Быстродействующие релейные защиты от дуговых коротких замыканий в КРУ 6-10 кВ

Актуальность проблемы

Распределительные устройства (РУ) напряжением 6-10 кВ, как правило, выполняются в виде комплектных распределительных устройств (КРУ(Н)) внутренней и наружной установки, основное достоинство которых малые габаритные размеры, высокая степень готовности к монтажу и наладке. Ограниченная локализационная способность КРУ(Н) при внутренних коротких замыканиях через электрическую дугу (как правило, не превышает 1 с) порождена их же малыми габаритными размерами. Данная проблема усугубляется тем, что КРУ, введенные в эксплуатацию в прошлом столетии, как правило, не оснащены полноценной быстродействующей защитой от дуговых КЗ или их защита, например, клапанная защита, реагирующая на приращения давления, не отвечает современному состоянию техники. Это обусловило введение в нормативные материалы (ПТЭ) и директивные указания РАОЕС России требования об оснащении КРУ быстродействующими защитами от внутренних дуговых КЗ.

В настоящее время в области быстродействующих защит от данного вида повреждений доминирующее положение занимают защиты, использующие принцип контроля светового потока и тока [1-9]. В качестве оптических датчиков используются фототиристоры,транзисторы,диоды, резисторы или волоконно-оптические линии. На выполнение дуговой защиты существенно влияет как исполнение оптического датчика, измерительных органов, конструктивноевыполнение РУ, требования к выходным воздействиям.

Авторы на основе своего опыта разработки и внедрения дуговых защит с оптическими датчиками с применением фотоприборов попытались сформулировать ряд предложений по минимизации аппаратных затрат и адаптации к условиям эксплуатации на примере двухтрансформаторной подстанции, имеющей на стороне низшего напряжения две секции, а на стороне высшего напряжения – выключатели или отделители с короткозамыкателями (рис.1).

Рис. 1. Двухтрансформаторная подстанция 110/10(6) кВ

Объект защиты

Секции соединены друг с другом секционным выключателем и разъединителем. С целью минимизации аппаратных затрат на выполнение защиты, обеспечения требуемой надежности питания и быстродействия КРУ условно разделено на несколько зон, при КЗ в которых воздействие защиты однотипно. Зона 1 (рис.1) представляет собой ячейку вводного выключателя, 2 – зона сборных шин (шинный мост), 3 – секционный выключатель; 4 –секционный разъединитель; 5, 6 – отсеки высоковольтного выключателя линейной ячейки и трансформаторов тока и кабельной разделки соответственно.

При КЗ в зоне 1 требуется воздействие на коммутационные аппараты стороны высшего напряжения, в то время как при КЗ в зоне 2 достаточно воздействия на вводной и секционные выключатели. Ликвидация КЗ в ячейке секционного выключателя требует отключения вводных выключателей двух вводов, а при КЗ в зоне 4, т.е. в ячейке секционного разъединителя достаточно ограничиться отключением секционного выключателя и ближайшего к месту повреждения вводного выключателя. Отключение КЗ в отсеке линейного выключателя (зона 5) зависит от типа данного коммутационного аппарата. При использовании маломасляных выключателей их отключение в этом случае нецелесообразно из-за

возможного взрыва воздушно-водородной смеси газов и логика действия при этом аналогична логике ликвидации повреждения в зоне 2. При использовании вакуумных выключателей возможно воздействие на него при КЗ в зоне 5. Воздействие защиты при КЗ в зоне 6 также зависит от конструктивного исполнения ячейки. В случае наличия оптической связи зон 5 и 6 практически не представляется возможным из-за многократных отражений светового потока селективное выявление поврежденного отсека, т.е. предлагается воздействие на вводной и секционный выключатель. В противном же случае, когда отсутствует возможность попадания светового потока из одного отсека в другой, с целью минимизации объема повреждения предлагается отключение линейного выключателя.

Включение оптических датчиков и измерительных органов

С учетом изложенной концепции можно выполнить различные варианты дуговой защиты, отличающиеся, в том числе, и схемами включения оптических датчиков.

При этом авторами условно приняты следующие термины: «продольное включение датчиков», что соответствует их объединению в одноименных отсеках (зонах), например в шинном мосте, отсеках выключателей, отсеках трансформаторов тока и кабельной разделки, а также «поперечное включение датчиков»– объединение датчиков разных отсеков (разных зон), «продольно-поперечное включение датчиков» – сочетание первого и второго приемов (рис.2).

Рис. 2. Варианты включения оптических датчиков и измерительных органов

Примерами продольного включения датчиков, что также соответствует их расположению вдоль защищаемого объекта, являются схемы соединения датчиков 1-4, к измерительному органу (ИО) КЕ1 (рис.2), а соответственно поперечному – включение датчиков 5-6, 7-9, 14-15, 16-17 к измерительным органам КЕ2, КЕ3, КЕ5, КЕ6. Продольно-поперечное включение датчиков 10-13 к ИО КЕ4 также показано на рис.2. Подключение датчиков ко входам ИО может осуществляться путем их объединения или включением к независим входам. В первом случае теряется возможность селекции поврежденной зоны, а при возможности селективного выявления поврежденной зоны необходимо применение многоканальных измерительных органов.

Примеры реализации

Решение основной задачи рассматриваемой защиты – ликвидация без выдержки времени внутренних дуговых КЗ, авторы сочли

возможным продемонстрировать на базе защит, разработанных в ЮРГТУ при их непосредственном участии и прошедших испытания (в том числе и натурные испытания) и многолетнюю эксплуатацию в филиале ОАО «Ростовэнерго» Западные электрические сети. Защита одиночных ячеек возможна базе одноканальных реле РДЗ-012МТ и РДЗ-212МТ и двухканального реле РДЗ-012МТ2 [11-12], предназначенных для подстанций с постоянным и переменным оперативным током и допускающих параллельное подключение до 6 оптических датчиков (это позволяет осуществить защиту до 6 ячеек). Такое выполнение защиты не позволяет обеспечить селекцию поврежденной ячейки (зоны). Увеличение числа ИО снимает данную проблему. Примеры реализации приведены на рис.2.

Выполнение дуговой защиты на основе микропроцессорной централизованно-распределенной системы РДЗ-018(М) [11,12], состоящей из центрального управляющего устройства (ЦУУ), локальных модулей сбора и обработки информации (ЛМСОИ) и собственно оптических датчиков, позволяет реализовать гибкие алгоритмы функционирования с селекцией поврежденной ячейки и формированием сигналов отключения в соответствии с выше рассмотренными подходами и предаварийным состояние защищаемого оборудования.

Промежуточным решением между реализацией дуговой защиты на основе локальных устройств и централизованно-распределенных (централизованных) систем является использование устройства групповой защиты, представленного устройством типа РДЗ-017М, имеющего 6 независимых каналов (рис.3).

Рис. 3. Вариант выполнения защиты с селекцией поврежденной ячейки и отключением секции вводным и секционным выключателями на основе многоканального устройства

Это позволяет минимизировать аппаратные затраты при реализации защиты, что особенно эффективно для секций с малым числом присоединений (5-6 присоединений) (рис.3), применив при этом поперечное включение оптических датчиков. Воздействие защиты в данном случае предполагается на вводной и секционный выключатель.

При реализации защиты КРУ с оптически разделенными отсеками удается обеспечить селекцию поврежденного отсека для группы из трех ячеек (рис.4)

с отключением только поврежденной ячейки. В данном случае длина линий

связи увеличивается по сравнению с применением локальных устройств незначительно, что способствует решению проблемы электромагнитной совместимости.

Рис. 4. Вариант выполнения защиты с селекцией поврежденного отсека ячейки и возможностью отключения линейного выключателя

При нахождении полусекций по разные стороны ЗРУ или наличии оптической связи между отсеками выключателей и ТТ и кабельной разделки может быть рекомендована схема дуговой защиты на основе устройства типа РДЗ-017М, представленная на рис.5. В этом случае обеспечивается селекция поврежденной зоны, но ее воздействие с учетом конструктивного исполнения КРУ производится на вводной и секционный выключатели.

Рисунок 5

Выводы

1. Минимизация аппаратных затрат и объемов монтажных и наладочных работ дуговой защиты может быть достигнута за счет оптимального включения оптических датчиков и измерительных органов, сочетания локальных, групповых и централизованных устройств с учетом конструктивных особенностей и числа ячеек КРУ и коммутационных аппаратов.

2. Для подстанций с небольшим числом ячеек на одной секции (5-8 ячеек) обосновано применение одного многоканального устройства типа РДЗ-017М для линейных ячеек и локальных устройств типа РДЗ-012МТ для вводного и секционного выключателей.

Рис. 5. Вариант выполнения защиты с селекцией поврежденной линейной ячейки, шинного моста и отключением секции вводным и секционным выключателями

ЛИТЕРАТУРА

1. Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. – Энергоатомиздат, 2002. – 312 с.
2. Нагай В.И. Выбор и техническая реализация быстродействующих защит КРУ от дуговых коротких замыканий// Электро. – 2002.– № 1. – С. 35-39.
3. Нагай В.И. Быстродействующие дуговые защиты КРУ: современное состояние и пути совершенствования. – Новости Электротехники, №5(23), 2003. С. 48-52.
4. Новая дуговая защита для комплектных распределительных устройств/ М.В. Демьянович, А.И. Евреев А.И., А.В. Пименов и др.// Энергетик. – 2001. – №5 –С.24.
5. Коротков Л.В., Погодин Н.В. Быстродействующая оптическая система дуговой защиты ЗРУ 6–10 кВ// «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000»: Тез. докл. XIV научно-технической конференции:– М.:ЦДУ ЕЭС России, 2000. – С. 48 --49.
6. Калачев Ю.Н., Шевелев В.С. Устройство дуговой защиты для ячеек КРУ 6–10 кВ// Энергетик. – 2001.– №1. – С. 25-26.
7. Григорьев В.А., Милохин В.Е., Палей Э.Л. Волоконно-оптическая дуговая защита ячеек КРУ 6-10 кВ// Энергетик. – 2002. – №2. – С.23-24.
8. Крылов И.П. Устройство быстродействующей селективной световой дуговой защиты БССДЗ-01/02// Сборник тез. докл. семинара-совещания начальников служб РЗА АО -энерго, начальников электролабораторий электрических станций,ведущих специалистов РЗА ОЭС Северного Кавказа, РАО «ЕЭС России», РП «Южэнерготех-надзор», Пятигорск, 2001. – С. 112-114.
9. Середа Н.Н., Харитонов В.В. Применение фототиристоров для защиты сетей при дуговых коротких замыканиях. Материалы семинара «Новые комплектные электротехнические устройства». – М.: Московский Дом науч.-техн. пропаганды. 1990. С.53-57.
10. 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.
11. Нагай В.И. Сарры С.В., Войтенко А.С. Релейная защита КРУ с контролем светового потока. – Промышленная энергетика, 2001, №11. С 32–36.
12. Нагай В.И., Сарры С.В., Войтенко А.С. Быстродействующие релейные защиты КРУ от дуговых коротких замыканий с оптико-электрическими датчиками// Электрические станции. – 2002. – № 3. – С. 55-59.

Владимир Нагай,доктор техн. наук,профессор каф. «Электрические станции»,зам. директора НИИ ЭнергетикиЮжно-Российского государственноготехнического университета (НПИ), г. Новочеркасск
Алексей Рыбников,директор филиала ОАО«Ростовэнерго» Западныеэлектрические сети,г. Шахты
Алексей Луконин,аспирант каф. «Электрические станции» ЮРГТУ(НПИ),г. Новочеркасск