Статья: Методика выбора параметров срабатывания максимальных токовых защит от замыканий на землю на основе высших гармоник в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ

Таблица 2. Значения нормально и предельно допустимых по ГОСТ 13109-97 коэффициентов несинусоидальности напряжения для гармоник рабочего диапазона частот МТЗВГ

С учетом (5) предельный максимальный уровень отдельных гармонических составляющих в токе ОЗЗ определяется из соотношения

(6)

В табл.3 приведены предельные максимальные значения _{пред. макс} для установившегося режима ОЗЗ в кабельных сетях 6-10 кВ, рассчитанные по выражению (6) для гармоник = 5, 7, 11 и 13.

Таблица 3. Предельные максимальные значения уровня гармонических составляющих в токе ОЗЗ компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ

Сравнительный анализ данных табл.2 и табл.3 показывает, что значения _макс, фактически используемые при расчете уставок по току срабатывания по существующей методике, как правило, значительно (в разы) меньше предельно возможных относительных значений уровней соответствующих гармонических составляющих в токе ОЗЗ компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ _{пред. макс}, что, возможно, и является основной причиной частых излишних срабатываний (неселективности) применяемых в настоящее время исполнений МТЗВГ (например, УСЗ-2/2 [14]).

Как правило, в качестве воздействующей величины в измерительных органах тока МТЗВГ используется среднеквадратичное значение всех гармоник рабочего диапазона:

(7)

С учетом (5) и (7) может быть определено предельное относительное значение уровня суммы ВГ рабочего диапазона частот

(8)

При расчетах по (8) должно соблюдаться условие К_{нс пред} ? 0,08, что обеспечивается при К_{U5 пред} 0,05 < 0,06 и значениях К_{U пред} для остальных гармоник рабочего диапазона частот МТЗВГ, соответствующих данным табл.2. Для данных, практически маловероятных, но наихудших с точки зрения селективности МТЗВГ условий, из (7) получим

Измерения уровня ВГ в токах ОЗЗ действующих кабельных сетей 6-10 кВ показывают, что приведенная оценка _{пред. макс}, скорее всего, является завышенной, так как при оценке коэффициента несинусоидальности напряжения К_{нс пред} учитываются гармоники и более высокого порядка, чем = 13. Так, в [18] на основе измерений в действующих кабельных сетях 6-10 кВ показано, что максимальный общий уровень ВГ в токе ОЗЗ может достигать значений 40 % от I_C, причем в данной экспериментальной оценке также учтены гармоники более высокого, чем 13-й, порядка.

Максимальный общий уровень ВГ в токе ОЗЗ _макс для защищаемой компенсированной кабельной сети 6-10 кВ зависит не только от состава, но и от режимов работы основных источников ВГ в момент возникновения ОЗЗ и может определяться как одной, так и несколькими гармониками рабочего диапазона частот МТЗВГ. Например, в кабельных сетях 6-10 кВ, в которых основными источниками ВГ являются силовые трансформаторы, в токе ОЗЗ преобладают 5 и 7-я гармоники, а их общий уровень в токе ОЗЗ _макс зависит от напряжения в сети, коэффициента загрузки трансформаторов и, в определенной степени, места возникновения повреждения. В кабельных сетях 6-10 кВ систем промышленного электроснабжения основными источниками ВГ являются, как правило, различного типа нелинейные преобразователи, электротермические установки (например, электрические дуговые печи), электросварочные установки и др. При таком составе источников ВГ в токах ОЗЗ, кроме 5 и 7-й гармоник, значительную долю составляют, а часто и преобладают 11 и 13-я гармоники. В таких сетях общий максимальный уровень ВГ в токе ОЗЗ _макс зависит от состава комплексной нагрузки центра питания (ЦП) и режимов работы отдельных источников и может изменяться в очень широких пределах. Поэтому с достаточной точностью рассчитать или каким-либо другим способом оценить значение _макс для конкретной кабельной сети 6-10 кВ в общем случае не представляется возможным. Учитывая это, при выборе уставок по току срабатывания в выражении (1), на наш взгляд, необходимо принимать _макс = _{пред. макс}. Как уже отмечалось выше, более достоверной следует считать оценку предельного уровня ВГ в токе ОЗЗ, полученную на основе реальных измерений в действующих кабельных сетях 6-10 кВ: _{пред. макс} = 0,4.

При таком подходе к выбору _макс в (1) в коэффициенте отстройки К_отс не требуется учитывать погрешности оценки максимального уровня ВГ в токе ОЗЗ контролируемой сети и его значение можно уменьшить (например, как для большинства максимальных токовых защит, принять К_отс = 1,2-1,3).

Оценка чувствительности МТЗВГ. Чувствительность МТЗ ВГ при внутренних ОЗЗ оценивается по выражению

(9)

где - минимальный уровень ВГ в токе 3I₀ защищаемого i-го присоединения при внутренних устойчивых ОЗЗ; - минимальный относительный уровень ВГ в токе устойчивого ОЗЗ в контролируемой сети; К_{ч. мин} = 1,5 - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности для токовых защит на основе ВГ Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08. 07.2002, № 204. .

Как и _макс в (1), относительный минимальный уровень ВГ в токе ОЗЗ _мин зависит от множества факторов, прежде всего, от состава источников ВГ и режимов их работы, и оценить его с достаточной точностью для конкретной сети невозможно. Поэтому, как и при выборе уставки по току срабатывания в соответствии с (1), при оценке чувствительности МТЗВГ по (9) следует использовать предельные оценки минимально возможного уровня ВГ в токе ОЗЗ компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ _{пред. мин}.

Расчетные оценки минимально возможного уровня ВГ в токе ОЗЗ _{пред. мин} компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ, выполненные в ряде работ [19-21], приведены в табл.4.

Таблица 4. Расчетные оценки предельного минимального уровня ВГ _{пред. мин} в токе ОЗЗ в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ по данным различных источников [19-21]

Согласно данным табл.4, для компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ _{пред. мин} 0,02-0,03. Расчетные оценки _{пред. мин} достаточно хорошо коррелируются с экспериментальными данными, полученными при измерениях в действующих компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ (по данным [22], минимальный уровень ВГ в токе ОЗЗ, как правило, не менее 4 % от I_C).

Так как при расчетах предельного минимального уровня ВГ _{пред. мин} в токе ОЗЗ компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ учитываются только 5 и 7-я гармоники, генерируемые силовыми трансформаторами [19-21], а другие источники ВГ (нелинейные преобразователи, электротермические установки и др.) отсутствуют или в момент возникновения ОЗЗ отключены, расчетные оценки практически являются, скорее всего, заниженными. Учитывая это, с некоторым запасом при оценке чувствительности МТЗВГ в (8) можно принять _мин = _{пред. мин} = 0,04.

Требования к минимальному значению тока срабатывания МТЗВГ I_{с. з. мин}. Приведенные выше оценки _{пред. мин} позволяют сформулировать требования к чувствительности МТЗВГ по первичному току.

Из (9) при I_{с. з} = I_{с. з. мин} получим

(10)

откуда при I_{C мин} = 20 А (кабельные сети с U_ном = 10 кВ Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08. 07.2002, № 204.), = 0,04 и К_{ч. мин} =1,5

Таким образом, устройства защиты на принципе абсолютного замера ВГ, предназначенные для применения в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ, должны обеспечивать минимальный первичный ток срабатывания не более 0,5 А во всем рабочем диапазоне частот. Согласно данным табл.1, применяемые в настоящее время исполнения МТЗВГ, в частности устройства типа УСЗ-2/2, не обеспечивают выполнение данного требования.

Области применения МТЗВГ. В [16] рекомендуется применять устройства защиты от ОЗЗ рассматриваемого типа в основном на присоединениях, собственный емкостный ток которых I_{С собс} не превышает 10 % от суммарного емкостного тока сети I_С. К объектам компенсированных кабельных сетей, для которых выполняется данное условие, относятся, по данным [16], и центры питания (ЦП) кабельных сетей - шины 6-10 кВ главных понизительных подстанций (ГПП) и ГРУ ТЭЦ (рис.1). Отметим также, что применяемой в настоящее время методикой выбора первичного тока срабатывания допускается применение МТЗВГ и на присоединениях, имеющих I_{С собс} > 0,1I_С, при увеличении уставки по I_С по сравнению с рекомендуемыми значениями, приведенными в табл.1.

Из (1) и (9) получим условия, при которых обеспечивается селективность несрабатываний МТЗВГ при внешних и чувствительность при внутренних устойчивых ОЗЗ в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ:

(11)

где Z - параметр, характеризующий степень нестабильности общего уровня ВГ в токе ОЗЗ.

Из (11) при К_отс = 1,2, К_{ч. мин} = 1,5, _макс = 0,4 и _мин = 0,04 получим

т.е. обеспечение условий селективности несрабатываний при внешних ОЗЗ и минимально требуемой чувствительности при внутренних ОЗЗ возможно только на присоединениях, собственный емкостный ток I_{C собс} которых не превышает 5 % от суммарного емкостного тока сети I_C.

На рис.1 приведена характерная структура кабельных сетей 6-10 кВ систем промышленного электроснабжения, где зона 1 - зона питающих линий, связывающих ЦП с распределительными подстанциями (РП) и распределительно-трансформаторными подстанциями (РТП) или непосредственно с трансформаторными подстанциями (ТП). Для питающих линий этой зоны характерны большие относительные значения собственных емкостных токов I_{C собс} и, соответственно, наиболее тяжелые условия с точки зрения применимости МТЗВГ. Зона 2 - зона питающих линий, связывающих РП и РТП с ТП, и распределительных линий на РТП. Зона 3 содержит распределительные линии, связывающие потребителей с шинами источника питания - ТП. Для распределительных линий зон 2 и 3, соединяющих электроприемники с шинами источника (ТП или РТП) характерны небольшие длины и, соответственно, небольшие значения I_{C собс*}, облегчающие условия применимости максимальных токовых защит на основе ВГ.

Рис. 1. Структурная схема кабельной сети 6-10 кВ системы промышленного электроснабжения

Схемы кабельных сетей 6-10 кВ городского электроснабжения отличаются от схем сетей промышленного электроснабжения, прежде всего, тем, что на ТП устанавливаются только трансформаторы 6-10/0,4, на которых установка стационарных устройств защиты от ОЗЗ не требуется [11].

Анализ статистических данных по кабельным сетям 6-10 кВ систем электроснабжения ряда отраслей промышленности (черной металлургии, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей и др.) показал, что доля присоединений с I_{С собс*} ? 0,05 на понизительных подстанциях, являющихся ЦП компенсированных кабельных сетей, не превышает 60 % от общего числа присоединений, подключенных к шинам 6-10 кВ (рис.2, а), несколько выше она на ГРУ 6-10 кВ ТЭЦ. На РП (РТП) доля присоединений с I_{С собс*} ? 0,05 составляет около 90 %, на ТП кабельных сетей промышленного электроснабжения - практически 100 % (рис.2, б, в).