УДК 621.316.573
Моделирование режимов работы устройств релейной защиты в сетях с изолированной нейтралью
ИСКАКОВ У. К., БРЕЙДО И. В., СМАГУЛОВА К. К.
Разработана универсальная модель устройств типовых защит электрических сетей с изолированной нейтралью. Выполнены имитационные эксперименты по моделированию рабочих и аварийных эксплуатационных режимов сети. Установлено, что в реальных условиях эксплуатации возможны неселективные срабатывания защит.
Ключевые слова: сеть с изолированной нейтралью, устройства токовых защит, модель электрической сети с изолированной нейтралью, условия эксплуатации, неселективные срабатывания.
Энергосистемы подвержены повреждениям и ненормальным режимам работы. Основными причинами повреждения являются: нарушения изоляции токоведущих частей; перенапряжения; механические повреждения; повреждения проводов и опор ЛЭП, связанные с их неудовлетворительным состоянием, гололедицей и др. [1].
Для защиты энергосистем от повреждений и ненормальных режимов работы, используются различные виды релейной защиты и автоматики. Однако, в процессе эксплуатации энергосистемы возникают ситуации, приводящие к неселективным срабатываниям защит. К наиболее характерным ситуациям относятся колебания напряжения сети в горнорудной промышленности, где имеются мощные электропотребители: вентиляторы, подъемные установки, магистральные конвейеры и т. д. Так, например, понижение напряжения сети приводит к несрабатыванию устройств защиты, при аварийных режимах работы на защищаемом присоединении, а повышение напряжения сети - к неселективным отключениям, при аварийных режимах вне защищаемого присоединения. Неконтролируемые изменения параметров защищаемых сетей приводят к снижению эффективности средств защиты.
Расчет уставок и характеристик срабатывания для энергосистемы предприятия производится в момент их проектирования, из расчета на их максимальную мощность. В большинстве случаев действующая электрическая схема энергоснабжения вновь вводимых и развивающихся предприятий (период выхода предприятия на полную мощность может достигать несколько лет) значительно отличается от проектируемой, тогда как, карта уставок остается неизменной, что становится причиной неселективного срабатывания устройств защиты. Особенно это характерно для предприятий горнодобывающей промышленности , в частности для угольных и рудных шахт.
Ремонтные режимы, а также режимы резервного питания от подстанций, отличающихся по мощности, требуют дополнительных групп уставок срабатывания, что остается без внимания и приводит к неселективным действиям устройств защиты.
Кроме того, значительное влияние на эффективность защит оказывают характеристики и параметры защищаемой электрической сети, содержащей в общем случае источник электроэнергии, линию электропередачи с распределенными параметрами, нагрузку преимущественно, асинхронные электродвигатели, а также элементы и устройства, входящие в состав защиты. Это электрические сети, содержащие высоковольтные электродвигатели, шахтные вентиляционные установки, экскаваторы, оборудование горно-металлургического комплекса, дробильные комплексы и т. д.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ, ПРИВОДЯЩИХ К НЕСЕЛЕКТИВНЫМ СРАБАТЫВАНИЯМ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
По стандарту «ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения ± 5 % и ± 10 %, в тоже время реальные колебания напряжения сети значительно превышают эти значения (+ 20 %; - 30 %), особенно в сетях горнодобывающей промышленности [2].
При нормально допустимых и предельно допустимых колебаниях напряжения сети в кабельных распределительных сетях с короткими защищаемыми участками релейной защиты (до 2 км), наблюдаются значительные изменения параметров, влияющих на выбор характеристик и уставок релейной защиты.
Так, например, для участка распределительной сети 6 кВ (схема замещения представлена на рис. 1) подземного рудника «Нурказган», входящего в состав корпорации «Казахмыс», расчет токов короткого замыкания в соответствии с [3] показал следующее:
Рис. 1. Схема замещения участка распределительной сети 6 кВ подземного рудника «Нурказган» г. Караганды, корпорации «Казахмыс»
Значения тока трехфазного короткого замыкания Iкз в точке К3, при понижении напряжения на 10 %, меньше значения тока трехфазного короткого замыкания в точке К4 при номинальном напряжении сети.
Так как ток срабатывания защиты Iсз максимальной токовой отсечки (МТО) имеет пропорциональную зависимость от трехфазного тока короткого замыкания, при повреждении в точке К3 в момент понижения напряжения сети на – 10 %, не селективно сработает устройство защиты нижестоящего участка.
Вследствие небольшой разницы суммарного индуктивного сопротивления между предыдущим и последующим участками в распределительных кабельных сетях, колебания напряжения сети в нормальных и предельно допустимых значениях приводят к неселективным действиям защит.
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
Для анализа особенностей режимов работы защищаемой электрической сети с изолированной нейтралью, приводящих устройства защиты к неселективным срабатываниям, разработана соответствующая модель. Программная среда SimPowerSystems выбрана основным средством моделирования, так как является специализированным инструментом моделирования электротехнических систем [4]. На рис. 2 представлена модель электрической сети с изолированной нейтралью на напряжение 6 кВ.
Разработанная имитационная модель с изолированной нейтралью позволяет моделировать его рабочие и аварийные режимы работы, а так же контролировать параметры, влияющие на срабатывание устройств защиты. С помощью модели можно:
- проверять правильность расчета уставок срабатывания устройств защит для конкретных условий эксплуатации;
- выявлять режимы, приводящие к не селективным срабатываниям устройств защиты;
- анализировать поведение устройств защит в реальных условиях эксплуатации.
Рис. 2. Модель электрической сети с изолированной нейтралью: 1 - трехфазный источник электроэнергии: U = 6 кВ, f = 50 Гц, P = 2500 кВА, Uk = 5,5 % (Three-PhaseSource); 2 –измерительный блок, содержащий: устройства измерения симметричных составляющих тока (Three - PhaseSequenceAnalyzer); измеритель мгновенных значений тока и напряжения сети (Three-Phase V-I Measurement); измеритель действующего значения тока сети (RMS); измеритель максимальных значений пусковых токов и токов короткого замыкания (max (u, y)); 3 – высоковольтное коммутационное устройство (Three-PhaseBreaker); 4 – линия электропередачи, параметры блока рассчитаны с помощью программы Рower_lineparam для провода марки АC 185 / 24 [5] длиной 1 км. (Distributed ParametersLine); 5 - асинхронный электродвигатель, параметры которого приведены в соответствие с характеристиками асинхронного двигателя ДАЗО4 - 400ХК - 4 [6]: U = 6 кВ; f = 50 Гц; Р = 315 кВА; щ = 1405 об/мин. (Asynchronous machine); 6- трехфазные устройства, замыкающие фазы между собой, а также на землю, установленные в начале и в конце защищаемой линии (Three-PhaseFault).
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УСТРОЙСТВА ТОКОВЫХ ЗАЩИТ
В результате проведенного анализа принципов действия и структур современных цифровых устройств токовых защит [7, 8, 9] разработана имитационная модель устройства токовых защит рис. 3. Модель токовых защит, включающая токовые защиты: максимальной токовой отсечки (МТО), максимальной токовой защиты (МТЗ) и защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) реализована с помощью интерактивного инструмента моделирования SimPowerSystems (MATLAB/Simulink).
На вход модели устройства токовых защит поступают значения токов фаз сети и ток нулевой последовательности (1 – Current). В преобразовательной части (2 - ПЧ) с помощью блока Zero-OrderHold осуществляется аналогово-цифровое преобразование сигналов, поступающих с аналогового входа 1.
Для фильтрации помех и искажений используется фильтр низких частот Low-passFilter. Для получения периодической составляющей тока к. з. используется блок Fourier. С помощью блока Three-PhaseSequenceAnalyzer измеряются токи нулевой последовательности. Логическая часть анализатора устройства защиты (4 - ЛЧ) реализована с помощью блоков сравнения и триггеров Bistable, временная задержка выставляется в блоках On/Off Delay. Полученные значения токов к. з. (МТО, МТЗ) и токов нулевой последовательности (ОЗЗ), сравниваются с уставками срабатывания, поступающих с блока задания уставок срабатывания (3 - Threshold). Выход устройства токовых защит выдает управляющий сигнал на коммутационное устройство (5 - TripSignal).
Рис. 3. Имитационная модель устройства токовых защит: 1 – аналоговые входы 3-х фазного переменного тока (Current); 2 – преобразовательная часть (ПЧ); 3 – уставки срабатывания (блок Threshold); 4 – логическая часть (ЛЧ): 4.1 – МТО, 4.2 – МТЗ, 4.3 - ОЗЗ; 5 –коммутационное устройство
МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРИ ПОСТОЯННЫХ ПАРАМЕТРАХ КОНТРОЛИРУЕМОЙ СЕТИ
Для модели сети с изолированной нейтралью были рассчитаны следующие параметры: ток трехфазного короткого замыкания в конце линии [3] Iк. з. = 3,473 кА; номинальный ток сети Iном = 31 А, максимальный ток нагрузки Imax = 98 А (согласно параметрам нагрузки модели сети), расчетные параметры сети были проверены имитационным моделированием. Для полученных параметров сети были рассчитаны уставки срабатывания [10] для МТО (первая ступень токовой защиты): Iсрабатывания = 3820 А, tсрабатывания = 0 сек.; для МТЗ (вторая ступень токовой защиты): Iсрабатывания = 110 А, tсрабатывания = 0.3 сек.; для ОЗЗ: Iсрабатывания = 3,6 А, tсрабатывания = 0.6 сек.
В процессе моделирования трехфазного короткого замыкания в начале контролируемой сети при постоянном напряжении сети срабатывает МТО без задержки времени с целью предотвращения разрушительного действия возникающих сверхтоков [11]. Осциллограммы токов и напряжения в момент короткого замыкания представлены на рис. 4.
Рис. 4. Осциллограммы токов (а) и напряжения (б) в момент трехфазного к. з.
На осциллограммах можно выделить три временных отрезка (рис. 4 а, б):
а) от 0 сек. – до 0.5 сек. номинальный режим работы сети;
б) от 0.5 сек. – до 0.53 сек. аварийный режим, период от момента возникновения короткого замыкания до срабатывания устройства токовой защиты с характерными сверхтоками и просадкой напряжения сети. Время срабатывания устройства 0.03 сек., в то время как уставка срабатывания по времени равно нулю, что объясняется работой блока ZeroOrderHold, осуществляющего дискретизацию аналогового сигнала, время срабатывания коммутационного устройства модели равно нулю. Для современных микропроцессорных устройств собственное время срабатывания составляет в пределах 40 - 50 мсек. [12], время срабатывания коммутационных устройств 25 - 75 мсек. [13, 14];
в) от 0.53 сек. – до 0.6 сек. после срабатывания коммутационного устройства.
При двухфазном коротком замыкании в конце защищаемой линии через переходное сопротивление 10 Ом, при постоянном напряжении срабатывает МТЗ с временной задержкой в 0.3 секунды т. к. минимальная ступень селективности временной уставки МТЗ микропроцессорных терминалов защит равна 0.3 секундам [15]. Осциллограммы токов и напряжения сети при двухфазном замыкании сети показаны на рис. 5.
Рис. 5. Осциллограммы токов (а) и напряжения (б) в момент двухфазного к. з.
На изображенных осциллограммах (рис. 5 а, б) можно выделить три временных отрезка:
а) от 0 сек – до 0.15 сек. номинальный режим работы сети;
б) от 0.15 сек. – до 0.453 сек. аварийный режим, период от момента возникновения двухфазного короткого замыкания до срабатывания устройства токовой защиты;
в) от 0.453 сек. – до 0.6 сек. после срабатывания коммутационного устройства.
При однофазном замыкании на землю срабатывает ОЗЗ с временной задержкой в 0.6 секунды. Задержка срабатывания выбирается обеспечивающей реагирование защиты на установившиеся замыкания на землю [11].
Результаты моделирования аварийных режимов работы сети: трехфазное к. з., двухфазное к. з. и однофазное замыкание на землю при постоянном напряжении сети, показали, что модель работает корректно, режимы и временные характеристики соответствуют реальным режимам работы и характеристикам устройств токовой защиты [8, 9, 12].
МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ПРИ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ПАРАМЕТРАХ КОНТРОЛИРУЕМОЙ СЕТИ
Имитационные эксперименты по моделированию аварийных режимов работы энергосистемы проведены при колебаниях напряжения сети в интервале от – 10 % до + 10 %.
Осциллограммы токов и напряжения сети при трехфазном замыкании, при понижении напряжения сети на - 10 % изображены на рис. 6.
Рис. 6. Осциллограммы токов (а) и напряжения сети при трехфазном замыкании (б), при понижении напряжения сети на – 10 %.
Как видно из осциллограммы при снижении напряжения сети на – 10 % , ток трехфазного короткого замыкания ниже уставки срабатывания МТО, вследствие чего срабатывает МТЗ с временной задержкой в 0,3 секунды, являющейся второй ступенью токовых защит. При этом значение тока срабатывания превышает допустимые значения нагрева проводников и электроустановок, что требует срабатывания устройств защиты без временных задержек.
На рис. 7 представлена осциллограмма токов и напряжения сети при двухфазном замыкании через переходное сопротивление 10 Ом при понижении напряжения сети на – 10%.
Рис. 7. Осциллограмма токов (а) и напряжения сети (б) при двухфазном замыкании через переходное сопротивление 10 Ом при понижении напряжения сети на – 10 %
Согласно полученной осциллограмме, значение тока двухфазного короткого замыкания через переходное сопротивление 10 Ом при напряжении сети на – 10 % меньше номинального, меньше уставки срабатывания МТЗ, что приведет к несрабатыванию устройства защит данного присоединения. В распределительных сетях подобная ситуация приведет к срабатыванию устройства защиты нижестоящего присоединения, что не локализует место повреждения, и приведет к недопустимому перегреву проводников и электрооборудования.
Для предотвращения подобных ситуаций может использоваться еще одна ступень МТЗ с большей временной задержкой, однако, вследствие большой временной задержки возможны повреждения изоляции проводников и выход из строя оборудования.
Результаты моделирования однофазных замыканий на землю при напряжении сети на -10 % меньше номинального, аналогичны результатам, полученным при моделировании двухфазных замыканий через переходное сопротивление 10 Ом при напряжении сети на - 10% меньше номинального.
Результаты моделирования трехфазного, двухфазного, а также замыканий одной фазы на землю, при повышении напряжения сети на + 10 % выше номинального показывают что, ток срабатывания превышает уставку срабатывания. В распределительных сетях это может привести к срабатыванию устройства защиты вышестоящего присоединения с большей уставкой срабатывания, что отключает от источника питания не поврежденное присоединение.
ВЫВОДЫ
1. Разработана модель сети с изолированной нейтралью и универсальная модель устройств токовой защиты. На этой модели проведены эксперименты с различными видами защит. Выполнены имитационные эксперименты при номинальном напряжении сети, подтверждающие адекватность разработанной модели при штатных режимах эксплуатации.
2. Проведены имитационные эксперименты срабатывания защит МТО, МТЗ и ОЗЗ при изменяющихся напряжениях сети на ± 10 %, что соответствует реальным условиям эксплуатации в горнорудной промышленности. Установлено, что при понижении напряжения сети при аварийных режимах работы (трехфазное, двухфазное и однофазное замыкание на землю) срабатывают защиты нижестоящей ступени или устройства защит нижестоящего присоединения, что обусловлено понижением токов срабатывания ниже уставки срабатывания. При аварийных режимах в момент повышения напряжения сети срабатывают защиты вышестоящей ступени или устройства защит вышестоящего присоединения, что обусловлено повышением токов срабатывания выше уставки срабатывания.
3. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости разработки адаптивных к изменяющимся режимам работы и эксплуатационным параметрам сети устройств защиты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , Релейная защита энергетических систем: учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1998.
2. , . Современное состояние и тенденции развития электроприводов горных машин для открытых разработок. Журнал «Привод и управление». 2008, № 2. С. 5-14(7).
3. Расчет токов короткого замыкания 0,4-35 кВ, издание второе, переработанное и дополненное, Москва: Энергия, 1980.
4. «SimPowerSystems: Моделирование электротехнических устройств в MATLAB SimPowerSystemsи Simulink». Москва: ДМК Пресс, 2007.
5. http://forca. ru/spravka/vl-i-provoda/harakteristiki-stalealyuminievyh-provodov-i-provodov-iz-alyuminievogo-splava-so-stalnym-serdechnikom. html.
6. http://el-dvigatel. ru/product/15014
7. Цифровая релейная защита. – М.: Энергоатомиздат, 2007.
8. Руководство по установке и применению. Sepam 1000+ серии 40 Функции защиты 3/1. MerlinGerin. SchneiderElectric.
9. Инструкции по эксплуатации. Цифровая максимальная токовая защита с выдержкой времени и защитой от термической перегрузки с функциями АПВ SIPROTEC 7SJ602 v.3.1. Siemens AG1999; 2001г.
10. , Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов - 2-е изд. перераб. и доп. - Москва: Энергоатомиздат, 1992.
11. Правила устройства электроустановок. Утверждены Постановлением Правительства Республики Казахстан от 01.01.01 года № 000. 13. Релейная защита. 2. С. 604-695.
12. Руководство пользователя (модель R). MICOM P111. Универсальное реле максимальной токовой защиты. Версия 7В.
13. Выключатели вакуумные серии BB/TEL АРТА 674 152.001 РЭ. Производитель Таврида Электрик. Версия 0704.
14. Руководство по эксплуатации. Автоматический вакуумный силовой выключатель 3АН51…54. Siemens. АГ 2003 – 11 – 13 Кb. русс. - англ.
15. Методические указания по выбору характеристик и уставок защиты электрооборудования с использованием микропроцессорных терминалов серии SEPAM производства фирмы ShneiderElectric. Ч. первая. - г. С. Пбг, 2005.
