Построение релейной защиты электроустановок 6 – 10 кВ с функциями упреждения развивающихся повреждений

УДК 621.316.925

ПОСТРОЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 6 - 10 КВ С ФУНКЦИЯМИ УПРЕЖДЕНИЯ РАЗВИВАЮЩИХСЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Одной из проблем эксплуатации сетей 6-10 кВ является возникновение аварийных режимов, самыми распространенными из которых являются однофазные замыкания на землю. Зачастую такие замыкания переходят в междуфазные короткие замыкания, сопровождающихся открытой электрической дугой внутри замкнутого объема закрытых электроустановок. Данная проблема обусловлена несовершенством конструкции такого рода электроустановок и недостаточным уровнем совершенства их защиты.

В статье приводятся основные требования к защитам, объединяющим в себе функции защит от однофазных замыканий на землю и дуговых защит. Выполнен анализ вариантов построения таких защит, приведены рекомендации по установке защит с различным числом каналов и датчиками различных типов.

Ключевые слова: электроустановки 6-10 кВ, однофазные замыкания на землю, дуговое замыкание, электрическая дуга, защита от замыканий на землю, дуговая защита.

The appearance of emergency regimes is one of the troubles of operation in the 6-10 kV network. The most extended regime is single-phase earth fault. Often such faults transforms into short-circuit between phases accompanying by the open electric arc inside indoor switch-gear. This problem is caused by the imperfection of the constructions and by the insufficient level of defence of the high-voltage switchgear.

The article contains basic requirements for protections which unites in itself functions of protections of single-phase earth faults and arc protections. The analysis of the versions of protections' construction is executed, recommendations regarding the installation of the protections with different number of channels and sensors are given.

Keywords: electrical facility 6-10 kV, single-phase earth fault, open electric arc, earth fault protection, protection against open electric arc.

Подавляющее большинство электрических сетей напряжением 6-10 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью. Как известно, в сетях с изолированной нейтралью замыкание фазы на землю не является коротким замыканием и не требует немедленного отключения. [1] Это позволяет сохранить сети в работе при длительных замыканиях фазы на землю путем определения, выделения и отключения места повреждения. Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) по месту возникновения можно разделить на две группы: внешние ОЗЗ, возникающие на, отходящих от КРУ, кабельных и воздушных линиях и внутренние ОЗЗ, возникающие на шинах, шинных

В.И. Нагай, А.В. Украинцев, А.В. Луконин

Южно-Российский государственный

технический университет (Новочеркасский политехнический _институт)_

South-Russian State Technical University

мостах комплектных распределительных устройств и в отсеках высоковольтных выключателей ячеек (рис.1).

В настоящее время в большинстве случаев на защиты от ОЗЗ возлагаются функции неселективной сигнализации, или же функции выявления поврежденного присоединения с действием на его отключение. При этом выявлению ОЗЗ в ячейках КРУ и на шинах не уделяется внимание. Большинство современных защит от ОЗЗ выполнены в виде отдельных децентрализованных устройств, устанавливаемых в релейных отсеках ячеек и подключаемых к трансформаторам тока нулевой последовательности ТАДрис. 2). Такое исполнение не позволяет включить в защищаемую защитой область шины, шинных мостов комплектных распределительных устройств и отсек высоковольтного выключателя ячейки, замыкание в этой области для всех устройств защиты будет внутренним. Например, при ОЗЗ на кабельной разделке, до места установки трансформатора тока нулевой последовательности ТАм (рис. 2). При этом повреждении защита рассматриваемого присоединения от ОЗЗ не срабатывает, т.к. ток нулевой последовательности протекает от сборных шин до места замыкания, не попадая в трансформатор тока ТАм. [2]

Г

Область \

I

внутренних • ОЗЗ !

<РУ

Область внешних ОЗЗ

Рисунок 1 - Области возникновения замыканий на землю в электроустановках 6-10 кВ

При ОЗЗ существует возможность возникновения перемежающихся дуговых замыканий на землю, сопровождающихся большой кратностью перенапряжений на элементах сети. Совместное воздействие заземляющей дуги и перенапряжений создаёт весьма тяжёлые условия для работы изоляции. Термическое действие дуги и воздействие перенапряжений зачастую переводят однофазные замыкания на землю в многофазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции на повреждённой фазе. По данным опыта эксплуатации 60-80 % однофазных замыканий в сетях 6-10 кВ развиваются в междуфазные короткие замыкания, в том числе, сопровождаемые электрической дугой (ДКЗ) или многоместные пробои изоляции.

[3]Воздействие электрической дуги характеризуется мощным разрушающим воздействием, определяемым быстрым разогревом воздушной массы в зоне действия дуги до 15000 К и более, что вызывает значительное разрушение оборудования и опасность поражения персонала энергообъекта.

1 - шинный отсек;

2 - отсек выключателя;

3 - отсек кабельной разделки.

Рисунок 2 - Схема установки измерительных трансформаторов тока

внутри отсеков ячейки

Аварийный режим (ДКЗ) возможно предотвратить в ряде случаев, в том числе, при определении развивающего дефекта изоляторов и проводников. При этом необходимым является контроль уровня изоляции токоведущих частей и выявление однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) внутри энергообъекта. Для этих целей необходимо использовать устройства со специальными алгоритмами функционирования, которые обеспечат максимальное быстродействие, селективность выявления поврежденного участка, высокую чувствительность и надежность. Данная задача является актуальной и востребованной на предприятиях энергетической сферы и смежных с ней областей.

В современных условиях, при наличии доступных и надежных микропроцессоров, становится возможным создание устройства релейной защиты, объединяющего функции как быстродействующей защиты от ДКЗ, так и функции контроля уровня изоляции токоведущих частей и выявления ОЗЗ внутри энергообъекта. Указанная защита должна обладать абсолютной селективностью и реагировать на возникший аварийный режим в соответствии со степенью её опасности. При возникновении ОЗЗ должно быть определено место повреждения и приняты меры по его локализации и/или ликвидации. При возникновении междуфазного короткого

замыкания или дальнейшем развитии ОЗЗ поврежденный элемент энергообъекта должен быть быстро отключен.

В настоящее время существует несколько вариантов построения защит, действующих селективно при замыканиях на землю на шинных мостах комплектных распределительных устройств и в отсеках высоковольтного выключателя ячейки (см. таблицу 1).

Самой простой защитой является максимальная токовая защита на основе локальных устройств. Данной защите присущ ряд недостатков: недостаточная чувствительность при замыканиях в сетях на присоединениях, сопоставимых по протяженности с суммарной протяженностью остальных линий, подключенных к шинам, неработоспособность при внутренних замыканиях на землю. Последнее может быть устранено при контроле всех органов тока.

Подобный эффект может быть достигнут при построении защиты с использованием дифференциального принципа, когда при внутренних и внешних повреждениях справедливы соотношения:

^ 1Ш > 1уст - при внутреннем замыкании (К1), < 1уст - при внешнем (К2).

Токовые направленные защиты также могут селективно действовать при внутренних замыканиях. Принцип определения внутренних повреждений в таких видах

защит представлен следующим образом: Рвщтр = и • П М '

1=1

По направлению мощности на каждом присоединении определяется зона повреждения. Направление мощности к шинам по всем присоединениям свидетельствует о внутреннем замыкании. При наличии одного присоединения с направлением мощности от шин в линию замыкание является внешним и отключается защитой на поврежденном присоединении.

Таблица 1 - Алгоритмы функционирования и функциональные возможности защит от ОЗЗ

Тип защиты Определение замыканий Алгоритм функционирования Примечание

на шинах на линиях

1 2 3 4 5 6

1. Токовая максимальная -/+ + =1 при /ш >1уст ^внутр = и о • || % Возможно выявление замыканий на шинах при несрабатывании ни одного из органов тока.

2. Токовая направленная + + Р* = при I0i > !уст ^'внутр = и0 П М0'

3. Дифференциальная токовая + - ^внутр = Е%| > 1уст Невозможность определения поврежденного присоединения по принципу действия.

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5 6

4. Токовая относительного замера - + К = 1 „ 101 >10 ] ф( 1 при > Работоспособна при трех и более присоединениях. Возможно излишнее срабатывание при повреждениях на шинах.

5. Токовая с наложением сигналов -/+ + К =1 10( >1 оз 1 при ' Квнутр = и о ' || % Возможно выявление замыканий на шинах при несрабатывании ни одного из органов тока.

Другим принципом построения защит с селекцией внутренних повреждений является принцип относительного замера токов отходящих от секции шин присоединений. При внутреннем замыкании на землю по всем присоединениям протекает только ток, обусловленный собственной емкостью присоединения, в отличие от внешнего замыкания, когда по поврежденному присоединению протекает ток, обусловленный емкостью всей сети, кроме собственной емкости присоединения. Таким образом, возможно излишнее срабатывание защиты присоединения с наибольшим током при внутренних повреждениях. Выделение виртуального присоединения позволяет избежать излишнего срабатывания и выявлять внутренние замыкания на землю.

Использование принципа наложения сигналов на защищаемую сеть позволяет обеспечить выявление внешних повреждений независимо от режима нейтрали сети, но, также как и другие принципы построения, несвободен от отказа при внутренних повреждениях. Контроль несрабатывания всех измерительных органов тока позволяет обеспечить селективное выявление внутренних повреждений.

Своевременное выявление внутреннего ОЗЗ и отключение поврежденного элемента позволяет предотвратить развитие замыкания в междуфазное, сопровождаемое электрической дугой. В то же время, оно не исключает возможности возникновения в КРУ междуфазных ДКЗ, селективное выявление и отключение которых должно выполняться защитой, обладающей функциями быстродействующей защиты от ДКЗ.

Степень и размеры повреждения от ДКЗ оборудования, находящегося внутри распределительных устройств, зависят от двух факторов: величины тока короткого замыкания на сборных шинах РУ и времени отключения повреждения. Повреждения отдельных элементов шкафа КРУ (изолятор, втычной контакт, кабельный наконечник и др.), как правило, сопровождаются открытой электрической дугой. Практика и многочисленные испытания [4], показывают, что если время отключения такого повреждения не превышает 0,25 с даже при токах КЗ 10-15 кА, то разрушается только дефектный элемент и повреждений других элементов и соседних шкафов не происходит. При больших значениях времени отключения и тех же токах, возникающая открытая электрическая дуга перемещается внутри шкафа и вызывает повреждение оборудования, в том числе в соседних ячейках и на сборных шинах.

Селективное выявление поврежденного присоединения является сложной задачей. Основные информационные признаки ДКЗ представлены в таблице 2. Функции защиты от ДКЗ могут быть реализованы на разных принципах. Так максимальные токовые защиты (МТЗ) обладают относительной селективностью и

являются наиболее простым способом защиты от ДКЗ - контролируют модули токов фаз, однако, существует необходимость ее согласования с защитами смежных элементов энергосистемы, что ограничивает ее применение.

Логическая защита шин (ЛЗШ) секций с разрешающей МТЗ вводной ячейки и блокирующей МТЗ ячеек отходящих присоединений, позволяет осуществить быстродействующую защиту, в зону действия которой входят сборные шины и выключатели. К недостаткам защиты можно отнести наличие «мертвой зоны», охватывающей отсеки измерительных трансформаторов и кабельной разделки, и необходимость контролировать направление мощности на присоединениях с мощными электродвигателями для обеспечения ее селективной работы в начальный момент КЗ.

Дифференциальные токовые защиты обладают абсолютной селективностью и принцип действия защиты базируется на том, что геометрическая сумма токов со всех сторон защищаемого объекта при отсутствии КЗ в нем равна нулю, а при наличии КЗ -равна току в месте повреждения. Такие защиты не нашли широкого распространения из-за необходимости установки дополнительных датчиков тока (трансформаторов тока) внутри электроустановки (ТА2), как показано на рисунке 2. Что позволяет выявлять повреждения в отсеках выключателя.

Таблица 2 - Информационные признаки ДКЗ и необходимые условия срабатывания защит от ДКЗ

№ п/п Информационные признаки Условие срабатывания Абсолютная селективность Быстродействие Чувствительность Отсутствие «мертвой» зоны

1 2 3 4 5 6 7

1. Модуль тока 1 ф > 1 УСТ - +/- +/- +

2. Модуль напряжения ифф < иуст - +/- + +

3. Наличие токов п Р = Iп П 1=1 + +/- +/- -

4. Сумма токов присоединений 11 ^ 11 > 1 УСТ 1=1 + + + -

5. Аргументы токов УСТ < Д..Л К ) <^2УСТ + + + -

6. Симметричные составляющие токов 1 }Ф > 1 УСТ - + +/- +

7. Симметричные составляющие напряжений и}ф > иуст - + +/- +

8. Модули гармонических составляющих напряжений |и^фф | > ^куст - + + +

9. Мощность ^д > ^УСТ , ифф < иУСТ - + + +

10. Аварийные составляющие токов, напряжений 1 ав > 1 УСТ , иав > иУСТ - + + +

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7

11. Ортогональные составляющие токов и напряжений 1 а > 1 УСТ , 1 р < 1 УСТ - + - +

12. Скорость изменения напряжения / 11 кёы / & > иуст - + + +

13. Сопротивление гкз < 2усг - + + +

14. Тепловое (световое) излучение Ж > Ж Е > Е " т > " УСТ ' Ед > ЕУСГ + + + +

15. Оптическая проницаемость среды Еокр > ЕУСТ + +/- +/- +/-

16. Давление газовой среды Рг > Руст + + +/- +/-

17. Фазовое соотношение сигналов светового потока и тока ФУСТ1 < (и2(ЕТ 1 2) <ФУСТ2 + + + +

18. Электропроводимость окружающей среды У < У 1 а < 1 уст + + +/- +/-

19. Электромагнитное излучение Е > Е Н > Н Еэ > ЕУСТ , Н м > Н УСТ + + + +/-

20. Температура окружающей среды Т > т 1 окр > 1 УСТ +/- -/+ -/+ +/-

21. Спектральный состав излучений ЕХ > ЕХУСГ + + + -

Применение оптико-электрического принципа позволяет создать защиту электроустановки, которая в качестве основного информационного признака использует наличие токов через основной

Анализ технических решений защиты от повреждений, сопровождающихся электрической дугой, на российском рынке электротехнического оборудования показал, что ведущие разработчики используют появление электромагнитного излучения, в том числе, в видимом спектре частот, в качестве основного информационного признака такого повреждения. При этом нашли применение два типа оптических датчиков: сосредоточенные и распределенные. В качестве сосредоточенных оптических датчиков (СОД) применяются полупроводниковые фотоприборы (фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) или волоконно-оптическая линия с поперечной воспринимающей частью (с линзой или без нее). Построение системы защиты при использовании СОД подразумевает анализ информации о повреждении в определенной точке объема защищаемого объекта. При этом защита имеет ограниченный угол обзора, и необходимо определять зоны с максимальной чувствительностью в защищаемом объекте для установки датчиков.

Применение радиальных линий связи возможно как с фото-, так и волоконно-оптическими датчиками с поперечной воспринимающей частью. Для фотодатчиков возможно использование общей шины, что позволяет оптимизировать подключение к устройству защиты. Для защит указанного типа свойственно одно- и многоканальный принцип построения устройств.

1 - шинный отсек;

2 - отсек выключателя;

3 - отсек кабельной

разделки;

4 - отсек секционного

выключателя;

5 - отсек вводного

выключателя.

Рисунок 3 - Схема установки оптических датчиков в отсеках ячеек закрытого распределительного устройства

Применение распределенных оптических датчиков позволяет расширить зону, защищаемую устройством. В качестве распределенного датчика возможно использование продольной поверхности волоконно-оптической линии связи в качестве воспринимающего элемента. Такой датчик выполняется в виде «петли», охватывающей весь защищаемый объем, например, секция КРУ. К недостаткам такого входного каскада можно отнести сложность монтажа внутри ЗРУ, которая обусловлена необходимостью прокладки оптоволоконного кабеля вдоль всего защищаемого объекта. Аналогичным свойством обладает система сосредоточенных оптических датчиков с оптическими датчиками, включенными в параллель.

Построение релейной защиты электроустановок 6-10 кВ, обладающей функциями быстродействующей защиты от ДКЗ с возможностью упреждения развивающихся повреждений за счет выявления ОЗЗ внутри энергообъекта, позволяет повысить надежность работы электроэнергетических объектов, уменьшить негативные последствия ДКЗ. Построение такой защиты возможно осуществить путем объединения в систему разработанных в ЮРГТУ (НИИ) устройств защиты от замыканий на землю типа РНМ-03КИ, РЕНОМ-04(Л, Т) и устройств защиты от ДКЗ серии РДЗ.

Литература

1. Правила устройства электроустановок. - М., Энергоатомиздат, 1986г.

2. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 КВ Случаи неправильных действий защит // Новости Электротехники№°2(32) 2005.

3. Лихачев Ф.А. Заземление на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов. М., Энергия, 1971г.

4. Комплектные электротехнические устройства. Справочник: в 3 ч. Ч. 1. Комплектные распределительные устройства. - М.: Информаэлектро, 1999.- 168 с.

Нагай Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор, декан Энергетического факультета, профессор каф. «Электрические станции», зам. директора НИИЭ ЮРГТУ(НПИ), Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).E-mail: nvi53@mail.ru, nagay@novoch.ru

Луконин Алексей Валерьевич - кандидат технических наук,Инженер НИИЭ ЮРГТУ(НПИ), Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт.E-mail: npi08@mail.ru

Украинцев Александр Валерьевич - аспирант каф. «Электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: xelandr@mail.ru

Nagay Vladimir Ivanovich - Doctor of Science, Professor, The dean of the energetic department, Professor of « Electrical Station «, Deputy. Deputy Director NIIE SRSTU (NPI), South-Russian State Technical University (Novochercassk Politechnical Institute). E-mail: nvi53@mail.ru, nagay@novoch.ru

Lukonin Aleksei Valerevich -....., Engineer NIIE SRSTU(NPI), South-Russian State

Technical University (Novochercassk Politechnical Institute).E-mail: npi08@mail.ru

Ukraincev Alexander Valerevich - Postgraduate student of the department «Electric Station», South-Russian State Technical University (Novochercassk Politechnical Institute).E-mail: xelandr@mail.ru