• Главная
  • Статьи
  • Устройства релейной защиты MiCOM с питанием от токовых цепе
  • Статьи

    3 Октября 2011

    Устройства релейной защиты MiCOM с питанием от токовых цепе

    Андрей Ющик Schneider Electric Energy Poland
    Оригинал статьи отредактирован и переведён на русский язык компанией ООО "РЗА" в 2012 году.
    Данная статья опубликована в журнале "Энергия и менеджмент".
    При публикации на сторонних ресурсах ссылка на первоисточник обязательна.

    В электрических сетях актуален вопрос применения устройств релейной защиты, питание которых обеспечивается от токовых цепей, контролируемых самим устройством и, следовательно, не требующих обязательного специальной системы питания. Типичными областями применения таких устройств являются:

      • Релейная защита распределительных устройств, в которых не планируется установка аккумуляторной батареи.
      • Распределительные устройства, в которых объём эксплуатационного обслуживания должен быть сведен до минимума, либо быстрый доступ в которые обслуживающего персонала затруднен (шахты, химическая промышленность).

    Компания Schneider Electric предлагает линейку устройств релейной защиты MiCOM P11х с питанием от токовых цепей:

      P114S — с питанием от трансформатора тока (ТТ) нулевой последовательности;
      P114D — с простой настройкой посредством DIP-переключателей;
      P115 — с дисплеем и клавиатурой, регистрацией событий;
      P116 — новинка: с расширенным набором функций защиты и регистратором аварийных режимов.

    Устройство P114S питается только от ТТ и поэтому не оснащается интерфейсом связи для интеграции в автоматизированные системы управления (АСУ). Все остальные устройства имеют комбинированный блок питания (т.е. от ТТ и/или напряжения оперативного тока) и оснащены интерфейсом RS-485 с поддержкой протоколов Modbus RTU и IEC 103.
        В статье подробно представлено новое устройство в линейке MiCOM P11х: MiCOM P116 (рис.1).


    Рис. 1 MiCOM P116

    Релейная защита на переменном оперативном токе

    Выполнение релейной защиты на переменном оперативном токе должно учитывать реальную опасность исчезновения напряжения оперативного тока при возникновении повреждения (короткого замыкания), т.е. именно тогда, когда и должна действовать релейная защита.

    В общем случае система релейной защиты включает три основных элемента: измерительные ТТ, устройство (реле) защиты и силовой выключатель. Очевидно, что ТТ могут служить источником питания для реле защиты и, возможно, источником энергии для отключения выключателя. Следует отметить, что использование измерительных ТТ в качестве источника питания может повысить требования к их техническим характеристикам, что неизбежно вызовет их удорожание.

    Включение присоединения, как и отключение, осуществляется силовыми выключателями, управляемыми с помощью приводов. От типа привода зависят возможность и способы выполнения релейной защиты на переменном оперативном токе.

    Рассмотрим следующие способы выполнения релейной защиты на переменном оперативном токе:
      • с использованием энергии предварительно заряженного конденсатора;
      • с использованием катушки отключения выключателя, включенной во вторичную цепь трансформаторов тока.

    Отключение выключателя энергией конденсаторов

    На рынке представлены выключатели, в приводах которых установлены блоки конденсаторов. Накопленная в них энергия используется для управления выключателем.


    Рис. 2 Схема управления выключателем с применением внутреннего конденсатора реле MiCOM P116/P115/P114

    Приводы выключателей также могут оснащаться катушками отключения с малым потреблением энергии, а необходимая для их работы энергия может быть накоплена самим устройством защиты.

    Отключение выключателя энергией, накопленной устройствами MiCOM P116/P115/P114

    Энергия для отключения выключателя запасается внутренним конденсатором реле MiCOM P116/P115/P114, которые могут быть оборудованы двумя энергетическими выходами: =24 В/0,1 Дж и =12 В/0,02 Дж (Schneider Electric — MITOP, ABB/VD-4 — M03). Пример выполнения релейной защиты с использованием устройств MiCOM P116/P115/P114 показан на рис. 2.

    Важным требованием к такому построению релейной защиты является обеспечение быстрого отключения выключателя, в случае если перед возникновением повреждения внутренний конденсатор реле защиты был полностью разряжен. Такое возможно при включении выключателя на КЗ и отсутствии напряжения оперативного тока.

    Рассмотрим достижимое время устранения повреждения применительно к устройству защиты P116. Его собственное время срабатывания при наличии напряжения оперативного тока составляет 25–35 мс. При включении выключателя на КЗ, при полностью разряженном конденсаторе и отсутствии напряжения оперативного тока, собственное время срабатывания реле увеличивается на 15–36 мс (зависит от величины тока КЗ). С учётом собственного времени отключения современных выключателей, полное время ликвидации КЗ составит 100–150 мс. Такое время существования аварийного режима вполне приемлемо для напряжения 6(10) кВ и не может привести к серьезным разрушениям.

    Важным преимуществом такой защиты является отсутствие необходимости предварительной зарядки внутреннего конденсатора до момента возникновения аварийного режима. Такое решение широко используется производителями распределительных устройств в Европе (Франция, Германия, Великобритания, Польша и др.)
         Для выключателей с приводами без катушек отключения с малым потреблением энергии компания Schneider Electric поставляет внешний расцепитель, рассчитанный на работу с реле MiCOM P116/P115/P114 (рис.3). Такой расцепитель устанавливается на выключателе и обеспечивает механическое воздействие на защёлку привода.

    Применение внешнего конденсаторного блока MiCOM E124

    Источником энергии для управления выключателем может служить внешний блок MiCOM E124 с двумя независимыми конденсаторными батареями. Питание такого блока может быть организовано от оперативного тока переменного или постоянного напряжения, от трансформатора собственных нужд или измерительного трансформатора напряжения.

    Построение релейной защиты с использованием внешних конденсаторных блоков, способных обеспечить достаточное количество энергии для управления выключателем, делает невозможным их быстрый заряд и, как следствие, не гарантирует готовность системы к действию в момент подачи в распредустройство напряжения после его длительного отсутствия.


    Рис.3 Внешний расцепитель для работы с устройствами MiCOM P116/P115/P114

    Возможным решением этой проблемы является обеспечение как можно более длительного сохранения заряда конденсаторного блока после исчезновения напряжения питания. Реализация поставленной задачи представляет определённые трудности и требует использования самых современных технологий и специальных электронных компонентов.

    Примером такого решения является устройство MiCOM E124, которое после полной зарядки внутренних конденсаторов (её продолжительность не превышает 1 минуты) сохраняет возможность управления выключателем в течение 8 дней. Наличие двух независимых конденсаторных блоков существенно повышает надёжность отключения выключателя.

    Преимуществом построения релейной защиты с использованием внешнего конденсаторного блока MiCOM E124 является возможность её применения с различными типами выключателей.
         MiCOM E124 находит широкое применение при построении резервных защит трансформаторов.

    Применение токовых катушек отключения выключателя

    Для включения токовой катушки отключения во вторичные цепи измерительных ТТ применяется специальный промежуточный ТТ, поставляемый обычно производителем выключателя вместе с токовой катушкой отключения. Использование промежуточного ТТ позволяет:
      - защитить катушку отключения от протекания больших токов КЗ;
      - обеспечить необходимую чувствительность катушки отключения при различных видах КЗ;
      - снизить требования по коммутационной способности управляющего контакта.

    Кроме того, промежуточный ТТ позволяет согласовать высокоомную катушку со вторичными цепями измерительных ТТ, а встроенный выпрямитель — использовать катушку на напряжении постоянного тока.
         Недостатком такого решения является необходимость оснащения выключателя токовой катушкой и использования промежуточного ТТ, что создает дополнительную нагрузку наизмерительные ТТ и неизбежно ведет к их удорожанию. Решение широко используется в Германии.
         Все описанные решения имеют свои плюсы и минусы. Выбор способа построения релейной защиты определяется по результатам подробного анализа каждого конкретного случая.
         С точки зрения надёжности, не имеет значения, какая энергия используется для отключения выключателя: от измерительных ТТ или конденсаторных блоков, при условии, что конденсаторы имеют соответствующее качество и обеспечивают надёжную работу в широком диапазоне температур (для E124 — от –25 до 55 C).

    Решения, основанные на использовании энергии предварительно заряженного конденсатора, оказываются, как правило, дешевле и применимы со всеми видами выключателей.


    Рис. 4 Схема применения устройства MiCOM E124 Новинка от Schneider Electric: устройство защиты MiCOM P116

    MiCOM P116 предназначен для применения с традиционными измерительными ТТ (In — 5 или 1 A).
         Это полностью цифровое реле, выполняющее все функции, необходимые для защиты ячейки среднего напряжения, и обладающее широкими возможностями регистрации событий иаварийных режимов, а также функциями местной и дистанционной связи. Для возможности включения и отключения выключателя на передней панели P116 установлены кнопки управления.

    Питание реле защиты от ТТ может рассматриваться как резервное — в случае наличия оперативного напряжения постоянного тока, или являться основным — в случае оперативного напряжения переменного тока.

    Достоинством P116 является очень малая нагрузка на измерительные ТТ: менее 2,5 ВА для In с учётом зарядки внутреннего конденсатора. При выборе измерительных ТТ необходимо помнить, что допустимая нагрузка токовых цепей будет также зависеть от предельной кратности ТТ, длины и сечения соединительных проводов. Пример расчёта по выбору ТТ приведён в технической документации на Р116. Номинальная мощность ТТ в значительной степени влияет на уровень их цены.

    Другой характерной особенностью P116 является низкий уровень тока, необходимый для работы реле: 0,2In в одной фазе.
         Напомним, что собственное время срабатывания реле при включении выключателя на КЗ и отсутствии напряжения оперативного тока, составляет 15–35 мс. Такое же время действия реле обеспечивается и при подаче напряжения оперативного тока. Эта особенность приобретает большое значение при использовании реле P116 в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, для которых характерны повреждения с малым током замыкания на землю. Необходимость быстрой готовности реле к действию возникает при подаче на распредустройство напряжения и возникновения при этом замыкания на землю с током, недостаточным для работы реле. В этом случае его работоспособность (в первую очередь, для защиты от замыканий на землю) обеспечивается наличием напряжения оперативного тока, которое восстанавливается после подачи напряжения на распредустройство.

    Перечисленные особенности показывают высокую эффективность системы питания реле.


    Рис. 5 Схема применения токовой катушки отключения

    Важной особенностью и достоинством при эксплуатации P116 является наличие на передней панели порта USB. Он не только обеспечивает локальную связь между P116 и персональным компьютером (ПК), но и служит интерфейсом для внешнего источника питания, в качестве которого может выступать сам ПК, либо другой источник питания с интерфейсом USB. Это позволяет использовать информацию устройства P116 при анализе аварийного режима, приведшего к полному обесточиванию распредустройства, не дожидаясь восстановления напряжения.

    Кроме продуманной конструкции P116 обладает широким набором защитных, а также коммуникационных и диагностических функций:
    - три ступени максимальной токовой защиты (МТЗ);
    - две ступени направленной токовой защиты нулевой последовательности (ТЗНП);
    - адмитансная защита от замыканий на землю;
    - ускорение защит при включении на КЗ;
    - токовая защита обратной последовательности (ТЗОП);
    - защита от неполнофазного режима (по критерию отношения токов обратной и прямой последовательности);
    - защита от тепловой перегрузки (тепловая модель);
    - автоматическое повторное включение (АПВ);
    - дополнительные таймеры;
    - устройство резервирования отказа выключателя (УРОВ) с контролем отключения выключателя по минимальному току;
    - блокировка защит через бинарные входы;
    - отстройка защит от пусковых токов - позволяет динамически изменять уставки токовых защиты в момент включения выключателя;
    - блокировка защит по второй гармонике (бросок тока намагничивания трансформатора);
    - две группы уставок;
    - интерфейсы связи USB и RS485 (протоколы Modbus RTU/ IEC 103);
    - регистрация с меткой времени - аварийных режимов (20),событий (200), осциллограммы аварийных режимов (общая длительность 7,5 с);
    - счетчики пусков, включений, отключений, циклов АПВ;
    - диагностика выключателя и контроль цепи отключения;
    - дополнительные функции.


    Рис.6 Функциональная схема MiCOM P116

    Полную конфигурацию реле можно выполнить с передней панели управления с помощью клавиатуры и дисплея — без использования персонального компьютера.

    Уникальным решением является полная регистрация событий, аварийных режимов даже в случае питания P116 только от токовых цепей. Следует отметить, что конденсатор, поддерживающий внутренние часы реле получает питание только от цепей оперативного тока. Такое решение принято с целью снижения нагрузки на измерительные ТТ. Поэтому работа внутренних часов и, следовательно, действительная установка меток времени поддерживается, примерно, в течении трех суток с момента исчезновения напряжения оперативного тока.

    Синхронизация времени может происходить через порт RS-485 или бинарный вход (внешние часы на подстанции).

    Как реле с возможностью питания от измерительных ТТ, P116 обладает большим количеством бинарных входов (6), выходных реле (7), светодиодов LED (8), бистабильных электромагнитных указательных реле (5).

    P116 может комплектоваться бинарными входами двух типов:
    - универсальные входы с номинальным напряжением 24–240 В переменного или постоянного тока;
    - входы на напряжение постоянного тока с задаваемым уставкой порогом срабатывания.

    Универсальные входы обладают специальными алгоритмами фильтрации, обеспечивающими защиту от индукционных помех.
         Первым элементом защиты бинарных входов от помех является алгоритм фильтрации, основанный на динамическом изменении входного импеданса. Для возбуждения входа необходимо напряжение выше порогового значения (19 В) и тока выше 35 мA (порог тока не зависит от значения вспомогательного напряжения). Высокое значение токового порога 35 мA позволяет отличить наличие на входе полезного сигнала от помехи. Величина входного тока 35 мA удерживается примерно 2 мс, после чего изменяется входной импеданс так, чтобы ток через бинарный вход составлял около 5 мA.
         Вторым элементом защиты бинарных входов от помех является алгоритм цифровой фильтрации.
         Появление сообщения о высоком состоянии бинарного входа запускает процесс программной проверки его состояния. Период наблюдения зависит от вида напряжения, подаваемого на бинарный вход: AC/DC, AC или DC. Выбор является независимым для каждого из бинарных входов.

    Выводы:

    Предложение компании Schneider Electric открывает возможность выполнение релейной защиты на переменном оперативном токе.

    Оптимальным решением с экономической точки зрения является использование для отключения выключателя энергии конденсатора, встроенного в реле защиты. Такое решение может быть использовано только для новых выключателей, привода которых оснащены катушками отключения с малым потреблением или конденсаторными блоками для управления выключателем.

    Для массово эксплуатируемых выключателей ранних выпусков наилучшим решением является применение внешнего конденсаторного блока MiCOM E124, питающегося от собственных нужд распределительного устройства.

    Использование энергии заряженного конденсатора не предъявляет дополнительных требований к измерительным ТТ и, следовательно, не ведет к увеличению их стоимости.
         Реле защиты с возможностью питания от измерительных ТТ используют современную цифровую технологию и обеспечивают ставшие сегодня обязательными функции: регистрацию аварийных режимов (с меткой времени), возможность интеграции в различные АСУ. Применение порта USB в новой платформе P10 создает дополнительные удобства для пользователя и позволяет работать с реле даже при отсутствии напряжения питания.

    Устройство защиты MiCOM P116 обладает рядом достоинств, обеспечивающих:
    - надёжную работу в распредустройствах с различными видами напряжения оперативного тока;
    - возможность интеграции в АСУ;
    - полностью цифровое решение с функциями самодиагностики и самоконтроля;
    - малую нагрузку на измерительные ТТ, не оказывающую влияния на их цену;
    - быстрое время действия – при полностью обесточенном реле с момента возникновения тока КЗ или подачи напряжения питания до выдачи команды отключения с учётом заряда внутренних ёмкостей: 60–70 мс;
    - реализацию защитных и диагностических функций, например, направленной ТЗНП, предшествующих моделей (MiCOM P124);
    - реализацию функций регистрации даже в случае аварии при питании реле от ТТ и отсутствия другого вспомогательного питания;
    - местное и дистанционное управление выключателем.


    Автор статьи:  Андрей Ющик
    Компания:  Schneider Electric Energy Poland
    Аннотация:  Оригинал статьи отредактирован и переведён на русский язык компанией ООО "РЗА" в 2012 году.
    Данная статья опубликована в журнале "Энергия и менеджмент".
    При публикации на сторонних ресурсах ссылка на первоисточник обязательна.

    Возврат к списку