ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗА СЧЕТ РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Гребченко Н.В.

Устойчивая работа электроэнергетических систем (ЭЭС) в основномобеспечивается за счет надежной работы электрооборудования и правильного действия релейной защиты и автоматики (РЗиА) при возникновении повреждений оборудования. Однако, в настоящее время, в связи с истечением нормированного срока эксплуатации у большого количества электрооборудования уровень его надежности заметно снижается. Это приводит к увеличениюколичества повреждений, большую часть которых составляют короткие замыкания (к.з.). Кроме того, отмечается рост числа повреждений, которые с нарушением устойчивости работы ЭЭС. Следует отметить, что релейная защита всегда была не только технически необходимым видом автоматики, но и экономически выгодным. И теперь она может существенно улучшить положение.

Во многих случаях причиной возникновения к.з. или дальнейшего развития аварии является износ электрической изоляции электрооборудования. Возможности восстановления технологического цикла выработки и транспорта электроэнергии после аварии путем замены поврежденного оборудования новым очень ограничены из-за тяжелой экономической ситуации. Поэтому в обеспечении устойчивости работы и сокращении затрат на восстановление еще больше повышается роль релейной защиты. В ряде случаев из-за относительного несовершенства РЗиА, а также из-за снижения надежности работы РЗиА и первичного оборудования не удается предотвратить нежелательное развитие аварий. Хотя затраты на внедрение новых, более совершенных, видов РЗ на два-три порядка меньше, чем на установку первичного электрооборудования, но они тоже велики и зачастую на такую реконструкцию также не достаточно средств.

Существенно снизить количество аварий можно при внедрении диагностики электрооборудования в рабочем режиме, и, в первую очередь диагностики, направленной на выявление локальных ухудшений изоляции, т.е. наиболее вероятных мест возникновения к.з. Этот путь также требует значительных финансовых затрат. Однако, при относительно небольших затратах может быть получен приемлемый результат, если для реализации диагностики использовать находящиеся в эксплуатации защиты от замыканий на землю (генераторов, присоединений 6 кВ собственных нужд электростанций и т.д.) с некоторыми дополнениями. Наиболее удобно для этого использовать защиты от замыканий на землю, реагирующие на увеличение тока нулевой последовательности. Повышение их чувствительности позволяет выявлять ухудшение изоляции. Затраты на модернизацию защит от замыканий на землю значительно меньше, чем затраты, необходимые для применения новых устройств диагностики.

Таким образом, для повышения устойчивости работы ЭЭС экономически и технически целесообразно проведение модернизации защит от замыканий на землю для выполнения функций диагностики, позволяющей выявлять и своевременно устранять наиболее вероятную причину возникновения к.з. - места ухудшения изоляции.

Целесообразность и положительные стороны применения диагностики электрооборудования энергосистем общеизвестны. Основными из них являются: снижение затрат на послеаварийные ремонты и повышение надежности работы энергосистем за счет исключения аварийных отключений электрооборудования, остановов энергоблоков электрических станций и т.д. Например данные, приведенные в [1,2] показывают, что причиной около половины повреждений обмотки статора генератора и электродвигателей собственных нужд ТЭС является нарушение изоляции. Большая часть из них может быть предотвращена при наличии эффективной системы диагностики изоляции.

Лучшим образом современным требованиям отвечает непрерывная диагностика, выполняемая без отключения диагностируемого электрооборудования. Однако, для внедрения такой диагностики требуется не только разработка ее новых, более совершенных принципов построения, но и, как правило, значительные капитальные вложения.

В статье рассматривается новая технология построения средств непрерывной диагностики, которая основывается на использовании устройств релейной защиты находящихся в эксплуатации в действующих электроустановках. Благодаря этому для реализации средств диагностики не требуются такие материальные и финансовые затраты, как в случае разработки и внедрения полностью новой системы диагностики.

Многие принципы построения релейной защиты (РЗ) основаны на контроле изменения сформированных определенным образом электрических величин, характеризующих состояние защищаемого объекта ( нормальное или режим повреждения). В качестве исходных для указанных преобразований используются токи и напряжения защищаемого объекта. К формируемым величинам в первую очередь можно отнести симметричные составляющие обратной и нулевой последовательности токов и напряжений. Параметры срабатывания выбираются такими, чтобы защиты надежно отличали допустимые режимы от недопустимых (режимы повреждения). При этом из-за необходимости отстройки от режимов, схожих по изменению параметров с режимом повреждения, абсолютные значения параметров срабатывания получаются достаточно большими. Кроме того, при выборе уставок учитываются максимально возможные погрешности реле и трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), что также приводит к увеличению уставок. Несмотря на это, существующие принципы построения РЗ и сложившаяся методика выбора параметров ее срабатывания обычно обеспечивают требуемую чувствительность при повреждениях, на действие при которых предназначены защиты. Но само повреждение, несмотря на то , что именно оно и ожидается , является предельным состоянием объекта, требующим немедленного принятия решения, т.е. в большинстве случаев - отключения оборудования или участка сети.

Вместе с тем, сформированные в РЗ электрические величины во многих случаях и в нормальном состоянии объекта содержат в себе информацию о состоянии объекта. Другими словами, если в объекте начнет развиваться какое-либо повреждение, то сформированная величина также изменится. Но защита, конечно, реагировать на такое изменение не будет, т.к. параметр будет значительно меньше уставки РЗ. Действие в данном случае защиты и не предусмотрено. Однако полезная информация о техническом состоянии объекта остается невостребованной.

Очевидно, что при непрерывной диагностике электроустановок целесообразно ее выполнять таким образом, чтобы в первую очередь выявлять наиболее часто происходящие повреждения. Как уже было сказано, к таким повреждениям в электроустановках относятся замыкания одной фазы на землю. Во многих случаях они происходят вследствие ухудшения изоляции в какой-нибудь точке сети. При этом величина токов нулевой последовательности увеличивается в соответствии со степенью снижения сопротивления изоляции, которое служит в качестве критерия оценки качества изоляции. Поэтому наиболее часто происходящее повреждение может быть зафиксировано в начальной стадии развития по увеличению токов нулевой последовательности защищаемого (диагностируемого) элемента. Наиболее актуальным вопрос применения такой диагностики является для обмоток генераторов и системы собственных нужд (с.н.) электростанций. Это связано с их ответственностью в технологическом процессе выработки электроэнергии, а также с тем, что в системе с.н. из-за большого количества электродвигателей и частых коммутаций происходят большие перенапряжения. Последние приводят к существенному износу изоляции присоединений системы с.н. электрических станций (кабель-двигатель, кабель-трансформатор).

Диагностика обмотки генератора может выполняться на основании измерения напряжения третьей гармоники со стороны линейных выводов U_В и со стороны нейтрали U_Н . Для измерения этих величин может быть использована защита генератора от замыканий на землю типа ЗЗГ-1. При этом выведение из действия защиты не предусматривается. Сопротивление обмотки статора определяется в соответствии с выражением [3]:

Применению диагностики в системе с.н. электрических станций способствует наличие на этих присоединениях защиты от замыканий на землю, выполняемой на высокочувствительном токовом реле типа РТЗ-51.

Рисунок 1. Структурная схема модернизированной защитыот замыканий на землю

Это реле подключается к выходу фильтра токов нулевой последовательности присоединения, в качестве которого используется кабельный трансформатор тока типа ТЗЛ (на рис. 1 обозначен TAN) или подобный ему.

На основании изложенных принципов разработана схема автоматического контроля состояния изоляции присоединений собственных нужд 6 кВ электрических станций (рис.1) [4]. Она предназначена для автоматического контроля состояния изоляции присоединений (кабель-двигатель 6 кВ или кабель-трансформатор 6/0,4 кВ) без их отключения. Устройство подает сигнал при снижении сопротивления изоляции. Оно работает в автоматическом режиме и выполняет контроль величины сопротивления изоляции с заданным периодом (от 20 секунд до 30 минут или больше). На время контроля в дополнительную обмотку ТТ нулевой последовательности подается ток от постороннего источника, а защита от замыканий на землю выводится из действия. При этом существенное значение имеет техническая реализация цепи дополнительного тока. Выполнены лабораторные испытания указанной системы, которые показали, что чувствительность системы диагностики при надежной ее работе составляет не менее 300 кОм.

При реализации диагностики присоединения предложенным путем использования защиты от замыканий на землю решены следующие задачи:

- для выявления ухудшения изоляции в любой фазе выполняется автоматическое изменение фазы дополнительного тока, например путем последовательного переключения напряжения с фазы А на фазу В, а затем на фазу С;

- при выборе величины дополнительного тока учитывается наличие броска тока намагничивания;

- для исключения необходимости изменения уставки реле РТЗ-51 выполняется выбор величины сопротивления в цепи дополнительного тока и числа витков дополнительной обмотки для каждой защиты с учетом уставки ее реле;

- выполняется отстройка от возможного изменения во времени и отличия по фазам величины напряжения питания дополнительной обмотки ;

- если защита выполнена с действием на отключение, то учитывается вероятность возникновения замыкания на землю в то время, когда защита переведена в режим контроля;

-часть элементов системы диагностики может быть общей для всех контролируемых присоединений, что позволяет сократить число элементов.

На рис.2 приведены некоторые результаты лабораторных исследований эффективности модернизированной защиты от замыканий на землю. Из них видно, что чувствительность защиты значительно повышается и позволяет диагностировать изоляцию присоединения.

Рисунок 2.Зависимость вторичного тока трансформатора тока типа ТЗЛМ от величины первичного тока замыкания (утечки) при подключенном РТЗ-51
1 - при отсутствии тока в дополнительной обмотке;
2 - I_доп= 0,2 A , w_доп = 5 витков

Выводы

1. Для повышения устойчивости работы энергосистем технически и экономически целесообразно выполнение модернизации существующих защит от замыканий на землю, что позволяет повысить их чувствительность и использовать для выполнения автоматической диагностики электрооборудования в рабочих режимах.

Использование предлагаемой технологии выполнения диагностики применительно к защите от замыканий на землю обеспечивает раннее обнаружение начала развития наиболее часто происходящего вида повреждения - замыкания фазы на землю. Расширение функций релейной защиты повышает эффективность использования устройств релейной защиты.

Литература

1. Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Диагностика турбогенераторов. Л.: Наука, Ленинградское отд-ние, 1989, 119 с.

2. К вопросу ограничения резонансных перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью/ В.Ф.Сивокобыленко, М.П. Дергилев, А.В.Левшов и др. -В сб.: Электромеханика и электроэнергетика. Сборник научных трудов энергетического факультета. -Донецк: ДонГТУ, 1996, с.110-115.

3. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор.-М.: Энергоиздат, 1982.- 256 с.

4. Гребченко Н.В. Автоматический контроль изоляции присоединений собственных нужд электрических станций. >Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 3: -Донецьк: ДонГТУ, 1999. с.46-50.