Предотвращение и ликвидация гололедных аварий - Релейная защита

Глава 6 Релейная защита и диагностика установок плавки гололеда

1. Общие сведения

Для установок плавки гололеда постоянным током в [I6] рекомендуется комплекс релейной защиты, предусматривающий установку дугового короткозамыкателя, назначение которого — создание искусственного трехфазного КЗ на вводах ВУ, отключаемого выключателем УПГ на стороне 10кВ. Управление дуговым короткозамыкателем осуществляется максимальной токовой защитой по переменной составляющей фазного тока ВУ (МТЗП).
Одним из признаков внутренних КЗ, возникающих при пробое плеча ВМ, и внешних КЗ на стороне постоянного тока является увеличение переменной составляющей (производной) фазного тока ВУ. Этот признак используется в МТЗП, действующей при увеличении напряжения на токоограничивающих реакторах в цепи УПГ, пропорционального производной фазного тока, сверх определенного значения. Защита выполняется с бесконтактным (для увеличения быстродействия) и контактным выходами и реагирует на среднее и действующее значения напряжения на реакторах, которое измеряется с помощью трансформаторов напряжения, включенных параллельно реакторам. Наличие в рабочих режимах УПГ импульсного напряжения на реакторах, обусловленного коммутационными процессами в ВМ, требует надежной отстройки МТЗ от максимального значения этого напряжения, что вводит замедление в действие защиты. Дутовой короткозамыкатели не обеспечивающий эффективное шунтирование вентилей ВУ, в дальнейшем был заменен выключателем-короткозамыкателем, создающим металлическое КЗ [19]. Управление выключателем-короткозамыкателем осуществляется максимальной токовой защитой, действующей без выдержки времени при внешних и внутренних КЗ и отстраиваемой от максимального рабочего тока плавки.
Принятое техническое решение, когда любой режим УПГ с перегрузкой по току автоматически переводится в режим трехфазного КЗ на стороне низшего напряжения питающего АТ-330-500 кВ, неоправданно увеличивает число КЗ на стороне НН АТ.
Под руководством авторов и при участии ЮРГТУ(НПИ) в энергосистемах ОЭС Северного Кавказа на протяжении более чем 20 лет проводятся работы по внедрению релейных защит УПГ без короткозамыкателя, использующих альтернативные способы отключения УПГ, описанные в п.5.1. Многолетний практический опыт применения УПГ на подстанциях ОЭС Северного Кавказа не выявил случая, когда потребовалось бы использование короткозамыкателя.

Кроме описанных выше, для защиты УПГ по рекомендациям [16J применяется также двухступенчатая максимальная токовая защита, реагирующая на фазный ток УГ1Г, с уставками: первая ступень - 1,251 ном и вторая ступень —1,41ном, где 1ном — номинальный ток ВУ. Время срабатывания первой ступени — 20с, определяется техническими характеристиками (допустимой перегрузкой) применяемых ВМ типа ВУКН и В-ТПЕД, вторая ступень выполняется без выдержки времени.
Такое выполнение МТЗ нерационально и неэффективно по следующим причинам:

1. В схемах плавки отсутствуют условия возникновения допустимой для ВМ перегрузки 1,251 ном в течение 20с. Во всех схемах плавки диапазон изменения рабочего тока заранее известен, поэтому увеличение выпрямленного тока выше максимального рабочего связано с повреждениями на ВЛ, которые имеют, как правило, устойчивый характер, подлежат выявлению и отключению без выдержки времени;
2. Выпрямленный ток УПГ, предназначенный для плавки гололеда на ВЛ различных классов напряжения, может быть существенно меньше номинального тока ВУ, поэтому неоправданное завышение уставки второй ступени МТЗ до 1,41ном приводит к значительному уменьшению защищаемой зоны МТЗ при КЗ на обогреваемой ВЛ.

Рассмотрим в качестве примера УПГ, выпрямительная установка которой состоит из трех выпрямительных мостов типа В-ТПЕД, имеет номинальный ток 1ном= 4,8кА и предназначена для плавки гололеда на ВЛ 330-500 кВ. Ток плавки гололеда на фазных проводах ВЛ 330 кВ с двумя проводами в фазе около 2,2 - 2,4 кА, т.е. значительно меньше 1ном . Защищаемая зона МТЗ с уставкой 1,4-4,8=6,7кА составляет менее 30% от длины линии. Для увеличения защищаемой зоны при КЗ на ВЛ ток срабатывания МТЗ должен быть как можно меньше и отстраиваться от максимального тока плавки. Предлагаемые принципы выполнения МТЗ рассматриваются ниже в п.6.2.
Типовым проектом, разработанным ЮжЭСП, не предусмотрена релейная защита от таких повреждений, как замыкание полюса на землю в схемах плавки с незаземленной цепью постоянного тока. Отсутствует также основная защита ВЛ от однополюсных и двухполюсных КЗ с замыканием на землю в схемах плавки с заземленной цепью постоянного тока. Применение этих защит позволяет обнаруживать повреждение в процессе плавки и исключить неоправданное включение поврежденной ВЛ под номинальное напряжение с последующим действием релейной защиты и противоаварийной автоматики на отключение и подачу управляющих воздействий.

Для установок плавки гололеда постоянным током и воздушных линий должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и нарушений нормального режима работы:

1. короткие замыкания на В Л между полюсами во всех схемах плавки (двухполюсные КЗ);
2. короткие замыкания полюса на землю, в том числе с обрывом провода, в схемах плавки с заземленным полюсом ВУ (однополюсные КЗ);
3. короткие замыкания на землю в сети переменного напряжения ВУ с заземленным полюсом;
4. замыкания полюса на землю, в том числе с обрывом провода, в схемах плавки без заземления полюса ВУ;
5. замыкания на землю в сети переменного напряжения ВУ в схемах плавки без заземления полюса ВУ;
6. обрыв провода (троса) ВЛ без замыкания на землю во всех схемах плавки;
7. пробой плеча ВУ;
8. неисправности ВУ;
9. перегрузка электрооборудования УПГ в утяжеленном повторнократковременном режиме плавки, в частности, при использовании цепи через землю для шунтирования одной или двух фаз ВЛ.

В состав предлагаемого комплекса релейной защиты и диагностики входят следующие устройства.

1. Максимальная токовая защита (МТЗ) на стороне переменного напряжения ВУ без выдержки времени (по существу, токовая отсечка), отстроенная с коэффициентом запаса 1,2 от начального тока плавки при минимальной температуре провода, действует на отключение выключателя УПГ при повреждениях 1), 2), 3). При повреждениях 1), 2) защита имеет «мертвую» зону в конце ВЛ при плавке с одной стороны ВЛ (п.6.2).

Для снижения времени отключения близких КЗ (между полюсами на выводах ВУ) в некоторых случаях может потребоваться сверхбыстродействующая токовая отсечка со специальными тиристорными реле РИ-1 (п.6.6).

1. Релейная защита от КЗ на землю (РКЗЗ) выполняется с использованием импульсного реле РИ-2, которое подключается к специальному трансформатору тока ТТ (п.5.4), устанавливаемому в цепи защитного заземления полюса ВУ (п.6.5). Защитное заземление должно подключаться к специальному выносному заземлителю (п.п.3.3,5.5). Защита РКЗЗ действует на отключение выключателя УПГ при повреждениях 2) и 3) и не имеет «мертвой» зоны. При использовании в качестве ВУ двух последовательно включенных групп выпрямительных мостов, питаемых от различных источников, РКЗЗ фиксирует полюс ВУ или сеть переменного напряжения той группы выпрямительных мостов, где при зоною КЗ на землю.

3.                     Релейная защита от замыканий на землю (РЗЗ) применяется в схемах плавки без заземления полюса ВУ (п.6.3). Содержит два реле, реагирующих па токи противоположной полярности, которые подключаются между выносным заземлителем и поочередно без разрыва цепи к одному из двух выводов делителя выпрямленного напряжения ВУ. Устройство нс имеет «мертвой» зоны, распознает повреждения 4) и 5), резервирует МТЗ при КЗ между полюсами с замыканием на землю, выявляет поврежденный участок ВЛ.

1. Минимальная токовая защита (однорелейная), отстроенная с коэффициентом запаса от минимального тока плавки при максимальной температуре провода, действует на отключение выключателя УПГ при повреждениях 6), а также при отключении второй УПГ, если для плавки гололеда используются две УПГ по концам ВЛ (п.6.2.5).
2. Релейная защита от пробоя плеча ВУ (РЗ от ΠΓΙ) селективно выявляет пробой плеча ВУ, т.е. не срабатывает при повреждениях других видов (п.6.4). Селективное выявление пробоя плеча ВУ необходимо для реализации одного из способов отключения УПГ, рассмотренных в п.5.1, например, для отключения воздушного выключателя на стороне ВН питающего трансформатора до отключения выключателя УПГ.
3. Сигнализация неисправностей ВУ осуществляется встроенными устройствами. Основное из них — устройство сигнализации пробоя вентилей в каждом плече выпрямительного моста. Один из вариантов содержит релейное устройство, включенное в диагональ нормально уравновешенной мостовой схемы, образованной двумя половинами плеча и шунтирующими резисторами. Его недостаток — нечувствительность к пробою одинакового числа последовательно включенных вентилей в обеих половинах плеча. Известны устройства, осуществляющие индивидуальный контроль состояния вентилей, сигнализацию и отключение ВУ при повреждении более допустимого количества вентилей в плече. Однако повышение глубины распознавания приводит к усложнению устройства и снижению надежности функционирования ВУ. Поэтому необходимо определить оптимальный вариант устройства в сочетании с объемом регламентных испытаний вентилей перед «пробными» плавками.
4. Защита от перегрузки электрооборудования в утяжеленном повторно-кратковременном режиме плавки может выполняться устройством управления плавкой гололеда (включение — отключение УПГ), основанном на использовании математических моделей электротепловых процессов в воздушной линии, выпрямительной установке и трансформаторе (п.4.1).
5. Устройство определения места повреждения на ВЛ при плавке гололеда (п.6.8).

При плавке гололеда переменным током в распределительных электрических сетях 6-35кВ особенностью их релейной защиты является необходимость блокировки отдельных чувствительных устройств РЗ и ввод специальных устройств РЗ на подстанциях и пунктах АВР на период
плавки гололеда. Выполнение РЗ и выбор уставок срабатывания устройств РЗ этих сетей подробно рассмотрены в [43].
В сети 110 кВ при плавке гололеда токами нагрузки возможен «разомкнутый» и «замкнутый» режимы работы, что определяет выполнение релейной защиты.
В первом случае, когда имеется постоянная, заранее определенная точка разрыва, разомкнутые части сети получают одностороннее питание, а защита и автоматика резко упрощаются: можно обойтись многоступенчатыми токовыми направленными защитами от междуфазных КЗ и КЗ на землю, простыми (без контроля напряжения и синхронизма) АПВ. Во втором случае сеть должна быть оснащена сложными устройствами релейной защиты и автоматики: дистанционными и «земляными» направленными защитами со встречно-ступенчатыми характеристиками выдержки времени, на некоторых участках - высокочастотными или продольными дифференциальными защитами, устройствами АПВ с контролем напряжения и синхронизма, устройствами автоматического деления системы при асинхронном режиме или перегрузке оборудования. Применение сложных устройств требует повышение квалификации служб РЗА. Тем не менее повышение затрат, по мнению авторов [13], с лихвой окупается положительным эффектом от работы сети в замкнутом режиме.