Содержание материала

1.2. ВИДЫ И ВЕРОЯТНОСТЬ ПОВРЕЖДЕНИИ НА ШИНАХ РУ, ОЦЕНКА УЩЕРБА ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ
На шинах станций и подстанций могут быть следующие основные виды повреждений: трехфазные КЗ (замыкания между тремя фазами, трехфазные замыкания на землю и тройные замыкания на землю, при которых одно или два места повреждения могут быть вне шин); двухфазные КЗ (замыкания между двумя фазами, двухфазные замыкания на землю и двойные замыкания на землю, при котором одно из мест повреждений может находиться вне шин); однофазные замыкания на землю; обрыв фаз, в том числе с замыканием на землю.
К основным причинам замыканий на шинах относятся: ошибочные действия эксплуатационного персонала с шинными разъединителями, перекрытия втулок выключателей из-за дефектов конструкции, перекрытие изоляторов при грозах, загрязнении и гололеде, поломка изоляторов разъединителей и т. д.
Наиболее опасными повреждениями на шинах следует считать КЗ, которые могут приводить к частичному или полному разрушению шин и подключенного к ним оборудования из-за термического и электродинамического воздействия больших токов КЗ, сопровождающихся электрической дугой. К серьезным негативным последствиям КЗ на шинах РУ станций и подстанций относятся:
значительное понижение напряжения в энергосистеме, что может привести к расстройству технологических процессов на большой части предприятий, нарушению нормальной жизнедеятельности городов и других населенных пунктов, к недоотпуску и массовому браку продукции и т. п.;
повреждение и выход из строя дорогостоящего оборудования, например трансформаторов и генераторов в неповрежденной части энергосистемы;
потеря устойчивости системы, при этом возможны частичное или полное отключение («погашение») электрических станций, подстанций, линий электропередачи, значительный недоотпуск электроэнергии потребителям и т. п.
Для предотвращения (или ослабления) этих последствий необходимо отключать КЗ на шинах РУ за минимальное время с помощью соответствующих устройств защиты.
По данным эксплуатации основными причинами аварийных отключений (погашений) одной из систем (секций) шин РУ станций и подстанций являются:
отказы выключателей при отключении КЗ на присоединениях*;
неполнофазные отключения воздушных выключателей при КЗ на присоединениях;
короткие замыкания на шинах или на участках ошиновки присоединений с отказавшими выключателями;
ошибочные действия эксплуатационного персонала; неправильная работа релейной защиты и автоматики. Полное погашение систем шин может быть вызвано: коротким замыканием на одной из систем шин при наличии временной «жесткой» (без выключателя) связи между системами;
обесточением одной системы при отключенной другой, например, в связи с ремонтом;
коротким замыканием на шинах и присоединениях с перебросом дуги на обе системы или отказами выключателей;
отказами шиносоединительных выключателей при КЗ на одной системе;
коротким замыканием в «мертвой зоне», например на ошиновке между комплектом ТТ ШСВ и ШСВ;
обесточением систем шин из-за отключения источников питания;
неправильной работой релейной защиты и автоматики, в том числе и защит шин.

*Повреждения ликвидируются обычно действием устройств резервирования отказа выключателей (УРОВ).

Одной из основных характеристик надежности оборудования или устройств является удельная повреждаемость (частота или интенсивность отказов) λ, определяемая как отношение числа элементов п, отказавших в работе в промежуток времени Δt, к среднему числу элементов jV, исправно работающему в течение времени Δt (за период наблюдения t), отказ/год:

Для количественной оценки надежности схем РУ необходимо пользоваться некоторыми средними нормативными значениями λ для оборудования систем сборных шин, линий передач, полученными на основе анализа статистических данных. Эти данные по мере улучшения качества оборудования будут изменяться, однако для сравнительных (сопоставительных) расчетов, в частности для оценки схем РУ, можно принимать некоторые средние значения λ. Величина, обратная λ, характеризует длительность времени τ, в течение которого вероятно одно повреждение элемента, лет:

Данные по средним значениям интенсивности отказов элементов РУ станций и подстанций [3] приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2. Интенсивность отказов элементов РУ


Элементы РУ

Количество отказов в год λ для напряжения, кВ

6—10

35

110

220 |

330

500

Выключатели            воздушные в цепях ВЛ *

0,08

0,1

0,12

0,14

0,15

Выключатели            воздушные в прочих цепях

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

Выключатели масляные в цепях ВЛ *

0,02

0,02

0,03

Выключатели масляные в прочих цепях

0,01

0,01

0,01

Сборные шины (на одно присоединение)

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

Доля отказов при КЗ, характеризующаяся коэффициентом эффективности действия релейных защит, отключающих смежные цепи, составляет: для воздушных выключателей — 0,6, для масляных — 0,4 от соответствующего числа отказов.

Отметим, что значение коэффициента k, обусловленное эффективностью действия релейной защиты, представляется достаточно большим, что свидетельствует о необходимости дальнейшего развития и совершенствования систем защит, в том числе и защиты шин.
В табл. 1.3—1.5 для сравнения приведены статистические данные о повреждаемости шин РУ за рубежом [5] на основании обработки статистических показателей эксплуатации 75 энергосистем и компаний по 26 странам.

Таблица 1.3 Число повреждений на шинах РУ


Номинальное напряжение, кВ

Количество систем шин

Число повреждений на шинах в год

Число повреждений в год на одну систему шин

100-200

2265

175

0,077

200—300

385

57,5

0,149

300 и выше

71

7,4

0,104

Таблица 1.4. Распределение аварий между элементами электрических сетей


Место аварий

Среднее число аварий, %

Количество аварий, %, для напряжений, кВ

33—46

55-70

72—90
1

110—138

150—164

220—230

275—330

380—400

Линии электропередачи

74

75

75

75

82

77

51

81

56

Оборудование РУ

26

25

25

25

18

23

49

19

44

Всего

100

100

100

100

100

100

100

100

100

Сборные шины

19

44

18

41

23

8

5

15

3

Присоединения

81

56

82

59

77

92

95

85

97

Всего

100

100

100

100

100

100

100

100

1 100

Из табл. 1.3. следует, что число повреждений на шинах РУ в диапазоне напряжений от 100 до 300 кВ возрастает, а при напряжении более 300 кВ несколько снижается. Последнее объясняется, по-видимому, применением более надежных кольцевых схем и уменьшением числа присоединений РУ напряжением свыше 300 кВ. В соответствии с данными, приведенными в табл. 1.3, вероятность повреждения τ на секции или системе шин в зависимости от напряжения и конструкции РУ лежит в пределах одного раза в течение 6—13 лет, что примерно соответствует повреждаемости РУ в СССР.
В табл. 1.4 представлено распределение аварий между основными элементами электрической сети в среднем за 10 лет регистрации для различных ступеней напряжения.
Из табл. 1.4 следует, что примерно 20 % аварий в РУ приходится непосредственно на шины с подключенным «жестко» (через разъединители) оборудованием.
В табл. 1.5 показаны количественные соотношения между основными причинами аварий в РУ различных напряжений.
Обращает на себя внимание очень высокий процент аварий (16—60%), вызванных повреждением оборудования вторичных цепей, куда входят и цепи защиты шин РУ, включая разветвленные и протяженные токовые цепи. Известно, что более 50 % отказов или неправильных действий защит шин связано с повреждениями или ошибочными переключениями в токовых цепях [7].  

Таблица 1.5. Количественные соотношения между основными причинами аварий на РУ [5]


Причина

Среднее число аварий, %

Количество аварий, %, для напряжения, кВ

33-45

55-70

72—90

110-138

150—161

220—230

275—330

380—400

Перекрытие изоляции РУ
Повреждение оборудования первичных цепей РУ

27

53

36

7

25

51

7

5

6

38

31

26

43

45

30

33

74

39

Повреждение оборудования вторичных цепей РУ

35

16

38

50

30

19

60

21

55

Всего

100

100

1001

100

100

100

100

100

100

Таким образом, надежность работы РУ по любой схеме зависит от надежности функционирования устройств защиты шин и противоаварийной автоматики. Как известно, все устройства релейной защиты относятся к классу «дежурных» систем [2, 4]. При этом различаются следующие четыре режима:

  1. Режим «дежурства» устройства защиты, подключенного к измерительным трансформаторам тока и напряжения (датчикам параметров), выходные сигналы которых непрерывно фиксируются и измеряются входными элементами защиты. Логическая часть защиты, цепи отключения, сигнализации находятся при этом в состоянии готовности к действию.
  2. Активный режим «тревоги» при повреждениях в зоне действия защиты. Устройство защиты приходит в действие и генерирует сигнал на отключение выключателей, например, защищаемой системы или секции шин.
  3. Режим «тревоги» для защиты при повреждениях вне зоны действия. Устройство приходит в действие, но не генерирует сигнала на отключение выключателей.
  4. Режим, при котором защита отключена — выведена из работы. Этот режим наступает при проверках, ремонтах, наладках, изменениях уставок срабатывания.

Первый режим, режим «дежурства», является самым длительным и занимает практически все время эксплуатации защит. В связи с длительностью этого режима необходимо обеспечить высокую надежность устройства защит с целью предотвращения самопроизвольного срабатывания защиты и ложного отключения защищаемого объекта при отсутствии КЗ, а также отказов или неправильных действий в режимах 2 и 3.
Второй и третий режимы весьма кратковременны и их длительность составляет доли секунды или секунды в год.
Народнохозяйственный ущерб от неправильной работы защиты зависит от надежности устройств защиты, а также от вероятности повреждения на защищаемом объекте, от состава потребителей электроэнергии, от стоимости 1 кВт-ч недоотпущенной электроэнергии и других факторов.
Характерным показателем надежности устройств защиты является частота (интенсивность) неправильных действий в год, представляющая собой математическое ожидание числа неправильных действий на одно устройство защиты в год. Неправильные действия могут классифицироваться по видам:
интенсивность отказов в срабатывании при повреждениях в зоне действия защиты;
интенсивность неселективных срабатываний — отключения защищаемого объекта при повреждениях вне зоны действия защиты;
интенсивность ложных срабатываний без тревоги — количество случаев неправильной работы защиты без КЗ и ненормальных режимов во время дежурства защиты.

Таблица 1.6. Средние показатели надежности устройств релейной защиты

В табл. 1.6 приведены средние показатели надежности дифференциальных токовых защит шин и, для сравнения, некоторых других защит. Показатели получены в «Ленинградском политехническом институте путем сбора и обработки статистических данных за несколько лет эксплуатации [4].
Как следует из данных табл. 1.6, дифференциальные токовые защиты шин РУ имеют относительно низкие показатели надежности в сопоставляемой группе, как правило, менее ответственных устройств защиты отдельных присоединений.