Значительную опасность для комплектных распределительных устройств (КРУ) напряжением 6–10 кВ представляют внутренние короткие замыкания (КЗ), сопровождаемые электрической дугой (ЭД). Данная проблема усугубляется тем, что многие КРУ не оснащены полноценной быстродействующей защитой от дуговых КЗ или применяемая в них защита не отвечает современным требованиям. Это побудило РАО «ЕЭС России» издать ряд приказов о повышении надежности работы энергообъектов, оборудованных КРУ, предусматривающих их оснащение быстродействующими защитами от внутренних дуговых КЗ.
В настоящее время ряд отечественных и зарубежных разработчиков и производителей предлагают для электроэнергетических и промышленных предприятий технические решения защиты от дуговых КЗ, реализующие в основном контроль параметров тока и светового потока. Предлагаемая вниманию читателей статья основана на собственном опыте автора по разработке и внедрению оптико-электрических дуговых защит. Как считает Владимир Нагай, этот опыт позволяет высказать ряд предложений, носящих, возможно, дискуссионный характер. Приглашаем специалистов к обсуждению этой темы.
Способы распознавания дуговых КЗ
Дуговое КЗ сопровождается как изменением параметров и характеристик электрической сети (ток, напряжение, сопротивление), так и существенным повышением температуры, давления, электропроводимости и теплового (светового) излучения внутри отсеков КРУ. Данные информационные признаки могут быть использованы в защите, которая должна отвечать следующим свойствам: высокое быстродействие, абсолютная селективность и высокая чувствительность. Основных способов распознавания дуговых КЗ два вида:
- Способы, основанные на контроле параметров и характеристик электрической цепи с дугой: спектрального состава тока или напряжения, модулей и аргументов фазных и симметричных составляющих токов и напряжений, уровней несимметрии токов или напряжений, сопротивлений или вольт-амперных характеристик короткозамкнутой цепи. Эти способы позволяют использовать традиционные для релейной защиты сигналы – токи и напряжения. Наряду с известными достоинствами в преобразовании и обработке токов и напряжений имеется и ряд недостатков, заключающихся в том, что данные признаки могут наблюдаться не только при внутренних дуговых КЗ, но и при внешних КЗ. Последнее затрудняет распознавание внутреннего повреждения, т.е. не позволяет выполнить защиту с абсолютной селективностью. Однако выполненные исследования, например [1], показывают возможность информационного совершенствования дуговых защит и, как следствие, повышение распознаваемости рассматриваемых режимов, о чем будет сказано отдельно.
- Способы, основанные на контроле параметров электрической дуги и сопутствующих ей явлений: температуры, давления, электрической проводимости окружающей среды (степени ионизации газов), излучения, оптических свойств среды, электромагнитного излучения. Они позволяют увеличить степень распознаваемости дуговых КЗ в КРУ. Влияние эксплуатационных режимов на функционирование защит, реализующих способы контроля этой группы, с учетом конструктивных особенностей КРУ минимально.
Сравнение методов защиты от дуговых КЗ
Достаточно простым техническим решением для защиты от дуговых КЗ является применение максимальной токовой защиты (МТЗ), положительными качествами которой являются простота, высокая элементная надежность и низкая стоимость. Ограничивающими факторами применения МТЗ являются относительная селективность и недостаточно высокое быстродействие из-за необходимости согласования с защитами смежных элементов.
Требованию абсолютной селективности отвечают токовые дифференциальные защиты и «логические защиты шин» (ЛЗШ) секций (на основе разрешающей МТЗ ввода и блокирующих МТЗ отходящих присоединений), в зону действия которых входят сборные шины и выключатели. «Мертвой» зоной этих защит являются отсеки измерительных трансформаторов тока (ТТ) и кабельной разделки – одни из наиболее вероятных мест повреждения. ЛЗШ может отказать в начальный период КЗ при наличии подпитки от мощных электродвигателей, что может быть исключено путем контроля направления мощности на данных присоединениях. Появление высших гармонических составляющих в напряжениях из-за нелинейности вольтамперной характеристики дуги может являться дополнительным информационным признаком, так же как и наличие симметричных составляющих обратной и нулевой последовательности токов и напряжений из-за неравенства длин столбов дуги и касания заземленных металлоконструкций.
Контроль параметров электрической дуги
Значительная часть энергии, подводимой к столбу электрической дуги, превращается в тепловую энергию. Для контроля температуры в ячейке могут быть использованы контактные и дистанционные методы, однако их применение ограничено из-за относительной сложности используемой аппаратуры и необходимости точного позиционирования датчика температуры по отношению к столбу дуги, положение которого заранее неизвестно. Повышение давления, зависящего от энергии дугового КЗ, материала ошиновки, коэффициента заполнения отсека, длительности КЗ, также может являться одним из признаков рассматриваемого вида повреждения. Однако из-за негерметичности отсеков КРУ чувствительность защит, контролирующих приращение давления, также ограничена. Например, клапанные защиты устойчиво срабатывают только при токах более 3,5 кА и выше [2].
Контроль плотности заряженных частиц (электропроводности) возможен только при близких к столбу дуги расстояниях, а при удалении датчиков электропроводимости от столба дуги резко снижается чувствительность защиты. Мощность теплового излучения, в том числе и светового излучения, зависит от величины тока КЗ, на значение которого влияет сопротивление предвключенной системы и сопротивление столба дуги. Оценка чувствительности защит [3], использующих оптические датчики информации, показывает, что их чувствительность достаточна практически для всех типов КРУ, подключаемых к трансформаторам мощностью 2,5 МВА и выше.
Современная техническая реализация защитных устройств
Для защиты КРУ в настоящее время применяются устройства, реагирующие:
- на повышение давления на фронте ударной волны в начальный момент дугового КЗ (клапанная дуговая защита [2]);
- на повышение степени ионизации газов в канале дугового столба (защита антенного типа с дугоулавливающим электродом, устанавливаемым в шинных отсеках [2]);
- на появление излучения от дугового столба (защита на фототиристорах, фоторезисторах, фототранзисторах и фотодиодах [4–12], с волоконно-оптическими датчиками (ВОД) [13–15]).
Сравнение способов построения дуговых защит КРУ показывает, что наиболее перспективным с позиции получения максимального быстродействия при абсолютной селективности и минимальном количестве информационных признаков является способ контроля освещенности (светового потока) внутри отсеков [1].
Построение оптико-электрических дуговых защит
Оптико-электрические дуговые защиты по типу используемых датчиков можно разделить на две группы: с полупроводниковыми фотодатчиками и с ВОД. Тип датчика определяет не только алгоритмы обработки информации, но и исполнение защит, которые можно классифицировать как индивидуальные и централизованные.
Централизованные защиты, как правило, предназначены для защиты секции или группы ячеек и не обеспечивают селективного выявления зоны повреждения. Оптические датчики, например полупроводниковые фотоприборы, соединяются параллельно, а ВОД включается в виде петли.
Индивидуальное исполнение защиты позволяет выполнить воздействие на выключатель поврежденной ячейки, обеспечить селективность действия защиты и выявить поврежденную зону.
Для повышения селективности централизованные защиты могут быть выполнены по централизованно-индивидуальному принципу, когда каждый датчик имеет свою зону наблюдения и ему присваивается определенный номер («имя») [8,13,15]. При реализации индивидуальной защиты с помощью ВОД они выполняются в виде радиальных линий, соединяемых с центральным блоком обработки информации (ЦБОИ) [13,15]. При реализации датчиков на основе традиционных фотоприборов они также должны выполняться в виде радиальных линий или включаться параллельно, с передачей кодированной информации в центральный блок [8].
Система оперативного тока также существенным образом влияет на выполнение защиты. Эти особенности проявляются на подстанциях, где отсутствует оперативный постоянный ток, что вызывает необходимость питания устройств дуговой защиты от цепей переменного напряжения или переменного тока [7–9]. В первом случае это требует использования накопителей энергии, обеспечивающих действие защиты при снижении напряжения при КЗ. Однако при включении вводного выключателя на КЗ, когда отсутствовало напряжение на шинах, это может привести к отказу защиты. Поэтому более предпочтительно выполнение блоков питания подобных защит от комбинированного блока питания, подключенного к цепям переменного напряжения и цепям переменного тока (например, к цепям измерительных трансформаторов тока).
Для повышения надежности работы практически все защиты осуществляют контроль, кроме светового потока, еще, по крайней мере, одного признака, характеризующего дуговое КЗ, — тока или напряжения. На это же направлена адаптация измерительных органов дуговой защиты к режиму защищаемой электроустановки и наличие канала торможения, что особенно актуально для КРУ старых конструкций, размещаемых внутри зданий (закрытых распредустройств) и имеющих полуоткрытый тип.
При дуговом КЗ в смежной ячейке возможно освещение фотодатчиков защищаемой ячейки в результате многократных отражений светового потока. Ориентация тормозных датчиков в сторону смежной ячейки позволяет исключить неселективное действие защиты. Быстродействие рассматриваемых защит составляет единицы-десятки миллисекунд. При этом полное время отключения КРУ с учетом действия выключателя не должно превышать 0,1–0,15 с.
Индивидуальные устройства защиты представлены устройствами типа РДЗ, разработанными в ЮРГТУ, или типа УДЗ-1 . При этом устройства РДЗ могут выполнять и функции централизованной защиты при подключении фотодатчиков параллельно друг другу.
Централизованные устройства представлены следующими типами защит: РДЗ-018 (ЮРГТУ), ОСДЗ («Энерготехника»), БССДЗ-01/02 («Промэлектроника»), ОВОД (ПРОЭЛ), REA-100 (ABB), ПД-01 (ALSTOM), ФВИП (НИИИТ). Указанные устройства отличаются как по типу используемого оптического датчика, линиям связи датчиков и измерительных органов, так и по элементной базе. В основном данные защиты предназначены для защиты одной или двух секций КРУ и воздействия на коммутационные аппараты питающих присоединений. Поэтому у них, как правило, отсутствует «выделение» поврежденной ячейки. Исключением являются защиты типов РДЗ-018, ОВОД, REA-100.
Первая защита реализована в виде локальных датчиков сбора информации, размещаемых в защищаемых ячейках и соединенных с ЦБОИ. Вторая защита реализует принцип радиальных ВОЛС, идущих от ЦБОИ в защищаемые ячейки. В защите типа REA 100 также предусмотрена возможность подключения радиальных ВОЛС, выполняющих еще и функции датчика.
Какие преимущества дает УРОВ?
Изначально УРОВ, в виде панели с электромеханическими реле, применялось на подстанциях и станциях с РУ 220 кВ и выше. Его применение обусловлено повышенными требованиями к надежности отключение короткого замыкания за наименьший промежуток времени.
Представьте, что на линии 220 кВ, в соответствии с принципом ближнего резервирования, установлены комплекты основной (ДФЗ) и резервных защит (ДЗ, ТЗНП, ТО), и все это бесполезно из-за механической неисправности привода выключателя. Сигнал на отключение защитами выдан, но ничего не происходит, и линия продолжает «гореть».
Остается надежда только на защиты дальнего резервирования, которые установлены на противоположных концах соседних линий.
По требованию дальнего резервирования эти защиты обязаны чувствовать КЗ на смежной лини и устранять их. Но во-первых, выдержки времени в этом случае могут быть достаточно большими (особенно, если ДЗ или ТЗНП начинают чувствовать КЗ только после отключения некоторых параллельных линий). А во-вторых, дальнее резервирование удается обеспечить не всегда. К тому же при действии защит дальнего резервирования происходит отключение множества выключателей на разных подстанциях, что затрудняет работу диспетчера при локализации аварии.
В таких случая, требуется меры по усилению ближнего резервирования, т.е. установке устройства резервирования при отказе выключателя.
УРОВ принимает команду отключения выключателя от защит и если через время Туров отключения не происходит, то устройство дает команду на отключение смежных выключателей. Просто и надежно
При этом время отключения от УРОВ всегда определено как сумма времени действия собственной защиты присоединения плюс ступень селективности. К тому же УРОВ «использует» чувствительность своей защиты, которая выше, чем у защиты дальнего резервирования.
На напряжении 110 кВ и ниже УРОВ использовался реже из-за стоимости панели и отсутствия жестких требований к скорости отключения, как на сверхвысоком напряжении. Ведь панель УРОВ стоит денег и занимает место.
Однако, с развитием микропроцессорной техники функция УРОВ стала практически бесплатной. Распределенный алгоритм УРОВ стал использоваться в логике терминалов, а «снаружи» остались только шинки и ключи ввода/вывода. Сегодня УРОВ применяют на всех классах напряжения, начиная с 6 кВ.
Давайте рассмотрим, что дает УРОВ на стандартной подстанции по схеме «6-1» (одна секционированная система шин 6 кВ).
1 случай (удаленное КЗ на линии 1)
При возникновении короткого замыкания на линии 1 в зоне действия МТЗ (конец линии), защита срабатывает с выдержкой времени 0,9 с. При отказе выключателя алгоритм УРОВ отключит вводной выключатели через время Тзащ. = Тмтз + Туров = 0,9 + 0,3= 1,2 с.
Если алгоритм УРОВ отсутствует, то МТЗ ввода отключит КЗ через 1,5 с (дальнее резервирование).
Таким образом, мы получаем выигрыш 0,3 с.
Также обратите внимание, что здесь для пуска алгоритма мы используем МТЗ линии, а не ввода, что дает значительно большую чувствительность. Особенно сильна эта разница будет для секций 6 кВ с двигателями
2 случай (близкое КЗ на линии 1)
При возникновении короткого замыкания на линии 1 в зоне действия отсечки (начало линии), защита срабатывает с выдержкой времени 0,1 с. При отказе выключателя алгоритм УРОВ отключит вводной выключатели через время Тзащ. = Тто + Туров = 0,1 + 0,3= 0,4 с.
По дальнему резервированию мы так же получим 1,5 с, т.е. теперь выигрыш уже 1,1 с.
Очевидно, что и на 6 кВ применение УРОВ дает преимущество в быстродействии и чувствительности
При всех своих плюсах УРОВ — достаточно «опасная» функция и применять ее нужно обдуманно. Следует помнить, что при срабатывании УРОВ полностью отключает участок сети с блокировкой любой автоматики восстановления питания, такой как АПВ и АВР. Это означает невозможность быстрого восстановления нормального режима и массовый недоотпуск электроэнергии (особенно если нижестоящие потребители не имеют своих АВР).
В связи с этой особенностью при пуске УРОВ, помимо контроля тока через выключатель, применяют различные способы ограничения возможности излишнего действия.
О логике и схемах УРОВ мы поговорим в следующей статье
Пути совершенствования оптико-электрических дуговых защит
Для выбора путей дальнейшего совершенствования дуговых защит представляет интерес не только мнение научной общественности, разработчиков и производителей аппаратуры релейной защиты, но и специалистов, занятых в эксплуатации электроэнергетического оборудования. Учет их мнения во многих случаях является решающим, особенно в условиях рыночной экономики, когда выбор того или иного технического решения остается за потребителем данной продукции. Автором данной работы был выполнен опрос специалистов ряда энергетических систем РФ по проблемам построения дуговой защиты, результаты которого приведены ниже (рис.1–6).
Большинство специалистов считают приемлемым время срабатывания защиты, не превышающее 50 мс (51% опрошенных), и лишь 21% считают необходимым уменьшить время срабатывания до 20 мс. Пятая часть экспертов готова эксплуатировать дуговую защиту со временем срабатывания, не превышающим половины (14%) и четверти (7%) периода промышленной частоты. Таким образом, подавляющая часть специалистов отдает предпочтение защитам с умеренным быстродействием, что объясняется известными проблемами помехоустойчивости сверхбыстродействующих защит и проблемами поиска повреждений после отключения, когда порой трудно найти следы повреждения.
Наибольшее затруднение (39%) вызвал вопрос оценки чувствительности ОЭДЗ, что связано с недостаточной информированностью специалистов об уровнях освещенности, создаваемой электрической дугой в электроустановках напряжением 6–10 кВ. Другая часть специалистов считает приемлемой чувствительность в диапазоне 100–1000 лк, что связано с опытом эксплуатации фототиристорной дуговой защиты с порогом срабатывания 900–1000 лк и определенными проблемами ее проверки от ламп накаливания или от фотовспышки. Снижение нижней границы порога срабатывания позволяет упростить возможность проверки и наладки ОЭДЗ от указанных источников.
В качестве дополнительного контролируемого признака большинство специалистов (87%) отдают предпочтение контролю тока по сравнению с контролем напряжения (13%). Также подавляющее число специалистов (86%) отдают предпочтение контактному выходному органу, и лишь 7% опрошенных согласны на использование выходного органа типа твердотельного реле.
Наиболее широкий спектр мнений выявился по выбору типа датчика. Несмотря на то, что здесь обсуждаются вопросы построения оптико-электрической дуговой защиты, автор счел своим долгом включить ответы и по другим датчикам дуговой защиты. Четверть голосов набрали волоконно-оптические датчики и более половины (57%) голосов – традиционные датчики на основе фототиристора, фотодиода и фототранзистора. По 7% специалистов готовы эксплуатировать логическую защиту шин и защиту на основе датчиков давления. Только 4% опрошенных специалистов отдают предпочтение защите, контролирующей проводимость в шинном отсеке (защита антенного типа).
По следующему вопросу мнения специалистов разделились практически поровну: 46% отдают предпочтение ВОЛС и 54% – традиционным электрическим линиям связи.
Отмечены тенденции к готовности эксплуатации микропроцессорной элементной базы (25%). Однако такая же часть специалистов готова продолжать работать с электромеханической техникой. Лидирующее положение пока занимает микроэлектронная элементная база (45%).
Большинство специалистов (61%) выступают за отключение питающего присоединения (вводной выключатель или секционный выключатель) при повреждении в любой ячейке КРУ. Третья часть опрошенных предпочитает отключить выключатель поврежденного присоединения, несмотря на возможность усугубления аварии.
Применение
Устройства применяют на электроподстанциях энергокомпаний, предприятий газовой, нефтяной и других видов промышленности. Кроме того, ЗДЗ используют для защиты тяговых подстанций на железной дороге, в электрооборудовании метрополитена. Идеальными условиями для срабатывания дуговой защиты являются неотапливаемые помещения.
Электрическая подстанция энергокомпании
Дуговую защиту устанавливают в комплектных распредустройствах (КРУ), которые в связи с компактными габаритами могут быть отключены на время, не превышающее 1 секунды. Монтаж защитного реле выполняют:
- в ячейках КРУ внутренней и наружной установки;
- шинах (проводниках электрического тока с низким сопротивлением);
- камерах сборных одностороннего обслуживания (КСО);
- комплектных трансформаторных подстанциях (КТП) промышленных и собственных нужд.
Построение ОЭДЗ
Дуговая защита КРУ должна строиться с учетом его конструктивных особенностей и типов коммутационных аппаратов. Для этого необходимо выделить как особые элементы распредустройства, к которым относятся ячейки вводного выключателя, ячейка секционного выключателя, особые зоны (отсеки) ячеек КРУ: отсек шинного моста, отсеки высоковольтных выключателей, трансформатора напряжения и т.д. Такое деление КРУ на зоны позволит наиболее оптимально выполнять воздействия на коммутационные аппараты с минимизацией объемов повреждений. При КЗ в особых элементах требуется отключение секции без выдержки времени, а при КЗ в особых зонах, например, в отсеках измерительных трансформаторов тока, кабельной разделки и проходных изоляторов возможно отключение только поврежденной ячейки, например, при использовании вакуумных выключателей.
Горение дуги в ячейке вводного выключателя требует воздействия на отключение не только секционного выключателя, но и выключателя со стороны высшего напряжения силового трансформатора. Повреждение же секционного выключателя требует отключения вводных выключателей. С учетом вышеизложенного защита должна обеспечивать селективное выявление дуговых коротких замыканий в ячейках и их отсеках.
Существует также и другой подход в построении дуговой защиты КРУ, согласно которому любое КЗ в КРУ должно отключаться вводным выключателем, что приводит к «погашению» секции. Такой подход упрощает реализацию защиты и допускает объединение датчиков, например, позволяет выполнять оптико-электрический датчик единым, что имеет место при использовании ВОЛС, соединенной в «петлю». При реализации защиты по первому варианту возможно объединение ОЭДЗ и устройств, воздействующих на одни и те же выключатели.
Механизм и последствия короткого замыкания
При возникновении короткого замыкания, сопровождающегося электродугой, в считанные доли секунды резко возрастает температура (до 120000С), повреждая стенки ячейки и переходя в соседние.
Обратите внимание! Буквально за мгновения ячейка, в которой создалось короткое замыкание с электродугой, выгорает дотла и не подлежит ремонту.
Если вовремя не принимаются меры, то необратимо выходят из строя целые секции распредустройства с глубокими повреждениями механического и термического характера. В электроустановках возникают очаги возгорания. Падение напряжения с возрастанием тока приводит к торможению и снижению производительности электродвигателей, остановке частей электрической системы, что приводит к локальным и системным (наиболее значительным) авариям.
При этом предприятие несет большие убытки в виде повреждений дорогостоящего оборудования, возможных травм персонала, незапланированных простоев в работе. Уровень причиненного ущерба зависит от качества и типа изоляционных материалов, величины тока короткого замыкания и длительности его воздействия.
Разумный подход – в сочетании защит
Таким образом, отмечается тенденция готовности производителей КРУ и эксплуатирующих организаций к использованию оптико-электрических дуговых защит, обеспечивающих контроль тока и светового потока. Ранее специалисты более осторожно относились к применению подобных защит. Вместе с тем можно отметить, что возможности защит с контролем токов и напряжений не в полной мере использованы из-за ограниченного набора информационных признаков в защитах на электромеханической и микроэлектронной элементной базе. Применение микропроцессорной техники снимает проблему сложности алгоритмов и объемов обрабатываемой информации, что позволяет вернуться к вопросам построения быстродействующих и селективных защит с традиционными датчиками информации (трансформаторами тока и напряжения).
При этом некоторые недостатки, отмеченные выше, могут быть превращены в достоинства, например, в сокращение времени их монтажа и наладки, т.к. в отличие от монтажа оптико-электрических защит не требуется отключение всей секции. Выполнение более совершенной защиты от замыканий на землю, обеспечивающей выявление повреждений не только на кабельных или воздушных линиях, но и внутри КРУ, позволит не допустить развития в междуфазные дуговые КЗ.
Предлагаемая концепция построения защит КРУ и отходящих от них линий может явиться предметом дополнительного обсуждения. Разумное сочетание ОЭДЗ и защит с контролем токов и напряжений позволит повысить надежность защит и обеспечить резервирование.
Владимир Нагай, д. т. н., профессор каф. «Электрические станции», зам. директора НИИ Энергетики Южно-Российского государственного технического университета, г. Новочеркасск
ЛИТЕРАТУРА
- Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. – Энергоатомиздат, 2002. – 312 с.
- Зотов А.Я. О дуговой защите шкафов КРУ(Н) 6–10 кВ на датчиках «Краб» и «Антенный» // Энергетик. – 1997. – № 3. – С. 17–18.
- Нагай В.И., Сарры С.В. Определение чувствительности оптико-электрических защит от дуговых коротких замыканий в комплектных распределительных устройствах напряжением 6–10 кВ // Изв. вузов. Электромеханика. – 1999. – № 1. – С. 48–51.
- Нагай В.И. Выбор и техническая реализация быстродействующих защит КРУ от дуговых коротких замыканий// Электро. – 2002.– № 1. – С. 35–39.
- Середа Н.Н., Харитонов В.В. Применение фототиристоров для защиты сетей при дуговых коротких замыканиях // Материалы семинара «Новые комплектные электротехнические устройства». – М.: Московский Дом науч.-техн. пропаганды, 1990. – С. 53–57.
- В.И. Нагай, С.В. Сарры, М.М. Котлов и др. Оптико-электрическая дуговая защита КРУН 6–10 кВ // Энергетик. – 2000. – № 8. – С. 38–39.
- Нагай В.И. Сарры С.В., Войтенко А.С. Релейная защита КРУ с контролем светового потока // Промышленная энергетика. – 2001. – № 11. – С. 32–36.
- Нагай В.И., Сарры С.В., Войтенко А.С. Быстродействующие релейные защиты КРУ от дуговых коротких замыканий с оптико-электрическими датчиками // Электрические станции. – 2002. – № 3. – С. 55–59.
- Вайнштейн В.Л., Сурвилло Б.А. Фотореле защиты от дуговых КЗ // Энергетик. – 1989. – № 11. – С. 27–31.
- 10. Сухоручкин И.В., Бочаров Н.В. Реле защиты от дуговых замыканий // Электрические станции. – 1990. – № 5. – С. 89–91.
- Коротков Л.В., Погодин Н.В. Быстродействующая оптическая система дуговой защиты ЗРУ 6–10 кВ // Релейная защита и автоматика энергосистем 2000: Тез. докл. XIV научно-технической конференции. – М.: ЦДУ ЕЭС России, 2000. – С. 48–49.
- Крылов И.П. Устройство быстродействующей селективной световой дуговой защиты БССДЗ-01/02 // Сборник тез. докл. семинара-совещания начальников служб РЗА АО-энерго, начальников электролабораторий электрических станций, ведущих специалистов РЗА ОЭС Северного Кавказа, РАО «ЕЭС России», РП «Южэнерготехнадзор». – Пятигорск, 2001. – С. 112–114.
- Калачев Ю.Н., Шевелев В.С. Устройство дуговой защиты для ячеек КРУ 6–10 кВ // Энергетик. – 2001. – № 1. – С. 25–26.
- Демьянович М.В., Евреев А.И., Пименов А.В. и др. Новая дуговая защита для комплектных распределительных устройств // Энергетик. – 2001. – № 5 – С. 24.
- Григорьев В.А., Милохин В.Е., Палей Э.Л. Волоконно-оптическая дуговая защита ячеек КРУ 6-10 кВ // Энергетик. – 2002. – № 2. – С. 23–24.
Статья опубликована в журнале «Новости Электротехники» №5(23) 2003
Ссылки
- Быстродействующие дуговые защиты КРУ
- Дуговая защита шин
- Дуговая защита. Улучшение принципа действия
- Выбор дуговой защиты
Комплектные распредустройства (КРУ) до 35 кВ являются наиболее распространенными элементами электрических подстанций, преимуществом которых стали компактные размеры, удобный монтаж и настройка. При возникновении короткого замыкания внутри этих устройств, время отключения электричества не должно быть более 1 секунды. Это связано с их небольшими размерами. Эта проблема усложняется тем, что распределительные устройства, изготовленные в прошлом веке, чаще всего не устанавливалась дуговая защита.
Дуговую защиту называют по-другому защитой от дуговых замыканий (ЗДЗ). В последнее время больше используется оптическая дуговая защита, сокращенно (ОДЗ). Она является видом защиты от коротких замыканий, принцип действия которой основан на срабатывании от возникновения вспышки дуги.
Наиболее распространенными стали междуфазные замыкания, а также замыкания на землю.
Эти опасные явления обычно сопровождаются:
- Выделением значительного количества тепла.
- Скачками тока.
- Импульсами напряжения.
- Процессами перехода.
Условия срабатывания
- Увеличение тока. В момент возникновения дуги, как правило, происходит короткое замыкание. Этот условие называют токовым контролем.
- Срабатывание датчика. В настоящее время часто используется клапанная защита от электрической дуги. В момент замыкания происходит нарастание избыточного давления, в результате металлическая крышка, которой закрыта высоковольтная ячейка, вылетает и замыкает контакт клапана. Замыкание этого контакта и наличие токового контроля создает условия для срабатывания защиты.
- В последнее время на многих подстанциях используется современная оптическая защита от электрической дуги. Здесь датчиками служат уже не клапаны, а волоконно-оптические датчики, которые реагируют на вспышку света.
- Старение или повреждение изоляции.
- Нарушение схемы соединения кабелей и шин.
- Неисправность электрооборудования.
- Повышенная влажность.
- Загрязнения.
- Коррозия.
- Повышенное напряжение.
- Ошибки обслуживающего персонала.
Возникновение этих причин можно предотвратить качественным техническим обслуживанием. При выявлении и уменьшении последствий от дуговых замыканий большое значение имеет время. Дуга длительностью 0,5 секунды может серьезно повредить изоляцию, в результате ячейка распредустройства может полностью сгореть.
Процессы во время замыкания
Эти процессы зависят от времени воздействия тока и его величины. Ток при коротком замыкании характерен значительным повышением температуры. Степень повреждений зависит от коэффициента износа оборудования и качества изоляции.
При появлении дугового замыкания металлические стенки ячейки прожигаются, и замыкание может перейти на соседние ячейки. Также, при хорошей герметичности современного оборудования и отсутствии предохранительных клапанов большое давление при замыкании разрушает оборудование и корпус ячейки, что способствует полному разрушения всех элементов ячейки.
Последствия дугового замыкания в распредустройствах могут быть очень серьезными. При этом выводится из строя дорогостоящее оборудование, вследствие чего возникают простои в работе и предприятие несет экономические убытки. Также, последствиями могут стать травмы обслуживающего персонала.
Как работает дуговая защита
Датчиком этой защиты является устройство, реагирующее на вспышку электрической дуги и передающее информацию на исполнительные механизмы, отключающие электроэнергию для предотвращения отрицательных последствий.
Способы обнаружения дуги
- Определение изменения яркости света, вызванного электрической дугой.
- Сравнение характеристик электрической цепи до замыкания и после него.
- Сравнение значения давления и температуры в камере распределительного устройства до и после замыкания.
Защита от замыканий шин
Организуется в распредустройствах от 6 до 10 киловольт для защиты сборных шин, для устройств с закрытыми токоведущими элементами. Защита срабатывает двумя методами:
- Фиксация световой вспышки.
- Механическое действие дуги.
Волоконно-оптическая защита
Ее работа заключается на принципе обнаружения вспышки электрической дуги с помощью специальных оптических датчиков. Такие защиты размещают в отсеках ввода, на выкатном элементе ячеек, в кабельных отсеках. Обнаружение электрической дуги осуществляется сразу во всех элементах защиты. Обесточивание ячеек выполняется при условиях:
- Сигнала пуска максимальной защиты.
- Сигнала от всех датчиков.
Типы датчиков
- Распределительные, охватывают одним кабелем сразу несколько мест выявления вспышек.
- С креплением торцевой частью, дают возможность точно выявить наличие дуги.
Достоинства
- Невосприимчивость к помехам электромагнитного действия.
- Использование изоляционных материалов в устройстве датчиков.
- Высокое быстродействие.
- Небольшая стоимость оборудования, установки и настройки.
Фототиристорная дуговая защита
В качестве чувствительного элемента применяют фототиристоры, реагирующие на изменение яркости света.
Клапанная защита
Работа этой системы заключается в использовании процессов, возникающих при дуговом замыкании: повышение давления в камере. В качестве чувствительного элемента эта дуговая защита включает в себя специальные клапаны с выключателями, которые устанавливаются в камерах распредустройств.
Мембранная защита
Принцип работы заключается в способности выключателя мембранного типа реагировать на изменение давления воздуха от электрической дуги. Составными элементами этой защиты являются мембранные датчики, клапаны обратного давления, гибкие трубопроводы.
Ко всем ячейкам распределительного устройства подводятся трубки, которые затем объединяются в общую сеть и подключаются к мембранному датчику. При повышении давления в какой-либо ячейке датчик срабатывает и обесточивает оборудование.
