2. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТЫ ШИН 6—10 кВ
Как показывает опыт эксплуатации, на сборных шинах 6—10 кВ тепловых электростанций в редких случаях могут возникнуть междуфазные КЗ в результате различных повреждений на этих шинах. К причинам, вызывающим эти повреждения, относятся перекрытие шинных изоляторов, вводов выключателей, измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения, поломка изоляторов разъединителей при операциях с ними, а также ошибки дежурного персонала при переключениях в распределительном устройстве 6—10 кВ.
Однофазные КЗ на землю на сборных шинах 6—10 кВ не возникают, так как сети 6—10 кВ в СССР работают или с изолированной нейтралью генераторов и трансформаторов, или как компенсированные, и поэтому для тока повреждения отсутствует электрическая цепь с относительно малым сопротивлением. При замыкании одной из фаз на землю в сети с изолированной нейтралью через место повреждения будут проходить только емкостные токи, обусловленные напряжением и емкостью неповрежденных фаз сети. При этом напряжение поврежденной фазы по отношению к земле становится равным нулю, а напряжения двух других фаз становятся равными междуфазным напряжениям, которые в этом режиме практически не изменяются, что обеспечивает нормальную работу потребителей.
Компенсацию емкостных токов, возникающих при замыкании на землю, осуществляют с помощью дугогасящего реактора (катушки), который устанавливается в заземленной нейтрали какого-либо трансформатора, присоединенного к сборным шинам 6—10 кВ. При наличии дугогасящего реактора кроме емкостных токов в месте замыкания на землю проходят и индуктивные токи, замыкающиеся через реактор. Эти токи противоположны по фазе, и в месте повреждения остаточный ток равен их разности.
В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» [8] допускается работа сети 6—10 кВ с замыканием на землю в течение 2 ч. В связи с этим в данном режиме не требуется автоматического отключения источников питания от сборных шин. За указанный промежуток времени дежурный персонал электрической станции принимает меры к отысканию места повреждения (по приборам контроля изоляции участков сети 6—10 кВ). При двойной системе шин, как правило, дежурный персонал переводит все присоединения с поврежденной системы шин на неповрежденную.
На сборных шинах 6—10 кВ возможны и двойные замыкания на землю, если одновременно одна фаза на сборных шинах замкнется на землю, а другая фаза — в какой- либо другой точке сети. Такое повреждение возникает при ослабленной изоляции из-за перенапряжений, появляющихся при однофазном замыкании на землю. При этом ток в месте повреждения будет примерно такой же, как при двухфазном КЗ на шинах. Такое повреждение должно быть как можно быстрее отключено с помощью соответствующей защиты.
При наличии двойной системы шин 6—10 кВ и переводе на исправную свободную систему шин всех элементов, присоединенных к системе шин с однофазным замыканием на землю, уменьшается возможность возникновения двойного замыкания на землю, приводящего к обесточению работающей системы шин.
Для отключения КЗ на сборных шинах 6—10кВ тепловых электрических станций можно использовать установленные на генераторах и трансформаторах связи максимальную токовую защиту с пуском по напряжению, действующую при трехфазных КЗ, и токовую защиту обратной последовательности, действующую при двухфазных КЗ. Однако эти защиты работают с большой выдержкой времени (до 6—8 с), что может привести к значительному увеличению размеров повреждений на шинах и к длительно-
му понижению напряжения на поврежденной и соседних неповрежденных секциях сборных шин. В связи с этим для ускорения ликвидации КЗ в ПУЭ [8] предусматривается установка специальной релейной защиты шин 6—10 кВ, которая должна действовать без выдержки времени при повреждениях на этих шинах на отключение всех присоединений, питающих поврежденные шины: генератора, трансформатора связи с энергосистемой и секционных реакторов, подключенных к поврежденной секции. Она также должна действовать на отключение линии или трансформатора собственных нужд, присоединенных к поврежденной системе шин, чтобы ускорить действие устройства автоматического включения резервного источника питания (АВР) собственных нужд.
В соответствии с [8] в качестве основной защиты сборных шин 6—10 кВ с реактированными линиями используется неполная дифференциальная токовая защита шин (ДЗШ). В отличие от полной дифференциальной токовой защиты шин, которая применяется при напряжениях шин 35—500 кВ с установкой трансформаторов тока на всех присоединениях, связанных с этими шинами, при напряжении 35 кВ — с установкой на фазах А и С, а при напряжениях 110—500 кВ — на всех трех фазах, неполная дифференциальная токовая защита шин 6—10 кВ выполняется на трансформаторах тока двух фаз (Л и С), установленных только на питающих элементах, присоединенных к рассматриваемой системе шин (генераторе, трансформаторе связи, секционном реакторе, шиносоединительном выключателе, трансформаторе собственных нужд 10/6 кВ).
Установка трансформаторов тока в цепи трансформатора собственных нужд обеспечивает отключение повреждений в нем от собственных защит трансформатора и недействие. защиты шин при этих повреждениях, поскольку они оказываются вне зоны ее действия, что позволяет сохранить в работе соответствующую систему шин.
При схеме полной дифференциальной токовой защиты шин в нормальном режиме в реле тока защиты проходит разность токов, притекающих к шинам и утекающих от них. Поскольку эти токи равны друг другу, в нормальном режиме тока в реле нет за исключением токов небаланса, обусловленных погрешностью трансформаторов тока.
При схеме неполной дифференциальной токовой защиты шин в нормальном режиме в реле протекает суммарный ток нагрузки, потребляемый отходящими линиями 6— 10 кВ. В случае повреждения на питающем элементе за
трансформаторами тока неполной дифференциальной защиты шин последняя ведет себя как обычная дифференциальная токовая защита — она не действует при внешнем коротком замыкании.
Токовые реле неполной дифференциальной защиты шин включаются на сумму вторичных токов всех питающих элементов. Трансформаторы тока отходящих линий к защите шин не подключаются. Это упрощает схему защиты. по сравнению со схемой полной дифференциальной защиты шин.
Как правило, трансформаторы тока для неполной дифференциальной токовой защиты шин 6—10 кВ выбираются с одинаковым коэффициентом трансформации, что исключает необходимость выравнивания вторичных токов на всех питающих элементах и повышает надежность защиты.
В реле тока неполной дифференциальной защиты шин 6—10 кВ проходит ток, равный геометрической сумме вторичных токов трансформаторов тока только питающих элементов; в реле проходит ток, соответствующий суммарной нагрузке. Поэтому в нормальном режиме защита шин представляет собой максимальную токовую защиту., действующую без выдержки времени на отключение всех питающих элементов в случае возникновения повреждений на шинах 6—10 кВ или на линиях до реакторов.
Неполная дифференциальная токовая защита шин не действует при КЗ в генераторе, в трансформаторе связи, а также в трансформаторе собственных нужд и за секционным реактором, так как при указанных повреждениях токи, поступающие в реле от трансформаторов тока защиты шин, уравновешиваются, как в обычной схеме полной дифференциальной защиты.
При повреждениях на отходящих линиях токи КЗ и нагрузки не балансируются, так как токи, проходящие по линиям, не влияют на работу реле, поскольку на них не установлены трансформаторы тока, которые участвовали бы в схеме защиты шин. В этом случае ток в реле тока защиты соответствует сумме токов КЗ, которые текут к месту повреждения от всех источников питания, и суммарного тока нагрузки линий. Эта особенность учитывается при выборе уставок защиты шин.
Как указано выше, в нормальном режиме в реле тока защиты проходит ток, соответствующий сумме токов, идущих от источников питания к линиям, и защита шин не срабатывает, потому что ток срабатывания выбирается большим, чем суммарный ток нагрузки линий.
Защита шин 6—10 кВ с генераторами мощностью до 60 МВт
Защита шин 6—10 кВ с генераторами мощностью до 60 МВт в соответствии с [8] выполняется в виде неполной дифференциальной токовой защиты.
Для секционированных шин 6—10 кВ с генераторами мощностью не более 12 МВт допускается не предусматривать специальную защиту; при этом ликвидация КЗ на шинах должна осуществляться действием максимальных токовых защит генераторов.
Неполная дифференциальная токовая защита состоит из двух ступеней. Первая ступень выполняется как токовая отсечка, а при недостаточной ее чувствительности она выполняется как комбинированная отсечка по току и напряжению.
Вторая ступень защиты представляет собой чувствительную максимальную токовую защиту с выдержкой времени, которая для обеспечения отключения КЗ за линейным реактором должна иметь повышенную чувствительность. Она служит и для резервирования первой ступени защиты шин, а также защит отходящих линий 6—10 кВ.
При схеме первичных соединений элементов 6—10 кВ с двойной секционированной системой шин с фиксированным распределением элементов предусматривается неполная дифференциальная токовая защита шин в исполнении для фиксированного распределения элементов, которая обеспечивает селективное отключение поврежденной рабочей или резервной системы шин.
На электростанциях с генераторами мощностью менее 60 МВт на отходящих линиях 6—10 кВ выключатели, установленные до реакторов, не рассчитаны на отключение КЗ до реакторов. На таких линиях устанавливается не токовая отсечка с действием без выдержки времени на отключение выключателя линии, а максимальная токовая защита с выдержкой времени. Поэтому первая ступень неполной дифференциальной токовой защиты шин действует без выдержки времени при повреждениях на шинах 6—10 кВ или в начальных витках реактора линии на отключение всех питающих элементов, подключенных к защищаемым шинам.
В рассмотренных ниже схемах защиты двойной системы шин 6—10 кВ предусмотрено замедление отключения всех выключателей питающих элементов при опробовании одной из систем шин с использованием защиты шин соответствующей секции. Опробование производится с помощью включения соответствующего ШСВ, на который защита шин действует без выдержки времени в случае по- вреждений на опробуемой системе шин. При опробовании Кратковременно автоматически снимается постоянный ток в выходных реле защиты, действующих на отключение всех питающих элементов, за исключением ШСВ. Выведение указанных выходных реле из действия происходит при включении ШСВ от его ключа управления.
Если при опробовании резервной системы шин держать ключ управления ШСВ долго во включенном состоянии, то Защита шин не сможет подействовать в случае возникновения повреждения на рабочей системе шин, так как выходные реле защиты не сработают. Это является недостатком схем защиты шин, приведенных в [4]. В связи с этим были внесены соответствующие изменения в ранее разработанные схемы, позволяющие при опробовании свободной системы шин восстанавливать через заданное время цепь пуска выходных реле защиты шин.
Следует отметить, что можно использовать два способа опробования резервной системы шин 6—10 кВ включением ШСВ. Первый способ, изложенный выше, предусматривает включение ШСВ без установленной на нем защиты с использованием неполной дифференциальной защиты шин соответствующей секции 6—10 кВ. Эта защита при повреждении на опробуемой системе шин отключает без выдержки времени ШСВ и не действует на отключение питающих элементов. При исправности опробуемой системы шин ШСВ остается включенным, после чего производится перевод разъединителей присоединений на опробуемую систему шин и отключаются ранее включенные разъединители от другой системы шин.
Если освобожденная система шин подлежит ревизии или ремонту, то у ШСВ отключаются его разъединители от обеих систем шин, что дает возможность произвести его ремонт или ревизию.
При использовании вышеуказанного первого способа опробования резервной системы шин трансформаторы тока ШСВ в схеме защиты шин должны быть отсоединены от схемы защиты, что обеспечивает действие защиты шин в случае повреждения на опробуемой системе шин. Для этого следует вынуть крышку испытательного блока в цепях трансформаторов тока ШСВ, что приведет к их закорачиванию и отключению от схемы защиты шин.
При втором способе опробования резервной системы шин 6—10 кВ защита шин не используется, требуется включение собственной защиты на ШСВ и установка крышки испытательного блока в токовых цепях трансформаторов тока ШСВ для дешунтирования их и введения; в схему токовых цепей защиты шин. При этом повреждения на опробуемой системе шин будут уже вне зоны действий защиты (за трансформаторами тока ШСВ). При исправности опробуемой системы шин ШСВ остается включенным, защита на нем выводится из действия, закорачиваются его трансформаторы тока в схеме защиты шин (устанавливается крышка испытательного блока), после чего производится перевод разъединителей с рабочей системы шин на резервную.
Следует отметить, что выведение из действия защиты на ШСВ до производства операций по переводу разъединителей присоединений необходимо для предотвращения отключения ШСВ его защитой от токов нагрузки, в результате чего возможны включение и отключение разъединителями токов нагрузки при отключенном ШСВ, а это недопустимо, так как может вызвать перекрытие на шинах. В случае возникновения КЗ на шинах во время перевода разъединителей оно ликвидируется защитой шин, отключающей все питающие элементы.
При сравнении вышеуказанных способов опробования резервной системы шин видно, что использование в этом случае собственной максимальной токовой защиты, установленной на ШСВ, требует выполнения в определенной последовательности значительно большего числа операций, чем первый способ с использованием защиты шин. При втором способе возможны неправильные действия дежурного персонала, которые могут привести к отключению и включению разъединителем токов нагрузки.
В связи с этим в принятых схемах защиты шин 6—10 кВ в режиме опробования резервной системы шин используется неполная дифференциальная защита рабочей системы шин действующая без выдержки времени на отключение
Все схемы защиты шин 6—10 кВ и защит, установленных на ШСВ и секционном реакторе, имеют двухфазное двухсистемное исполнение. Трансформаторы тока защиты выбираются с одинаковым коэффициентом трансформации и устанавливаются на фазах Л и С. На этих же фазах установлены трансформаторы тока для защит других элементов в данной сети генераторного напряжения.
Заземление цепей трансформаторов тока защиты шин предусматривается в одной точке в удобном для подключения месте, обычно на панели защиты.
Защита шин 6—10 кВ тепловых электростанций с генераторами мощностью 63—100 МВт
Защита шин 6—10 кВ тепловых электростанций с генераторами мощностью 63—100 МВт. Как указано в § 1, на современных мощных тепловых электростанциях с генераторами мощностью 63—100 МВт реакторы отходящих линий 6—10 кВ подключаются к сборным шинам без выключателей. Поэтому при применении описанной выше двухступенчатой неполной дифференциальной токовой защиты шин вторая ступень этой защиты должна обладать достаточной чувствительностью для отключения КЗ между реактором и установленным после него выключателем. Однако, как показали расчеты, вторая ступень указанной защиты не обладает требуемой чувствительностью (коэффициент чувствительности защиты ft4<l,5), так как суммарный ток нагрузки на секцию шин 6—10 кВ в режиме, когда одна из крайних секций отключена, примерно равен току КЗ за линейным реактором.
В связи с этим на указанных ТЭЦ защита шин 6—10кВ выполняется с помощью двух устройств защиты: неполной дифференциальной токовой защиты и максимальной токовой защиты с поэлементным охватом реакторов питаемых линий, предложенной инженерами В. Н. Вавиным, А. 3. Абрамович и И. 3. Флеровой.
Неполная дифференциальная токовая защита предназначена для быстрого отключения повреждений на сборных шинах и в начальных витках реакторов отходящих линий.
Она выполняется в виде комбинированной токовой отсечки с пуском по напряжению, что повышает ее чувствительность.
Поэлементная максимальная токовая защита предназначена для действия при повреждениях в реакторе и в peакторной сборке и используется также для резервирования Защит отходящих линий 6—10 кВ.
Она выполняется в виде отдельных комплектов, включаемых на трансформаторы тока, установленные со стороны шин 6—10 кВ до реакторов отходящих линий. Эта защита дополняется устройством, предотвращающим ее ложное срабатывание при проверках защиты на отключенной линии, в качестве которого применяется устройство типа КРБ-126 (на некоторых станциях применено ныне снятое с производства устройство типа КРБ-122).
В схеме защиты шин предусмотрена установка максимальной токовой защиты на секционном реакторе, которая нормально выведена из действия и вводится в работу в режиме опробования шин включением секционного реактора, а также в некоторых других режимах.
Все вышеуказанные защиты имеют двухфазное двухрелейное исполнение с установкой трансформаторов тока на фазах А и С. Приведенные далее схемы защит шин выполнены для электрических станций с одним генератором на секцию. Но так как на напряжении 10 кВ могут параллельно работать два генератора мощностью по 63 МВт на секцию, в выходных реле защиты предусмотрен резервный контакт для отключения и второго генератора.
Неполная дифференциальная токовая защита действует на отключение всех питающих элементов, в том числе генератора, что обеспечивает полное обесточение шин и уменьшение развития повреждений на шинах.
Максимальная токовая защита с поэлементным охватом питаемых линий выполнена с действием на отключение с выдержкой времени всех питающих элементов, в том числе генератора. При этом обеспечивается надежное резервирование отключения КЗ за реакторами питаемых линий в случае отказа из-за большого остаточного напряжения максимальной токовой защиты с пуском по напряжению, установленной на генераторе, при трехфазном КЗ за реактором линии.
Неполная дифференциальная токовая защита
Неполная дифференциальная токовая защита выполняется с помощью реле тока и реле минимального напряжения. Она представляет собой комбинированную отсечку по току и напряжению. Токовые органы включаются на сумму вторичных токов трансформаторов тока (с одинаковыми коэффициентами трансформации), установленных на питающих элементах и трансформаторе собственных нужд, если он имеется.
В целях улучшения отстройки защиты от токов небаланса, проходящих в реле тока при сквозных КЗ, токовые органы защиты выполняются с помощью реле тока типа РНТ-560, содержащих быстронасыщающиеся трансформаторы, поэтому они не реагируют на апериодическую составляющую тока КЗ.
Орган напряжения защиты выполняется с помощью трех реле минимального напряжения типа РН-54/160, включенных на три междуфазных напряжения, которые подаются от трансформатора напряжения, установленного на шинах.
Рассматриваемая защита не действует при КЗ за реакторами отходящих линий, так как она отстраивается от них по току и напряжению.
Поэлементная максимальная токовая защита реакторов отходящих линий
Поэлементная максимальная токовая защита реакторов отходящих линий выполняется с помощью токовых реле, которые подключаются к трансформаторам тока, специально установленным в цепях реакторов питаемых линий 6— 10 кВ и линий собственных нужд 6 кВ электростанций со стороны сборных шин 6—10 кВ. Эта защита состоит из отдельных комплектов токовых реле, устанавливаемых на фазах Л и С каждой отходящей линии. Каждый комплект, состоящий из двух реле тока типа РТ-40, действует на отключение всех питающих элементов через общее реле времени, которое в свою очередь действует на выходные промежуточные реле защиты шин.
Поэлементная максимальная токовая защита является многорелейной, и поэтому возможно ее ложное действие из-за ошибок персонала при проверке защиты. В связи с этим, как указано выше, она дополняется устройством блокировки типа КРБ-126, которое вводит ее в действие только при возникновении КЗ на линии.
Опыт эксплуатации устройств релейной защиты шин 6—10 кВ с генераторами 63—100 МВт, выполненных в соответствии с вышеизложенными принципами, показал, что в них необходимо внести ряд изменений и дополнений. Поэтому в институте Теплоэлектропроект были разработаны новые схемы защит шин 6—10 кВ для тепловых электростанций с генераторами мощностью 63—100 МВт, которые применяются в настоящее время на мощных ТЭЦ.
Для защиты шин генераторного напряжения 6—10 кВ предусматриваются, как и в прежних схемах, неполные дифференциальные токовые защиты и поэлементные максимальные токовые защиты для отходящих реактированных линий. Кроме того, применяется ранее не предусмотренная дифференциальная токовая защита секционного реактора.
Новая неполная дифференциальная токовая защита в отличие от прежде применявшихся не реагирует на повреждения в секционном реакторе, который оснащается собственной продольной дифференциальной токовой защитой. Защита выполняется также в виде комбинированной отсечки по току и напряжению с помощью двух реле тока, включенных на сумму токов трансформаторов тока с одинаковыми коэффициентами трансформации, установленных на питающих элементах и на трансформаторе собственных нужд. Для улучшения отстройки от токов небаланса при сквозных КЗ токовые органы защиты выполняются с помощью дифференциальных реле тока типа РНТ-567. Орган напряжения защиты, состоящий из трех реле минимального напряжения, питается от трансформатора напряжения установленного на сборных шинах 6—10 кВ. Для контроля исправности цепей трансформатора напряжения используется центральное устройство, предусмотренное в схеме его вторичных цепей.
Дифференциальная токовая защита секционного реактора
Дифференциальная токовая защита секционного реактора в прежних схемах защиты шин 6—10 кВ отсутствовала. При повреждении между реактором и секционным выключателем отключались обе секции: секция, к которой присоединен секционный выключатель, отключалась от защиты шин данной секции, а вторая секция, к которой секционный реактор присоединен без выключателя, отключалась от максимальной токовой защиты этого реактора, которая автоматически вводилась в действие от контактов реле контроля положения секционного выключателя РПВ, замыкающихся при отключении этого выключателя. Для сохранения в работе секции, к которой присоединен выключатель секционного реактора, и предусматривается установка отдельной дифференциальной токовой защиты секционного реактора. Эта защита при повреждениях в реакторе, а также между реактором и секционным выключателем действует на выходные промежуточные реле защиты шин секции, к которой секционный реактор подключен без выключателя. От этих реле без выдержки времени отключаются все питающие элементы, а также секционные выключатели, связывающие эту секцию с другими смежными секциями. Таким образом сохраняются в работе при повреждениях в секционном реакторе другие секции, что повышает надежность питания потребителей.
В связи с применением этой защиты секционный выключатель устанавливается со стороны шин 6—10 кВ, а трансформаторы тока, которые ранее были установлены со стороны шин, устанавливаются между выключателем и реактором. При этом появляется зона возможной неселективной работы защиты шин при повреждениях на участке между секционным выключателем и его трансформаторами тока. В этом случае дифференциальная токовая защита секционного реактора не действует, так как КЗ находится вне зоны действия этой защиты. В действие приходит неполная дифференциальная токовая защита шин секции, к которой подключен секционный выключатель, так как место КЗ находится в зоне действия этой защиты (до трансформаторов тока данной защиты), и происходит отключение всех питающих элементов, присоединенных к этой секции. Для защиты шин второй секции, к которой секционный реактор присоединен без выключателя, рассматриваемое повреждение находится вне зоны действия (за трансформаторами тока этой защиты), поэтому она не действует. Однако эта секция отключается от установленной на секционном реакторе максимальной токовой отсечки, которая автоматически вводится в действие после отключения секционного выключателя от зашиты шин смежной секции. Таким образом, при повреждениях в указанном месте отключаются обе секции шин 6—10 кВ. Эту зону неселективной работы защиты шин стараются свести до минимума, и обычно она составляет примерно 2—4 м.
Поэлементная максимальная токовая защита отходящих реактированных линий 6—10 кВ
Поэлементная максимальная токовая защита отходящих реактированных линий 6—10 кВ в части токовых цепей в новых схемах защиты шин 6—10 кВ выполняется так же, как и в ранее разработанных схемах. В этих схемах при выводе для проверки неполной дифференциальной токовой защиты шин (при снятии крышки испытательного блока в цепях постоянного и переменного тока защиты шин) одновременно выводилась из действия поэлементная токовая защита, вследствие чего реакторы отходящих линий оставались без защиты, а защита, установленная на линиях после реакторов, лишалась резервирования. Для устранения этого недостатка в схемах, применяемых в настоящее время, предусматривается на время вывода в ревизию неполной дифференциальной токовой защиты перевод действия пусковых органов поэлементной токовой защиты с помощью переключателя на специально предусмотренные реле времени и промежуточные реле для отключения питающих элементов при повреждении в реакторе или при отказе защит отходящих линий. Этим переключателем выводится из действия также контакт блокирующего реле в устройстве КРБ-126, вследствие чего защита лишается контроля наличия повреждений на линиях, что в связи с кратковременностью данного режима считается допустимым.
