Новости Электротехники №5(77)

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №5 (77) 2012 год

Релейная защита

В статье [1] С. И. Головко отмечает, что в электроустановках 6–35 кВ большин-ство замыканий на землю происходит через перемежающуюся дугу, которая более опасна, чем устойчивое замыкание. С учетом этого факта покупатели земляных защит, по мнению автора, должны требовать от изготовителей обоснованные данные о том, как работает защита при внешних и внутренних перемежающихся дуговых замыканиях (ПДЗ).
В настоящей статье Станислав Иванович Головко говорит о том, что полноценное решение этого важного вопроса возможно лишь в том случае, если у эксплуатации будет инструмент для проверки работы защит при ПДЗ. Обсуждение данной темы продолжат оппоненты автора.

Станислав Головко,
к.т.н.,
ООО «Релейная защита»,
г. Томск

ЗЕМЛЯНЫЕ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 6–35 кВ
Вновь о перемежающихся дуговых замыканиях

ВИД ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ, КОТОРЫЙ НЕЛЬЗЯ ИГНОРИРОВАТЬ

О важности обеспечения правильной работы защит при ПДЗ специалисты говорят давно, однако проблему нельзя считать решенной: до сих пор нет соответствующих нормативных требований, отсутствуют детальные данные о работе при ПДЗ в документации на продаваемые в настоящее время конкретные защиты.

Например, в [2] говорится, что ПДЗ, безусловно, учитываются в защитах, разрабатываемых совместно НПП «Экра» и Томским политехническим университетом. Однако публикаций по этому вопросу нет.

В [2] также отмечается, что с учетом ПДЗ выполнена защита ЗГНП-4. Автор не оспаривает того, что при разработке этой защиты организовывались чрезвычайно сложные и трудоемкие эксперименты по зажиганию реальной перемежающейся дуги. Но это было много лет назад. Где уверенность в том, что за прошедшие годы не изменялась схемотехника реагирующего органа ЗГНП-4 , например, в связи с изменением элементной базы? А всякое изменение схемотехники защиты, основанной на гармоническом анализе тока нулевой последовательности, может привести к непредсказуемому изменению работы при ПДЗ. Иными словами, работа по обеспечению правильного действия защит при ПДЗ должна быть постоянной, а не эпизодической.

На взгляд автора, даже при наличии соответствующих публикаций и сведений от изготовителей о том, что данный тип защиты правильно работает при ПДЗ, технические специалисты, отвечающие за сохранность генераторов, не должны верить на слово изготовителям. Собственно, они так и делают, проводя опыт однофазного замыкания. Но проверяется при этом работа защит только при металлическом однофазном замыкании.

Для защиты ЗГНП-4 более критический вид металлического однофазного замыкания – замыкание в нейтрали, т. к. при таком замыкании ток минимален. Для защит с наложением тока частотой 25 Гц, напротив, наиболее критическим является металлическое замыкание на выводах генератора. Это обусловлено тем, что при замыкании на выводах через источник контрольного тока 25 Гц протекает ток дугогасящего реактора, который при чрезмерно большом значении может привести к срыву колебаний 25 Гц в источнике и, следовательно, к отказу защиты.

Подобно тому как посредством опыта однофазного замыкания покупатели проверяют работоспособность защит при металлических замыканиях, они должны проверять работоспособность защит при ПДЗ. Постановка экспериментов по зажиганию перемежающейся дуги на реальном генераторе – сложное мероприятие. Для учета многообразия процессов ПДЗ необходимо многократное зажигание перемежающейся дуги при различных комбинациях влияющих факторов, например, среды, в которой горит дуга, расстройки компенсации и т. д. Так «терзать» генератор никто не решается, поэтому для эксплуатации работа любой защиты при ПДЗ остается белым пятном.

ПРОВЕРКА ДЕЙСТВИЯ ЗЕМЛЯНЫХ ЗАЩИТ ПРИ ПДЗ

В [1] автор говорит о том, что выходом из данной ситуации является использование устройства для физического моделирования ПДЗ, подробно описанного в [3]. Это устройство он предлагает использовать разработчикам земляных защит. Но с учетом нынешних реалий автор считает, что этот вопрос будет полноценно решен лишь в том случае, если технические специалисты энергопредприятий сами смогут проверять работоспособность защит при ПДЗ. Сейчас у эксплуатации имеется масса устройств для проверки защит. А почему нет устройства для проверки земляных защит при ПДЗ? Ведь подавляющее большинство однофазных замыканий происходит через перемежающуюся дугу, и именно этот вид замыкания представляет наибольшую опасность для оборудования.

С помощью данного устройства, схема которого представлена на рис. 1, можно проверять защиты линий и высоковольт-ных электродвигателей, а также генераторные защиты, реагирующие на ток 50 Гц, на высшие гармоники и наложенные токи непромышленной частоты. Устройство включает в себя модель компенсированной сети и модель дугового промежутка (МДП).

Рис. 1. Схема устройства для проверки земляных защит при ПДЗ

Модель сети состоит из трансформатора Т, реактора Р, конденсаторов С, резисторов R_ИЗ. Номинальное вторичное напряжение Т составляет 173 В. При этом металлическому замыканию на землю соответствует напряжение на нейтрали Т, равное 100 В.

Емкости С выбираются исходя из условия, чтобы при металлическом замыкании суммарный емкостный ток I_С был достаточен для проверки защит. Целесообразно принять I_С = 2 А.

Р имитирует дугогасящий реактор. Его номинальное напряжение составляет 100 В, а номинальный ток равен I_С. На Р должны быть предусмотрены отпайки, позволяющие изменять расстройку компенсации (достаточный диапазон ± 30%).

R_ИЗ имитируют сопротивления изоляции. Эти сопротивления выбираются по условию R_ИЗ = 20Х_С, где Х_С – емкостное сопротивление фазы по отношению к земле. Продольные параметры сети и генератора в модели не учтены, т. к. они не оказывают практического влияния на поведение указанных защит при ПДЗ.

С помощью резисторов R₁–R₄ формируются необходимые токи. Сопротивления R₁, R₃ много меньше емкостного сопротивления сети, поэтому их включение в модель сети не влияет на емкостный ток сети I_С и ток замыкания I_З.

МДП включает в себя: 1 и 2 – резисторы, образующие делитель напряжения; 3 – схему управления; В – управляемый двунаправленный вентиль, являющийся коммутатором тока замыкания. Схема управления следит за напряжением поврежденной фазы А и при достижении им заданного значения подает управляющий импульс на В, который замыкает поврежденную фазу на землю. Таким образом осуществляется имитация пробоя дугового промежутка и горения дуги в нем. Имитацией погасания дуги является восстановление электрической прочности В, происходящее при первом после снятия управляющего импульса прохождении тока замыкания через ноль. Изменяя напряжение, при котором В отпирается, и длительность управляющего импульса, можно моделировать ПДЗ с любыми значениями пробивного напряжения и длительности токовой паузы. Важнейший фактор, влияющий на электрические величины при ПДЗ, – расстройка компенсации. Изменяя последнюю с помощью Р, можно учесть влияние и этого фактора.

В том, что электрические величины, полученные на модели, очень близки к электрическим величинам в реальных сетях при горении реальной перемежающейся дуги, можно убедиться просто. Для этого нужно сравнить осциллограммы напряжения нулевой последовательности и фазных напряжений, полученные на модели, с соответствующими осциллограммами, которые записываются повсеместно имеющимися регистраторами аварийных процессов.

Следующий шаг – согласование защиты с рассматриваемой моделью. Если к защите необходимо подвести напряжение нулевой последовательности, то вход U₀ подключается к нейтрали Т без какого-либо согласования, благодаря тому что при металлическом замыкании напряжение на нейтрали Т составляет 100 В. Вход I₀ защиты должен быть согласован с моделью сети для режима внешнего и внутреннего замыкания на землю. Режим изменяется переключателем П. В положении «внеш» на вход I₀ поступает сигнал I_внеш, соответствующий внешнему замыканию на землю. В положении «внут» на вход I₀ поступает сигнал I_внут, соответствующий внутреннему замыканию.

В качестве примера рассмотрим согласование входа I₀ защиты применительно к генератору ТВФ-60-2 (U_ном = 6,3 кВ, собственный емкостный ток 0,59 А), подключенному к сети с суммарным емкостным током 40 А. При внешнем металлическом замыкании вторичный ток нулевой последовательности составляет I_внеш = 0,59 / n_ТТ = 0,00037 А, где n_ТТ =1600 – коэффициент трансформации трансформаторов тока. Подача на токовый вход I_внеш делается следующим образом. Переключатель П переводится в положение «внеш». На управляющий электрод В подается постоянное напряжение. В отпирается и подключает фазу А к земле, т. е. осуществляется металлическое замыкание на землю. Появляется ток I_С. С помощью R₂ устанавливается указанное выше значение I_внеш. Согласование защиты в режиме внутреннего замыкания делается так. Переключатель П переводится в положение «внут». Отключается Р. На управляющий электрод В подается постоянное напряжение, что приводит к замыканию фазы А на землю и появлению тока замыкания I_з = I_С. С помощью R₄ устанавливается ток I_внут = 40 А / n_ТТ = 0,025 А.

После согласования можно приступать к изучению поведения защиты при ПДЗ. Если требуется изучить работу защиты в изолированной сети, то Р должен быть отключен, если в компенсированной, то Р должен быть включен.

Устройство для моделирования ПДЗ – несложное в обращении, но процедура согласования для конкретного типа защиты может иметь особенности. Соответствующую методическую помощь может оказать автор, хотя, наверное, будет правильнее, если необходимые данные будут предоставляться изготовителем вместе с защитой.

На один из генераторов Ново-Иркутской ТЭЦ НПП «Экра» совместно с Томским политехническим университетом поставили защиту с наложением тока 25 Гц через трансформаторы напряжения. В сети этого генератора отсутствует дугогасящий реактор (ДГР). К сожалению, метод наложения тока частотой 25 Гц при отсутствии ДГР не может обеспечить работоспособность защиты при ПДЗ. Благодаря ДГР пробои происходят с низкой частотой. На низких частотах ДГР имеет малое сопротивление, поэтому в токе поврежденного присоединения велики низкочастотные гармоники, которые и вызывают срабатывание защиты. При отсутствии ДГР исчезает признак, обеспечивающий защите 25 Гц возможность идентифицировать поврежденное присоединение при наличии в нем ПДЗ. Из изложенного не следует, что автор считает нецелесообразной установку защиты 25 Гц на генераторе Ново-Иркутской ТЭЦ. При замыкании в генераторе эта защита сработает, но только после перехода перемежающегося замыкания в устойчивое замыкание на землю, если, конечно, раньше не произойдет переход перемежающегося замыкания в двойное короткое замыкание. Поэтому лучше такая защита, чем никакой. Тем более что альтернативы нет, поскольку защита ЗГНП-4 в условиях Ново-Иркутской ТЭЦ не сработает даже при металлическом замыкании.

Если в генераторной сети поставить ДГР, то появится принципиальная возможность обеспечить срабатывание защиты при внутреннем ПДЗ. Разумеется, установка ДГР предполагает дополнительные расходы, поэтому вряд ли на основании только этой информации Ново-Иркутская ТЭЦ установит ДГР. Но если бы технические специалисты «Иркутскэнерго» проверили работу защиты на рассматриваемой установке, то смогли бы воочию убедиться, как работает защита при ПДЗ без ДГР и при наличии ДГР. Возможно, после этого их мнение изменилось бы.

На взгляд автора, устройство для моделирования ПДЗ было бы полезным в учебных центрах Минэнерго, возможно и в вузах при обучении соответствующим специальностям. Процессы, происходящие при замыкании на землю в сетях 6–35 кВ, очень сложны. Видимо, поэтому на многих энергетических предприятиях степень понимания этих процессов невысока. Эти процессы необходимо знать не только с точки зрения релейной защиты, но и с точки зрения перенапряжений и компенсации емкостного тока. Сейчас на большинстве энергопредприятий имеются аварийные регистраторы, которые записывают фазные напряжения и напряжение нулевой последовательности при ПДЗ, а анализировать эти осциллограммы умеют далеко не все. Рассматриваемое устройство может помочь в этой ситуации.

ВЫВОД

Земляные защиты электрооборудования 6–35 кВ, в особенности селективные защиты генераторов, – сложные устройства, реагирующие на очень маленькие электрические величины. Поэтому специалисты, отвечающие за сохранность генераторов, проводят опыты металлического однофазного замыкания. По сути, эти опыты являются актом разумного недоверия по отношению к изготовителям. Такой же акт недоверия необходим в части проверки работоспособности защит при перемежающихся дуговых замыканиях, которые являются наиболее опасным и частым видом однофазного замыкания. Поможет в этом устройство для проверки защит при ПДЗ – простое, достоверное, позволяющее испытывать реальные защиты.

ЛИТЕРАТУРА