тока срабатывания ТО отстраивать от тока КЗ в точке подключения трансформаторов [Коржов А.В. Методика выбора уставок релейной защиты и зонное автоматическое повторное включение в кабельной сети 6(10) кВ для ресурсосбережения изоляции и улучшения условий труда [Текст] / А.В. Коржов // Промышленная энергетика. - М. - 2013. - №2. - С. 10-16].

3. Увеличение времени отключения поврежденного участка ухудшает условия электробезопасности для человека и увеличивает негативное воздействие на изоляцию термических, электродинамических импульсов и факторов, связанных с магнитной составляющей электромагнитного поля кабеля, снижает ее ресурс.

4. Невозможно добиться полной селективности и резервирования защит на питающей подстанции с защитами ТП 6(10)/0,4кВ разной мощности, что приводит к дополнительному негативному воздействию на ресурс кабелей в условиях эксплуатации [Коржов, А.В. Методика оценки селективности работы устройств релейной защиты и автоматики с учетом охраны труда и повышения долговечности изоляции кабелей 6(10) кВ [Текст] / А.В. Коржов //Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2012. - Выпуск 18. - №37 [296]. - C. 12-17].

От выбора схемы, уставок защит и автоматики в городских распределительных электрических сетях и селективности их работы зависит степень негативного воздействия токов короткого замыкания на изоляцию силовых кабелей 6(10) кВ (тепловое и электродинамическое воздействие и воздействие факторов, связанных с магнитной составляющей электромагнитного поля кабеля), а также условия труда и электробезопасность обслуживающего персонала и населения. При неселективной работе защит увеличивается время поиска повреждений и количество оперативных переключений (в зависимости от количества подключенных трансформаторных подстанций 6(10)/0,4 кВ (ТП) разной мощности), что увеличивает пребывание электротехнического персонала в опасных зонах действующих электроустановок.

5. Для прохождения кабелей по условиям невозгорания требуется значительное завышение сечения действующих кабелей, требуемого по условиям нагрузки.

Таким образом, прототип не обеспечивает полной эффективности по критериям повышения долговечности и ресурсосбережения изоляции кабелей 6(10) кВ и по условиям электробезопасности для человека.

В основу изобретения положена техническая задача создания схемы релейной защиты и автоматики в городской распределительной кабельной сети, которая позволит устранить недостатки прототипа, а именно осуществить защиту КЛ с односторонним питанием от многофазных замыканий с учетом повышения долговечности и ресурсосбережения изоляции силовых кабелей 6(10) кВ с улучшением условий электробезопасности для человека и селективности работы защит за счет минимизации времени отключения в случае междуфазных коротких замыканиях и снижения разрушающих воздействий на изоляцию кабелей 6(10) кВ факторов, обусловленных токами короткого замыкания (термических и электродинамических импульсов).

Указанная задача решается тем, что схема содержит токовую отсечку, выбранную в качестве основной защиты кабельных линий, питающих две и более ТП, с коэффициентом чувствительности 1,5 в минимальном режиме питающей сети, максимальную токовую защиту на головных выключателях фидеров распределительной сети, выбранную в качестве резервной защиты ТП - 6(10)/0,4 кВ, и дополнительную ступень МТЗ на вводах 6(10) кВ питающих подстанций, выбранную как резервную защиту КЛ по условиям невозгорания, согласованной по времени срабатывания с ТО, отходящих от шин кабельных фидеров, а также зонную автоматику повторного включения на головных выключателях фидеров, выбранную с блокировкой работы при токах короткого замыкания больше расчетных в конце радиальной ветки кабельного фидера, работающую в зависимости от зоны короткого замыкания - Зонное АПВ (ЗАПВ), а именно: при значениях токов КЗ более минимального значения междуфазного КЗ в самом дальнем конце защищаемого кабельного фидера 6(10) кВ выполняется блокировка (вывод) работы АПВ, т.е. ЗАПВ не работает при КЗ на КЛ, и работает при КЗ в трансформаторных подстанциях (ТП) 6(10)/0,4 кВ вместо слепого (или выведенного) АПВ, работающего при всех видах КЗ (на КЛ и в ТП) по факту аварийного отключения выключателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 дан пример участка радиальной кабельной сети с указанием удельного количества КЗ; на фиг. 2 приведены функции безотказной работы головных кабелей 6(10) кВ и кабелей, находящихся ниже по схеме фидера по г. Нефтекамск; на фиг. 3 приведена схема участка городской кабельной сети 110/10(6) кВ (в скобках указаны токи КЗ для сети 6 кВ); на фиг. 4 представлена карта селективности для ПС 110/10 кВ; на фиг. 5 дана функциональная схема запрета АПВ при КЗ в КЛ, реализованная в микропроцессорных терминалах; на фиг. 6 приведены результаты эффективности работы предложенной схемы, подтверждающие ресурсосберегающую функцию на изоляцию силовых кабелей 6(10) кВ с бумажной пропитанной изоляцией, полученные нами по результатам исследований в кабельных сетях г. Нефтекамск.

Схема релейной защиты и зонного автоматического повторного включения кабельных линий 6(10) кВ в распределительной сети для обеспечения повышения долговечности и ресурсосбережения изоляции силовых кабелей 6(10) кВ с улучшением условий электробезопасности для человека, для исправления неселективности работы защит, повышающая надежность электроснабжения, снижающая тепловое и электродинамическое воздействие на изоляцию токов КЗ и вероятное во время аварий время пребывания и производства работ оперативным персоналом в опасных зонах действующих электроустановок полагает, следующую структуру с алгоритмом уставок:

1. Для кабелей, питающих две и более ТП, особенно выработавших нормативный срок эксплуатации, выполняют двух- или трехступенчатую защиту с применением ТО в качестве основной защиты, с уставкой:

I_ТО - ток срабатывания ТО; - ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме в конце радиальной ветки (фидера) кабельной сети; К_ч - коэффициент чувствительности, принимается более 1,5, так как ТО выбирается в качестве основной защиты.

2. МТЗ на головных выключателях фидера выполняют роль резервной защиты ТП - 6(10)/0,4 кВ, с уставкой:

где - ток двухфазного короткого замыкания на стороне 0,4 кВ за трансформатором ТП-6(10)/0,4 кВ самой низкой мощности в кабельной сети; К_ч2 - коэффициент чувствительности, принимается более 1,2 так как МТЗ выбирается в качестве резервной защиты.

3. На вводах 6(10) кВ включена МТЗ 2-й ступени по условиям отстройки от нагрузки 2-х секций трансформаторов и согласования с защитами последующего и предыдущего элементов, с уставкой:

где - ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме в конце самого длинного головного кабеля, отходящего от шин данной секции; К_ч - коэффициент чувствительности, принимается более 1,5, так как МТЗ выбирается в качестве основной защиты шин.

4. На вводах 6(10) кВ, питающих ПС, применена дополнительная ступень МТЗ 1-й ступени как резервная защита КЛ по условиям невозгорания, согласованная по времени срабатывания с ТО, с уставкой:

где - ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме в конце самой длинной радиальной линии кабельной сети (до РТП); К_ч2 - коэффициент чувствительности, принимается более 1,2, так как МТЗ выбирается в качестве резервной защиты.

5. В схему защиты введено зонное автоматическое повторное включение (ЗАПВ), с блокировкой работы при токах КЗ больше расчетных в конце радиальной ветки кабельной сети. Смысл ЗАПВ сводится к следующему: при значениях токов КЗ более минимального значения междуфазного КЗ в самом дальнем конце защищаемой КЛ выполняется блокировка (вывод) работы АПВ, т.е. ЗАПВ не работает при КЗ на КЛ и работает при КЗ в ТП, с уставками:

где - ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме в конце самой длинной радиальной ветки кабельной сети; К_н - коэффициент надежности отстройки более 1,05; - ток трехфазного короткого замыкания в максимальном режиме в конце самой длиной ветки кабельной сети.

Варианты реализации схемы зонного АПВ возможны в 2-х исполнениях схем релейной защиты КЛ и вполне доступны, не имеют дорогостоящей аппаратуры. Фактически требуется установка только 2-х реле типа РТ-40 или изменение функций ступеней защит в микропроцессорных терминалах, что не займет более 1-го рабочего дня.

Пример конкретной реализации предлагаемой схемы релейной защиты и автоматики в городских кабельных сетях рассмотрен на примере характерных схем распределительной электрической сети по г. Челябинск и г. Нефтекамск. Сравнительные расчеты проведены по данным, представленным на расчетной схеме (фиг. 3).

Рассмотрим выбор уставок защит КЛ, отходящей от ПС 110/10 кВ с двумя трансформаторами мощностью 16(25) МВА (фиг. 3). Анализ схем кабельной сети, отходящих от ПС 110/6 и 35/6 кВ по условиям селективности, проведен аналогично и приводятся только выводы.

На схеме фиг. 3 показаны: один трансформатор 110/10(6) кВ мощностью 16(25) МВА (секционный выключатель и второй трансформатор на схеме не показаны), токи металлического трехфазного КЗ в максимальном и минимальном режимах питающей системы, обозначены выключатели, на которые воздействует защита, I_сз, t_сз - соответственно ток и время срабатывания защит, указаны заданные уставки защиты силового трансформатора Т №1. Защита ввода 6(10) кВ силового трансформатора, секционного выключателя выполнена на постоянном оперативном токе с реле типа РТ-40 как наиболее часто выполненной на подстанциях в настоящее время; защита КЛ выполняется по схеме неполной звезды с реле разных типов: РТ-40 (независимая характеристика), РТ-80 (обратнозависимая характеристика), цифровых реле (независимая или стандартная обратнозависимая характеристика).

На фиг. 4 приведены: 1 расчетная ампер-секундная характеристика плавких предохранителей ПКТ-10-50 (для защиты трансформатора 400 кВА); 2 предохранителей ПКТ-10-80 (630 кВА); 3 предохранителей ПКТ-10-160 (1000 кВА); выбранная независимая от тока характеристика срабатывания МТЗ КЛ (характеристика 4); 5 времятоковая характеристика для реле РТ-81 и 6 стандартная обратнозависимая реализованная в терминалах SEPAM. Характеристики предохранителей сдвинуты вправо на значение тока нагрузки неповрежденных трансформаторов, подключенных к данной КЛ.

Результаты анализа обеспечения селективной работы МТЗ на В2 при КЗ в ТП сведены в табл. 1. Как видно из рассмотренных схем (табл. 1, фиг. 3), невозможно обеспечить во всех случаях условие селективности и резервирования защит даже с применением только МТЗ на КЛ, что допускается [Правила устройства электроустановок [Текст]: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 7-й выпуск. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007].

Анализ селективности защиты кабельной сети от ПС 35/6 кВ показал картину селективности хуже, чем от ПС 110/6(10) кВ. Селективность работы защиты КЛ при КЗ в трансформаторах мощностью 400 кВА и менее обеспечена, т.к. характеристики 4, 5, 6 проходят выше ампер-секундных характеристик плавких предохранителей. При значениях токов КЗ, указанных в табл. 1, обеспечивается селективная работа защиты КЛ при КЗ в трансформаторах 630 и 1000 кВА, не обеспечивая резервирование защиты трансформаторов 400 кВА и ниже.

В настоящее время в крупных городах в ряде случаев трансформаторы 1000 кВА (при установки в РП 10 кВ) включают через выключатели со своими защитами, выполненными на реле, что, безусловно, удорожает проект, но при этом также не во всех схемах возможно обеспечить условия селективности. В данных проектах необходимо применять реле на КЛ и ТП с однотипными характеристиками для возможности их согласования, что не всегда возможно в условиях эксплуатации. При применении на КЛ и ТП 1000 кВА разных типов реле зоны неселективности по-прежнему остаются. Прочерками в табл.1 обозначены нерассматриваемые случаи схем как редко применяемые.

В анализируемой схеме рассмотрен выбор уставок при токе трехфазного КЗ 8314 А на шинах 10 кВ (токи КЗ приведены на фиг. 3), данный ток принят из условия средних токов на подстанциях малых городов, а также приведены в табл. 2 результаты расчета прохождения силовых кабелей по условиям термической стойкости и невозгорания и при токе КЗ 19268 А, Т №1 25 МВА (принят из условий максимальной мощности на шинах 10 кВ согласно инструкции по проектированию РД 34.20.185-94).

В табл. 2 приведена карта уставок выбранных защит по двум схемам релейной защиты и сравнительный анализ интеграла Джоуля для электрической схемы распределительной сети на фиг. 3 для ПС 110/10 кВ: 1 вариант по схеме, рассматриваемой в качестве прототипа; 2 вариант по предлагаемой схеме релейной защиты с выбором уставок РЗ и А. Время защиты на вводе определено с учетом наличия защиты на секционном выключателе. Первый вариант: на КЛ2 и КЛ1 установлена МТЗ. Второй вариант: на КЛ2 и КЛ1 установлены МТЗ и ТО с выдержкой времени и без выдержки времени (соответственно), на вводе 10 кВ силового трансформатора Т№1 выполняется дополнительно МТЗ 1 ступени, согласованная по чувствительности и времени срабатывания с ТО на КЛ2. МТЗ 2 ступени необходима для согласования с МТЗ 110 кВ Т №1. АПВ на В2 выведено.

В соответствии с рассмотренной выше схемой релейной защиты и автоматики по условиям селективности и чувствительности с учетом ресурсосбережения изоляции КЛ на примере схемы фиг. 3 проведен расчет уставок:

1.1. Выбираем ТО на В2 как основную защиту магистральных кабелей: КЛ1, КЛ2, КЛ3: , принимается - 2600 А; 0,6 с.

1.2. Выбираем ТО на В1 (для различных типов реле) как основную защиту КЛЗ на ступень селективности ниже по току и времени I_ТО≤I_ТО(В2)/Кн=2600/1,5=1733 А, принимается - 1700 А; 0,0 с.

2.1. Выбираем МТЗ на В1 как резервную защиту трансформаторов ТП 630- 400 кВА: , принимается - 300 А; 0,6 с в независимой части.

2.2. Выбираем МТЗ на В2 как резервную защиту ТП-1000кВА: , принимается - 600 А; 2,5 с.

3. На вводах 10 кВ выбирается МТЗ 2-й ступени по условиям отстройки от нагрузки 2-х секций трансформаторов и согласования с защитами последующего и предыдущего элементов, принимается 2200 А; 3,5 с.

4. Как резервную защиту по условиям невозгорания КЛ1, КЛ2, КЛ3, выбираем МТЗ 1-й ступени, ввода 10 кВ: 4500 А, 1,6 с.

Анализ данных табл. 2 показывает, что предложенная схема релейной защиты для КЛ предпочтительней. Так, при токе КЗ 19268 А при применении схемы, выбранной в качестве прототипа, КЛ не проходят по условиям термической стойкости и невозгорания и требуют замены, а при использовании предлагаемой схемы снижаются тепловой импульс и требуемое сечение КЛ. При этом существующие КЛ не требуют замены по увеличению сечения. Кроме того, удовлетворяются общие требования правил устройств электроустановок, предъявляемых к устройствам релейной защиты и автоматики, снижается температура нагрева изоляции и, согласно закону Вант Гоффа-Аррениуса, продлевается ресурс силовых кабелей.

В ряде случаев предложенные мероприятия могут приводить к дополнительной зоне неселективности между перегоранием предохранителей и работой ТО, например, при токах выше 1700 А неселективной работе защит РТП; также по-прежнему сохраняется неселективность при токах ниже тока срабатывания ТО, при токах срабатывания МТЗ (табл. 1).

Исправление неселективности допускается производить введенным АПВ, что увеличивает, в свою очередь, тепловое воздействие на изоляцию в 2 раза и требуемое сечение КЛ на 40%. Поэтому прямое введение АПВ является нецелесообразным! Для исправления этой ситуации в предлагаемой схеме предусмотрено введение зонного АПВ (ЗАПВ).

Реализация схемы ЗАПВ в 2-х исполнениях схем релейной защиты КЛ:

1. В схемах защит КЛ (на В2) с реле РТ-40, РТ-80 для исполнения функции блокировки АПВ при КЗ на КЛ необходима установка дополнительно 2-токовых реле РТ-40 в фазах А и С, которые своими нормально закрытыми контактами с выдержкой времени на отпадание будут разрешать или запрещать АПВ.

2. В микропроцессорных терминалах имеются функции регистрации значения токов короткого замыкания и вида КЗ, которую можно использовать для функции блокировки АПВ. Предлагаем ввести функцию блокировки АПВ при работе защиты и значении токов КЗ больше расчетных значений токов в самом дальнем конце кабельной линии при многофазных КЗ.

Вариант №1 - без внесения дополнительных функций в терминал: например, для схемы фиг.3 с ПС 110/10 кВ с ТО (основная защита КЛ с К_ч=1,5) АПВ выводится при 2-фазном КЗ при токе 4000 А и выше , с данными уставками вся зона неселективности в ТП 1000 кВА исправится ЗАПВ (т.к. оно будет работать при токе ниже 4000 А), К_н - 1,05 неточность измерений из-за погрешности трансформаторов тока 5%.

Если значение токов КЗ меньше токов выбранных уставок ЗАПВ, то КЗ в ТП (см. токи КЗ фиг.3) в этом случае АПВ разрешается.

Защиту КЛ необходимо выполнять трехступенчатую: 1 ступень - ТО; 2 ступень - МТЗ - 1 ст.; 3 ступень - МТЗ - 2 ст. Это позволяет при работе ТО вводить АПВ только если ток КЗ менее расчетного (4000 А) для данного вида КЗ в самой дальней точке КЛ. При неуспешном АПВ повреждение, в первую очередь, нужно искать в трансформаторах, с предохранителями которых ТО или МТЗ КЛ невозможно согласовать (табл. 1, фиг. 3). При значениях токов КЗ менее тока срабатывания ТО, роль которой выполняет 1 ступень, срабатывает 2 ступень защиты, которая вводится для резервирования защит трансформаторов, 3 ступень в терминалах используется под запрет АПВ.

Вариант №2 - с установкой дополнительных функций в терминал: необходимо внести изменение в программу с определением вида КЗ 2- или 3-фазное.

Функциональная схема запрета АПВ при КЗ в КЛ представлена на фиг. 5.

Например для схемы фиг.3 с ПС 110/10 кВ с уставкой ТО = 2600 А, 0,6 сек АПВ выводится при 3-фазном КЗ при токе более , при 2-фазном КЗ при токе 4000 А.

При значениях токов КЗ менее тока срабатывания ТО, работать будет МТЗ - 1 ст., или МТЗ - 2 ст., АПВ вводится, т.е. КЗ в ТП.

Поиск повреждения при отключении КЛ производится делением сети на участки: осмотром и отключением ТП, РТП, РП, подключенных к данной КЛ, отключением коммутационных аппаратов на ТП проходного типа, что занимает много времени и повышает степень опасности для оперативного персонала. Селективная работа защит повышает условия электробезопасности оперативного персонала, так как снижается количество оперативных переключений, время поиска повреждений и время пребывания в действующих электроустановках в 3 и более раза, при использовании предложенной схемы релейной защиты и ЗАПВ (для схемы фиг. 3 осматривается только 1 ТП, а не 3).

Предложенные мероприятия позволяют снизить тепловой импульс (интеграл Джоуля) до 53%, механическое электродинамическое воздействие на изоляцию и требуемое сечение головного кабеля по условиям невозгорания и термической стойкости до 41% на примере рассмотренной схемы сети. Время отключения поврежденного кабеля сокращается на 1,9 сек, что снижает негативное воздействие на изоляцию и человека по фактору магнитное поле и время появления вероятных опасных напряжений прикосновения и шага на поверхности земли.

Проведенная нами проверка сечений 75 кабельных линий в г. Нефтекамске (с населением до 200 тыс.чел.), отходящих от шин 6 кВ узловых подстанций 110/6 кВ по условиям термической стойкости и невозгорания показала, что при наличии только максимальной токовой защиты (МТЗ) и выведенной автоматики повторного включения (АПВ), по условиям термической стойкости и невозгорания не проходит сечение 39% КЛ, т.е. необходима замена около 17 км кабелей, что будет стоить порядка 10 млн руб. При вводе ТО и предлагаемого в способе зонного АПВ только у 7% КЛ сечение не проходит по вышеуказанным условиям и стоимость затрат на реконструкцию снижается более чем в 3 раза.

Кроме того, например, предложенные мероприятия для анализируемого нами фидера №17 в г. Нефтекамске позволяют снизить тепловой импульс (интеграл Джоуля) до 36%, а ЗАПВ исправит неселективное действие защит в ТП 400 и 630 кВА. Время отключения поврежденного кабеля сокращается на 0,6 сек, что повышает условия электробезопасности.

На фиг. 6 показана оценка снижения необратимого прироста интенсивности частичных разрядов до 12% (предвестников формирующегося пробоя изоляции) от возможного количества воздействий токов короткого замыкания на примере действующей КЛ с бумажной пропитанной изоляцией. Данные получены по результатам проведенных нами ресурсных исследований на опытных КЛ и их сопоставления, например, данной действующей КЛ - 6 кВ, запитанной от ПС 110/6 кВ (г. Нефтекамск), с токами короткого замыкания в 13,1 кА, с учетом принятого способа выбора уставок устройств релейной защиты и автоматики (маркер в виде ромба и штриховая линия - 1 старая схема РЗиА, принятая за прототип; маркер в виде круга и сплошная линия - 2 предложенная схема РЗиА).

Полученные результаты позволяют констатировать, что предлагаемая нами схема релейной зашиты и зонного автоматического повторного включения в распределительной кабельной сети 6(10) кВ, позволяющая снижать время отключения поврежденного кабеля при КЗ, а, как следствие, приращение температуры изоляции, также позволяет замедлить процесс термического старения (особенно проявляющийся с превышением температуры над длительно допустимой), что будет способствовать поддержанию заданных диэлектрических свойств изоляции силовых кабелей при эксплуатации в структуре схем городской распределительной сети.

Изобретение относится к релейной защите и автоматике распределительных электрических сетей и может быть использовано в городских распределительных кабельных сетях. Сущность изобретения состоит в выборе уставок токовой отсечки как основной защиты кабельных линий, питающих две и более трансформаторных подстанций (ТП), с коэффициентом чувствительности 1,5 в минимальном режиме питающей сети, с выбором максимальной токовой защиты (МТЗ) в качестве резервной защиты ТП 6(10)/0,4 кВ и одновременным введением на вводе 6(10) кВ питающих подстанций дополнительной ступени МТЗ как резервной защиты кабельной линии (КЛ) по условиям невозгорания, согласованной по времени срабатывания с токовой отсечкой (ТО), отходящих от шин кабельных фидеров, а также одновременным вводом автоматики повторного включения (АПВ), работающей в зависимости от зоны короткого замыкания - Зонное АПВ (ЗАПВ). При значениях токов КЗ более минимального значения междуфазного КЗ в самом дальнем конце защищаемого кабельного фидера 6(10) кВ выполняют блокировку (вывод) работы АПВ. Технический результат заключается в минимизации времени отключения поврежденной кабельной линии (фидера) при КЗ, как следствие, снижение разрушающего воздействия на изоляцию факторов, обусловленных токами КЗ, термического (нагрев изоляции) и электродинамического воздействия на изоляцию кабелей 6(10) кВ фидера при коротких замыканиях в кабельной распределительной сети и времени пребывания оперативного персонала в опасных зонах действующих электроустановок за счет повышения селективности работы защит. 6 ил., 2 табл.

Схема релейной защиты кабельных линий 6(10) кВ, характеризующаяся тем, что содержит: двух- или трехступенчатую защиту с применением токовой отсечки в качестве основной защиты, максимальную токовую защиту на головных выключателях фидеров распределительной сети, выбранную в качестве резервной защиты трансформаторных подстанций 6(10)/0,4 кВ; максимальную токовую защиту 2-й ступени на вводах 6(10) кВ питающих трансформаторных подстанций, выбранную по условиям отстройки от нагрузки 2-х секций трансформаторов и согласования с защитами последующего и предыдущего элементов (отходящих линий 6(10) кВ и вводов 35(110) кВ силовых трансформаторов); дополнительную ступень максимальной токовой защиты 1-й ступени на вводах 6(10) кВ питающих подстанций, выбранную в качестве резервной защиты кабельных линий по условиям невозгорания, согласованную по времени срабатывания с токовой отсечкой; зонную автоматику повторного включения на головных выключателях фидеров, выбранную с блокировкой работы при токах короткого замыкания больше расчетных в конце радиальной ветки кабельного фидера.