Александр Михайлович Александров, доцент кафедры рза пэипк Обзор руководящих материалов по релейной защите рао "еэс россии" за 1990 1999 г г. учебное пособие
| Вид материала | Учебное пособие |
- Решение Совета директоров рао "еэс россии", 26.94kb.
- Волков Александр Михайлович учебно-методический комплекс, 385.93kb.
- Волков Александр Михайлович учебно-методический комплекс, 441.18kb.
- Еженедельник «Горожанин» №33 от 12 мая 2005г. Рао "еэс россии" энергия новой генерации, 46.48kb.
- Положение о порядке аккредитации энергоаудиторов при рао "еэс россии", 204.08kb.
- Концепция Стратегии ОАО рао еэс россии на 2003 2008, 905.25kb.
- Инструкция по контролю сварочных материалов и материалов для дефектоскопии, 600.94kb.
- Реорганизация ОАО рао «еэс россии», 35.77kb.
- Ации "еэс россии" департамент науки и техники технические требования к модернизации, 524.13kb.
- Энергетики и электрификации россии (еэс россии) Типовое положение о службах релейной, 2336.86kb.
А.П. Берсенев
первый заместитель начальника департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России».
Опублик. в газете "Энергетик Санкт-Петербурга", №1 от 28 01 2000 г, стр. 12
Повышение эффективности работы дуговой защиты КРУ6-10 кВ серии К-104М
ЗОТОВ А. Я., канд. техн. наук, МП "Энергетик", г. Москва
На подстанциях энергосистем, промышленных предприятий и городов эксплуатируются многие тысячи шкафов КРУ, выпускаемых заводом АО "Мосэлектрощит". Все они оснащены дуговой защитой клапанного типа, при этом клапаны давления устанавливаются в них поверх выдвижного элемента. Практика эксплуатации и испытания показали, что клапаны дуговой защиты недостаточно чувствительны, имеют высокий токовый порог срабатывания и могут отказывать а работе, приводя к пожару, если ток дугового КЗ в наиболее удаленной от клапана точке шкафа (отсека) ниже 5 - 7 кА.
Практика показывает, что видимых разрушений от дугового короткого замыкания можно избежать, если время срабатывания клапана давления дуговой защиты и управляемого им выключателя ввода секции вместе взятых не превышает 0,1 с. При этом должен вводиться категорический запрет на действие устройств АВР и АПВ.
Рис.1. Шкаф (в разрезе) отходящей линии КРУ серии К-104(К-107):
1 - отсек сборных шин; 2 - трансформатор тока; 3 - путевой выключатель ВП-19 штатного клапана дуговой защиты; 4 - отсек вывода отходящей линии; 5 - закоротка фазы С на корпус шкафа (на землю); 6 - шкаф релейной защиты; 7 -штатный датчик; 8 - компактный датчик-анализатор "Краб"; 9 - выключатель ВК-10; 10-антенна.
На рис. 1 показан шкаф серии К-107(К-104), подготовленный к сравнительным испытаниям. Он имеет ряд отсеков: 1 - сборник шин, 4 - вывода отходящей линии, 9 - выдвижного элемента с выключателем. Клапан 7 дуговой защиты отсека выключателя оснащен концевиком 3 - путевым выключателем ВП-19. При срабатывании клапана концевик высвобождается и замыкает соответствующие контакты в цепи отключения вводного выключателя секции.
При этом отключение собственного выключателя шкафа недопустимо из-за опасности взрыва гремучей смеси, образующейся при смешивании продуктов разложения масла, масляных паров и копоти с воздухом шкафа при возникновении электрической дуги, горящей в шкафу с выключателем ВК-10. Удар в лопатку клапана будет тем сильней, чем больше ток КЗ и протяженнее ствол дуги.
Испытания показали, что пик давления воздействует на клапан дважды;
кратковременно (20 - 25 мс) в момент возникновения дуги, как взрыв, и затем по истечении некоторого времени, когда дуга раскалит воздушные массы внутри шкафа. Первый пик давления может обеспечить мгновенное срабатывание легких безинерционных (с очень низким значением массы покоя) клапанов, таких, например, как датчик "Краб" (МП "Энергетик") с тонкой легкой дюралевой лопаткой.
Второй пик давления нарастает медленно в зависимости от тока, скорости перемещения дуги по шинам, объема шкафа (отсека) и теплоемкости среды. Поэтому массивные разгрузочные клапаны дугоулавливатепей при протяженных секциях могут иметь задержки в срабатывании на сотни миллисекунд, что резко снижает эффективность дуговой защиты. В соответствии с ГОСТ 14693-90, завод-изготовитель КРУ обязан сообщать потребителям "нижний токовый порог срабатывания клапанов дуговой защиты".
Предприятие СКТБ ВКТ Мосэнерго при участии автора по договору с заводом "Электрощит" выполнило ряд работ по усовершенствованию датчиков дуговой защиты. Так, в шкафах серий К-104 и К-107 был опробован датчик "Краб", разработанный ранее для нужд Мосэнерго. Корпус 1 датчика "Краб" представляет собой раму, внутри которой расположен поворотный элемент датчика - лопатка. Вращаясь на осях, она обеспечивает срабатывание датчика при ударе воздушной волны с любой из сторон. В рабочем (взведенном) положении лопатка фиксируется и удерживается серповидным захватом, выполненным на наружном конце нижнего плеча углового рычага. Рычаг встроен в паз стойки , в котором может вращаться на оси. Конец верхнего плеча углового рычага упирается в подвижный ролик концевика (путевого выключателя ВП-19).
При испытаниях шкафов К-107 (К-104) датчик "Краб" устанавливался на винтах в окне, вырезанном сбоку от выключателя со стороны соседнего шкафа. Внутренние объемы шкафов соединялись через это окно (см. рис. 1, поз. 8). Нижний токовый порог срабатывания датчика "Краб" для сетевых предприятий Мосэнерго был определен в сопоставлении с заводским датчиком 7 (см. рис. 1). В числе прочих, был имитирован режим, часто наблюдающийся при эксплуатации сетей: двухфазное дуговое КЗ в шкафу выключателя между одной из фаз и корпусом шкафа, когда одна из фаз имела "землю", а другая -замкнулась на корпус через ствол дуги, инициированной проскочившим животным, например, крысой.
Было выполнено 12 опытов при напряжении 6 и 10 кВ с различным испытательным током 1цсп = 1,7 - 9 кА Испытания показали, что нижний токовый порог срабатывания датчика "Краб" (3,5 кА) в 2 раза меньше токового порога штатного датчика (7,5 кА). При 1цсп = 3,6; 6,3 и 6,5 кА "Краб" срабатывал за 0,09, 0,07 и 0,08 с соответственно (при наличии в цепи концевика двух дополнительных контактов реле). В процессе испытании штатный датчик впервые сработал только при 1исп = 7,5 кА со временем 0,08 с (у датчика "Краб" 0,06 с). Опыты показали, что датчик "Краб" способен защищать сразу два шкафа (отсека), следовательно, для защиты шкафов К-104 и К-107 от дуги КЗ потребуется значительно меньше датчиков давления.
С целью исключения из секций громоздких дугоулавливателей одновременно с "Крабом" был испытан и запущен в серийное производство электромагнитный датчик дуги "Антенный", позволяющий практически мгновенно отключать секцию при КЗ в отсеке сборных шин (в том числе и шинный мост). Его нижний токовый порог срабатывания равен примерно 1,0 кА, а быстродействие не зависит от числа шкафов в секции и протяженности шинного моста. Основной элемент датчика - "антенна" выполнен с использованием электросварки из стального непрерывного прута, проложенного изолированно вдоль одной из сборных шин отсека (см. рис. 1, поз. 10) от торца до торца.
Испытания датчика "Антенный" первоначально проводились из условий его применения в шкафах К-107 (К-104), однако технические данные датчика позволили использовать его во всех шкафах, входящих в серию К-104М. Исполнительный орган датчика - трансформатор тока (ТТ) был установлен в свободном месте отсека сборных шин.
Проходя вдоль отсека сборных шин из конца в конец (включая шинный мост, при его наличии), антенна притягивает на себя электрическую дугу при ее возникновении в любой точке отсека. Для повышения чувствительности антенны, она оснащается ответвлениями, идущими к проходным изоляторам. Одна из вторичных обмотокТТ заводится на реле РТ-40 и промежуточное реле РП-321, которые находятся а цепи мгновенного (неселективного) отключения вводного выключателя секции.
В нормальном режиме работы распределительного устройства ток нагрузки через ТТ не протекает и выходной сигнал на названных реле отсутствует. Только в момент появления в отсеке сборных шин дугового КЗ вследствие магнитного взаимодействия дуги и стального прута антенны в цепи ТТ появляется вторая точка контактирования с фазой С или с любой другой фазой, вовлеченной в аварию, и через трансформатор начинает протекать ток КЗ (как правило, его часть, составляющая примерно 20 - 60 % полного тока КЗ). При этом чем больше ток КЗ, тем меньшая доля его протекает через ТТ. В результате исполнительный орган датчика "Антенный" выдает команду на мгновенное отключение вводного выключателя секции.
Следует отметить, что любое двухфазное КЗ, возникшее в отсеке сборных шин, незамедлительно переходит в трехфазное, вводя в работу датчик "Антенный". Так, в проделанных опытах (см, рис. 1) при токах 1,7 + 9 кА, время перебрасывания дуги с фазы А на соседние фазы составляло от 92 до 6 мс соответственно. Например, при токе 3,9 кА оно было 13,6 мс, а при токах 6,3 и 8,4 кА - 8 и 6,4 мс соответственно.
Испытания показали, что дуга КЗ, возникшая в середине отсека сборных шин, не всегда перемещается под клапан дугоулавливатепя. Неоднократно наблюдались случаи, когда при дуговых КЗ с током до 3 - 5 кА дуга поворачивала по ответвлениям одного из шкафов к проходным изоляторам, разрушала их и проникала в шкаф. При этом, как правило, клапаны дугоулавливателей бездействовали. Датчик "Антенный" от последствий поворотов дуги застрахован, поскольку имеет свои ответвления к проходным изоляторам.
Вторая вторичная обмотка трансформатора антенны остается, как правило, свободной и может служить дополнительным резервным источником
оперативного тока для аварийного отключения вводного выключателя секции там, где штатные источники питания не отличаются достаточной надежностью.
Выводы.
1 Клапанная дуговая защита шкафов и отсеков сборных шин КРУ 6 - 10 кВ серий К-104, К-107, К-114 и К-104М, выпущенных заводом АО "Мосэлектрощит", недостаточно чувствительна к дуговым КЗ при токах до 5 - 7 кА, может отказывать в работе и должна подлежать модернизации.
2. Использование датчиков "Краб" в шкафах указанных серий позволит обеспечить их надежную защиту от дуговых КЗ при токах от 3,5 кА и выше.
3. Защита отсека сборных шин любой протяженности, собранных из названных шкафов, и при наличии шинного моста при токах КЗ от 1 кА и выше обеспечивается датчиком "Антенный", снабженным ответвлениями, при стабильном быстродействии и полном исключении громоздких дугоулавливатепей.
Журнал "Энергетик" №7/99, стр. 19-21. Статья приведена с сокращениями.
Примечание: краткое описание дуговой (оптической) защиты АББ с реле REA 101, 103, 105 см. 000 "АББ Реле-Чебоксары" (стр. 30-31) и "Новое поколение цифровых реле АББ..." (стр.55-60).
"НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ЦИФРОВЫХ РЕЛЕ АББ - ФУНДАМЕНТ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ 21-ГО ВЕКА"
Электротехнический концерн АББ создан в 1988 году путем объединения двух старейших электротехнических компаний: ASEA (Альмена Свенска Електриска Акциенболагет - Шведское электротехническое акционерное общество) и ВВС (Броун Бовери Компани, Швейцария). С тех пор концерн АББ прошел этапы дальнейшего расширения с одновременным значительным ростом производства, и сейчас АББ является крупнейшим всемирным электротехническим концерном с годовым оборотом в несколько десятков миллиардов долларов США. В концерн АББ входит около тысячи компаний в 100 странах мира, в том числе несколько финских компаний, ведущих свою историю с 1889 года, когда первую электротехническую фирму в Финляндии основал ученый и инженер Готфрид Стрёмберг. В одной из этих компаний "АББ Сабстейшен Аутомэшн" (ABB Substation Automation - автоматизация подстанций), расположенной в Стрёмбергпарке города Васа, в октябре 1999 года состоялся семинар, на котором была представлена разработанная здесь аппаратура нового поколения цифровых реле. Обзор новых реле и терминалов, так называемой 500-й серии REM, REF, REJ, REU, REA и REC 500 дается в этой статье.
Немного истории. Устройства релейной защиты и автоматики (РЗА) выпускаются уже в течение 100 лет. Примером высокого инженерного мастерства является индукционное дисковое реле типа RJ, созданное в 1901 году фирмой ASEA. Эта конструкция, известная у нас как РТ-80 (ИТ-80), до сих пор успешно используется для защиты различных электроустановок.
В течение многих десятилетий в аппаратуре РЗА подавляющее большинство составляли электромеханические реле. В измерительном органе такого реле, например, максимальной защиты, ток короткого замыкания преобразуется в электромеханический момент, который преодолевая противодействие установленного момента пружины, приводит к изменению положения подвижных частей реле и к замыканию его контактов. Многолетний опыт обслуживания электромеханических реле показывает, что несмотря на проведение периодических трудоемких профилактических проверок, нет гарантии исправного состояния таких реле в периоды между проверками. Наряду с этим выполнение многих необходимых функций защиты на электромеханической базе либо невозможно, либо связано с резким увеличением количества реле, увеличением габаритов и стоимости защиты. Эти и другие недостатки электромеханических аналоговых реле не смогли быть устранены и при создании в шестидесятых годах 20-го века статических аналоговых реле, которые выполнялись на полупроводниковой элементной базе радиоэлектроники того времени. И только с появлением новой элементной базы -интегральных микросхем и новых микропроцессорных (цифровых) реле открылись огромные возможности выполнения малогабаритных устройств защиты с большим количеством функций и высокой степенью надежности за счет непрерывного самоконтроля исправности реле.
В цифровых реле все аналоговые величины (токи, напряжения) поступают в специальное устройство, называемое АЦП (аналоге - цифровой преобразователь), который затем представляет необходимую информацию в цифровом виде в микропроцессор, т.е. в миниатюрный компьютер. Поэтому в зарубежной литературе цифровую защиту часто называют компьютерной, "выполненной на компьютерной базе", т.е. на элементах вычислительной техники (computer base protection). Встречается и название "дигитальное" реле - от английского слова digit, обозначающее однозначное число, цифру, единицу, т.е. принцип, на котором построена вычислительная техника.
В цифровом реле может быть записано большое количество программ для работы защиты с различными функциями и характеристиками (алгоритмами). Программы, алгоритмы и регулировочные значения заложены в память реле, к которой имеет доступ микропроцессор. Микропроцессорная система, работающая в реальном масштабе времени, использует заложенные или предварительно обработанные данные временных зависимостей в защищаемом элементе. Например, цифровое максимальное реле тока с обратаозависимой времятоковой характеристикой вычисляет по заданному алгоритму необходимое время срабатывания реле в зависимости от данного значения тока КЗ или тока перегрузки электрической машины. Необходимая времятоковая характеристика должна быть заранее выбрана из нескольких заложенных характеристик и запрограммирована с помощью регулировочных ключей-команд.
Компьютерные программы используются не только для обеспечения функционирования цифровых реле, но и для их дистанционной настройки и обслуживания. Например, программа SMS (Station Monitoring System, т.е. система контроля устройства) позволяет выставлять уставки срабатывания и, при необходимости, их изменять, не выходя из помещения службы релейной защиты.
Компьютерные программы могут быть составлены и для целей изучения и освоения цифровых реле. Например, для реле серии SPACOM (ABB) выпущена библиотека программ Simulator, предназначенных для персонала служб релейной защиты. С ними можно ознакомиться и получить в личное пользование во время обучения на кафедре релейной защиты Петербургского энергетического института повышения квалификации специалистов Минтопэнерго РФ (ПЭИпк).
Цифровые реле, выполненные на компьютерной элементной базе, органично входят в современную цифровую АСУ электроустановок, как ее нижний уровень. Эти реле-терминалы обеспечивают не только защиту от КЗ и ненормальных режимов, но и управление коммутационными аппаратами, регистрацию параметров нормальных и аварийных режимов, учет электроэнергии, передачу данных на верхний уровень АСУ и прием приходящих команд. Такая система в ABB называется СКАДА (SCADA).
Преимущества цифровых реле. Для производителей изготовление цифровых реле значительно проще, чем аналоговых, особенно электромеханических, поскольку производство и контроль качества цифровых реле максимально автоматизированы. Для покупателей цифровые реле так же привлекательны, т.к. обладают рядом уникальных достоинств. В первую очередь надо отметить автоматическую непрерывную самодиагностику, которая обеспечивает высокую надежность срабатывания и несрабатывания этих реле и позволяет очень существенно сократить объемы и сроки периодических профилактических проверок защитных устройств.
Цифровые защиты при умелом использовании их характеристик обеспечивают более быстрое отключение КЗ, чем это могут сделать электромеханические защиты. Для электрических машин цифровые реле позволяют, дополнительно, осуществить так называемые "профилактические" защиты от опасных ненормальных режимов, предотвращающие возникновение КЗ. Вместе с высокой надежностью срабатывания эти возможности цифровых реле помогают снизить ущербы от недоотпуска электроэнергии потребителям и затраты на обслуживание и ремонт электрооборудования. Особенно явно это проявляется при автоматизации распределительных сетей, через которые происходит электроснабжение потребителей (см. "Энергетик", № 9 за 1998 г.).
Большой экономический эффект при сооружении новых энергетических объектов дает отказ от сооружения диспетчерских щитов, т.к. управление электроустановками осуществляется с помощью компьютеров по программе SCADA с проекцией на большой экран.
Надо отметить, что в новых цифровых реле и терминалах предусмотрена возможность получения информации о токах и напряжениях защищаемого элемента как от традиционных электромагнитных трансформаторов тока и напряжения, так и от малогабаритных воздушных трансформаторов (датчиков) по типу "пояс Роговского".
Отсутствие в этом датчике нелинейного ферромагнитного сердечника (магнитопровода) обеспечивает малую погрешность преобразования первичных величин во вторичные и очень широкий диапазон измерения первичных значений тока. Основным недостатком "пояса" или "катушки" Роговского является малая отдаваемая мощность и низкий уровень выходного сигнала, что делает его непригодным для питания электромеханических реле, и поэтому задержало его массовое использование в защитах электроустановок почти на 100 лет. Для цифровых защит датчики по типу "катушки" Роговского стали широко использоваться лишь в середине 1990-х годов. Это дает большую экономию в выполнении РЗА.
Новое поколение цифровых реле АББ - фундамент РЗА 21-го века. Цифровые реле серии SPACOM (АББ Финляндия, а также США, Польша, Чехия и Россия) выпущены в количестве 1/4 миллиона (250 тысяч!). Они безотказно работают более 10 лет в десятках стран мира (в Европе, Северной и Южной Америке, в Юго-Восточной Азии, на Ближнем Востоке), а в России - более 5 лет. Всего в России выпущено более 1 тыс. реле SPAC-800 с различными функциями (000 "АББ Реле-Чебоксары"). Положительный опыт их работы описан в журнале "Энергетик" № 12 за 1998 г.
Однако цифровая техника релейной защиты быстро развивается (по мере совершенствования элементной базы вычислительной техники) в сторону расширения функциональных возможностей реле без увеличения габаритов и стоимости реле. И в релестроительных компаниях, входящих в концерн АББ, освоено новое направление в создании цифровых аппаратов защиты и управления, в наименование которых входят латинские буквы RE, а цифры начинаются с 500 ("пятисотая серия"). Например, REL 500 - серия многофункциональных защит для линий 110 кВ и выше (Швеция), REF 500 - многофункциональные защиты для фидеров среднего напряжения (Финляндия), REC 500 - защита и управление (control) коммутационными аппаратами для автоматизации распределительных электрических сетей, REM 543 (Machine terminal) - многофункциональная защита и управление для электрических машин.
Терминал КЕМ 543. По информации 1999 г. фирмы-изготовителя терминал предназначен для защиты, управления, измерений и контроля состояния синхронных машин (генераторов, электродвигателей) и больших асинхронных электродвигателей. Измерение токов и напряжения защищаемой машины может производиться либо с помощью традиционных измерительных трансформаторов, либо с помощью датчиков тока, выполненных по принципу "пояса Роговского".
Терминал может осуществлять все необходимые функции защиты генераторов и электродвигателей. Например, для защиты генератора предусмотрены следующие типы защиты: трехфазные дифференциальная и максимальная токовая защиты;
защита от повышения напряжения; мгновенная дифференциальная токовая защита от замыканий на землю с направленными ступенями; трехступенчатая защита напряжения нулевой последовательности от замыканий на землю; двухступенчатая защита от потери возбуждения; трехступенчатая защита от превышения мощности и от обратной мощности; двухступенчатая токовая защита обратной последовательности; трехфазная тепловая защита от перегрузки; защита от неисправности выключателя CBFP (УРОВ). Этот набор функции вполне удовлетворяет нашим Правилам устройств электроустановок (ПУЭ). При этом все защиты функционируют независимо друг от друга.
Таким образом, терминал REM 543 осуществляет столько защитных функций, что может заменить три или четыре цифровых реле АББ серии SPACOM (SPAU, SPAD, SPAG), разработанной двумя десятилетиями раньше, или около трех десятков аналоговых реле.
Терминал REM 543 выполнен в виде ящика с большим дисплеем на лицевой стороне. Основные размеры этого терминала: ширина 223,7 мм, высота (в кожухе) 265,9 мм, высота самого терминала 255,8 мм, глубина его 235 мм (245,1 мм вместе с задним кожухом, который устанавливается по желанию заказчика). Вес около 8 кг.
Терминал REM 543 может использоваться в качестве основной защиты генераторов и блоков генератор-трансформатор на электростанциях малой и средней мощности, в том числе, на дизельных гидравлических и паровых электростанциях. Дополнительно в качестве общестанционного устройства устанавливается терминал REF 54_, о котором будет подробно сказано ниже. На электростанции к этому терминалу подводятся цепи от шинного трансформатора напряжения, и он в данной схеме выполняет функции общестанционных защит от повышения и понижения напряжения, защиты по напряжению нулевой последовательности для действия при замыканиях на землю в сети генераторного напряжения, защиты, реагирующей на скорость изменения частоты df/dt (используется а автоматической частотной разгрузке АЧР, а также при необходимости, в делительной защите, если электростанция работает параллельно с другими электростанциями или с энергетической системой). При работе генератора в блоке с повышающим двухобмоточным трансформатором дополнительно к терминалу REM 543 устанавливается реле из серии SPACOM ranaSPAD 346, осуществляющее дифференциальную защиту блока.
При использовании REM 543 для защиты синхронных и крупных асинхронных электродвигателей часть функций добавляется, а часть исключается, т.е. терминал соответствующим образом "конфигурируется".