Швидкодіючі дугові захисту КРУ
Сучасний стан і шляхи вдосконалення
Способи розпізнавання дугових КЗ
Дугове КЗ супроводжується як зміною параметрів і характеристик електричної мережі (струм, напруга, опір), так і істотним підвищенням температури, тиску, електропровідності і теплового (світлового) випромінювання всередині відсіків КРУ. Дані інформаційні ознаки можуть бути використані в захисті, яка повинна відповідати наступним властивостям: високу швидкодію, абсолютна селективність і висока чутливість. Основних способів розпізнавання дугових КЗ два види:
- Способи, засновані на контролі параметрів і характеристик електричного кола з дугою: спектрального складу струму або напруги, модулів і аргументів фазних і симетричних складових струмів і напруг, рівнів несиметрії струмів або напруг, опорів або вольт-амперних характеристик короткозамкненою ланцюга. Ці способи дозволяють використовувати традиційні для релейного захисту сигнали - струми і напруги. Поряд з відомими достоїнствами в перетворенні і обробці струмів і напруг є і ряд недоліків, які полягають в тому, що дані ознаки можуть спостерігатися не тільки при внутрішніх дугових КЗ, а й при зовнішніх КЗ. Останнє ускладнює розпізнавання внутрішнього пошкодження, тобто не дозволяє виконати захист з абсолютною селективністю. Однак виконані дослідження, наприклад [1], показують можливість інформаційного вдосконалення дугових захистів і, як наслідок, підвищення розпізнаваності розглянутих режимів, про що буде сказано окремо.
- Способи, засновані на контролі параметрів електричної дуги і супутніх їй явищ: температури, тиску, електричної провідності навколишнього середовища (ступеня іонізації газів), випромінювання, оптичних властивостей середовища, електромагнітного випромінювання. Вони дозволяють збільшити ступінь розпізнаваності дугових КЗ в КРУ. Вплив експлуатаційних режимів на функціонування захистів, що реалізують способи контролю цієї групи, з урахуванням конструктивних особливостей КРУ мінімально.
Порівняння методів захисту від дугових КЗ
Досить простим технічним рішенням для захисту від дугових КЗ є застосування максимального струмового захисту (МТЗ), позитивними якостями якої є простота, висока елементна надійність і низька вартість. Обмежуючими факторами застосування МТЗ є відносна селективність і недостатньо високу швидкодію через необхідність узгодження з захистами суміжних елементів.
Вимогу абсолютної селективності відповідають струмові диференціальні захисту і «логічні захисту шин» (ЛЗШ) секцій (на основі роздільної МТЗ введення і блокуючих МТЗ приєднань, що відходять), в зону дії яких входять збірні шини і вимикачі. «Мертвою» зоною цих захистів є відсіки вимірювальних трансформаторів струму (ТС) і кабельної оброблення - одні з найбільш ймовірних місць пошкодження. ЛЗШ може відмовити в початковий період КЗ при наявності підживлення від потужних електродвигунів, що може бути виключено шляхом контролю напрямку потужності на даних приєднання. Поява вищих гармонійних складових в напружених через нелінійність вольтамперной характеристики дуги може бути додатковим інформаційним ознакою, так само як і наявність симетричних складових зворотної та нульової послідовності струмів і напруг через нерівності довжин стовпів дуги і торкання заземлених металоконструкцій.
Контроль параметрів електричної дуги
Значна частина енергії, що підводиться до стовпа електричної дуги, перетворюється в теплову енергію. Для контролю температури в осередку можуть бути використані контактні і дистанційні методи, однак їх застосування обмежене через відносну складність використовуваної апаратури і необхідність точного позиціонування датчика температури по відношенню до стовпа дуги, положення якого заздалегідь невідомо.
Підвищення тиску, що залежить від енергії дугового КЗ, матеріалу ошиновки, коефіцієнта заповнення відсіку, тривалості КЗ, також може бути одним з ознак розглянутого виду ушкодження. Однак через негерметичність відсіків КРУ чутливість захистів, які контролюють приріст тиску, також обмежена. Наприклад, клапанні захисту стійко спрацьовують тільки при токах понад 3,5 кА і вище [2].
Контроль щільності заряджених частинок (електропровідності) можливий тільки при близьких до стовпа дуги відстанях, а при видаленні датчиків електропровідності від стовпа дуги різко знижується чутливість захисту. Потужність теплового випромінювання, в тому числі і світлового випромінювання, залежить від величини струму КЗ, на значення якого впливає опір включеного системи і опір стовпа дуги. Оцінка чутливості захистів [3], що використовують оптичні датчики інформації, показує, що їх чутливість достатня практично для всіх типів КРУ, що підключаються до трансформаторів потужністю 2,5 МВА і вище.
Для захисту КРУ в даний час застосовуються пристрої, що реагують:
- на підвищення тиску на фронті ударної хвилі в початковий момент дугового КЗ (клапанна дугова захист [2]);
- на підвищення ступеня іонізації газів в каналі дугового стовпа (захист антенного типу з дугоулавлівающім електродом, що встановлюються в шинних відсіках [2]);
- на появу випромінювання від дугового стовпа (захист на Фототиристори, фоторезисторах, фототранзисторах і фотодиодах [4-12], з волоконно-оптичними датчиками (ВОД) [13-15]).
Побудова оптико-електричних дугових захистів
Оптико-електричні дугові захисту по типу використовуваних датчиків можна розділити на дві групи: з напівпровідниковими фотодатчиками і з ВОД. Тип датчика визначає не тільки алгоритми обробки інформації, а й виконання захистів, які можна класифікувати як індивідуальні і централізовані.
Централізовані захисту, як правило, призначені для захисту секції або групи осередків і не забезпечують селективного виявлення зони пошкодження. Оптичні датчики, наприклад напівпровідникові фотоприлади, з'єднуються паралельно, а ВОД включається у вигляді петлі.
Індивідуальне виконання захисту дозволяє виконати вплив на вимикач пошкодженої осередку, забезпечити селективність дії захисту і виявити пошкоджену зону.
Для підвищення селективності централізовані захисту можуть бути виконані за централізовано-індивідуальним принципом, коли кожен датчик має свою зону спостереження і йому присвоюється певний номер ( «ім'я») [8,13,15]. При реалізації індивідуального захисту за допомогою ВОД вони виконуються у вигляді радіальних ліній, що з'єднуються з центральним блоком обробки інформації (ЦБОІ) [13,15]. При реалізації датчиків на основі традиційних Фотоприлад вони також повинні виконуватися у вигляді радіальних ліній або включатися паралельно, з передачею кодованої інформації в центральний блок [8].
Система оперативного струму також істотно впливає на виконання захисту. Ці особливості проявляються на підстанціях, де відсутня оперативний постійний струм, що викликає необхідність живлення пристроїв дугового захисту від ланцюгів змінної напруги або змінного струму [7-9]. У першому випадку це вимагає використання накопичувачів енергії, що забезпечують дію захисту при зниженні напруги при КЗ. Однак при включенні вступного вимикача на КЗ, коли було відсутнє напруга на шинах, це може привести до відмови захисту. Тому більш переважно виконання блоків живлення подібних захистів від комбінованого блоку живлення, підключеного до ланцюгів змінної напруги і ланцюгах змінного струму (наприклад, до ланцюгів вимірювальних трансформаторів струму).
Для підвищення надійності роботи практично всі захисту здійснюють контроль, крім світлового потоку, ще, принаймні, однієї ознаки, що характеризує дуговое КЗ, - струму або напруги. На це ж спрямована адаптація вимірювальних органів дугового захисту до режиму захищається електроустановки та наявність каналу гальмування, що особливо актуально для КРУ старих конструкцій, що розміщуються всередині будинків (закритих розподільних пристроїв) і мають напіввідкритий тип.
При дуговому КЗ в суміжній клітинці можливо освітлення фотодатчиків захищається осередки в результаті багаторазових відображень світлового потоку. Орієнтація гальмівних датчиків в сторону суміжній осередку дозволяє виключити неселективне дію захисту. Швидкодія розглянутих захистів становить одиниці-десятки мілісекунд. При цьому повне час відключення КРУ з урахуванням дії вимикач не повинна перевищувати 01-015 с.
Індивідуальні пристрої захисту представлені пристроями типу РДЗ, розробленими в ЮРГТУ, або типу УДЗ-1 фірми «ЕЛОКС». При цьому пристрої РДЗ можуть виконувати і функції централізованого захисту при підключенні фотодатчиків паралельно один одному.
Централізовані пристрою представлені такими типами захистів: РДЗ-018 (ЮРГТУ), ОСДЗ ( «Енерготехніка»), БССДЗ-01/02 ( «Промелектроніка»), Овід (Проель), REA-100 (ABB), ПД-01 (ALSTOM) , ФВІП (НІІІТ). Зазначені пристрої відрізняються як за типом використовуваного оптичного датчика, лініях зв'язку датчиків і вимірювальних органів, так і по елементній базі. В основному дані захисту призначені для захисту однієї або двох секцій КРУ і впливу на комутаційні апарати живлять приєднань. Тому у них, як правило, відсутня «виділення» пошкодженої осередку. Винятком є захисту типів РДЗ-018, Овід, REA-100.
Перший захист реалізована у вигляді локальних датчиків збору інформації, що розміщуються в захищаються осередках і з'єднаних з ЦБОІ. Друга захист реалізує принцип радіальних ВОЛЗ, що йдуть від ЦБОІ в захищаються осередки. У захисті типу REA 100 також передбачена можливість підключення радіальних ВОЛЗ, що виконують ще й функції датчика.
побудова ОЕДЗ
Дугова захист КРУ повинна будуватися з урахуванням його конструктивних особливостей і типів комутаційних апаратів. Для цього необхідно виділити як особливі елементи розподільчого пристрою, до яких відносяться осередки вступного вимикача, осередок секційного вимикача, особливі зони (відсіки) осередків КРУ: відсік шинного моста, відсіки високовольтних вимикачів, трансформатора напруги і т.д. Такий поділ КРУ на зони дозволить найбільш оптимально виконувати впливу на комутаційні апарати з мінімізацією обсягів пошкоджень. При КЗ в особливих елементах потрібно відключення секції без витримки часу, а при КЗ в особливих зонах, наприклад, в відсіках вимірювальних трансформаторів струму, кабельної оброблення і прохідних ізоляторів можливе відключення тільки пошкодженої осередку, наприклад, при використанні вакуумних вимикачів.
Горіння дуги в осередку вступного вимикача вимагає впливу на відключення не тільки секційного вимикача, але і вимикача з боку вищої напруги силового трансформатора. Пошкодження ж секційного вимикача вимагає відключення ввідних вимикачів. З урахуванням вищевикладеного захист повинен забезпечувати селективне виявлення дугових коротких замикань в осередках і їх відсіках.
Існує також і інший підхід в побудові дугового захисту КРУ, згідно з яким будь-який КЗ в КРУ повинно відключатися вступним вимикачем, що призводить до «погашення» секції. Такий підхід спрощує реалізацію захисту і допускає об'єднання датчиків, наприклад, дозволяє виконувати оптико-електричний датчик єдиним, що має місце при використанні ВОЛЗ, з'єднаної в «петлю». При реалізації захисту за першим варіантом можливе об'єднання ОЕДЗ і пристроїв, що впливають на одні і ті ж вимикачі.
Розумний підхід - в поєднанні захистів
Таким чином, відзначається тенденція готовності виробників КРУ і експлуатуючих організацій до використання оптико-електричних дугових захистів, що забезпечують контроль струму і світлового потоку. Раніше фахівці більш обережно ставилися до застосування подібних захистів. Разом з тим можна відзначити, що можливості захистів з контролем струмів і напруг не в повній мірі використані через обмеженого набору інформаційних ознак в захистах на електромеханічної та мікроелектронної елементної бази.
Застосування мікропроцесорної техніки знімає проблему складності алгоритмів і обсягів оброблюваної інформації, що дозволяє повернутися до питань побудови швидкодіючих і селективних захистів з традиційними датчиками інформації (трансформаторами струму і напруги). При цьому деякі недоліки, зазначені вище, можуть бути перетворені в гідності, наприклад, в скорочення часу їх монтажу та наладки, тому що на відміну від монтажу оптико-електричних захистів не потрібно відключення всієї секції. Виконання більш досконалого захисту від замикань на землю, що забезпечує виявлення пошкоджень не тільки на кабельних або повітряних лініях, а й всередині КРУ, дозволить не допустити розвитку в міжфазні дугові КЗ.
Пропонована концепція побудови захистів КРУ і відходять від них ліній може стати предметом додаткового обговорення. Розумне поєднання ОЕДЗ і захистів з контролем струмів і напруг дозволить підвищити надійність захистів і забезпечити резервування.