 |
УПРАВЛЯЕМЫЕ ШУНТИРУЮЩИЕ РЕАКТОРЫ.
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МАКСИМАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ
В прошедшем 2009 г. в электрические сети 110–500 кВ было поставлено более
10 управляемых подмагничиванием реакторов. Они установлены в Казахстане,
в МЭС Западной Сибири, МЭС Востока и МЭС Сибири.
Рассмотрение вопросов оптимизации и повышения эффективности релейной
защиты управляемых шунтирующих реакторов, начатое в прошлом номере нашего
журнала («Новости ЭлектроТехники» № 6(60) 2009, www.news.elteh.ru), продолжает
Андрей Геннадьевич Долгополов.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МТЗ
Как было отмечено в [1], величина и форма бросков тока в
треугольнике вторичной обмотки управляемых шунтирующих
реакторов (УШР) при коммутациях зависит от многих факторов. Для сравнения на рис. 1 приведены осциллограммы включения реактора 330 кВ на ПС «Барановичи» с предварительным
подмагничиванием током 40 А в обмотке управления.
Амплитуды свободных составляющих тока включения в компенсационной обмотке (КО) и время их затухания существенно
меньше в сравнении с включением без предварительного подмагничивания (рис. 4 в [1]). Через 0,4–0,5 с в треугольнике КО
циркулирует в основном 3-я гармоника (действующее значение
около 900 А), соответствующая промежуточному значению тока
сетевой обмотки (СО) 50–60% от номинального (максимальное
действующее значение 3-й гармоники в промежуточном режиме
для реактора 180 МВАр, 330 кВ, как и для УШР 500 кВ, около
1 кА, а для РТУ-100000/220 примерно вдвое меньше). Это объясняется насыщенным состоянием магнитной системы перед
включением и соответственно меньшей (близкой к номинальной) индуктивностью обмоток реактора при включении.
Отметим необходимость одновременного повышения чувствительности и снижения времени срабатывания защит УШР
от витковых КЗ в его обмотках. Как показано в [2], величина тока
в обмотках трансформатора зависит от вида и места виткового
КЗ, изменяется в широких пределах и имеет нижнюю границу
около 0,05 о.е. При этом величина тока КЗ в месте повреждения
(тока в замкнувшихся витках) при отсутствии переходного сопротивления или сопротивления дуги может достигать многих
килоампер, что приводит к быстрому разрушению обмотки.
Для токовых защит вторичных обмоток УШР требования
к чувствительности и быстродействию противоречивы,
поскольку продольная дифференциальная защита при витковых КЗ неработоспособна, а поперечную защиту в КО и
обмотке управления (ОУ) реализовать невозможно. Поэтому
единственным компромиссным решением является двухступенчатая максимальная токовая защита (МТЗ) КО, включенная на полные токи фаз «треугольника» с исключением
3-й гармоники. Первая ступень с минимальной выдержкой
времени отстраивается от токов включения и внешних КЗ со
стороны питания, вторая ступень с минимальной уставкой по
току имеет торможение от токов включения и отстройку по
времени от внешних КЗ.
В соответствии с этим уставки по току первой ступени будут
выше, а второй ступени ниже (при наличии торможения) по
сравнению с МТЗ КО УШР ПС «Томская», включенной только
на токи прямой последовательности.
Для выбора указанных уставок необходимо иметь осциллограммы полных токов в фазах «треугольника» КО при
включении УШР и возможные характеристики торможения
в соответствующем терминале защиты, а также конкретные
параметры срабатывания РЗ ближайших присоединений при
внешних для реактора несимметричных КЗ в сети 500 кВ.
Нормативных требований по оценке чувствительности
РЗ УШР пока не существует, однако в аналогичных с трансформаторами расчетных режимах чувствительность токовых
защит обеспечивается с большим запасом. Это объясняется
относительно более низкими уставками дифференциальных
защит (0,1–0,3 о.е.) и МТЗ (тот же диапазон для чувствительной ступени при выполнении рассмотренных выше условий)
реактора вследствие значительно меньших нагрузок и значений
токов внешних КЗ на стороне низшего напряжения.
Что касается РЗ вторичных обмоток от витковых замыканий
и замыканий на магнитопровод, то здесь следовало бы оценивать
не чувствительность, а защитоспособность соответствующей
защиты, то есть ту долю замкнувшихся витков ОУ или КО,
при которой РЗ надежно сработает. Однако даже при «металлических» внутренних КЗ такого рода расчет распределения
аварийных токов в трехобмоточной конструкции с экраном
и многостержневым магнитопроводом представляет собой отдельную и сложную техническую задачу.
ЗАЩИТА СИСТЕМЫ ПОДМАГНИЧИВАНИЯ УШР
Остановимся на защите и резервировании схемы подмагничивания УШР 500 кВ, состоящей, согласно рис. 1 из [1], из трех
трансформаторов с преобразователями (ТМП) – основного,
резервного и динамического (форсировочного, который обеспечивает также ток предварительного подмагничивания при
включении реактора в сеть 500 кВ). Обычно защиты ТМП реализуются в виде токовой отсечки и МТЗ на ТТ выключателей
10 кВ, при этом отстройка от тока включения трансформатора
ТМ-1000/0,4 или ТМ-1000/1,1 обеспечивается по току для отсечки и по времени (0,3–0,5 с) для МТЗ.
Для реактора 500 кВ на ПС «Томская» РДУ были выданы
уставки 1250 А для отсечки и 120 А для МТЗ с выдержкой
времени 0,3 с. Во время наладки выдержка времени МТЗ была
увеличена до 0,5 с для более надежной отстройки от броска тока
включения. При этом блокировки в системе автоматического
управления (САУ) по превышениям токов в СО, в ТТ преобразователей и в датчике постоянного тока (ДПТ) еще не были
введены. Отчасти это было обусловлено тем, что проектным
решением была предусмотрена неверная установка ДПТ между
фазами РОДУ, что не позволяло измерять полный выпрямленный ток ТМП при его наладке (ДПТ устанавливается, как это
показано на схеме рис. 1 из [1], в любом полюсе после всех
ТМП и до ответвлений в ОУ всех фаз РОДУ, чтобы измерять
полный выпрямленный ток любого из ТМП).
При настройке форсировочного ТМП произошел несанкционированный рост тока в ОУ с выходом из строя тиристоров
полупроводникового преобразователя (ПП). На рис. 2 приведена
осциллограмма терминала защиты ТМП при аварийном отключении.
Токовая отсечка оказалась нечувствительна к шестикратному превышению тока преобразователя, а МТЗ отключила выключатель уже после выхода из строя тиристоров. После анализа
осциллограмм было принято решение о снижении уставки по
току отсечки до 270 А и уставки по времени МТЗ до 0,3 с.
Следует отметить широкий разброс параметров срабатывания
РЗ ТМП и недостаточную обоснованность их выбора на различных подстанциях с УШР. Так, например, для УШР 220 кВ на ПС
«Владивосток» с такими же ТМП-1000/10/0,4 выбраны уставки
по току для ТО 1250 А и для МТЗ 400 А с временем 0,5 с. При
номинальном токе трансформатора 58 А и отсутствии последующих защит на низшей стороне такое загрубление совершенно
не оправдано и приводит к отсутствию чувствительности при
повреждениях в ПП, не имеющем других защит по питанию.
«Обоснованиями» такого выбора токов срабатывания для ТО
является отстройка от тока КЗ на выводах низшего напряжения
трансформатора (что было бы верным при наличии последующих присоединений со своими защитами), а для МТЗ – использование функции ускорения защиты при включении ТМП, что
фактически обязывало отстраиваться по току от броска тока
намагничивания (вместо отстройки по времени).
Конструкция ТМП объединяет на общей раме баки трансформатора и ПП, связанные короткой жесткой ошиновкой
0,4 кВ. Наиболее вероятными повреждениями являются пробои
одного или нескольких тиристоров ПП, при которых блокировка импульсов управления от САУ уже не прекращает аварийного режима ПП с соответствующими токами в трансформаторе.
С учетом снижения напряжения питания ТМП от КО в режиме
номинальной нагрузки вдвое токи междуфазного КЗ (пробой
нескольких вентилей) составляют 600–1200 А, а ток 1-й гармоники в фазе ВН трансформатора при пробое одного тиристора
может снижаться до 300–400 А с присутствием существенных
апериодических составляющих и высших гармоник.
Поэтому ток срабатывания отсечки должен быть минимальным – не более 400 А для отстройки от тока включения ТМП.
Для желаемой чувствительности к пробою одного тиристора
в режиме предшествующей максимальной нагрузки реактора
параметры срабатывания по току МТЗ ТМП должны быть в диапазоне 100–150 А с соответствующим временем срабатывания
0,5–0,3 с для отстройки от токов включения.
Следует отметить, что в данном случае использование в терминале ускорения при включении и блокировки (торможения)
2-й гармоникой не всегда оправдано и даже вредно, поскольку
ускорение приводит к загрублению МТЗ втрое (до 400 А), а
перекрестная блокировка препятствует работе МТЗ при пробое одного тиристора, поскольку в аварийном токе имеется
значительная доля 2-й гармоники.
РЕЗЕРВИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ
ПОДМАГНИЧИВАНИЯ
Что касается истории резервирования ТМП, то первые УШР
до настоящего времени успешно работают с одним ТМП, подключенным к РУ 10(6) кВ ПС (УШР 110 кВ на ПС «Кудымкар»,
УШР 220 кВ на ПС «Чита», УШР 330 кВ на ПС «Барановичи»).
После перехода к схеме самоподмагничивания УШР с питанием основного ТМП от КО реактора было принято решение
комплектовать поставку реакторов еще одним ТМП в качестве
резервного с питанием последнего от собственных нужд подстанции. При этом наряду с возможностью замены основного ТМП
резервный обеспечивает предварительное подмагничивание
реактора перед включением в сеть. Завод-изготовитель требует
обеспечивать ток подмагничивания не менее 10–15% от номинального при включении сетевого выключателя для исключения
коммутационных воздействий на тиристоры ТМП, а в случае
линейного УШР – для безынерционного набора номинальной
мощности УШР при опробовании (одностороннем включении)
ВЛ 500 кВ. Возможные варианты защиты преобразователей от
коммутационных перенапряжений описаны в [3].
Для рассмотренной выше комплектации реакторов 500 кВ
тремя ТМП принято питание резервного ТМП также от КО,
что уменьшает количество требуемых ячеек в РУ собственных
нужд. Однако при этом весьма вероятной является ситуация,
когда форсировочный ТМП выведен из работы по причине его
повреждения или профилактики, ремонта секции РУ СН или
пропажи на ней напряжения и т.п. В таком случае становится
невозможным включение реактора в сеть 500 кВ из-за отсутствия предварительного подмагничивания.
Обеспечить резервирование не только основного, но и форсировочного ТМП можно тремя способами:
- перевести питание резервного ТМП на РУ ПС при наличии дополнительной ячейки с выключателем;
- обеспечить перевод питания резервного ТМП на ячейку форсировочного ТМП при выходе последнего из строя;
- возложить на форсировочный ТМП функции не только предварительного подмагничивания и форсировки-расфорсировки, но и возможной замены основного ТМП на время ремонта.
Первый вариант наиболее прост, надежен, не требует проверки фазировки напряжений КО и РУ СН, но при этом необходимы дополнительный фидер питания и ячейка РУ СН.
Второй вариант не задействует дополнительного оборудования, кроме проектного решения по мобильному переключению
вводов ТМ-1000/0,4 с одного питания на другое. Однако требуется выполнение трех условий: одинакового номинального
напряжения 10 кВ на КО и в РУ; совпадения этих напряжений
по фазе; работы основного и резервного ТМП с разземленной
нейтралью обмотки ВН питающего трансформатора, соединенной в «звезду».
Третий вариант сокращает количество ТМП в комплекте
поставки реактора и место для размещения на подстанции,
поскольку приводит схему комплекса УШР к обычному сочетанию основного и резервного ТМП. Однако при сохранении
необходимого быстродействия с вторичным напряжением
питания ПП 1,1 кВ и длительным поддержанием номинального
выпрямленного тока 2 кА это потребует увеличения установленной мощности трансформатора с 1 до 2,5 МВт. Кроме
того, для резервирования возможности предварительного подмагничивания также потребуется возможность переключения
основного ТМП с питания от КО на питание от РУ СН.
ВЫВОДЫ
Опыт проектирования и наладки УШР показывает, что широкие возможности МП-терминалов РЗ по обработке входных
сигналов и составу защит используются неэффективно, зачастую с ухудшением защитоспособности по сравнению с применением обычных реле, включенных на полные токи фаз.
Наиболее существенным является рассмотренный в статье
пример фактически не действующих дифференциальных или
максимальных токовых защит КО при витковых замыканиях
в обмотках УШР вследствие включения РЗ на составляющие
прямой последовательности после фильтрации и разложения
на симметричные составляющие токов ТТ «треугольника» КО
(или в результате включения этих ТТ по схеме «треугольника»).
Не менее странным выглядит многократное снижение чувствительности токовой отсечки и МТЗ в ячейках выключателей ТМП УШР в результате необоснованной отстройки ТО от КЗ
за питающим трансформатором и использования ускорения
МТЗ при включении ТМП. Применение перекрестной блокировки МТЗ 2-й гармоникой при включении ТМП помогает
отстройке от броска тока намагничивания, однако исключает
возможность работы МТЗ при пробое вентиля ПП.
Во многом примеры не вполне оптимального использования
возможностей современной микропроцессорной техники для
РЗ УШР вызваны практически полным отсутствием нормативной литературы и методических указаний по расчету и
проектированию РЗА для этого нового вида оборудования.
В результате можно сделать несколько выводов.
1. При проектировании релейной защиты УШР необходимо
обеспечивать максимально возможную чувствительность
токовых защит вторичных обмоток КО и ОУ к наиболее
вероятным витковым замыканиям.
2. МТЗ КО, включенные на составляющие прямой и нулевой
последовательностей, действуют при всех видах внутренних
повреждений в КО и на ее выводах, а также при витковых КЗ
в ОУ. Другим вариантом может быть МТЗ, включенная на
полные токи фаз КО, в особенности если имеется возможность
исключения (фильтрации) 3-й и других высших гармоник.
Для отстройки от медленно затухающих токов включения в
обмотке «треугольника» УШР можно использовать торможение или блокировку МТЗ КО током 2-й гармоники.
3. В отличие от силовых трансформаторов, имеющих значительные токи в обмотках при всех видах КЗ во внешней сети,
в УШР для защиты их СО не требуются обычно применяемые
для трансформаторов токовые защиты обратной, нулевой последовательности и с комбинированным пуском по напряжению для обеспечения ближнего и дальнего резервирования.
4. Для оптимальной реализации РЗ всех обмоток УШР целесообразна разработка специализированных микропроцессорных терминалов либо программирование существующих
серийных с учетом схемных и режимных особенностей
управляемых подмагничиванием реакторов.
5. Для надежной защиты от сверхтоков маломощных ПП
УШР наряду с блокировкой импульсов управления САУ
при превышении допустимого выпрямленного тока следует
выбирать минимально возможные параметры срабатывания
ступенчатых токовых защит на выключателях в цепи питания каждого ТМП.
6. Для УШР 500 кВ с тремя ТМП обеспечить одновременное
резервирование основного и форсировочного ТМП можно
двумя способами: перевести питание резервного ТМП на
РУ 10(6) кВ ПС (при наличии в последнем дополнительной
ячейки с выключателем) либо обеспечить возможность
переключения питания резервного ТМП с КО реактора на
ячейку питания форсировочного ТМП.
7. Для расширения возможностей проектирования РЗ УШР,
в том числе его КО и ТМП, заводу-изготовителю следует
дополнительно устанавливать вторую группу встроенных
ТТ в «треугольнике» компенсационной обмотки реактора
и встроенные ТТ на вводах питания 1,1 кВ преобразователя
динамического (форсировочного) ТМП.
8. Использование функций ускорения и блокировки МТЗ в
терминалах РЗ ТМП нецелесообразно, поскольку приводит к
загрублению защиты и ее неработоспособности при пробое
тиристоров преобразователя.
9. Необходима разработка методических указаний по проектированию, выбору состава и параметров срабатывания
релейной защиты для управляемых реакторов различных
модификаций [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгополов А.Г. Управляемые шунтирующие реакторы. Выбор параметров максимальных токовых защит // Новости
ЭлектроТехники. 2009. № 6(60).
2. Засыпкин А.С. Релейная защита трансформаторов. М.:
Энергоатомиздат, 1989.
3. Ахметжанов Н.Г. и др. Защита полупроводниковых преобразователей для управляемых шунтирующих реакторов //
Электрические станции. 2009. № 11.
4. Долгополов А.Г. Особенности релейной защиты управляемых шунтирующих реакторов различных конструкций //
Электрические станции. 2009. № 4.
| 
|
