АЛГОРИТМ ВСТРЕЧНО-НАПРАВЛЕННОЙ ЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ШИН

Николай Гринев, руководитель группы РЗА

ЗАО ПФ «КТП-Урал» – это производственно-инжиниринговое предприятие, осуществляющее весь комплекс работ от проектирования до ввода в эксплуатацию подстанций на класс напряжения 35, 110 и 220 кВ. Предприятие предлагает оригинальные, нестандартные проектно-конструкторские решения с учетом индивидуальных пожеланий заказчика и конкретных условий эксплуатации, реализованных в продукции собственного производства. Для оптимизации работы над проектами проектная и конструкторская группы были объединены в проектно-конструкторский центр. Объединение усилий конструкторов и проектировщиков позволило предлагать заказчикам нестандартные решения и выполнять индивидуальные разработки. Параллельно идет работа по созданию и внедрению инновационных технологий.

Николай Васильевич Чернобровов, известный практик релейной защиты, один из основателей системы обслуживания устройств РЗА, писал: «Создание селективных быстродействующих защит является важной и трудной задачей техники релейной защиты. Эти защиты получаются достаточно сложными и дорогими, поэтому они должны применяться только в тех случаях, когда более простые защиты, работающие с выдержкой времени, не обеспечивают требуемой быстроты действия…».
Логика современных цифровых защит в настоящее время строится путем реализации алгоритмов – аналогов существующих реле предыдущих поколений. И хотя эти алгоритмы надежны и проверены временем, они, к сожалению, не всегда оптимальны.
ПУЭ регламентирует: «В качестве защиты сборных шин электростанций и подстанций 35 кВ и выше следует предусматривать, как правило, дифференциальную токовую защиту без выдержки времени, охватывающую все элементы, которые присоединены к системе или секции шин».
Высокая стоимость современных цифровых терминалов РЗ иногда подталкивает заказчика к отказу от дифференциальной защиты шин (ДЗШ) и поиску альтернативных вариантов. Такая тенденция вкупе с широкими возможностями микропроцессорных устройств дает основание для размышлений на эту тему.

В настоящее время для защиты шин среднего и низкого напряжений в качестве основных используются дифференциальная и логическая защиты.
Специалистам нашей компании довелось принимать участие в проектировании подстанции, в которой на стороне среднего напряжения предусматривалась возможность двустороннего питания. И хотя использование ДЗШ в условиях многостороннего питания – это, безусловно, наилучшее решение, однако ввиду высокой стоимости оно нецелесообразно. Логическая защита шин (ЛЗШ) в её классическом понимании также неприменима, т.к. может действовать неселективно, скажем, при КЗ в трансформаторе.
Сегодня активно развивается малая энергетика. Чтобы гарантировать бесперебойное электроснабжение, например, потребителей газовой отрасли, к шинам низкого напряжения подключаются ГТУ небольшой мощности (до 12 МВт), работающие на попутном газе. Похожая ситуация в нефтяной отрасли и не только. При этом количество подключаемых генераторов может быть более пяти. В случае замыкания в любом из питающих элементов возможно нарушение селективности классической ЛЗШ. Кроме того, при постоянно включенном секционном выключателе и замыкании на защищаемой секции с первой выдержкой времени будет отключаться секционный выключатель и лишь со второй – ввод.
Известно, что в условиях многостороннего питания применяются направленные токовые защиты. В простейшем виде – с реле направления мощности прямой последовательности. У направленных токовых защит на электромеханической и полупроводниковой элементной базе есть свои недостатки. Первый – наличие так называемой «мертвой» зоны, что и предопределяет их использование в основном для защиты линий. Второй – большие выдержки времени, особенно на источниках питания (впрочем, это относится ко всем токовым защитам с временной селективностью).
В микропроцессорных устройствах защиты эффект «мертвой» зоны устранен, например, с помощью контура памяти.

Для обеспечения селективности в устройстве защиты любого явного или потенциального источника предлагается использовать орган направления мощности. Назовем его органом селективности. Он должен гарантировать формирование двух управляющих воздействий – «свой» или «чужой», в зависимости от знака мощности. «Свой» – при направлении мощности из защищаемого элемента, «чужой» – внутрь защищаемого элемента.
Направление проходящей мощности КЗ говорит о том, где возникло повреждение: на «своем» присоединении либо где-то ещё.

Можно сформулировать основные принципы выполнения селективной логической защиты:

• на каждом питающем элементе должны устанавливаться два комплекта направленной защиты: один – для блокировки устройств защиты других питающих элементов, второй – для отключения «своего» выключателя;
• для защит, срабатывающих при одном направлении мощности, должна быть собрана схема блокировки вышестоящих защит нижестоящими.

Покажем на примере схемы, как организуется логическая защита шин. Для этого наметим к установке две независимые встречно-направленные ступени ЛЗШ: ЛЗШ-И (направление к шинам) и ЛЗШ-П (направление от шин) (рис. 1).
Энергосистему условно можно разбить на две области: область внешних и внутренних повреждений. При повреждении в области внешних замыканий должен отключаться выключатель поврежденного присоединения, при замыкании в защищаемой зоне – выключатели всех питающих элементов. Отметим, что при повреждении в области внешних замыканий сработает какая-либо блокирующая ступень ЛЗШ-П. Признаком замыкания в защищаемой зоне является одновременное несрабатывание всех комплектов ЛЗШ-П.
ЛЗШ может быть собрана по параллельной или последовательной схеме. Наиболее предпочтительной выглядит последовательная схема (рис. 2), обладающая важным качеством диагностики обрыва цепи. Логика, которая должна быть реализована в микропроцессорных устройствах, устанавливаемых на питающих вводах, показана на рисунке 3.
При наличии источников, значительно различающихся по мощности, для достижения нужной чувствительности необходимы два токовых органа, обеспечивающих различные уставки по току для ЛЗШ-И и ЛЗШ-П.

Рис.1. Схема размещения терминалов РЗ с комплектами ЛЗШ-И и ЛЗШ-П

Рис.2. Схема организации блокировки ВН-ЛЗШ

Рис.3. Упрощенная функционально-логическая схема организации ВН-ЛЗШ в терминале защиты «источника»

Встречно-направленная ЛЗШ пригодна в первую очередь для сборных шин распредустройств, на которых нецелесообразно использовать ДЗШ. К ним можно отнести, во-первых, шины 35 кВ с небольшим количеством присоединений на подстанциях, где возможны режимы как выдачи, так и потребления мощности от сети; во-вторых, шины КРУ-6(10) кВ, размещенных на электростанциях небольшой мощности с работающими генераторами и оснащенных в обязательном порядке быстродействующей дуговой защитой.
При наработке положительного опыта эксплуатации предлагаемого алгоритма область его применения может оказаться ещё шире. Например, возможно предусматривать использование ВН-ЛЗШ на шинах 110 кВ и выше в качестве резервной по отношению к ДЗШ. В этом случае орган направления мощности должен выполняться с контролем нулевой и обратной последовательности.
Одновременное использование дифференциальной, встречно-направленной логической и максимальной токовой с временной селективностью защит повысит надежность релейной защиты.

Выводы

Применение встречно-направленной ЛЗШ позволит в ряде случаев отказаться от использования терминалов РЗ с функцией ДЗШ и в результате поможет снизить затраты на сооружение новых и реконструкцию старых энергообъектов.
Внедрить предложенный алгоритм в терминалы релейной защиты можно на стадии заводского программирования, без увеличения их стоимости.
Диагностика обрыва цепи, встроенная в алгоритм работы последовательной схемы организации ЛЗШ, а также высокая надежность микропроцессорных устройств обеспечат высокую надежность работы схемы в целом.
Широкие возможности цифровых устройств создали предпосылки для разработки новых алгоритмов работы релейной защиты, не имеющих аналогов в предыдущих поколениях защит. Пример такого алгоритма – ЛЗШ с абсолютной селективностью.