Релейная защита

В большинстве энергосистем защита одиночной секционированной системы шин 6–35 кВ на типовой двухтрансформаторной подстанции 110–220 кВ осуществляется действием защит трансформаторов от внешних КЗ и защит, установленных на секционных выключателях 6–35 кВ.
Наши магаданские авторы предлагают для повышения чувствительности и быстродействия защиты шин применять защиту, включенную на сумму токов питающих элементов.

Виктор Ластовкин, начальник СРЗАиМ	Руслан Куров, зам. начальника СРЗАиМ
ОАО «Магаданэнерго», г. Магадан

ПОНИЖАЮЩИЕ ПОДСТАНЦИИ 110–220 кВ
Защита шин среднего напряжения

СУЩЕСТВУЮЩАЯ ПРАКТИКА

В настоящее время специальная защита секционированной системы шин 6–35 кВ на двухтрансформаторных подстанциях 110–220 кВ, как правило, не применяется. Функцию защиты секций шин выполняют резервные максимальные токовые защиты (МТЗ), установленные на сторонах среднего и низшего напряжения трансформаторов и на секционных выключателях (СВ) 6–35 кВ. Резервные защиты в функции защиты шин имеют хорошую чувствительность, но невысокое быстродействие, так как должны согласовываться по выдержке времени с МТЗ отходящих линий 6–35 кВ.

Алгоритм работы защит для селективной локализации КЗ на секции шин должен предусматривать сначала разделение шин путем отключения СВ 6–35 кВ, затем отключение питающего ввода. При этом селективность работы МТЗ, установленных на вводах трансформаторов, достигается двумя способами:

• согласованием ее по выдержке времени и чувствительности с аналогичной защитой, установленной на СВ 6–35 кВ;
• при отсутствии МТЗ, установленной на СВ 6–35 кВ, использованием двух выдержек времени: с первой защита ввода действует на отключение СВ 6–35 кВ, со второй – на отключение выключателя питающего ввода секции шин с КЗ.

Выдержки времени МТЗ, установленных на питающих элементах (выключателях вводов 6–35 кВ и СВ), могут достигать 3–3,5 с, что может приводить к большому объему повреждений оборудования подстанций и к снижению динамической устойчивости энергосистемы в отдельных случаях.

ОТСЕЧКА, ВКЛЮЧЕННАЯ НА СУММУ ТОКОВ ВВОДОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ

В свое время защита шин в виде токовой отсечки (ТО) согласно [1, 2] разрабатывалась для ПС «Палатка» Южных электрических сетей с целью уменьшения объема разрушений при дуговых КЗ на сборных шинах 35 кВ, а также для сохранения устойчивости работы транзитной связи 110/154 кВ с входящей в данную связь ПС «Палатка». Выполненная в виде токовой отсечки защита шин позволяет почти на порядок повысить быстродействие по сравнению с МТЗ.

При разработке схем и алгоритма пришлось решать целый ряд взаимосвязанных задач:

• обеспечение достаточной чувствительности (устойчивости) отсечки при КЗ на шинах и параллельной работе трансформаторов, когда через них проходят токи, равные 0,5I_k (рис. 1.1);
• обеспечение приемлемой быстроты срабатывания защиты при одновременном выполнении условия ее отстройки от ТО отходящих ВЛ 35 кВ (рис. 1.2);
• обеспечение селективности путем разделения шин и выбора поврежденной секции шин (рис. 1.3).

Рис. 1.1. КЗ в зоне. Срабатывает защита шин. Отключается СВ и В T1

Рис. 1.2 Внешнее КЗ. Защита шин не срабатывает. Срабатывает защита линии

Рис. 1.3. КЗ в зоне. Срабатывает защита шин. Отключается СВ с первой и В T1 со второй выдержкой времени

Рис. 1.4. Внешнее КЗ. Защита шин не срабатывает

Для решения первой задачи принята схема включения измерительных органов (ИО) отсечки на сумму токов трансформаторов Т1 и Т2 (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схема цепей тока отсечки, включенной на сумму токов вводов 6–35 кВ Т1, Т2

Вторая задача решается путем минимизации задержек действия защиты:

• выбором выдержки времени на отключение СВ 6–35 кВ, равной минимальной ступени селективности t₁ = Δt = 0,3 c, обеспечивающей отстройку от действия ТО отходящих ВЛ 35 кВ и ВЛ (КЛ) 6–10кВ (рис. 1.6);
• выбором минимальной выдержки времени на отключение питающего ввода, равной t₂ = t₁ + Δt = 0,5–0,6 с.

Рис. 1.6. Схема постоянного тока ТО , включенной на сумму токов вводов 6–35 кВ Т1, Т2

При решении третьей задачи после разделения шин действием защиты с первой выдержкой времени необходимо учитывать дополнительный фактор резкого снижения тока КЗ, проходящего через ТО (рис. 1.3), который может привести к возврату ИО ТО. Задача решается подачей сигнала (пуском) от выходного реле ТО, имеющего задержку на возврат t_в ≥ Δt+ t_зап ≥ 0,6 с, на отключение питающего ввода со второй выдержкой времени t₂ по цепи ускорения МТЗ, установленной на вводе трансформатора (рис.1.7).

Рис. 1.7. Фрагмент схемы постоянного тока МТЗ Т1(Т2) (цепи ускорения МТЗ от ТО)

Таким образом, защита шин в виде ТО, включенной на сумму токов вводов трансформаторов, сочетает в себе элементы дифференциальной схемы (рис. 1.4) и нестандартных логических схем выходных цепей с традиционным подходом к выбору уставок ТО с выдержкой времени.

CХЕМНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НЕПОЛНОЙ ДЗШ В ВИДЕ ТО

Данная защита также включается на сумму токов питающих элементов с учетом полярности трансформаторов тока (ТТ), установленных на СВ 6–35 кВ и вводах трансформаторов.

Принципы выполнения защиты, схемы и алгоритмы аналогичны ранее описанной защите. Отличие в том, что выбор поврежденной секции шин осуществляется на основе дифференциальной схемы включения ИО (рис. 2.1) со стороны СВ 6–35 кВ и Т1(Т2). За счет этого повышается быстродействие неполной дифференциальной отсечки, так как защита действует с одной выдержкой времени, равной минимальной ступени селективности t₁ = Δt(0,3 c), на отключение СВ 6–35 кВ и выключателя Т1 (Т2). Задержка на срабатывание нужна для отстройки от действия ТО отходящих ВЛ (КЛ) 6–10 кВ и ВЛ 35 кВ.

Рис. 2.1. Схема цепей тока неполной дифференциальной отсечки

Схема цепей тока защиты также выполняется на базе существующих МТЗ, установленных на СВ 6–35 кВ и вводах трансформаторов. Как правило, для подключения защит, установленных на СВ 6–35 кВ, используется один комплект ТТ. Он же используется для создания плеч неполной дифференциальной защиты секций шин 6–35 кВ (рис. 2.1). При небольшом числе отходящих линий 6–35 кВ на секцию защита может выполняться с пуском блокирующего сигнала, осуществляемым от ИО (повторителей ИО) МТЗ отходящих линий 6–35 кВ (рис. 2.2), т.е. превращается в защиту абсолютной селективности с минимальной задержкой на отключение (t₁ ~ 0,1 с).

Рис. 2.2. Схема постоянного тока неполной дифференциальной отсечки 1(2) секций шин, с блокировкой

Опыт «Магаданэнерго» (ПС 110 «Юго-Восточная» и др.) показывает, что до модернизации устройств РЗА КРУ 6–10 кВ защита шин в виде ТО может эффективно выполнять функцию быстродействующей защиты от дуговых КЗ внутри шкафов КРУ, а в дальнейшем, после их оснащения дуговой защитой, выполнять функцию резервной защиты от дуговых КЗ.

ПОДХОДЫ К ЛОКАЛИЗАЦИИ ДУГОВЫХ КЗ В ШКАФАХ КРУ, НЕ ПОДЛЕЖАЩИХ РЕКОНСТРУКЦИИ

Анализ НТД, содержащих требования по оснащению шкафов КРУ защитами от дуговых КЗ (дуговыми защитами), позволяет сделать выводы:

• требование ПТЭ (п. 5.4.19) в части обязательного применения быстродействующей защиты от дуговых КЗ внутри шкафов КРУ не означает, что должна применяться только специальная дуговая защита (ДЗ);
• требование приказа РАО «ЕЭС России» №120 от 01.07.1998 «О мерах по повышению взрывопожаробезопасности энергетических объектов» (п. 1.12.5) в части оснащения ячеек ЗРУ 6–10 кВ быстродействующей дуговой защитой шкафов не относится к КРУ, находящимся в эксплуатации.

По мнению авторов, при выборе защиты от дуговых КЗ для существующих шкафов КРУ нужно руководствоваться следующими основными критериями:

• экономической целесообразностью, которая должна определяться на основе сравнения затрат на восстановление разрушенного оборудования и расходов на установку и эксплуатацию защиты от дуговых коротких замыканий;
• эффективностью (быстродействием) защиты от дуговых КЗ.

Из существующих защит реальной временной альтернативой внедряемым дуговым защитам, с учетом имеющейся статистики по дуговым КЗ, могут служить ТО: ТО без дополнительной выдержки времени, установленные на отходящих фидерах секции шин 6–10 кВ, и ТО с минимальной выдержкой времени (0,3÷0,6 с), установленные на вводах питания, в частности ТО, включенные на сумму токов питающих элементов. ТО, уста­новленная в ячейке фидера, обеспечит эффективную защиту при дуговых КЗ в отсеке трансформаторов тока, при этом ТО на вводах питания будет резервировать действие ТО на фидере с минимальной выдержкой времени. ТО, установленные на вводах питания, решают ту же задачу, что и ДЗ, т.е. полностью защищают ячейки КРУ от дуговых КЗ в отсеках выключателей и сборных шин, но с небольшой выдержкой времени, определяемой ступенью селективности.

Что касается применения дуговой защиты различных типов, то ее эффективность, по сравнению с ТО, при дуговых КЗ в отсеках выключателя и сборных шин бесспорна по условию быстродействия, если не принимать во внимание критерии экономичности и ремонтопригодности.

Исходя из сказанного, в КРУ, не подлежащих реконструкции, предлагается использовать, если это возможно, в качестве защиты от дуговых КЗ токовые отсечки, установленные на отходящих фидерах и вводах питания, с соблюдением требования минимальной чувствительности как для основной защиты шин (К_Ч =1,5). Таким образом, токовые отсечки при удовлетворительном быстродействии имеют определенное преимущество по минимальным затратам и могут быть использованы в качестве эффективной защиты от дуговых коротких замыканий внутри шкафов КРУ, не подлежащих реконструкции.

ВЫВОДЫ

ТО, включенная на сумму токов питающих элементов, до внедрения новых технологий РЗА может эффективно выполнять функцию защиты шин 6–35 кВ, и в частности защиты от дуговых КЗ внутри шкафов КРУ 6–10 кВ.

В отдельных случаях внедрение ТО, включенной на сумму токов питающих элементов, на ПС, входящих в связи между параллельно работающими электростанциями (частями) энергосистемы (одна из них с большим дефицитом генерирующей мощности), поможет сохранить устойчивость работы энергосистемы при КЗ на шинах среднего напряжения этих ПС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Министерство энергетики РФ. М.: ЗАО «Энергосервис», 2003.
2. Правила устройства электроустановок. 7-е изд.
3. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110–500 кВ: Схемы: Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13А. М.: Энергоатомиздат, 1985.