MiCOM P116: Устройства релейной защиты с питанием от токовых цепей

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 затруднён (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 — 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 (то есть 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), то есть именно тогда, когда и должна действовать релейная защита.

В общем случае система релейной защиты вклю- чает 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, включённой во вторичную цепь ТТ.

Отключение выключателя энергией конденсаторов

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. 4. Схема применения устройства MiCOM E124

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 одной 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.

Рис. 5. Схема применения токовой катушки отключения

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 создаёт дополнительную нагрузку на измерительные ТТ и неизбежно ведёт 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.

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 и аварийных 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 признаётся 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 яв- ляется 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  свидетельствуютo высокой эффективности системы питания реле. Важной особенностью и достоинством при экcплуатации 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, привёдшего 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);
• 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 вы- ключателя по минимальному току;
• блокировка защит через бинарные входы;
• отстройка защит от пусковых токов ― позволяет динамически изменять уставки токовых защит в момент включения выключателя;
• блокировка защит по второй гармонике (бросок тока намагничивания трансформатора);
• две группы уставок;
• интерфейсы связи USB и RS-485 (протоколы Modbus RTU/ IEC 103);
• регистрация (с меткой времени) аварийных режимов (20), событий (200), осциллограммы аварийных режимов (общая длительность 7,5 с);
• счётчики 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 течение трёх 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, приводы 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 ведёт 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 создаёт 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.

Андрей Ющик, Schneider Electric Energy Poland Sp. z o.o.