Релейные защиты КРУ от дуговых КЗ с оптико-электрическими датчиками Релейная защита и автоматика

Натай В. И., Сарры С. В., Войтенко А. С.

В настоящее время на подстанциях энергосистем и промышленных предприятий эксплуатируется большое количество комплектных распределительных устройств внутренней и наружной установки. Одной из причин повреждений КРУ являются внутренние короткие замыкания, сопровождаемые электрической дугой. При этом многие КРУ не оборудованы специальной защитой от дуговых КЗ. Об актуальности данной проблемы свидетельствуют многочисленные публикации, обсуждения вопросов совершенствования релейной защиты (РЗ), в частности РЗ КРУ, на научно-технических совещаниях и конференциях (например, “Релейная защита и автоматика-2000”), директивные материалы РАО “ЕЭС России” (приказ № 120 от 1 /VII 1998 г. “О мерах по повышению взрывобезопасности энергетических объектов”, п. 1.12.5).

Для защиты шкафов КРУ применяются устройства, реагирующие на повышение давления на фронте ударной волны в начальный момент дугового КЗ (клапанная дуговая защита [1, 2]), на повышение степени ионизации газов в канале дугового столба (защита антенного типа с дугоулавливающим электродом [2]), на появление излучения от дугового столба (защита на фототиристорах, фотодиодах [3]). Однако несмотря на простоту реализации и положительные характеристики указанных технических решений им присущ и ряд недостатков как по принципу действия, так и по технической реализации, что и нашло отражение в таблице.

Сравнение способов построения дуговых защит КРУ(Н) показывает, что наиболее перспективным на данном этапе развития техники является способ контроля освещенности (светового потока) внутри отсеков (см. таблицу).

Контроль светового излучения осуществляется с помощью оптических датчиков, т.е. фотодатчиков (рис. 1), размещаемых в различных отсеках КРУ и связанных с измерительными органами ОЭДЗ электрическими линиями связи (ЭЛС) или волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС). Тип линии связи (ЛС) и тип оптического датчика оказывают существенное влияние на алгоритмы обработки и преобразования контролируемых сигналов.

В настоящее время все более широкое распространение получают дуговые защиты с использованием волоконно-оптических линий связи как в качестве связующих элементов, так и в качестве датчиков [4, 5]. При этом данные датчики, как и их линии связи, менее подвержены электромагнитным помехам по сравнению с дуговыми защитами, использующими традиционные электрические связи между датчиками и измерительными органами. Не приводя сравнительного анализа между типами ОД и ЛС (что требует отдельного рассмотрения после накопления опыта эксплуатации данного типа защит), остановимся на реализации ОЭДЗ с фотодатчиками (фотодиодами, фототранзисторами и др.) и ЭЛС.

При размещении устройств ОЭДЗ в отсеках ячеек КРУ следует 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 ЛС 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, состоящих из 10-24 ячеек, авторами зарегистрированы напряжения помехи в ЭЛС апериодического характера с максимальным значением 2-10 В и постоянными времени 3-5 мс.

Работа подзарядных агрегатов вызывает появление в ЭЛС напряжения помехи затухающего колебательного характера с начальной амплитудой 0,5 - 4,5 В и с частотой в сотни - тысячи герц и постоянными времени не более 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, имеющих наибольшие линейные размеры, расчетным путем определено напряжение помехи на погонный метр ЭЛС при двухфазном и трехфазном КЗ, которое не превышает значений U= 3-10-6 В/м при токе 1 А.

схема индивидуальной оптико-электрической дуговой защиты

Рис. 1. Структурная схема индивидуальной оптико-электрической дуговой защиты (ОЭДЗ):

ОДр - рабочий оптический датчик; ОДт - тормозной оптический датчик; Фi, Фj - световой поток, падающий на фотодатчики ОДр и ОДт; ЭЛС1, ЭЛС2 - электрические линии связи; НО - измерительный орган; ВПР - входной преобразователь сигналов; ЭС - элемент сравнения; ВО - выходной орган; БП-блок питания

гальванические связи и обусловленные перезарядом емкостей или коммутациями цепей, содержащих 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 свивать проводники с шагом 2 - 3 см, а при разработке новых устройств защиты необходимо предусматривать частотную фильтрацию входных сигналов.

С целью формирования требований к чувствительности ОЭДЗ и оптимальному расположению фотодатчиков определен пространственный уровень освещенности в отсеках ячейки при различных положениях дугового столба в ячейке КРУ.

Рис. 2. Зависимость освещенности на боковых поверхностях отсеков КРУ от тока КЗ

Контролируемый	Основные характеристики защиты			Примечание
параметр	Быстродействие	Чувствительность	Селективность	Примечание
Ток (напряжение)	Низкое	Высокая	Обеспечивается	Для исключения неселективного действия при внешних КЗ требуется согласование по времени с МТЗ отходящих линий
Логическая защита шин	Высокое		То же	Наличие “мертвой” зоны за трансформаторами тока, отказ при наличии подпитки от высоковольтных электродвигателей
Давление (его приращение)	-	Ограниченная		Чувствительность обеспечивается при токах КЗ более 3,5 кА
Проводимость среды в ячейке		-	-	Чувствительность резко снижается по мере удаления от столба дуги
Температура	Ограниченное	-	Ограниченная	Быстродействие ограничено инерционностью датчиков. Установка большого количества датчиков
Световой поток (освещенность)	Высокое	Высокая	Обеспечивается	Требуется установка двух-трех фотодатчиков в отсеках, сильно заполненных оборудованием и имеющих значительные линейные размеры. Обеспечивается селективное выявление зоны повреждения, за исключением выполнения распределенного оптического датчика на основе волоконно-оптической линии в виде петли. При использовании фототиристоров отсутствует возможность осуществления функционального и тестового контроля

Известно, что мощность излучения единичного объема столба дуги Р, зависит от тока КЗ Iкз, на значение которого влияет длина дуги lд, составляющая 0,4 - 1,0 м при расстояниях между токоведущими частями КРУ 0,1 - 0,35 м. В начальный период КЗ длину дуги можно принять равной расстоянию между токоведущими частями. При указанных длинах дут в КРУ напряжением 6 - 10 кВ уменьшение модулей токов КЗ не превышает 4 - 12% тока металлического КЗ. Это позволяет проводить оценочный расчет чувствительности ОЭДЗ без учета влияния дуги на модуль тока КЗ.

дуговая защита типа РДЗ-018

Рис. 3. Централизованная дуговая защита типа РДЗ-018 одной секции КРУ:

АФДо- АФДз! - активные фотодатчики (максимальное число которых равно 32 и может быть увеличено); ПДу - пассивные фотодатчики; Q1 - Q3 - выключатели

Представляя столб дуги равноярким цилиндром, состоящим из струй радиусом rj= 0,16-10 3 м [6], энергетическую силу света 1е по нормали к излучающей поверхности можно определить как

где 1е - энергетическая сила света, Вт/ср; ср - единица телесного угла, стерадиан; - коэффициент излучения (для абсолютно черного тела = 1); = 5,67032-10 8 Вт/(м2-К4) - постоянная Стефана - Больцмана; Тд = 4000 -:- 5000 К - температура на поверхности токопроводящего слоя дуги. Освещенность в месте установки фотодатчика с элементарного столба дуги Ее = dILe.cos/l2, где - угол, образованный линией l, соединяющей центр площадок столба дуги и фотодатчика.

Освещенность в световых единицах может быть определена по выражению Е, = кЕе, где к - коэффициент преобразования энергетических единиц в световые.

На рис. 2 построены области зависимостей освещенности на боковых стенках отсеков трансформаторов тока и кабельной разделки и шинного моста с линейными размерами, не превышающими 1 м и 10 м соответственно, при = 0 и = 0,1 м для КРУ, подключенного к трансформаторам мощностью 2,5-10 МВ-А, что соответствует токам двухфазного КЗ Iкз = 1,1 -:- 4,5 кА.

Расчетные области освещенности построены для боковых стенок отсеков, параллельных столбу дуги. На периферии отсеков КРУ, т.е. при максимальных значениях , освещенность падает в 2 - 6 раз для слабозаполненных оборудованием отсеков, к которым относятся упомянутые отсеки, и в 50 - 3000 раз в отсеках со значительным заполнением, к которым относятся, например, отсеки высоковольтных выключателей [7, 8].

Экспериментальные данные получены при проведении натурных испытаний в КРУ с камерами типа КСО-272, подключенном к трансформатору мощностью 10 MB-А через кабельную линию. Ток двухфазного и трехфазного КЗ составил 3,6 и 4,2 кА соответственно. Фотодатчики были установлены на боковых взаимно перпендикулярных стенках.

Часть области экспериментальных значений освещенности располагается ниже области расчетных значений для отсека ТТ, что вызвано как неу- четом спектральной чувствительности ФД и изменением оптических свойств среды, так и удалением столба дуги от ФД и затенением ФД элементами конструкции высоковольтного выключателя.

При учете многократных отражений возможно повышение освещенности в среднем на 20 - 30%. Увеличение линейных размеров столба дуги приводит к переходу двухфазного КЗ в трехфазное и к появлению еще одного-двух столбов дуги, что также повышает освещенность. Для увеличения чувствительности ОЭДЗ возможно размещение ФД на плоскостях, практически исключающих их затенение, и применение ФД, имеющих широкую диаграмму направленности.

При известной световой помехе в отсеках ячеек, обусловленной освещением, например, от ламп накаливания, устанавливаемых на тележках выключателей или используемых при осмотре через смотровые люки и не превышающих, как правило, значений 50 - 60 лк в месте установки фотодатчика, коэффициент чувствительности для оптикоэлектрических дуговых защит определяется отношением освещенности в расчетной точке от дугового столба к освещенности от максимальной световой помехи [7, 8].

Проведенные исследования полезных сигналов и сигналов помех позволили сформулировать основные требования к устройствам ОЭДЗ, синтезировать алгоритмы их функционирования и разработать несколько модификаций микроэлектронных и микропроцессорных устройств. Данные устройства можно разделить на две группы: группу индивидуальных и группу централизованных устройств.

Индивидуальные устройства интегрального принципа действия представлены реле РДЗ-012МТ (рис. 1) и его модификациями [9, 10]. Отстройка от световых и электромагнитных помех достигается за счет использования в схеме ИО апериодических звеньев первого и второго порядка, параметры которых оптимизированы на основе математического и физического моделирования, а также на основе проведения экспериментальных исследований на действующих подстанциях. Время срабатывания подобных реле в зависимости от модификации составляет 20 - 50 мс.

Для повышения чувствительности в реле может предусматриваться тормозной фотодатчик, ориентированный в сторону наиболее вероятного источника помех. В устройстве защиты РДЗ-012МТ предусмотрена функция тестового контроля, обеспечивающая проверку работоспособности защиты без вывода ее из действия.

Более высоким быстродействием (менее 20 мс) обладает индивидуальное адаптивное устройство защиты типа РДЗ-15 [11]. В нем для отстройки от влияния электромагнитных помех фотодатчик совместно с ЭЛС образует частотно-зависимый элемент, коэффициент передачи которого зависит не только от частоты входного сигнала, но и от его состояния, т.е. освещенности.

В микропроцессорном реле типа РДЗ-017 [12] реализован алгоритм, основанный на время-импульсном принципе, обеспечивающем контроль временных параметров ИО тока и светового потока. В случае одновременного срабатывания ИО, контролирующих ток и световой поток в ячейке КРУ, выходной сигнал защиты формируется: при внутреннем КЗ - без задержки на срабатывание, при внешнем КЗ, переходящем во внутреннее, - с минимальной выдержкой времени. Неодновременность срабатывания ИО воспринимается как помеха. ИО тока может подключаться к фильтру тока прямой (обратной) последовательности или включаться на фазные токи. Элемент задержки блокирует работу устройства при повреждении фотодатчика по истечении времени t > tмтзmах + t, где гмтзmаx - максимальное время срабатывания максимальной токовой защиты; t - ступень селективности.

Реле типа РДЗ-212 представляет модификацию реле типа РДЗ-012МТ или РДЗ-015 и предназначено для применения на подстанциях без постоянного оперативного тока [3, 10, 13]. По цепям питания реле подключается к вторичной обмотке промежуточного трансформатора тока серийного промежуточного реле типа РП-361 (РП-341, РП-321) или к комбинированному блоку питания, который, в свою очередь, подключен к измерительным трансформаторам тока и напряжения (трансформатору собственных нужд). Необходимо отметить, что в последнем случае быстродействие ОЭДЗ практически не зависит от тока КЗ, как это имеет место при подключении к реле РП-361.

Централизованные ОЭДЗ выполнены на базе устройств РДЗ-018, представляющих собой микропроцессорную систему, состоящую из активных фотодатчиков (АФД) и центрального управляющего устройства (ЦУУ), связанных между собой каналом передачи данных (рис. 3). АФД реализованы в виде микропроцессорных устройств, имеющих в своем составе фотодатчик, микропроцессор для обработки электрических сигналов, пропорциональных световому потоку, и устройство передачи данных ЦУУ. Для расширения защищаемой зоны к каждому АФД могут быть подключены до шести пассивных фотодатчиков. ЦУУ обеспечивает опрос АФД, анализ полученных данных, формирование управляющих воздействий на коммутационные аппараты (Q1 - Q3) и формирование протокола состояний защиты.

Для обмена данными между АФД 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 АФД 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.

Устройства имеют сертификат соответствия № РОСС RU. МЕЗЗ. Н00986 и №РОСС RU. МЕЗЗ.Н00001. Более 800 комплектов дуговой защиты различных типов эксплуатируется на подстанциях сетевых предприятий и электростанций ОАО Ростовэнерго и других энергосистем РФ. В частности, в Западных электрических сетях ОАО Ростовэнерго с 1992 г. внедрено около 150 устройств дуговой защиты разного типа с действием на отключение (19 подстанций на постоянном оперативном токе и 7 подстанций на переменном оперативном токе, число защищаемых ячеек - более 600 шт.).

За время экплуатации отмечено более 70 правильных срабатываний, 1 отказ в срабатывании из- за потери постоянного оперативного тока на подстанции. На данных подстанциях применены различные технические решения: выполнение дуговой защиты по индивидуальному принципу, групповому, когда четыре-шесть фотодатчиков ячеек секции КРУ подключаются к одному реле, централизованному - в зону действия входят все элементы секции, с выделением особых ячеек вводного выключателя, секционного выключателя.

Выводы

Список литературы