Системы оперативного постоянного тока

В № 2(80) 2013 нашего журнала был опубликован материал [1] о тяжелой аварии на одной из подстанций 110/10 кВ в Западной Сибири. В результате пожара было повреждено трансформаторное оборудование, ячейки КРУ, силовые и контрольные кабели, что привело к обесточиванию района с населением 83 тыс. человек. Ликвидация аварии потребует значительного по объему и капитальным затратам восстановительного ремонта.
Приведенные в данной статье факты в очередной раз показали, что в электроэнергетике существуют проблемы системного характера. В чем же они заключаются?
Сегодня об этом на примере того же энергетического объекта рассуждает Павел Антонович Шейко.

Павел Шейко, инженер, г. Москва

ПОТЕРЯ ПИТАНИЯ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА
Уроки аварии на ПС 110/10 кВ

Произошедший отказ в системе постоянного оперативного тока (СОПТ) ПС, приведенный в [1], по моему мнению, является следствием ряда причин и череды неправильных действий:

• ошибок оперативного персонала при появлении сигнала «земля на 1-й секции СШ-10», т.е. «человеческого фактора»;
• несрабатывания устройств релейной защиты при возникновении однофазного замыкания на землю;
• ошибок при выполнении кабельной раскладки при проведении монтажных работ и непринятия мер со стороны эксплуатационного персонала по их устранению;
• неправильного выбора типа зарядно-подзарядного устройства;
• неправильного проектного решения по выполнению всей схемы СОПТ;
• неправильного выбора характеристик защитных аппаратов в СОПТ.

Каждую из названных причин необходимо рассматривать отдельно и очень детально, чтобы выполнить полный анализ описанной аварии.

ХРОНОЛОГИЯ СОБЫТИЙ

Хронология событий, приведенная в [1], с момента возникновения однофазного замыкания на землю на 1-й секции системы шин 10 кВ, надо полагать, взята из оперативного журнала. Оперативный ток на ПС пропал через 50 мин. после возникновения однофазного замыкания на землю. При этом в журнале нет записей о том, каким методом оперативный персонал пытался определить поврежденный кабель, чтобы отключить его выключателем 10 кВ. Не приводятся сведения о том, выполнялась ли компенсация емкостного тока замыкания на землю.

Также необходимо отметить, что полностью отсутствует информация о работе устройств релейной защиты как всех присоединений 1-й секции шин 10 кВ, так и основных и резерв-ных защит трансформаторов, что делает картину протекания аварии, мягко говоря, неполной. На фото 1 в [1] видно, что кабельная раскладка в коробе типа ККБ выполнена с нарушением требований ПУЭ 6-го изд.

К сожалению, все вышеперечисленные вопросы не были даже вскользь затронуты автором [1], а их, хотя бы вкратце, необходимо было коснуться.

ОШИБКИ В СХЕМЕ СОПТ

Грубейшие ошибки проектирования очень хорошо видны из структурной схемы (рис. 1 в [1]) генерирования и распределительной сети системы постоянного тока. Они и привели в конечном итоге к полной потере оперативного постоянного тока.

В СОПТ применена аккумуляторная батарея (АБ) типа 7GROE 175, состоящая из 104 элементов. Номинальная емкость АБ 175 А·ч. При КЗ на зажимах батареи ток короткого замыкания составляет 3788 А. Аккумуляторная батарея не подключается через разъединитель непосредственно к автоматам 02-Q1 (03-Q1) для образования шин распределительной сети ±ЕY1 (±EY2), а входит в зарядно-подзарядный агрегат ЗА-1 (ЗА-2) на предохранитель-разъединитель F11 c номинальным током 63 А. Тип ЗА – Thyrotronic D400G208/40. Всё было бы ничего, если бы ток от батареи дополнительно не проходил еще через два последовательно включенных предохранителя: F14 (I_ном = 100 А) и F13 (I_ном = 50 A). То есть в «+» последовательно с вводным автоматом дополнительно включены три предохранителя, а в «–» – два. Тип вводных автоматов ВА 09-35С (I_н.р = 125 А).

Как могла быть запроектирована такая схема подключения АБ к шинам распределительной сети, остается загадкой. Очевидно, данный тип ЗА имеет экспертное заключение на право его применения на объектах электроэнергетики, поэтому он и был применен проектной организацией. Но при этом встает вопрос: почему специалисты проектного института и эксплуатационный персонал ПС не обратили внимание на этот факт?

В распределительных панелях установлены селективные автоматы типа ВА 09-35С (I_н.р = 20 А, I_отс = 120 А, t = 0,2 с).

На приведенной в статье схеме, к сожалению, не указывается, куда попадает оперативный ток после автоматов 01-Q1 и 01-012 Q1: непосредственно на конкретные схемы (±ШП или ±ШУ) или же на промежуточные защитные аппараты данных схем?

Отсутствие в проекте расчета по выбору и согласованию характеристик защитных аппаратов (автоматов и предохранителей) и привело в конечном итоге к тому, что возникновение в кабеле оперативного постоянного тока, надо полагать, дугового КЗ стало причиной неселективной работы защитных аппаратов. Причем в ЗА-2 сработал предохранитель F13 с I_ном = 50 А, а в ЗА-1 – предохранитель F14 с I_ном = 100 А.

АНАЛИЗ АВАРИИ

Естественно, возникает простой вопрос: почему не произошло расплавление плавких вставок в других предохранителях – F12, F13, F11, установленных в ЗА-1, и F12, F11, F14 в ЗА-2? Вместе с тем плавкие вставки предохранителей на номинальные токи 50 и 63 А должны были расплавиться в обоих ЗА.

Так как в ЗА-2 произошло срабатывание предохранителя F13, это означает, что автомат 01-Q1 был включен и зарядно-подзарядные агрегаты работали параллельно. При возникшем в кабелях оперативного постоянного тока дуговом КЗ ток от АБ протекал через предохранители обоих ЗА. Поскольку в ЗА-1 произошло расплавление плавкой вставки предохранителя с I_ном = 100 А, то через него протекал ток не менее 800 А, а суммарный ток КЗ от АБ значительно превышал 1000 А.

В [1] не приводится информация о типах предохранителей, установленных в ЗА-1 и ЗА-2. Однако для анализа с достаточной степенью достоверности можно воспользоваться табл. 3 и 4 ГОСТ 17242-86 «Предохранители плавкие силовые низковольтные. Общие технические условия» [2]. Значения тока для преддугового времени 0,1 с для плавких вставок типа g приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения тока для преддугового времени 0,1 с для плавких вставок типа g

В соответствии с п. 3.3.15 [2] для плавких вставок типа g значение преддугового интеграла Джоуля за время 0,01 с указано в табл. 2.

Таблица 1. Значения преддугового интеграла Джоуля за время 0,01 с для плавких вставок типа g

Итак, если исходить из преддугового времени 0,1 с, то даже с учетом разброса в срабатывании предохранителей от минимального до максимального значения тока плавкие вставки предохранителей с номинальным током 50 и 60 А должны были расплавиться. Однако этого не произошло. Это может означать только одно, что предохранители F11, F12, F13 были установлены с другим номинальным током. Такие случаи на практике бывают.

Даже если обратиться к усредненным времятоковым характеристикам предохранителя типа ПН-2, то при токе 800 А предохранители с номинальным током 50, 60 А срабатывают за время 1–1,5 периода промышленной частоты, а предохранитель на ток 100 А – с временем 0,1 с.

Естественно, при таком времени срабатывания предохранителей ни один из автоматов 01-012-Q1 не мог отключить КЗ, возникшее в кабелях оперативного постоянного тока, т.к. они имели выдержку времени 0,2 с.

Таким образом, отсутствие селективности привело к полной потере постоянного тока на шинах щита постоянного тока и, как следствие, к потере управляемости коммутационным оборудованием в распредустройствах 10 и 110 кВ, а также к отказу в работе выходных устройств релейной защиты, даже если они и сработали.

ВЫВОДЫ

Данная авария в очередной раз показала, что реструктуризация отраслевого научно-проектного комплекса привела к резкому сокращению финансирования в рамках НИОКР и, как следствие, к прекращению разработки типовых проектов с применением новых видов оборудования. Появились компании без достаточного опыта в области проектирования, которые стали себя позиционировать на рынке услуг как проектные организации. Вместе с тем отсутствие у них технической документации и технических решений, разработанных институтом «Энергосетьпроект» еще в 90-х годах прошлого столетия, негативно сказалось на качестве выполнения проектной (рабочей) документации, в которой содержались сведения по методике выбора типа и номинальной емкости аккумуляторных батарей, по расчету токов короткого замыкания, по выбору коммутационных аппаратов в системе постоянного тока и по проверке селективности в проектируемой сети.

Какие же уроки необходимо извлечь из данной аварии?

1. В составе проекта в обязательном порядке должен быть раздел по системе постоянного тока с обоснованием выбора основного оборудования, защитных аппаратов, с расчетами селективности в проектируемой сети; с выдачей задания заводу на разработку и изготовление щита постоянного тока.
2. Провести дополнительную экспертизу на право применения зарядно-подзарядного агрегата типа Thyrotronic D400G208/40 в электроэнергетике и, в частности, проверку правильности выполнения его выходных цепей.
3. Возобновить практику разработки типовых проектных решений.
4. Выпустить нормативно-технический документ-циркуляр, предписывающий выполнение на подстанционных объектах внеочередной проверки:
   • проектной документации по системе СОПТ и наличия в ней соответствующих расчетов селективности в работе защитных аппаратов;
   • правильности работы устройств РЗА фидерных ячеек 10 (6) кВ при возникновении однофазного замыкания на землю;
   • правильности выполнения кабельной раскладки в кабельных сооружениях в соответствии с ПУЭ 6-го изд.;
   • эксплуатационных инструкций в части действия персонала при появлении сигнала об однофазном замыкании на землю.
     
     

ЛИТЕРАТУРА

1. Шиша М.А. Потеря питания системы оперативного тока на ПС // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 2(80).
2. ГОСТ 17242-86. Предохранители плавкие силовые низковольтные. Общие технические условия.