В.В.Павловский, к.т.н., с.н.с. института электродинамики НАН Украины

Тауфик Халил, начальник технической группы ООО «Тамбрандс-Украина»

В.В. Макогончук, инженер ООО «ДГКЦ - Инжиниринг»

Технический аудит систем

электроснабжения промышленных предприятий

Системы электроснабжения промышленных предприятий (СЭПП) характеризуются сложными схемами соединений, большими мощностями установленного оборудования,  разнородными нагрузками, частыми изменениями конфигурации и параметров электроустановок, большими токами коротких замыканий и сложной защитной системой. Защитная система СЭПП состоит из автоматических выключателей (АВ), предохранителей и других устройств релейной защиты и автоматики (РЗА). Основные требования к защитной системе известны: чувствительность, быстродействие, селективность и резервирование [1]. А к СЭПП – надежность, качество и безопасность электроснабжения.

Постоянный рост установленной мощности электроприемников приводит к увеличению сечения кабелей и, следовательно, к увеличению ожидаемых токов короткого замыкания (КЗ). Увеличение ожидаемых токов КЗ требует проведения повторного анализа термической и электродинамической стойкости установленного оборудования. Кроме того, увеличение ожидаемых токов КЗ без изменения уставок РЗА часто приводит к неселективным отключениям. Как показывает практика, сегодня на восьми предприятиях из десяти наблюдается нескоординированная работа АВ, предохранителей и других защитных устройств. С другой стороны завышенное расчетное значение ожидаемых токов КЗ, получаемое из-за неучета при расчетах эффекта теплового спада, сопротивлений контактов и дуги, может привести на практике к недопустимо большому времени отключения КЗ и, как следствие, к большому тепловому импульсу (интегралу Джоуля) и возгоранию кабелей.

Количественная оценка степени термического воздействия тока КЗ на проводники и электрические аппараты проводится с помощью интеграла Джоуля

,

где i_к.t – ток КЗ в произвольный момент времени t; t_откл – расчетная продолжительность КЗ. Ожидаемые токи КЗ рассчитываются согласно принятым стандартам (ГОСТ, МЭК или ANSI). В целях первого приближения, пренебрегая сопротивлением внешней сети, можно показать, что максимальный ожидаемый ток КЗ за трансформатором равен

,

где –  напряжение КЗ трансформатора в относительных единицах,  – номинальный ток трансформатора на стороне низшего напряжения.

Расчетная продолжительность КЗ определяется исходя из величины ожидаемого тока КЗ и анализа характеристик и уставок  защитных устройств.

Также в случае отказа при КЗ основного АВ присоединения развитие аварии определяется правильностью настройки резервного АВ.  Например, если в качестве резервной защиты используются «тепловые» токовые расцепители, то продолжительность КЗ существенно увеличится, увеличится соответственно и интеграл Джоуля, что опять таки может быть причиной возгорания кабелей.

Технический аудит СЭПП это комплекс обследований оборудования и инженерных расчетов, включающий документирование технических характеристик системы, верификацию схемы соединений, определение ожидаемых токов КЗ, проверку силового оборудования на термическую и электродинамическую стойкости, проверку корректности  работы защитных устройств. По результатам технического аудита предприятие получает достоверную и информативную картину электроснабжения: перечень «узких» мест в сети, перечень неустойчивых к возгоранию кабелей [2],  рекомендации по сокращению объема обесточений в случае КЗ, список АВ, требующих первоочередной замены, и т.п. Кроме того, аудит позволяет дать независимую оценку состояния СЭПП в целом, определить  необходимость ее развития, расширения, оптимизировать работу, повысить кровень эффективности функционирования СЭПП.

Целью аудита СЭПП также является уменьшение вероятности аварий, максимальное снижение последствий в случае возникновения КЗ, повышение безопасности эксплуатации сети, организация эффективной защиты электрооборудования от сверхтоков, эффективная локализация и своевременное отключению аварийных участков.

Таким образом, основными задачами технического аудита СЭПП является проведение комплекса технических мероприятий по снижению риска аварий и обесточений производства, а также оптимизация капиталовложений при реконструкции и развитии сети электроснабжения.

За рубежом регулярный технический аудит защитных систем (расчет токов КЗ, координация предохранителей и АВ) в СЭПП является, по-сути, корпоративным стандартом большинства промышленных компаний. А ввиду влияния энергии дуги, зависящей непосредственно от ожидаемого теплового импульса тока КЗ, на безопасность персонала технический аудит в соответствии с новым стандартом с прошлого года в США является  обязательным мероприятием.

Ввиду того, что координация сети является достаточно трудоемкой процедурой, которая   требует большого количества расчетов и построений множества сложных графических диаграмм, ее эффективное выполнение возможно лишь с применением производительных ЭВМ и соответствующего программного обеспечения. Поэтому ранее полная координация СЭПП проводилась только на этапе создания типовых проектов электроснабжения. В процессе эксплуатации СЭПП происходит изменение производственных мощностей, конфигурации и состава оборудования, электроприемников. Естественно, что настройки защитных систем должны соответствовать этими изменениям. К сожалению, из-за сложности и трудоемкости координации эта процедура, как правило, в процессе эксплуатации не проводилась, что часто приводит к выходу из строя оборудования, неоправданным простоям производства и снижению безопасности персонала. Стоит заметить, что в последнее время появилось понимание и заинтересованность отечественных предприятий в координации АВ и предохранителей, готовится к выпуску соответствующий одноименный раздел стандарта. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) 7-го издания предусматривают обязательную проверку оборудования 0,4 кВ на стойкость токам КЗ и кабелей на невозгораемость.

Наиболее сложными для координации являются сети, в которых установлены АВ различных производителей, отсутствует информация об их технических характеристиках, а силовые щиты имеют разнохарактерную или разновеликую нагрузку. Выбор и координация АВ даже одного группового щита вызывает затруднения. А когда речь идет о десятке силовых щитов, включенных еще и каскадно, процесс координации существенно усложняется и становится практически невыполним без применения специального программного обеспечения.

Для дальнейшего анализа проблемы выделим четыре зоны время-токовой  (защитной) характеристики АВ (рис.1).

Рис.1 Защитная характеристика автоматического выключателя.

Зона А является зоной рабочих токов. Нормальное состояние защищаемой цепи: при токах меньше номинального АВ не выполняет никаких действий. Iном – номинальный ток АВ.

Зона Б – зона перегрузок. Ток в цепи АВ выше номинального, но не достигает значения минимального тока КЗ. Выключатель отключается с выдержкой времени, обратно пропорциональной квадрату тока цепи (t=B/I², где В – термический эквивалент или интеграл Джоуля). Время отключения изменяется в пределах от нескольких часов до секунд в зависимости от величины тока. Основная функция этой защиты, которую выполняет, как правило, «тепловой» расцепитель АВ – защита от перегрузок. Работа теплового расцепителя начинается при значениях тока, равного 110-130% номинального тока АВ.

Зона В – зона коротких замыканий – отсечка. Эта зона присутствует далеко не у всех АВ и служит для отключения токов КЗ с выдержкой времени t_k. Выдержка времени, которая может регулироваться, применяется для достижения селективного отключения при установке АВ последовательно или при защите ими цепей, содержащих двигательную нагрузку. Для обеспечения чувствительности значение тока Ik должно соответствовать или быть меньше минимального тока КЗ защищаемой цепи.

Зона Г – зона коротких замыканий – мгновенное расцепление. Служит для отключения токов КЗ защищаемой цепи без выдержки времени. Время отключения соответствует времени АВ на разрыв контактов и гашения дуги между ними. Если в АВ отсутствует отсечка, то значение тока Iс должно соответствовать или быть меньше минимального тока КЗ защищаемой цепи. Ток Ic.s характеризует рабочую способность выключателя отключать короткое замыкание. Это  максимальный ток, который способен коммутировать АВ. Кроме того, у АВ есть параметр Ic.u, характеризующий номинальную предельную способность выключателя отключать короткое замыкание. Это  максимальный ток, который способен коммутировать АВ одноразово. Устанавливать АВ в цепь с максимальным током КЗ, превышающим значение Ic.s недопустимо.

Схема защиты системы осветительных или бытовых приборов может быть организована с помощью АВ с типовыми характеристиками отключения (B,C или D). Это самый распространенный и доступный вид АВ с номинальным током до 125 А. Эти АВ не имеют настроек токовых и временных уставок расцепителей и обладают стандартизированными защитными характеристиками, отличия которых только в кратности токов мгновенного расцепителя по отношению к номинальному рабочему току. В соответствии с [3] для характеристики В имеем  Ik=(3-5)Iном, для характеристик С и D – соответственно, Ik=(5-10)Iном и Ik=(10-50)Iном. Характеристика «теплового» расцепителя в этих АВ подобрана таким образом, что он способн защитить от перегрева кабель любого исполнения с максимальным рабочим током не меньше номинального тока выключателя. Рассмотрим координацию АВ для простейшей схемы, изображенной на рисунке 2.