ОПТИЧЕСКИЕ ДУГОВЫЕ ЗАЩИТЫ КРУ 6–10 КВ
ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ НА ПОДСТАНЦИИ

Владимир Нагай, д.т.н., профессор кафедры «Электрические станции», зам. директора НИИ Энергетики Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), г. Новочеркасск

Алексей Рыбников, директор филиала ОАО «Ростовэнерго» Западные электрические сети, г. Шахты

Алексей Луконин, аспирант кафедры «Электрические станции» ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск

Внутренние короткие замыкания, сопровождаемые электрической дугой, представляют чрезвычайно большую опасность для комплектных распределительных устройств подстанций 6–10 кВ. Последствия – травматизм персонала и материальный ущерб (вплоть до разрушения подстанции), а также убытки, вызванные длительным отключением потребителей. Справиться с дуговыми КЗ призваны клапанные, фототиристорные или оптические дуговые защиты. Наиболее совершенными и надежными специалисты признают последние.
Владимир Иванович Нагай в нашем журнале («Новости ЭлектроТехники» № 5(23) 2003, www.news.elteh.ru) уже писал об оптических быстродействующих релейных защитах от дуговых КЗ, принципах их работы и построения, путях совершенствования. Сегодня он и его соавторы, основываясь на своем опыте разработки и внедрения оптических дуговых защит, формулируют ряд предложений по минимизации аппаратных затрат на выполнение защиты и адаптации устройств к условиям эксплуатации.

Распределительные устройства (РУ) напряжением 6–10 кВ, как правило, выполняются в виде комплектных распределительных устройств КРУ(Н) внутренней и наружной установки, основными достоинствами которых являются малые габаритные размеры, высокая степень готовности к монтажу и наладке.
Ограниченная локализационная способность КРУ(Н) при внутренних коротких замыканиях через электрическую дугу, обычно не превышающая 1 с, порождена их малыми габаритными размерами. Данная проблема усугубляется тем, что КРУ, введенные в эксплуатацию в прошлом столетии, чаще всего не оснащены полноценной быстродействующей защитой от дуговых КЗ или их защита, например клапанная, реагирующая на приращения давления, не отвечает современному состоянию техники. Это обусловило введение в нормативные материалы (ПТЭ) и директивные указания РАО «ЕЭС России» требования об оснащении КРУ быстродействующими защитами от внутренних дуговых КЗ.
В настоящее время в области быстродействующих защит от данного вида повреждений доминирующее положение занимают защиты, использующие принцип контроля светового потока и тока [1–9]. В качестве оптических датчиков используются фототиристоры, транзисторы, диоды, резисторы или волоконно-оптические линии. На выполнение дуговой защиты существенно влияют как исполнение оптического датчика, измерительных органов, так и конструктивное выполнение РУ, требования к выходным воздействиям.
Авторы данного материала на основе своего опыта разработки и внедрения дуговых защит с оптическими датчиками с применением фотоприборов попытались сформулировать ряд предложений по минимизации аппаратных затрат и адаптации к условиям эксплуатации на примере двухтрансформаторной подстанции, имеющей на стороне низшего напряжения две секции, а на стороне высшего напряжения – выключатели или отделители с короткозамыкателями (рис.1). Это также необходимо для сокращения времени монтажа дуговой защиты в условиях действующих подстанций, т.к. в этом случае требуется отключение секции и подключение потребителей к другим источникам.

Секции соединены друг с другом секционным выключателем и разъединителем. С целью минимизации аппаратных затрат на выполнение защиты, обеспечения требуемой надежности питания и быстродействия, КРУ условно разделено на несколько зон (их расположение приведено на рис. 1), при КЗ в которых воздействие защиты однотипно. При КЗ в зоне 1 требуется воздействие на коммутационные аппараты стороны высшего напряжения, в то время как при КЗ в зоне 2 достаточно воздействия на вводный и секционный выключатели.

1 – ячейка вводного выключателя;
2 – сборные шины (шинный мост);
3 – секционный выключатель;
4 – секционный разъединитель;
5, 6 – отсеки высоковольтного выключателя линейной ячейки и трансформаторов тока и кабельной разделки соответственно.

Ликвидация КЗ в ячейке секционного выключателя требует отключения вводных выключателей двух вводов, а при КЗ в зоне 4, т.е. в ячейке секционного разъединителя, достаточно ограничиться отключением секционного выключателя и ближайшего к месту повреждения вводного выключателя.
Отключение КЗ в отсеке линейного выключателя (зона 5) зависит от типа данного коммутационного аппарата. При использовании маломасляных выключателей их отключение в этом случае нецелесообразно из-за возможного взрыва воздушно-водородной смеси газов, и логика действия при этом аналогична логике ликвидации повреждения в зоне 2.
При использовании вакуумных выключателей возможно воздействие на них при КЗ в зоне 5. Воздействие защиты при КЗ в зоне 6 также зависит от конструктивного исполнения ячейки. В случае наличия оптической связи зон 5 и 6 селективное выявление поврежденного отсека практически не представляется возможным из-за многократных отражений светового потока, т.е. предлагается воздействие на вводный и секционный выключатель.
В противном же случае, когда отсутствует возможность попадания светового потока из одного отсека в другой, с целью минимизации объема повреждения предлагается отключение линейного выключателя.

С учетом изложенной концепции можно выполнить различные варианты дуговой защиты, отличающиеся в том числе и схемами включения оптических датчиков. При этом авторами условно приняты следующие термины:

• «продольное включение датчиков», что соответствует их объединению в одноименных отсеках (зонах), например, в шинном мосте, отсеках выключателей, отсеках трансформаторов тока и кабельной разделки;
• «поперечное включение датчиков» – объединение датчиков разных отсеков (разных зон),
• «продольно-поперечное включение датчиков» – сочетание первого и второго приемов.

Рис. 2. Варианты включения оптических датчиков и измерительных органов

Примеры реализации

Решение основной задачи рассматриваемой защиты – ликвидацию без выдержки времени внутренних дуговых КЗ авторы сочли возможным продемонстрировать на базе релейных дуговых защит типа РДЗ, разработанных в ЮРГТУ (НПИ) при их непосредственном участии и прошедших испытания (в том числе и натурные) и многолетнюю эксплуатацию в филиале ОАО «Ростовэнерго» Западные электрические сети.
Защита одиночных ячеек возможна на базе одноканальных и двухканального реле [11–12], предназначенных для подстанций с постоянным и переменным оперативным током и допускающих параллельное подключение до 6 оптических датчиков, что позволяет осуществить защиту до 6 ячеек. Такое выполнение защиты не позволяет обеспечить селекцию поврежденной ячейки (зоны). Увеличение числа ИО снимает данную проблему. Примеры реализации приведены на рис. 2.
Выполнение дуговой защиты на основе микропроцессорной централизованно-распределенной системы, состоящей из центрального управляющего устройства (ЦУУ), локальных модулей сбора и обработки информации (ЛМСОИ) и собственно оптических датчиков, позволяет реализовать гибкие алгоритмы функционирования с селекцией поврежденной ячейки и формированием сигналов отключения в соответствии с вышерассмотренными подходами и предаварийным состоянием защищаемого оборудования.
Промежуточным решением между реализацией дуговой защиты на основе локальных устройств и централизованно-распределенных (централизованных) систем является использование устройства групповой защиты, имеющего 6 независимых каналов и показанного на рис. 3. Это позволяет минимизировать аппаратные затраты при реализации защиты, что особенно эффективно для секций с малым числом присоединений (5–6 присоединений), применив при этом поперечное включение оптических датчиков. Воздействие дуговой защиты в данном случае предполагается на вводный и секционный выключатели.

Рис. 3. Вариант выполнения защиты с селекцией поврежденной ячейки и отключением секции вводным и секционным выключателямина основе многоканального устройства

Рис. 4. Вариант выполнения защитыс селекцией поврежденного отсека ячейки и возможностью отключения линейного выключателя

Рис. 5. Вариант выполнения защиты с селекцией поврежденной линейной ячейки, шинного моста и отключением секции вводным и секционным выключателями

Таким образом, минимизация аппаратных затрат и объемов монтажных и наладочных работ дуговой защиты распределительных устройств напряжением 6–10 кВ может быть достигнута за счет оптимального включения оптических датчиков и измерительных органов, сочетания локальных, групповых и централизованных устройств с учетом конструктивных особенностей и числа ячеек КРУ и коммутационных аппаратов.
Для подстанций с небольшим числом ячеек на одной секции (5–8 ячеек) обосновано применение одного многоканального устройства для линейных ячеек и локальных устройств для вводного и секционного выключателей, что упростит реализацию дуговой защиты, снизит ее стоимость, значительно сократит время монтажа.

1. Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. – М.: Энергоатомиздат, 2002. – 312 с.
2. Нагай В.И. Выбор и техническая реализация быстродействующих защит КРУ от дуговых коротких замыканий // Электро. – 2002.– № 1. – С. 35–39.
3. Нагай В.И. Быстродействующие дуговые защиты КРУ: современное состояние и пути совершенствования // Новости ЭлектроТехники. – 2003. – № 5(23). – С. 48–52.
4. Демьянович М.В., Евреев А.И., Пименов А.В. и др. Новая дуговая защита для комплектных распределительных устройств // Энергетик. – 2001. – № 5 – С. 24.
5. 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.
6. Калачев Ю.Н., Шевелев В.С. Устройство дуговой защиты для ячеек КРУ 6–10 кВ // Энергетик. – 2001.– № 1. – С. 25–26.
7. Григорьев В.А., Милохин В.Е., Палей Э.Л. Волоконно-оптическая дуговая защита ячеек КРУ 6–10 кВ // Энергетик. – 2002. –№ 2. – С. 23–24.
8. Крылов И.П. Устройство быстродействующей селективной световой дуговой защиты БССДЗ-01/02 // Сборник тезизов докладов 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.
9. 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. 10. Нагай В.И., Сарры С.В., Котлов М.М. Оптико-электрическая дуговая защита КРУН 6–10 кВ // Энергетик. – № 8. – 2000. – С. 38–39.
11. Нагай В.И., Сарры С.В., Войтенко А.С. Релейная защита КРУ с контролем светового потока // Промышленная энергетика. – 2001. – № 11. – С. 32–36.
12. 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.