Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г.
НТЦ «Механотроника», С-Петербург
Параметры срабатывания любого устройства релейной защиты должны отвечать требованиям, изложенным ПУЭ [1] (см. главы 3.2, 5.3).
Для правильного выбора уставок срабатывания в руководствах по эксплуатации цифровых устройств релейной защиты, выпускаемых НТЦ «Механотроника», традиционно приводились методики их расчета только для наиболее сложных алгоритмов защиты.
В связи со значительным увеличением количества выпускаемых цифровых устройств и выдвижением новых требований организациями, проводящими аттестацию цифровых устройств для применения их на объектах ОАО «ФСК ЕЭС», в эксплуатационную документацию были введены методики расчета уставок для всех алгоритмов защиты, предусмотренных в цифровых устройствах производства НТЦ «Механотроника».
Для этого предприятие разработало методические указания по расчетам уставок, которые полностью учитывают:
Разработка методических указаний была выполнена специалистами НТЦ «Механотроника» при участии к.т.н. Соловьёва А.Л., заведующего кафедрой релейной защиты и автоматики электрических станций, сетей и систем Петербургского Энергетического института повышения квалификации.
Настоящая публикация открывает серию статей в которых приведены методики расчета уставок, иллюстрированные практическими примерами.
Согласно ПУЭ [1] однорелейная токовая отсечка [1], защищающая от многофазных замыканий, в обязательном порядке должна быть предусмотрена для электродвигателей мощностью менее 2 МВт.
В тех случаях, когда однорелейная токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, то для защиты электродвигателей мощностью менее 2 МВт можно использовать двухрелейную токовую отсечку.
Сразу необходимо отметить, что однорелейная токовая отсечка, в которой использован сигнал, получаемый как разность токов двух фаз, имеет в 
раз худшую чувствительность, чем двухрелейная схема с двумя трансформаторами тока [2].
ПУЭ рекомендует применять двухрелейную токовую отсечку для защиты электродвигателей мощностью 2 МВт и более, имеющих защиту от однофазных замыканий на землю, действующую на отключение.
Если же защита от однофазных замыканий на землю отсутствует, то для электродвигателей мощностью 2 МВт и более следует применять трехрелейную токовую отсечку с тремя трансформаторами тока.
ПУЭ допускает применять двухрелейную токовую отсечку для защиты электродвигателей мощностью 2 МВт и более, не имеющих защиты от однофазных замыканий на землю. Однако в этом случае необходимо дополнительно предусмотреть защиту от двойных замыканий на землю.
Наиболее просто и полно все требования, изложенные в ПУЭ, реализуются при использовании серийно выпускаемых устройств БМРЗ и БМРЗ-100 предназначенных для защиты синхронных и асинхронных электродвигателей. В ряде исключительных случаев для этих же целей возможно применить устройства БМРЗ и БМРЗ-100 для защиты кабельных и воздушных линий.
Для защиты асинхронных и синхронных электродвигателей используется первая ступень алгоритма максимальной токовой защиты МТЗ с нулевой выдержкой времени.
Упрощенная функциональная схема этого алгоритма приведена на рис. 1.
При превышении любым из фазных токов IA, IB, IC уставки соответствующего компаратора 1-3 возникает сигнал «Пуск I>» [2] и при отсутствии блокирующих сигналов начинает отсчет времени элемент выдержки времени 5.
При использовании первой ступени МТЗ в качестве токовой отсечки ТО выдержка времени устанавливается равной нулю. Поэтому сигнал «Откл. I >» на выходе алгоритма появляется после сигнала «Пуск I>» без временной задержки.
Блокирование срабатывания любой ступени МТЗ выполняется элементом 4 как внешним сигналом, так и в цикле АПВ. Сигнал блокирования поступает на элемент 13.
В связи с тем, что в данном алгоритме устанавливается нулевое значение выдержки времени, то необходимость ускорения срабатывания алгоритма (при ручном включении выключателя или в цикле АПВ) отсутствует
В устройствах серий БМРЗ и БМРЗ-100 предусмотрено необходимое количество цифровых реле максимального тока для каждой фазы, поэтому применение предусмотренной в ПУЭ отсечки в виде однорелейной схемы на наш взгляд так же нецелесообразно.
Рассмотрение методики расчета уставок для ТО сопровождается практическими примерами, в которых используется асинхронный двухскоростной двигатель АДО-1600/1000-10/12 с прямым пуском на 1-й скорости.
Двигатель участвует в процессе самозапуска, который может осуществляться как на 1-ой, так и на 2-ой скорости.
Максимальное сопротивление токовых цепей со стороны питания электродвигателя (проектное значение) — не более 0,5 Ом.
Для расчета уставок токовой отсечки необходимо знать номинальный ток электродвигателя. Если значение этой характеристики не приведено в документации двигателя, определить его можно по формуле (1):
где 
- номинальная мощность электродвигателя, кВт; 
- номинальное линейное действующее напряжение двигателя, кВ; 
— номинальный к.п.д. электродвигателя; 
- номинальный коэффициент мощности электродвигателя.
Пример
1.1 Значение номинального тока для выбранного нами электродвигателя при работе на 1-й скорости согласно формуле (1) будет равно:
1.2 Номинальный ток выбранного нами электродвигателя при работе на 2-ой скорости определим также по формуле (1):
По номинальному току электродвигателя необходимо выбрать трансформаторы тока (сигнал с их вторичных обмоток поступает на токовые входы IA, IB, IC цифрового устройства, показанные на рис. 1) с таким коэффициентом трансформации, чтобы при номинальном токе электродвигателя вторичный ток не превышал 5 А. Рекомендуемый диапазон изменения вторичного тока от 1 до 4 А.
Пример
1.3 Для найденного по соотношению (1.1) значения тока (197, 3 А) предварительно выбираем трансформаторы тока ТЛМ10-5-82 с сердечником типа Р и коэффициентом трансформации kтр = 200/5.При кратности тока до 17 и максимальном сопротивлении токовых цепей не более 0,5 Ом трансформаторы тока этого типа имеют погрешность не более 10% [3]. Указанная кратность тока соответствует току в первичной обмотке 3400 А (17×200 А).
Для оценки пригодности выбранного трансформатора тока по погрешности, соответствующей предельной кратности тока необходимо определить максимальные броски пускового тока электродвигателя (рис. 2)
Принято считать, что процесс пуска электродвигателя завершен, когда пусковой ток станет меньше 
Значение максимального пускового тока при прямом пуске электродвигателя с учетом апериодической составляющей находят по формуле (2):
где 
— коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую пускового тока машины, принимается 1,8; 
— кратность пускового тока машины (как правило, 
).
Пример
1.4. При самозапуске электродвигателя на 1-й скоростимаксимальный бросок пускового тока согласно формуле (2) составит:
1.5 Максимальный бросок тока самозапуска электродвигателя при его работе на 2-й скорости составит:
Уставку срабатывания ТО I>>> выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение (3):
Пример
1.6 Используя соотношение (3) выбираем уставки срабатывания алгоритма ТО для первой и второй скоростей одинаковыми и равными 
.
При расчете уставок для двигателей с реакторным пуском максимальный бросок пускового тока двигателя при реакторном пуске определяют по формуле (4):
где 
- индуктивное сопротивление сети; 
- индуктивное сопротивление реактора.
Значение полного пускового сопротивления двигателя, входящее в формулу (4) находят по соотношению (5)
Обоснование этой формулы можно найти в работе [5] на стр. 22. Полученное таким образом значение используют в соотношении (3).
Для двигателя, работающего в режиме самозапуска, полученное по формулам (2) или (4) значение тока 
необходимо увеличить в 1,3 — 1,4 раза, так как в этом режиме напряжение на двигателе может достигать 1,3- 1,4 номинального значения.
Выбранный ранее трансформатор тока (см. п. 1.3 Примера) проверяем на соблюдение требования, установленного в п.п. в п. 3.2.29 ПУЭ [1]
,где 
— кратность тока КЗ при допустимой погрешности 10%; 
— номинальный первичный ток трансформатора тока.
Пример
1.7 Вычисляем
Из соотношения (6-1) видно, что требование (6) при применении данного трансформатора тока не выполняется.
В связи с тем, что погрешность выбранного ранее трансформатора тока с коэффициентом трансформации kтр = 200/5 превышает 10% при токе двигателя, превышающем уставку срабатывания на 10% (
),выбираем трансформаторы тока этого же типа, но с коэффициентом трансформации 300/5.
Проверим выполнения требования (6) для такого трансформатора.
Пример
1.8 Находим
Как видно из соотношения (6-2) при той же допустимой кратности тока 17 погрешность трансформаторов тока не будет превышать 10% даже при токе, равном 5100 А (17Х300А) и максимальном сопротивлении токовых цепей не более 0,5 Ом
Убедившись в том. что выбранные трансформаторы тока соответствует требованиям, изложенным в ПУЭ, продолжим дальнейшие расчеты.
Значение тока двухфазного КЗ на вводах питания электродвигателя определяем по формуле (7):
где 
- значение тока трехфазного КЗ на вводах питания электродвигателя (см. выше исходные данные для расчета).
Пример
1.9 Расчетный ток двухфазного КЗ на вводах питания электродвигателя составит:
Коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ находим по формуле (8):
Данный коэффициент чувствительности представляет собой отношение расчетного значения фазного тока при металлическом КЗ в пределах защищаемой зоны к фазному току, соответствующему срабатыванию защиты.
Пример
1.10 Коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ находим по соотношению (8):
1.11 Поскольку коэффициент чувствительности ТО оказался больше 2, нет необходимости применять дополнительно дифференциальную защиту для защиты данного двигателя от междуфазных КЗ.Алгоритм защита от междуфазных КЗ работает без выдержки времени, как и ТО.
В заключение отметим, что при расчете уставок для синхронного двигателя следует учитывать, что машина запускается в асинхронном режиме, поэтому значение броска пускового тока находят аналогично тому, как это было сделано в приведенных примерах.
Отстройка ТО выполняется от двух параметров:
[1] Существует мнение, что этот термин возник потому, что алгоритм токовой отсечки обеспечивает защиту только части объекта, его отсека (см.www.rza001.narod.ru).
[2] По традиции в цифровых устройствах, выпускаемых НТЦ «Механотроника» характеристики первой, второй и третьей ступеней обозначают так: I>>> (первая ступень), I>> (вторая ступень), I> (третья ступень)
юрий
скажите пожалуйста если в случае диференциальной защиты двигателя в начале обмоток двигателя стоят тр тока соединённые звездой а вконце треугольником обмотки двигателя соеденены треугольником напряжение 6кв изолированная нейтраль нужно ли в расчёты вводить какую либо коррекцию
Максим Арсенев
Юрий! можете пояснить, зачем понадобилось включать трансформаторы тока таким образом?
Пишите на maximarsenev@yandex.ru.