Архитектура электрических сетей
Этапы разработки системы защиты электрической сети (определение системы защиты, архитектура электрических сетей, селективность защиты).
Разработка системы защиты электрической сети состоит из двух этапов:
1) определение системы защиты или так называемой «схемы защиты»;
2) определение уставок по каждому виду защиты или так называемая «координация защит» или «селективность».
Определение системы защиты.
Выбор элементов защиты и общей структуры системы защиты, согласованной и адаптированной к нуждам сети.
Рис. 3. Схема защиты
Система защиты представляет собой цепь из следующих элементов (см. рис. 3):
- измерительные датчики тока и напряжения, которые выдают данные измерений, необходимые для обнаружения повреждений;
- реле защиты, обеспечивающее постоянный контроль за состоянием электрической сети, вплоть до выработки команд на отключение поврежденных участков сети, и управление через цепь отключения;
- устройства отключения, используемые при устранении повреждений: выключатели, блоки «выключатель - плавкий предохранитель», блоки «контактор - плавкий предохранитель».
В схеме защиты указываются устройства защиты от основных видов повреждений, возникающих в сетях и оборудовании:
- короткие замыкания, междуфазные короткие замыкания и замыкания на землю;
- перегрузки;
- повреждения, возникающие во вращающихся машинах.
При разработке схемы защиты учитываются следующие параметры:
- архитектура и масштаб сети, а также различные режимы эксплуатации сети;
- схемы заземления;
- характеристики источников тока и их воздействие в случае возникновения повреждения;
- виды нагрузки;
- потребность в непрерывной работе.
Определение уставок защит.
Каждая функция защиты должна быть отрегулирована для достижения оптимальных характеристик эксплуатации сети и для использования во всех режимах работы.
Значения уставок защит определяются в результате полного расчёта на основе характеристик отдельных элементов сети.
Эти расчёты теперь легко выполняются с помощью специального программного обеспечения; анализируется реакция сети на какое-либо отклонение от нормальной работы и выдаются значения уставок по каждой задействованной функции защиты.
Архитектура электрических сетей
Схема защиты электрической системы выбирается в соответствии с архитектурой и режимом работы этой системы. Дадим сравнительное описание типичных структур электрических сетей.
Все элементы, составляющие электрическую сеть, могут быть скомпонованы в различные структуры, сложность которых обуславливает эксплуатационную готовность и инвестиционные затраты. Поэтому для каждого вида применения выбирается архитектура электрической сети с учётом критерия оптимальных технико-экономических условий.
Основные типы архитектуры сетей:
§ радиальные сети:
- простая радиальная линия;
- двойная радиальная линия;
- параллельная линия;
- линия с двойным питанием и с двойной системой сборных шин;
§ замкнутые сети:
- с разомкнутой петлей;
- с замкнутой петлей;
§ сети, включающие источник внутреннего производства энергии:
- с агрегатами для местного производства;
- с резервными источниками питания.
В табл. 1 представлены для сравнения основные характеристики каждой архитектуры сети. На рис. 4 представлены примеры схем разной архитектуры сетей.
Таблица 1.
Сравнительные характеристики сетей различной архитектуры
| Архитектура сети | Использование | Преимущества | Недостатки |
| Радиальная сеть | |||
| Простая радиальная линия | Процессы, не требующие постоянной подачи питания Пример: цементная промышленность | Наиболее простая структура Легкость в организации защиты Минимальная стоимость затрат | Низкая надёжность Длительное время отключения при возникновении повреждения Только одно повреждение влечет за собой отключение питания радиальной сети |
| Двойная радиальная линия | Непрерывные производственные процессы: черная металлургия, нефтехимия | Надёжность бесперебойного питания Возможность проведения технического обслуживания сборных шин с главного распределительного щита | Дорогостоящий вариант организации сети Частичное функционирование сборных шин в случае проведения технического обслуживания |
| Параллельная линия | Разветвлённые сети Дальнейшее расширение ограничено | Надёжность бесперебойного питания Простота организации защиты | Необходимость использования функций автоматического управления |
| Линия с двойным питанием и двойной системой шин | Процессы с большой потребностью в непрерывной бесперебойной работе Процессы с большим изменением нагрузки | Надежность бесперебойного питания Гибкость использования: переключение с одной системы сборных шин на другую без отключения питания Гибкость в техническом обслуживании | Дорогостоящий вариант организации сети Необходимость использования функций автоматического управления |
| Замкнутая сеть | |||
| Разомкнутая петля | Очень разветвленные сети Значительное дальнейшее расширение Нагрузки, сосредоточенные в различных зонах одного объекта | Более дешевый вариант по сравнению с замкнутой петлёй Простота организации защиты | Отключение питания участка сети при возникновении повреждения на время восстановления конфигурации петли Необходимость использования функций автоматического управления |
| Замкнутая петля | Сети с большой потребностью в непрерывной бесперебойной работе Очень разветвленные сети Нагрузки, сосредоточенные в различных зонах одного объекта | Надёжность бесперебойного питания Отсутствие необходимости в функциях автоматического управления | Дорогостоящий вариант организации сети Сложная система защиты |
| Внутреннее производство энергии | |||
| Местное производство энергии | Промышленные объекты с использованием процессов производства энергии на собственной электростанции Пример: бумажное производство, чёрная металлургия | Надёжность бесперебойного питания Стоимость энергии (энергия, получаемая от процесса) | Дорогостоящее решение |
| Резервные источники питания (нормальная работа/ аварийный режим) | Промышленные объекты и объекты обслуживания населения Пример: больницы | Надёжность бесперебойного питания отходящих линий приоритетных потребителей | Необходимость использования функций автоматического управления |
Рис. 4. Примеры схем разной архитектуры сетей
НЗ – нормально замкнут; НО – нормально разомкнут (остальные выключатели в замкнутом положении)
Селективность защиты
Защиты представляют собой набор связных функций, использование которых обусловлено структурой сети и способом заземления нейтрали.
Таким образом, функции защиты должны рассматриваться как некая система, основанная на принципе селективности, который заключается в том, чтобы как можно быстрее изолировать поврежденный участок сети (и только этот участок), не отключая, при этом, нормально работающие звенья цепи.
Можно использовать различные способы для обеспечения надлежащей селективности защиты электрической сети:
- временная селективность с выдержкой времени;
- селективность по току;
- селективность путём обмена данными, называемая логической селективностью;
- селективность, используемая с функциями направленной защиты;
- селективность, используемая с функциями дифференциальной защиты;
- комбинированное использование различных вариантов селективности для обеспечения наилучших общих показателей (технических и экономических) или должного уровня резервирования (аварийной защиты).