Нештатная ситуация • Анализ • Решения

Практика показывает, что аварии на разных электроэнергетических объектах часто имеют похожую природу. Задача рубрики «Нештатная ситуация» – выявлять типичные проблемы и обсуждать возможные решения, чтобы избежать повторения аварий и сбоев.
Авторы публикаций рассматривают реальные ситуации и рассказывают о принятых мерах, которые позволили устранить возникшую проблему.
Сегодня в своем материале Михаил Андреевич Шиша анализирует серьезную аварию на одной из подстанций и дает обобщающие рекомендации, чтобы в будущем исключить повторение подобного сценария развития.

ПРОБЛЕМА:
потеря питания системы оперативного тока на ПС

Михаил Шиша, к.т.н., главный специалист ЗАО «Уралэнерго-Союз», г. Новосибирск

СИТУАЦИЯ

В марте 2011 года на подстанции (ПС) 110/10 кВ, расположенной в одном из районных центров Западной Сибири, произошла авария, на момент возникновения которой в работе находились два трансформатора 110/10 кВ мощностью 40 МВА каждый, получающих питание по линиям 110 кВ.

На стороне 10 кВ в работе находились две одиночные, секционированные выключателями системы шин со своими присоединениями.
События развивались так (описание приводится с сокращениями):
19:06. На ПС сработала центральная сигнализация (ЦС); сигнал «Земля на 1 СШ-10», «Вызов РУ 10 кВ».
19:12. Дежурный ПС сообщил диспетчеру о «земле» на одном из фидеров 10 кВ.
19:50. Посадка напряжения.
19:53. Посадка напряжения.
19:56. На ОРУ 110 кВ произошел хлопок, в ЗРУ 10 кВ пропал оперативный ток.
20:00. Сообщено диспетчеру об исчезновении оперативного тока и пожаре в кабельном коробе. Попытка отключить выключатели не удалась.
20:07. Попытка отключить высоковольтные выключатели на ОРУ ключом управления не удалась.
20:08. Произошел громкий хлопок в ЗРУ 10 кВ, началось сильное задымление и отключилось освещение во всем здании ОПУ.
20:15. Прибыли первые пожарные расчеты и приступили к тушению пожара.
21:50. Пожар ликвидирован.

Вследствие отключения питания систем оперативного постоянного тока (СОПТ) в начальный момент аварии, отключение короткого замыкания было произведено действием защиты линий высокого напряжения смежных подстанций с обесточением трех из них. В результате аварии было потеряно питание зоны с населением 83 тысячи человек.

Последствия коротких замыканий и вызванного ими пожара:

• повреждены обмотки двух трансформаторов 110/10 кВ;
• сгорело 607 м кабельных линий 10 кВ и 2200 м кабельных линий вторичной коммутации;
• полностью выгорело 20 ячеек распределительного устройства 10 кВ.

Последствия пожара в кабельном хозяйстве и РУ 10 кВ приведены на фото 1 и 2. С момента появления сигнала «Земля на 1 СШ-10» до момента возникновения дугового КЗ в кабельном коробе прошло около 50 минут. За это время термическое воздействие тока однофазного КЗ на землю в одном из кабелей 10 кВ привело к повреждению изоляции проложенных совместно с ним кабелей, в том числе питания:

• приводов выключателей трансформаторов 110/10 кВ;
• разъединителей в цепи трансформаторов 110/10 кВ;
• управления приводами выключателей и разъединителей трансформаторов 110/10 кВ;
• резервных защит трансформаторов 110/10 кВ;
• сигнализации.

Повреждение изоляции этих кабелей привело к групповому дуговому КЗ в цепях оперативного постоянного тока и к соответствующему броску тока в цепи ввода рабочего питания щита постоянного тока (ЩПТ) с последующим неселективным отключением защитных аппаратов в цепи ввода рабочего питания ЩПТ и потерей питания СОПТ.

Фото 1. Последствия пожара в кабельном коробе

Фото 2. Последствия пожара в РУ 10 кВ

АНАЛИЗ

Ошибки проекта

На рис. 1 приведен фрагмент принципиальной схемы электрических соединений, поясняющий принцип выполнения цепей ввода рабочего питания ЩПТ, цепей заряда-подзаряда, а также цепей питания потребителей СОПТ.

Рис. 1. Фрагмент принципиальной схемы электрических соединений СОПТ на ПС 110/10 кВ

В соответствии с проектной схемой, в цепях питания потребителей СОПТ, оказавшихся в зоне группового дугового КЗ, были установлены селективные автоматические выключатели ВА09-35С, оборудованные электронными максимальными расцепителями с рабочим током I_н.р = 20 А, уставкой срабатывания по току в зоне КЗ I_отс = 120 А и уставкой срабатывания по времени t = 0,2 с.

В цепях вводов рабочего питания ЩПТ и в цепи межсекционной перемычки установлены такие же автоматические выключатели, но с рабочим током расцепителя I_н.р = 125 А в цепях вводов питания и I_н.р = 80 А в цепи межсекционной перемычки.

Уставка срабатывания расцепителей по току в зоне КЗ составляет I_отс = = 250 А у выключателей вводов питания и I_отс = 160 А у выключателя в цепи перемычки.

Уставка срабатывания по времени выключателей ввода питания t = 0,4 c, а уставка срабатывания по времени выключателей в цепи перемычки t = 0,3 с.

При увеличении уставки срабатывания расцепителей выключателей вводов питания (02-Q1; 03-Q1) до значения t = 0,5 с, проектные настройки расцепителей были бы вполне приемлемыми и дуговое КЗ в цепях присоединений было бы отключено защитными аппаратами присоединений через t = 0,2 c. При этом защитные аппараты в цепи вводов питания не успели бы сработать и питание оставшихся в работе цепей СОПТ было бы сохранено.

Однако в соответствии с проектной схемой последовательно с автоматическими выключателями в цепях вводов рабочего питания оказались установленными пять предохранителей: два F-11 c I_{ном.пл.вст} = 63 А, F-12 c I_{ном.пл.вст} = 50 А, F-13 c I_{ном.пл.вст} = 50 А и F-14 c I_{ном.пл.вст} = = 100 А, конструктивно входящих в состав зарядно-подзарядных агрегатов.

При такой схеме включения зарядно-подзарядных агрегатов функции защиты цепей вводов рабочего питания ЩПТ и функции защиты цепей заряда-подзаряда аппаратно объединяются, что недопустимо ни с точки зрения схемы, которая может стать причиной полной потери оперативного тока, ни с точки зрения возможности обеспечения выбора аппаратов защиты, так как расчетные условия выбора аппаратов в цепи вводов рабочего питания отличаются от расчетных условий выбора аппаратов в цепях заряда-подзаряда.

В описываемом случае при групповом дуговом КЗ в цепях питания потребителей СОПТ предохранитель F-13 в зарядно-подзарядном агрегате ЗА-2 и предохранитель F-14 в агрегате ЗА-1 сгорели за менее чем 0,2 с, так как ни один защитный аппарат из установленных в цепях присоединений сработать не успел.

Применение предохранителей

Значение тока КЗ в цепях присоединений и цепях ввода рабочего питания не было зафиксировано, расчетное же определение значения тока при групповом дуговом КЗ в цепях присоединений ЩПТ практически невозможно. По приблизительным оценкам, ток дугового КЗ в цепи ввода питания мог достигать значения ~ 1000 А. При таком значении тока предохранители с I_{ном.пл.вст} = 50 А сгорают за время t ≈ 0,01 с, то есть практически мгновенно, а время срабатывания плавкой вставки с I_{ном.пл.вст} = 100 А находится в диапазоне t ≈ 0,04–0,4 с. Точное время срабатывания предохранителей, установленных в цепи ввода питания ЩПТ, не фиксировалось, однако, судя по тому, что ни один из расцепителей автоматических выключателей в цепях питания потребителей не сработал, время перегорания предохранителей было меньше, чем 0,2 с.

Тот факт, что сгорели предохранители с I_{ном.пл.вст} = 100 А и I_{ном.пл.вст} = 50 А, установленные в подзарядных агрегатах ЗА-1 и ЗА-2 соответственно, а другие предохранители с I_{ном.пл.вст} = 50; 63; 100 А, установленные в этих цепях, не сгорели, лишний раз подтверждает то, что характеристики срабатывания предохранителей имеют значительный разброс.

В рассматриваемом случае минимальное время срабатывания предохранителя с I_{ном.пл.вст} = 100 А составляло 0,04 с, что на порядок меньше максимального времени t = 0,4 с. Но значение тока дугового КЗ в цепи также не является точным. Учет же разброса возможных значений тока при дуговом КЗ [1] приведет к еще большей неопределенности времени сгорания плавкой вставки.

Предохранители как защитные аппараты имеют ряд неоспоримых достоинств, а именно:

• простота конструкции;
• отсутствие необходимости настройки и калибровки;
• надежность срабатывания при расчетных условиях.

Вместе с тем предохранители имеют и ряд недостатков:

• значительный разброс характеристик срабатывания по току и времени;
• невозможность обеспечения калиброванного времени срабатывания при расчетных условиях;
• изменение характеристик срабатывания в процессе эксплуатации, особенно при протекании импульсов тока, с необходимостью последующей замены всех предохранителей, установленных в цепи протекания тока;
• одноразовость действия с необходимостью гарантированного обеспечения возможности замены.

Следует также иметь в виду, что сама по себе надежность срабатывания при расчетных условиях еще не гарантирует надежности СОПТ в целом, так как важен не просто факт срабатывания защитного аппарата, а срабатывание за определенное время в соответствии с требованиями селективности. Это требование ярко продемонстрировано в случившейся аварии, когда неправильно выбранный и неуместно установленный предохранитель стал причиной полной потери питания СОПТ.

Важно и то, что в последнее время в технической документации производителей предохранителей (особенно зарубежных) времятоковые характеристики приводятся в виде средних значений без указания возможных разбросов характеристик срабатывания, что делается, по-видимому, для экономии места и придания большей привлекательности производимой продукции, так как уменьшение разброса характеристик свидетельствует о высокой технологичности процесса производства.

На самом деле это создает ложное представление о технических характеристиках. Использование при проектировании защитных аппаратов, производители которых не указывают параметры разброса характеристик срабатывания, недопустимо. Требование гарантированного обеспечения возможности замены предохранителей также вряд ли может быть выполнимым в связи с особенностями отечественных методов хозяйствования и территориальной протяженностью.

Несмотря на всё сказанное, предохранители находят широкое применение. Однако их использование в цепях, где срабатывание приводит к полной потере питания СОПТ, недопустимо.

Необоснованным является и применение зарядно-подзарядных агрегатов Thyrotronic со столь нетипичной для отечественных энергопредприятий схемой подключения. Нужно иметь в виду, что завод-изготовитель производит агрегаты для различных объектов, имеющих самые разнообразные схемы. При этом задачей проектной организации является создание проекта системы постоянного тока в целом, с увязкой схем и параметров отдельных агрегатов.

Следует также учитывать, что современные отечественные зарядно-подзарядные агрегаты по своим параметрам нисколько не уступают зарубежным при, как правило, меньшей стоимости.

ПРИЧИНЫ

Основными причинами возникновения и развития аварии, приведшими к столь значительному ущербу, являются, как и в большинстве подобных случаев, следующие обстоятельства:

• совместная прокладка в разных отсеках кабельного металлического короба типа ККБ не разделенных противопожарными перегородками силовых и контрольных кабелей, включая кабели напряжением 10 кВ и кабели цепей СОПТ;
• ошибка при проектировании схемы электрических соединений ЩПТ, приведшая к аппаратному объединению функций защиты цепей вводов рабочего питания ЩПТ и защиты цепей заряда-подзаряда, отчего в цепи ввода рабочего питания каждой из полусекций ЩПТ, кроме автоматических выключателей вводов рабочего питания, оказались установленными дополнительно по 5 предохранителей;
• ошибки при расчетах параметров настройки и при выборе защитных аппаратов в цепях питания потребителей и вводов рабочего питания и питания цепей заряда-подзаряда, приведшие к их неселективной работе и полной потере оперативного тока.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Как показывает опыт, основы надежной и безаварийной эксплуатации энергообъектов закладываются еще на стадии проектирования, что должно учитываться заказчиком при выборе проектной организации. Проект, выполненный квалифицированными проектантами, может потребовать дополнительных затрат, однако они окупятся благодаря снижению вероятности возникновения аварийной ситуации.
Избежать или снизить вероятность возникновения аварии с приведенными выше сценарием развития и последствиями возможно при выполнении следующих условий:

• При проектировании и монтаже кабельного хозяйства следует избегать совместной прокладки силовых кабелей высокого и низкого напряжений и кабелей системы оперативного постоянного тока, прокладка которых должна осуществляться по выделенным трассам. Разделение кабельных лотков противопожарными перегородками из асбоцементных листов нельзя признать эффективным средством, адекватным раздельной трассировке, ввиду низкого (как правило) качества выполнения этих перегородок.
• Защита цепей вводов рабочего питания щитов постоянного тока и цепей заряда-подзаряда должна осуществляться индивидуальными защитными аппаратами. Для цепей вводов рабочего питания следует использовать автоматические выключатели с полупроводниковыми расцепителями, позволяющими выполнить калиброванную уставку по времени срабатывания.
• Защита цепей вводов рабочего и резервного питания ЩПТ может осуществляться автоматическими выключателями с тепловыми расцепителями, дооборудованными выносными защитами, действующими на независимый расцепитель. Электромагнитный расцепитель выключателя в этом случае либо не устанавливается, либо выводится из работы, а на тепловой расцепитель накладываются функции резервной защиты. Использование предохранителей для защиты этих цепей недопустимо ввиду значительного разброса характеристик и невозможности обеспечения калиброванной уставки времени срабатывания и одноразовости действия, что может быть причиной неселективной работы с полной потерей питания цепей оперативного постоянного тока.
  Во избежание ошибок при проектировании защит в состав проекта должно входить построение карт селективности, позволяющих производить оптимизацию выбора и настройки защит в удобной для восприятия форме.

ЛИТЕРАТУРА