Быстродействующие дуговые защиты КРУ Современное состояние и пути совершенствования

Быстродействующие дуговые защиты КРУ Современное состояние и пути совершенствования

Значительную опасность для комплектных распределительных устройств (КРУ) напряжением 6–10 кВ представляют внутренние короткие замыкания (КЗ), сопровождаемые электрической дугой (ЭД). Данная проблема усугубляется тем, что многие КРУ не оснащены полноценной быстродействующей защитой от дуговых КЗ или применяемая в них защита не отвечает современным требованиям. Это побудило РАО «ЕЭС России» издать ряд приказов о повышении надежности работы энергообъектов, оборудованных КРУ, предусматривающих их оснащение быстродействующими защитами от внутренних дуговых КЗ.

Способы распознавания дуговых КЗ
Дуговое КЗ сопровождается как изменением параметров и характеристик электрической сети (ток, напряжение, сопротивление), так и существенным повышением температуры, давления, электропроводимости и теплового (светового) излучения внутри отсеков КРУ. Данные информационные признаки могут быть использованы в защите, которая должна отвечать следующим свойствам: высокое быстродействие, абсолютная селективность и высокая чувствительность. Основных способов распознавания дуговых КЗ два вида:
– Способы, основанные на контроле параметров и характеристик электрической цепи с дугой: спектрального состава тока или напряжения, модулей и аргументов фазных и симметричных составляющих токов и напряжений, уровней несимметрии токов или напряжений, сопротивлений или вольт-амперных характеристик короткозамкнутой цепи. Эти способы позволяют использовать традиционные для релейной защиты сигналы – токи и напряжения. Наряду с известными достоинствами в преобразовании и обработке токов и напряжений имеется и ряд недостатков, заключающихся в том, что данные признаки могут наблюдаться не только при внутренних дуговых КЗ, но и при внешних КЗ. Последнее затрудняет распознавание внутреннего повреждения, т.е. не позволяет выполнить защиту с абсолютной селективностью. Однако выполненные исследования, например [1], показывают возможность информационного совершенствования дуговых защит и, как следствие, повышение распознаваемости рассматриваемых режимов, о чем будет сказано отдельно.

Сравнение методов защиты от дуговых КЗ
Достаточно простым техническим решением для защиты от дуговых КЗ является применение максимальной токовой защиты (МТЗ), положительными качествами которой являются простота, высокая элементная надежность и низкая стоимость. Ограничивающими факторами применения МТЗ являются относительная селективность и недостаточно высокое быстродействие из-за необходимости согласования с защитами смежных элементов.
Требованию абсолютной селективности отвечают токовые дифференциальные защиты и «логические защиты шин» (ЛЗШ) секций (на основе разрешающей МТЗ ввода и блокирующих МТЗ отходящих присоединений), в зону действия которых входят сборные шины и выключатели. «Мертвой» зоной этих защит являются отсеки измерительных трансформаторов тока (ТТ) и кабельной разделки – одни из наиболее вероятных мест повреждения. ЛЗШ может отказать в начальный период КЗ при наличии подпитки от мощных электродвигателей, что может быть исключено путем контроля направления мощности на данных присоединениях. Появление высших гармонических составляющих в напряжениях из-за нелинейности вольтамперной характеристики дуги может являться дополнительным информационным признаком, так же как и наличие симметричных составляющих обратной и нулевой последовательности токов и напряжений из-за неравенства длин столбов дуги и касания заземленных металлоконструкций.

Контроль параметров электрической дуги
Значительная часть энергии, подводимой к столбу электрической дуги, превращается в тепловую энергию. Для контроля температуры в ячейке могут быть использованы контактные и дистанционные методы, однако их применение ограничено из-за относительной сложности используемой аппаратуры и необходимости точного позиционирования датчика температуры по отношению к столбу дуги, положение которого заранее неизвестно.
Повышение давления, зависящего от энергии дугового КЗ, материала ошиновки, коэффициента заполнения отсека, длительности КЗ, также может являться одним из признаков рассматриваемого вида повреждения. Однако из-за негерметичности отсеков КРУ чувствительность защит, контролирующих приращение давления, также ограничена. Например, клапанные защиты устойчиво срабатывают только при токах более 3, 5 кА и выше [2].
Контроль плотности заряженных частиц (электропроводности) возможен только при близких к столбу дуги расстояниях, а при удалении датчиков электропроводимости от столба дуги резко снижается чувствительность защиты. Мощность теплового излучения, в том числе и светового излучения, зависит от величины тока КЗ, на значение которого влияет сопротивление предвключенной системы и сопротивление столба дуги. Оценка чувствительности защит [3], использующих оптические датчики информации, показывает, что их чувствительность достаточна практически для всех типов КРУ, подключаемых к трансформаторам мощностью 2, 5 МВА и выше.

Современная техническая реализация защитных устройств
Для защиты КРУ в настоящее время применяются устройства, реагирующие:

  • на повышение давления на фронте ударной волны в начальный момент дугового КЗ (клапанная дуговая защита [2]);
  • на повышение степени ионизации газов в канале дугового столба (защита антенного типа с дугоулавливающим электродом, устанавливаемым в шинных отсеках [2]);
  • на появление излучения от дугового столба (защита на фототиристорах, фоторезисторах, фототранзисторах и фотодиодах [4–12], с волоконно-оптическими датчиками (ВОД) [13–15]).

Сравнение способов построения дуговых защит КРУ показывает, что наиболее перспективным с позиции получения максимального быстродействия при абсолютной селективности и минимальном количестве информационных признаков является способ контроля освещенности (светового потока) внутри отсеков [1].

Построение оптико-электрических дуговых защит
Оптико-электрические дуговые защиты по типу используемых датчиков можно разделить на две группы: с полупроводниковыми фотодатчиками и с ВОД. Тип датчика определяет не только алгоритмы обработки информации, но и исполнение защит, которые можно классифицировать как индивидуальные и централизованные.
Централизованные защиты, как правило, предназначены для защиты секции или группы ячеек и не обеспечивают селективного выявления зоны повреждения. Оптические датчики, например полупроводниковые фотоприборы, соединяются параллельно, а ВОД включается в виде петли.
Индивидуальное исполнение защиты позволяет выполнить воздействие на выключатель поврежденной ячейки, обеспечить селективность действия защиты и выявить поврежденную зону.
Для повышения селективности централизованные защиты могут быть выполнены по централизованно-индивидуальному принципу, когда каждый датчик имеет свою зону наблюдения и ему присваивается определенный номер («имя») [8, 13, 15]. При реализации индивидуальной защиты с помощью ВОД они выполняются в виде радиальных линий, соединяемых с центральным блоком обработки информации (ЦБОИ) [13, 15]. При реализации датчиков на основе традиционных фотоприборов они также должны выполняться в виде радиальных линий или включаться параллельно, с передачей кодированной информации в центральный блок [8].
Система оперативного тока также существенным образом влияет на выполнение защиты. Эти особенности проявляются на подстанциях, где отсутствует оперативный постоянный ток, что вызывает необходимость питания устройств дуговой защиты от цепей переменного напряжения или переменного тока [7–9]. В первом случае это требует использования накопителей энергии, обеспечивающих действие защиты при снижении напряжения при КЗ. Однако при включении вводного выключателя на КЗ, когда отсутствовало напряжение на шинах, это может привести к отказу защиты. Поэтому более предпочтительно выполнение блоков питания подобных защит от комбинированного блока питания, подключенного к цепям переменного напряжения и цепям переменного тока (например, к цепям измерительных трансформаторов тока).
Для повышения надежности работы практически все защиты осуществляют контроль, кроме светового потока, еще, по крайней мере, одного признака, характеризующего дуговое КЗ, – тока или напряжения. На это же направлена адаптация измерительных органов дуговой защиты к режиму защищаемой электроустановки и наличие канала торможения, что особенно актуально для КРУ старых конструкций, размещаемых внутри зданий (закрытых распредустройств) и имеющих полуоткрытый тип.
При дуговом КЗ в смежной ячейке возможно освещение фотодатчиков защищаемой ячейки в результате многократных отражений светового потока. Ориентация тормозных датчиков в сторону смежной ячейки позволяет исключить неселективное действие защиты. Быстродействие рассматриваемых защит составляет единицы-десятки миллисекунд. При этом полное время отключения КРУ с учетом действия выключателя не должно превышать 0, 1–0, 15 с.
Индивидуальные устройства защиты представлены устройствами типа РДЗ, разработанными в ЮРГТУ, или типа УДЗ-1 фирмы «ЭЛОКС». При этом устройства РДЗ могут выполнять и функции централизованной защиты при подключении фотодатчиков параллельно друг другу.
Централизованные устройства представлены следующими типами защит: РДЗ-018 (ЮРГТУ), ОСДЗ («Энерготехника»), БССДЗ-01/02 («Промэлектроника»), ОВОД (ПРОЭЛ), REA-100 (ABB), ПД-01 (ALSTOM), ФВИП (НИИИТ). Указанные устройства отличаются как по типу используемого оптического датчика, линиям связи датчиков и измерительных органов, так и по элементной базе. В основном данные защиты предназначены для защиты одной или двух секций КРУ и воздействия на коммутационные аппараты питающих присоединений. Поэтому у них, как правило, отсутствует «выделение» поврежденной ячейки. Исключением являются защиты типов РДЗ-018, ОВОД, REA-100.
Первая защита реализована в виде локальных датчиков сбора информации, размещаемых в защищаемых ячейках и соединенных с ЦБОИ. Вторая защита реализует принцип радиальных ВОЛС, идущих от ЦБОИ в защищаемые ячейки. В защите типа REA 100 также предусмотрена возможность подключения радиальных ВОЛС, выполняющих еще и функции датчика.

Разумный подход – в сочетании защит
Таким образом, отмечается тенденция готовности производителей КРУ и эксплуатирующих организаций к использованию оптико-электрических дуговых защит, обеспечивающих контроль тока и светового потока. Ранее специалисты более осторожно относились к применению подобных защит. Вместе с тем можно отметить, что возможности защит с контролем токов и напряжений не в полной мере использованы из-за ограниченного набора информационных признаков в защитах на электромеханической и микроэлектронной элементной базе.
Применение микропроцессорной техники снимает проблему сложности алгоритмов и объемов обрабатываемой информации, что позволяет вернуться к вопросам построения быстродействующих и селективных защит с традиционными датчиками информации (трансформаторами тока и напряжения). При этом некоторые недостатки, отмеченные выше, могут быть превращены в достоинства, например, в сокращение времени их монтажа и наладки, т.к. в отличие от монтажа оптико-электрических защит не требуется отключение всей секции. Выполнение более совершенной защиты от замыканий на землю, обеспечивающей выявление повреждений не только на кабельных или воздушных линиях, но и внутри КРУ, позволит не допустить развития в междуфазные дуговые КЗ.
Предлагаемая концепция построения защит КРУ и отходящих от них линий может явиться предметом дополнительного обсуждения. Разумное сочетание ОЭДЗ и защит с контролем токов и напряжений позволит повысить надежность защит и обеспечить резервирование.

1

2

3

4

5

6

В.И. Нагай, д. т. н., профессор каф. «Электрические станции», зам. директора НИИ Энергетики ЮРГТУ, г. Новочеркасск

ЛИТЕРАТУРА

1. Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей.
2. Зотов А.Я. О дуговой защите шкафов КРУ(Н) 6–10 кВ на датчиках «Краб» и «Антенный»
3. Нагай В.И., Сарры С.В. Определение чувствительности оптико-электрических защит от дуговых коротких замыканий в комплектных распределительных устройствах напряжением 6–10 кВ                   4. Нагай В.И. Выбор и техническая реализация быстродействующих защит КРУ от дуговых коротких замыканий
5. Середа Н.Н., Харитонов В.В. Применение фототиристоров для защиты сетей при дуговых коротких замыканиях
6. В.И. Нагай, С.В. Сарры, М.М. Котлов и др. Оптико-электрическая дуговая защита КРУН 6–10 кВ

7. Нагай В.И. Сарры С.В., Войтенко А.С. Релейная защита КРУ с контролем светового потока

8. Нагай В.И., Сарры С.В., Войтенко А.С. Быстродействующие релейные защиты КРУ от дуговых коротких замыканий с оптико-электрическими датчиками
9. Вайнштейн В.Л., Сурвилло Б.А. Фотореле защиты от дуговых КЗ
10. Сухоручкин И.В., Бочаров Н.В. Реле защиты от дуговых замыканий

11. Коротков Л.В., Погодин Н.В. Быстродействующая оптическая система дуговой защиты ЗРУ 6–10 кВ

12. Крылов И.П. Устройство быстродействующей селективной световой дуговой защиты БССДЗ-01/02
13. Калачев Ю.Н., Шевелев В.С. Устройство дуговой защиты для ячеек КРУ 6–10 кВ

14. Демьянович М.В., Евреев А.И., Пименов А.В. и др. Новая дуговая защита для комплектных распределительных устройств .  Григорьев В.А., Милохин В.Е., Палей Э.Л. Волоконно-оптическая дуговая защита ячеек КРУ 6 -10 кВ


Полный текст статьи опубликован в журнале «Новости Электротехники» №5(23)2003





Размещено компанией Электроэнергетика -Дуговые защиты,реле, счетчики, датчики [21.05.2015]



комментарии (0)

Нет комметариев

Чтобы оставить комментарий к статье, необходимо авторизоваться на портале или зарегистрироваться.

последние статьи

Найдено:
0 статей