Уставка защиты считается не от тока нагрузки, а от тока короткого замыкания. Причём нужен не один ток, а несколько — в разных точках и разных режимах, и путать их нельзя: максимальный ток служит для отстройки, минимальный — для проверки чувствительности. Если посчитать только один, защита либо не сработает там, где должна, либо сработает там, где не должна.
Разберу практическую методику: какие точки брать под каждую защиту, как считают в базисных единицах, что делать с РПН и нагрузкой и какие числа в итоге попадают в расчёт уставки. Общие понятия и виды КЗ — в статье расчёт токов короткого замыкания.
Два режима, которые нужны всегда
Любая токовая уставка проверяется двумя крайностями.
Максимальный режим — всё, что увеличивает ток КЗ: максимальная нагрузка системы, все трансформаторы и линии в работе, минимальное сопротивление. По нему считают:
- отстройку от тока внешнего КЗ (чтобы защита не сработала на чужое повреждение);
- отстройку от броска намагничивающего тока;
- термическую стойкость и параметры отсечек.
Минимальный режим — всё, что ток уменьшает: один из параллельных трансформаторов отключён, линия в ремонте, система в режиме минимума. По нему проверяют чувствительность:
kч = Iкз.мин / IсзНормы чувствительности заданы в правилах устройства электроустановок: для токовых защит обычно 1,5 при КЗ в конце зоны и 1,2–1,3 в «худшем» режиме для резервных ступеней. Если считать чувствительность по максимальному току, получится фикция: защита формально проходит, а в реальном минимуме не срабатывает.
Точки расчёта под каждую защиту
Точка — это место КЗ, для которого считается ток. Выбирают не «где понравилось», а под задачу ступени.
| Защита | Где считать ток | Что получают |
|---|---|---|
| МТЗ линии | конец защищаемой линии (макс. и мин. режим) | уставку и чувствительность |
| Токовая отсечка | шины приёмной подстанции | отстройку от КЗ за линией |
| Дифференциальная трансформатора | выводы НН при внешнем КЗ | ток небаланса |
| Дифференциальная шин | на шинах, на каждом присоединении | ток срабатывания и торможение |
| Дистанционная | конец зоны каждой ступени | сопротивление срабатывания |
| Защита от ОЗЗ | вся электрически связанная сеть | ток замыкания на землю |
Ошибка, которая встречается регулярно: отсечку считают по КЗ на шинах своей подстанции. На шинах ток максимальный, уставка получается завышенной, и отсечка перестаёт защищать начало линии. Отстройка отсечки берётся от КЗ за защищаемым участком, а проверяется на чувствительность при КЗ в начале линии.
Базисные единицы: почему так, а не в именованных
Считать в именованных единицах можно, но при двух-трёх трансформаторах приходится приводить сопротивления с одной ступени напряжения на другую, и там появляются квадраты коэффициентов трансформации. Базисные единицы убирают эту работу.
Задаются два базисных значения — мощность и напряжение ступени:
Sб — произвольная базовая мощность (обычно 100 или 1000 МВ·А)
Uб — среднее номинальное напряжение ступени (3; 6; 10; 35; 110; 220; 330; 500 кВ)
Iб = Sб / (√3 · Uб)
Xб = Uб² / SбДальше все элементы приводятся к относительным единицам делением на базисное сопротивление своей ступени:
Система: Xс = Sб / Sкз.сист
ЛЭП: Xл = x0 · L · Sб / Uб² (x0 ≈ 0,4 Ом/км для ВЛ, 0,08 для кабеля)
Трансформатор: Xт = (uк / 100) · Sб / Sном.т
Генератор: Xг = (x″d / 100) · Sб / Sном.гПосле этого сопротивления складываются в схеме замещения как обычные числа — трансформация напряжений уже учтена в базисных единицах каждой ступени.
Числовой пример
Считаем ток КЗ за трансформатором 110/10 кВ для выбора МТЗ на стороне 10 кВ.
Исходные данные:
Sб = 100 МВ·А
Система: Sкз = 2000 МВ·А
ВЛ 110 кВ: L = 20 км, x0 = 0,4 Ом/км
Трансформатор: Sном = 16 МВ·А, uк = 10,5 %Сопротивления в относительных единицах (ступень 110 кВ, Uб = 115 кВ):
Xс = 100 / 2000 = 0,05
Xл = 0,4 · 20 · 100 / 115² = 800 / 13225 = 0,0605
Xт = (10,5 / 100) · 100 / 16 = 0,656Суммарное сопротивление до точки КЗ за трансформатором:
XΣ = 0,05 + 0,0605 + 0,656 = 0,767Ток в относительных единицах:
I* = E / XΣ = 1,0 / 0,767 = 1,304Переводим в именованные на ступени 10 кВ (Uб = 10,5 кВ):
Iб = 100 / (√3 · 10,5) = 5,5 кА
Iкз = 1,304 · 5,5 = 7,2 кАЧтобы получить максимальный ток для отстройки, в расчёт ставят максимальный режим системы (наибольшее Sкз) и все параллельные элементы в работе. Чтобы получить минимальный для чувствительности — Sкз по минимуму и один трансформатор из двух отключённым.
Что происходит с РПН
Регулятор под нагрузкой меняет коэффициент трансформации в пределах ±10–16%, и вместе с ним меняется ток КЗ на стороне НН:
при крайнем положении РПН ток КЗ отличается на 10–20 %Практический вывод: РПН учитывают в расчёте двумя крайними положениями. Для отстройки берут положение, дающее максимальный ток на защищаемой стороне, для чувствительности — минимальный. В терминалах с учётом положения РПН (по дискретному сигналу или токовой петле) расчёт уточняется автоматически, но проверить проектное решение всё равно нужно — терминал не знает, какое положение реально стоит.
Нагрузка и апериодическая составляющая
Нагрузка в схему замещения обычно не входит: её сопротивление велико, и она подпитывает КЗ незначительно. Но в двух случаях её учитывают: при расчёте самозапуска двигателей и при проверке чувствительности защит, установленных на стороне, где КЗ подпитывается от нескольких источников с существенной нагрузкой.
Апериодическая составляющая не влияет на установившееся значение тока КЗ, но влияет на то, что увидит защита в первый период:
iуд = √2 · Iкз · kудгде kуд — ударный коэффициент, зависящий от соотношения X/R в точке КЗ: для шин крупных подстанций 1,8–1,9, для удалённых точек 1,3–1,5. Ударный ток нужен для проверки ТТ на кратность, для проверки аппаратов на электродинамическую стойкость и для понимания, насытится ли сердечник в переходном режиме — там же, где работают защиты с выдержкой менее 0,1 с.
Ошибки, которые портят расчёт
Считают ток КЗ, а уставку берут «по опыту». Отстройка от нагрузки вместо отстройки от КЗ — самый частый источник ложных срабатываний при качаниях и бросках.
Не учитывают схему соединения обмоток трансформатора. При группе Δ/Y ток на стороне треугольника в √3 раз больше, чем в линии, и в схему замещения это входит либо коэффициентом схемы, либо компенсацией в терминале.
Берут один режим. Проверка чувствительности по максимальному току — самообман: в минимуме защита не увидит КЗ в конце зоны.
Забывают про подпитку с другой стороны. Для транзитных линий ток через защиту при КЗ за спиной может быть значительным, а расчёт ведут только «в одну сторону».
Не учитывают заземление нейтрали. Ток однофазного КЗ зависит от того, сколько нейтралей трансформаторов заземлено в данной сети. Для сети 110 кВ с частично разземлёнными нейтралями ток ОЗЗ меняется в разы — и уставки ТЗНП вместе с ним.
Итог
Расчёт токов КЗ для уставок — это не одно число, а набор: максимальный ток для отстройки, минимальный для чувствительности, ударный для проверки аппаратуры и ТТ, ток ОЗЗ для земляных защит. Считать их проще всего в базисных единицах, а результат обязательно проверять на двух крайних режимах — иначе уставка окажется верной только в одном из них.
Дальше по цепочке: как из этих токов получаются уставки конкретных ступеней — в статье расчёт уставок дистанционной защиты, а как в терминале хранятся и переключаются группы уставок — в разборе уставки терминалов РЗА.
