ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ШИН 110–220 КВ

Владимир Фурашов, технический директор
Николай Дони, заведующий отделом перспективных разработок
Вячеслав Исаев, заместитель заведующего отделом подстанционного оборудования ООО НПП «ЭКРА», г. Чебоксары

После распада СССР производитель защиты сборных шин типа ДЗШТ-220 [1] Рижский опытный завод «Энергоавтоматика» оказался за границей. В России для защиты сборных шин выпускались и выпускаются до сих пор панели на электромеханических реле. В 1995 году ООО НПП «ЭКРА» был разработан и выпускался до 2002 года шкаф типа ШЭ2307 дифференциальной токовой с торможением защиты сборных шин 110–220 кВ на микроэлектронной базе [2].
К сожалению, шкафы на микроэлектронной базе по многим параметрам не удовлетворяют современным требованиям, таким, как надежность, многофункциональность, удобство наладки и эксплуатации, наличие функций осциллографирования, возможность встраивания в АСУТП и т.д.

Шкаф ШЭ2607 061
с открытыми дверями

В левой части шкафа расположены три терминала БЭ2704 061 (каждый из них содержит одну фазу ДЗШ), в правой – испытательные блоки для оперирования с цепями тока и ключи в выходных цепях для ввода-вывода действия ДЗШ на отключение.


Шкаф ШЭ2607 061
с закрытыми дверями
Габариты конструкции:
высота 2100 мм
ширина 1200 мм
глубина 600 мм

После распада СССР производитель защиты сборных шин типа ДЗШТ-220 [1] Рижский опытный завод «Энергоавтоматика» оказался за границей. В России для защиты сборных шин выпускались и выпускаются до сих пор панели на электромеханических реле.
В 1995 году ООО НПП «ЭКРА» был разработан и выпускался до 2002 года шкаф типа ШЭ2307 дифференциальной токовой с торможением защиты сборных шин 110–220 кВ на микроэлектронной базе [2].
К сожалению, шкафы на микроэлектронной базе по многим параметрам не удовлетворяют современным требованиям, таким, как надежность, многофункциональность, удобство наладки и эксплуатации, наличие функций осциллографирования, возможность встраивания в АСУТП и т.д.

В 2003 году НПП «ЭКРА» на базе микропроцессорных терминалов серии БЭ2704 разработало, сдало межведомственной комиссии и запустило в серийное производство шкаф ШЭ2607 061 для защиты сборных шин напряжением 110–220 кВ с фиксированным подключением и изменяемой фиксацией присоединений («двойная система шин», «двойная система шин с обходной», «двойная секционированная система шин с обходной»).
При разработке шкафа ШЭ2607 061 ставилась задача максимально сохранить традиционную российскую идеологию защиты шин и обеспечить возможность работы как с электромеханическими защитами, так и с современными микропроцессорными защитами присоединений. При этом устройство резервирования при отказе выключателя (УРОВ) может быть либо традиционным централизованным, либо индивидуальным (распределенным), как это принято в шкафах серии ШЭ2607, выпускаемых НПП «ЭКРА».
С 2003 года по настоящее время произведено более 40 шкафов ШЭ2607 061, большая часть из которых включена в работу.

На схеме 1 показана схема защищаемого распределительного устройства. В шкафу ШЭ2607 061 из семнадцати защищаемых присоединений три выполнены с жесткой фиксацией – это шиносоединительный выключатель ШСВ (Q1), секционный выключатель 1-й системы шин СВ1 (Q3) и секционный выключатель 2-й системы шин СВ2 (Q4). Еще три присоединения – обходной выключатель ОВ (Q5) и две линии (Q17, Q18) имеют возможность перефиксации с одной системы шин на другую с помощью оперативных ключей на двери шкафа. Изменить фиксацию одиннадцати оставшихся присоединений (Q6–Q16) с одной системы шин на другую можно посредством программных ключей (накладок) шкафа.
Такое выполнение позволяет гибко настроить конфигурацию шкафа на соответствие первичной схеме соединений, уменьшить объем операций с токовыми блоками и оперативными ключами и, следовательно, снизить количество ошибок оперативного персонала.
Для выбора уставок ШЭ2607 061 можно воспользоваться электротехническим справочником [2] и работой института «Энергосетьпроект» [3], учитывая при этом рекомендации, приведенные в руководстве по эксплуатации шкафа.

Рис. 1. Характеристика срабатывания ДЗШ

I_д – дифференциальный ток;
I_т – тормозной ток;
I_д.0 – начальный ток срабатывания ДЗШ;
I_т.0 – ток начала торможения ДЗШ;
К_т – коэффициент торможения ДЗШ;
К_т = 0,6 (tg a); К_т = 1,2 (tg в)

• дифференциальную защиту шин с торможением включающую пусковой и избирательные органы первой и второй систем шин;
• реле чувствительного токового органа (ЧТО);
• реле контроля напряжения;
• реле контроля исправности токовых цепей;
• три комплекта индивидуальных УРОВ для ШСВ, СВ1 и СВ2;
• логику «очувствления» ДЗШ;
• логику опробования;
• логику запрета АПВ;
• цепи отключения, пуска УРОВ и запрета АПВ.

Защита выполнена пофазной. Она содержит пусковые органы (ПО), действующие при КЗ на любой из систем шин (СШ), а также избирательные органы первой (ИО1) и второй (ИО2) систем шин, определяющие поврежденную СШ. Сигнал на отключение поврежденной СШ появляется только при срабатывании пускового и избирательного органов поврежденной фазы/фаз.
ПО через промежуточные трансформаторы тока подключены к основным трансформаторам тока всех присоединений обеих СШ, за исключением трансформаторов тока ШСВ. ИО1 и ИО2 с помощью тех же промежуточных трансформаторов тока подключены к основным трансформаторам тока присоединений соответственно первой и второй СШ, включая трансформаторы тока ШСВ.
Дифференциальный ток формируется как модуль геометрической суммы всех токов, поступающих на вход реле ДЗШ. Тормозной ток определяется как полусумма модулей всех токов, поступающих на вход реле ДЗШ.
На рисунке 1 приведена характеристика срабатывания ДЗШ при крайних значениях по начальному току срабатывания I_д0, току начала торможения I_т0, коэффициенту торможения К_т. При этом нижняя характеристика соответствует более чувствительным уставкам, а верхняя – более грубым. Применение торможения в сочетании с дополнительной отстройкой по форме тока позволяет выполнить ДЗШ, надежно работающую при погрешности трансформаторов тока до 30%.
Одновременная работа пускового и избирательного органов ДЗШ обеспечивает селективное отключение поврежденной системы (секции) шин при соответствии схемы ДЗШ схеме первичных соединений. В случае несоответствия схемы ДЗШ схеме первичных соединений (при ремонте и т.д.) возможен ручной перевод ДЗШ на отключение обеих систем (секций) шин, в так называемый режим «нарушения фиксации присоединения». В этом случае отключение СШ производится только от ПО.
Для надежного отключения выключателей СШ при работе ДЗШ, в том числе и в цикле АПВ шин, предусмотрены логические цепи «очувствления» с использованием реле ЧТО. Реле ЧТО включается на дифференциальный ток ПО, но обладает более высокой чувствительностью, чем ПО, т.к. при неуспешном АПВ токи КЗ могут быть значительно меньше расчетных для нормального эксплуатационного режима. Кроме того, реле ЧТО имеет функцию запоминания с помощью выдержки времени на возврат.
Выключатели отключаются с помощью групп выходных промежуточных реле, имеющихся для каждого выключателя. Выходные промежуточные реле каждого присоединения при срабатывании ДЗШ обеспечивают отключение выключателя через два соленоида отключения, пуск УРОВ (2 контакта) и запрет АПВ (2 контакта).
В шкафу ШЭ2607 061 есть возможность отключения СШ при действии УРОВ присоединений. Цепи воздействия от индивидуальных УРОВ обеспечивают отключение СШ в соответствии с тем, к какой из СШ подключено данное присоединение. Помимо этого, в защите предусмотрены два входа, которые воздействуют на отключение соответственно 1-й и 2-й систем шин от групповых УРОВ 1-й и 2-й систем шин.
Реле контроля исправности токовых цепей контролирует баланс токов в каждой фазе пускового и избирательных органов ДЗШ и при обрыве во вторичных токовых цепях с выдержкой времени обеспечивает сигнализацию о поврежденной фазе и блокировку работы ДЗШ с самоподхватом. При необходимости блокировка от обрыва цепей тока может быть выведена ключом на двери шкафа. Предусмотрена также кнопка деблокирования ДЗШ.
Для резервирования индивидуальных УРОВ для присоединений ШСВ, СВ1, СВ2 в шкафу ШЭ2607 061 дополнительно установлены три комплекта УРОВ для ШСВ, СВ1 и СВ2. Для этих выключателей реализуется принцип индивидуального УРОВ, как по схеме с дублированным пуском, так и по схеме с автоматической проверкой исправности выключателя. Каждый из комплектов УРОВ обеспечивает действие без выдержки времени на отключение резервируемого выключателя, а затем с выдержкой времени – на отключение выключателей «своей» системы шин и запрет АПВ.
В устройстве защиты логические цепи запрета АПВ шин действуют в режимах:

• неуспешного АПВ шин;
• неполнофазного или полнофазного отказа выключателя;
• отключения от УРОВ;
• оперативного запрета АПВ при работе ДЗШ.

Схема 1. Схема защищаемого распределительного устройства

Шкаф ШЭ2607 061 оснащен функциями осциллографирования и регистрации, которые выполнены так же, как у всех терминалов серии БЭ2704: осциллографируются все аналоговые каналы (токи и напряжения, поступающие на вход каждого терминала) и 48 любых дискретных сигналов (входные и выходные дискретные сигналы, измерительные органы). Регистрироваться могут 128 любых дискретных сигналов.
Специальный программный комплект EKRASMS позволяет вести мониторинг текущих значений всех аналоговых и дискретных входных сигналов, менять уставки терминалов, анализировать базы данных регистрируемых сигналов.
Просмотр и анализ аварийных осциллограмм осуществляется с помощью программы WNDR32. В качестве примера на рисунке 2 показаны осциллограммы короткого замыкания на шинах подстанции 110 кВ. На левой осциллограмме показано срабатывание ДЗШ на 1-й системе шин, а на правой – срабатывание ДЗШ на 2-й системе шин, которое произошло через 180 мс после первого КЗ. Время срабатывания измерительных органов ДЗШ составило 15 мс, общее время ликвидации КЗ с учетом отключения выключателей – 90–120 мс.

Рис. 2. Осциллограмма КЗ на ПС «Каргали»

Использование шкафа ШЭ2607 061 решает проблему отсутствия на российском рынке защиты сборных шин типа ДЗШТ-220. Основные принципы выполнения шкафа ШЭ2607 061 сохраняют традиционную российскую идеологию построения РЗА, поэтому ввод его в работу и эксплуатация не представляют сложностей для персонала.
Применение программы мониторинга EKRASMS и анализа осциллограмм WNDR32 облегчает работу эксплуатационного персонала как в нормальном режиме работы, так и при разборе аварийных процессов.

1. Таубес И.Р. Дифференциальная защита шин 110–220 кВ. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 96 с., ил. – (Б-ка электромонтера. Вып. 560).
2. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.3. Производство, передача и распределение электрической энергии / Под общ. ред. В.Г. Герасимова и др. – 8-е изд., испр. и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 964 с.
3. Расчеты защиты шин 110–220 кВ/ Работа № 3264тм-т4. – М.: Ин-т «Энергосетьпроект».