Подходы в построении дуговых защит КРУ. В настоящее время в качестве защит шкафов комплектных распределительных устройств внутренней и наружной установки (КРУ(Н)) наибольшее распространение получили устройства , реагирующие на повышение давления на фронте ударной волны в начальный момент дугового КЗ (клапанная дуговая защита), на появление излучения от дугового столба.
Подходы в построении дуговых защит КРУ
В настоящее время в качестве защит шкафов комплектных распределительных устройств внутренней и наружной установки (КРУ(Н)) наибольшее распространение получили устройства [1], реагирующие на повышение давления на фронте ударной волны в начальный момент дугового КЗ (клапанная дуговая защита), на появление излучения от дугового столба. Причем оптико-электрические дуговые защиты (ОЭДЗ), контролирующие уровень освещенности внутри отсеков КРУ, имеют доминирующее применение [2].
Контроль светового излучения осуществляется с помощью оптических датчиков, размещаемых в различных отсеках КРУ и связанных с измерительными органами ОЭДЗ электрическими линиями связи (ЭЛС) или волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС). В качестве оптических датчиков применяются как традиционные фотоприемники (фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы), так и ВОЛС с использованием их по нетрадиционному назначению [3,4].
В данной статье, с учетом аргументов, изложенных в [2] и основываясь на собственном опыте разработки и внедрения ОЭДЗ, рассматривается построение дуговых защит на основе фотоприемников и ЭЛС. Аргументами за применение дуговых защит с ЭЛС является высокая технологичность монтажа и наладки, простота ремонта в случае повреждения электрической дугой, возможности обеспечения абсолютной селективности и быстродействия. Аргументом против использования ЭЛС может являться проблема электромагнитной совместимости, решение которой рассматривается ниже.
Основные виды помех
При размещении устройств ОЭДЗ в отсеках ячеек КРУ приходиться считаться с электромагнитными помехами, наводимыми в ЭЛС. Проведенные теоретические исследования и натурные испытания на подстанциях напряжением 6-220 кВ позволили установить основные виды и источники помех, воздействующих на ЭЛС фотодатчиков и обусловленных включением и отключением электромагнитов коммутационных аппаратов, аварийным снижением изоляции цепей оперативного тока, протеканием токов КЗ по цепям первичного оборудования, работой выпрямительных установок в цепях оперативного тока.
При коммутациях электромагнитов включения и отключения, замыкании полюсов оперативного тока на землю в КРУ зарегистрированы напряжения помехи в ЭЛС апериодического характера с максимальным значением Um= (2 ÷10) B и постоянными времени τ = (3 ÷ 5) мс .
Работа подзарядных агрегатов вызывает появление в ЭЛС напряжения помехи затухающего колебательного характера с начальной амплитудой
Um= (0, 5 ÷ 4, 5) B, с частотой f≥ 300 Гц и постоянными времени
τ = (0 , 3 ÷ 0, 6) мс .
Влияние сильноточных цепей вызывает появление в ЭЛС напряжений помехи синусоидального и апериодического характера. При этом для отсеков шинных мостов с горизонтальным и вертикальным расположением шин, имеющими наибольшие линейные размеры, расчетным путем определено напряжение помехи на погонный метр ЭЛС при двухфазном и трехфазном КЗ и которое не превышает значений Δ U=3⋅10-6 [В/(А*м)].
Мероприятия по обеспечению ЭМС дуговых защит
На основании проведенных исследований сделано заключение, что наибольшее влияние на работу ОЭДЗ оказывают помехи, наводимые посредством индуктивных и гальванических связей между аппаратурой и оборудованием подстанции и обусловленные перезарядом емкостей или коммутациями цепей, содержащими индуктивности в цепях оперативного тока. При выполнении ОЭДЗ необходимо учитывать реальное влияние помех на ЭЛС и измерительные органы (ИО), применяя при этом конструктивные и схемотехнические методы по электромагнитной совместимости первичного оборудования и измерительной аппаратуры, в частности, при прокладке ЭЛС необходимо использовать витую пару, необходимо предусматривать частотную фильтрацию входных сигналов, минимизировать паразитные емкости между выходными цепями устройств защиты и измерительными органами.
Чувствительность защит
Уровень срабатывания ОЭДЗ определяется не только учетом помех в электрических линиях связи, но и с учетом уровней световых помех внутри защищаемых отсеков, создаваемых, например, лампами накаливания на тележках выключателей. Учитывая, что уровень освещенности оптических датчиков внутри защищаемых отсеков при возникновении дугового короткого замыкания может составлять 104 ÷106 люкс (с учетом возможных затенений и многократных отражений), возникает естественное желание увеличить уровень срабатывания защиты, надежно отстроившись от световых помех. Однако такой подход порождает проблему проверки и диагностирования оптических датчиков и защиты в целом. Разумным в этом случае является выбор порога срабатывания в диапазоне превышающем уровень максимальных световых помех и не превосходящим уровень освещенности, создаваемой проверочными источниками света (фотолампа-вспышка или лампа накаливания).
Примеры реализации дуговых защит
С учетом анализа уровней полезных сигналов и сигналов помех авторам удалось сформулировать основные требования к устройствам ОЭДЗ с ЭЛС, синтезировать алгоритмы их функционирования и разработать несколько модификаций микроэлектронных и микропроцессорных устройств, которые можно разделить условно на две группы: группу индивидуальных и группу
централизованных устройств. На примере этих устройств можно проиллюстрировать решение проблемы селективности, быстродействия и их
электромагнитной совместимости.
Первую группу индивидуальных устройств интегрального принципа действия представляют реле типа РДЗ-012МТ, РДЗ-015, РДЗ-017 и их модификации [1]. В первом устройстве отстройка от световых и электромагнитных помех достигается за счет использования в схеме ИО апериодических звеньев первого и второго порядка. Время срабатывания подобных реле в зависимости от модификации составляет (20÷50) мс. Для повышения чувствительности, а также помехоустойчивости может использоваться тормозной фотодатчик, ориентированный в сторону наиболее вероятного источника помех.
Более высоким быстродействием(менее 20 мс) и одновременно высокой помехоустойчивостью обладает индивидуальное адаптивное устройство защиты типа РДЗ-15 [1]. В нем для отстройки от влияния электромагнитных помех фотодатчик совместно с ЭЛС образуют частотно-зависимый элемент, коэффициент передачи которого зависит не только от частоты входного сигнала, но и от освещенности фотодатчика.
Другим способом решена задача электромагнитной совместимости ОЭДЗ в микропроцессорном устройстве типа РДЗ-017, в котором реализован алгоритм, основанный на время-импульсном принципе и обеспечивающий контроль временных параметров ИО тока и светового потока. Это позволяет при одновременном срабатывании ИО, контролирующих ток и световой поток в ячейке КРУ, формировать выходной сигнал защиты без задержки на срабатывание, а при внешнем КЗ, переходящем во внутреннее – с минимальной выдержкой времени (10÷20 мс). Неодновременность срабатывания ИО воспринимается как помеха.
Для подстанций на переменном оперативном токе может быть эффективным применение реле типа РДЗ-212 [5], представляющим модификацию реле типа РДЗ-012МТ или РДЗ-015 с питанием от комбинированного блока питания типа БП РДЗ-212МТ, подключаемого к измерительным трансформаторам тока и напряжения (трансформатору собственных нужд) и обеспечивающем надежное действие защит и при включении на закоротку. При этом контроль уровня тока может быть обеспечен с помощью промежуточных реле переменного тока типа РП-361 и его модификаций.
Централизованные ОЭДЗ могут быть выполнены на основе индивидуальных устройств рассмотренных выше за счет объединения оптических датчиков (параллельного включения) или использования многовходового устройства защиты. В первом случае отсутствует возможность селективного выявления поврежденной зоны КРУ, а во втором случае приводит к усложнению устройства и необходимости прокладки многожильного кабеля, соединяющего оптические датчики и ИО. С учетом сказанного авторами разработано устройство РДЗ-018, сочетающее индивидуально-централизованный принцип и представляющее собой микропроцессорную систему, состоящую из локальных модулей сбора информации (ЛМСИ) и центрального управляющего устройства (ЦУУ), связанных между собой каналом передачи данных. Модули ЛМСИ реализованы в виде микропроцессорных устройств, выполняющих функции индивидуальных устройств ОЭДЗ. Для расширения защищаемой зоны к каждому ЛМСИ могут быть подключены до 6 пассивных фотодатчиков. Блок ЦУУ обеспечивает опрос ЛМСИ, анализ полученных данных, формирование управляющих воздействий на коммутационные аппараты и формирование протокола состояний защиты. Для обмена данными между ЛМСИ и ЦУУ используется промышленный протокол RS-485, поддерживающий большое количество устройств, подключаемых к одному кабельному сегменту. Для исключения ошибочных ситуаций при передаче данных и работе ЛМСИ в системе ведется протокол ошибок, запрещающий действие защиты при внешних помехах и сбоях. В системе предусмотрены автоматический
функциональный контроль исправности компонентов системы и определение архитектуры системы при ее первом включении. Такое построение защиты позволяет решить несколько задач: обеспечить абсолютную селективность и высокое быстродействие, минимизировать количество связей между ЛМСИ и ЦУУ, обеспечить высокую помехоустойчивость.
Выводы
- Применение электрических линий связи в ОЭДЗ позволяет обеспечить высокую технологичность монтажных и ремонтно-восстановительных работ.
- Решение проблемы электромагнитной совместимости ОЭДЗ с электрическими линиями связи возможно на основе ряда схемотехнических и программных средств без потери быстродействия и селективности.
- Уровень срабатывания должен выбираться из условия надежной отстройки от световых помех и возможности проверки (диагностирования) датчиков от осветительных приборов, например, ламп накаливания.
Список литературы
- Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. — Энергоатомиздат, 2002. — 312 с.
- Нагай В.И. Быстродействующие дуговые защиты КРУ: современное состояние и пути совершенствования. — Новости Электротехники, №5(23), 2003. С. 48-52.
- Калачев Ю.Н., Шевелев В.С. Устройство дуговой защиты для ячеек КРУ 6-10 кВ. — Энергетик, №1, 2001. С.25–26.
- Новая дуговая защита для комплектных распределительных устройств./ М.В. Демьянович, А.И. Евреев А.И., А.В. Пименов и др. — Энергетик, №5, 2001. С.24.
- Оптико-электрическая дуговая защита КРУН 6-10 кВ/ В.И. Нагай, С.В. Сарры, М.М. Котлов и др. — Энергетик, №8, 2000. С.38-39.
Владимир Нагай, доктор техн. наук,
профессор каф. «Электрическиестанции»,
зам. директора НИИ Энергетики Южно-Российского государственного
технического университета (НПИ), г. Новочеркасск
Сергей Сарры,
канд. техн. наук,
доцент каф. «Электрические станции» ЮРГТУ(НПИ)
