КОНТАКТНЫЕ СИСТЕМЫ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 110–220 кВ
Диагностика неисправностей с помощью РЗА

Источник: http://www.news.elteh.ru/arh/2008/49/06.php

Пока масляные выключатели будут оставаться самыми распространенными коммутационными аппаратами в российских сетях 110 кВ и выше, проблема их диагностики и ремонта не потеряет своей актуальности. Действительно, если в баке только одного полюса аппарата типа МКП-220 кВ находится около трех тонн трансформаторного масла, то слить его и залить после ремонта – трудоемкая задача. Поэтому интересен каждый новый способ определить состояние высоковольтного масляного выключателя, не разбирая его.
Метод диагностики, о котором рассказывает Виктор Дмитриевич Ластовкин, заключается в анализе схемы распределительного устройства при срабатывании токовой защиты нулевой последовательности (ТЗНП) при переключениях, что позволяет выявить цепи, содержащие дефектные коммутационные аппараты. После этого средствами прямой технической диагностики определяется сам дефектный аппарат.

Виктор Ластовкин, начальник службы РЗА ОАО «Магаданэнерго»

Эффект вытеснения тока

При переключениях в распределительных устройствах (РУ) 110–220 кВ подстанций и электростанций на определенной стадии могут создаваться параллельные цепочки в схеме РУ, например, при замене масляного выключателя какого-либо присоединения на обходной выключатель в момент, когда включены оба выключателя.

При шунтировании цепи одного выключателя (разъединителя) другим и наличии в одном из них дефектов контактной системы, приводящих к возрастанию переходного сопротивления (Rпер) между контактами выключателя (разъединителя), происходит процесс, который условно можно назвать «эффектом вытеснения тока» из одной параллельной ветви электрической схемы в другую. В трехфазных цепях такой процесс легко обнаруживается по срабатыванию релейной защиты, реагирующей на токи нулевой последовательности, – чувствительных ступеней ненаправленной или направленной ТЗНП с блокирующим реле направления мощности (РМ). ТЗНП с разрешающим РМ не срабатывает, т.к. в этом случае напряжение нулевой последовательности 3U0 = 0.
Можно дать следующее объяснение данному явлению: при шунтировании исчезают факторы, сдерживающие спонтанное нарастание Rпер, а именно отсутствует напряжение между контактами выключателя. Разность потенциалов (напряжение) между контактами выключателя неизменна и практически равна нулю (рис. 1). В пределе Rпер может увеличиваться до бесконечности, что может привести к обрыву тока в какой-либо фазе одной цепи и его переброске в одноименную фазу другой цепи.
Совсем иначе развивается процесс между контактами нешунтированного выключателя. Процесс искрения или горения дуги между контактами выключателя при наличии дефекта контактной системы (окисление, загрязнение, ослабление вжатия контактов и др.) является неустойчивым, и в какой-то момент времени, когда интенсивность искровых (дуговых) процессов снижается, например, при уменьшении тока нагрузки, начинает возрастать Rпер. Возрастание переходного сопротивления приводит к возрастанию разности потенциалов (падению напряжения на Rпер) между контактами выключателя, их перекрытию дугой (пробою Rпер) и восстановлению проводимости (рис. 2).
Эффект вытеснения тока в одной из фаз параллельных 3-фазных цепей в пределах одного распредустройства 110–220 кВ создает условия для срабатывания ТЗНП в обеих цепях, т.к. при этом в одной из 3-фазных цепей образуется неполнофазный режим, в другой несимметрия токов:

Методами косвенной диагностики на основе поведения релейной защиты можно выявлять дефектную цепь, а далее методами прямой (технической) диагностики находить дефектный выключатель (разъединитель) задолго до плановой ревизии. Это позволит предотвратить тяжелые аварийные ситуации, которые могут быть связаны со взрывами выключателей и пожарами.
В качестве технического обоснования пригодности разработанного способа диагностики дефектов контактной системы выключателей (разъединителей) можно привести ряд примеров выявления с его помощью дефектов коммутационных аппаратов на объектах энергосистемы, в том числе на ПС «Усть-Омчуг» (1998 г.), Магаданской ТЭЦ (2000 г.), ПС «Нера» (2002 г.) и др.

Сопротивление дефектного контакта

Эффект вытеснения тока можно рассмотреть в схеме замещения на рис. 3.

Переходное сопротивление контактов дефектного коммутационного аппарата (выключателя, разъединителя) будет иметь нелинейный характер вследствие искровых (дуговых) процессов между контактами, наличия оксидных и сульфидных плёнок, сильного нагрева контактов.

В общем случае это нелинейное переходное сопротивление контактов Rперможет изменяться в пределах от нормального значения (Rпер = Rнорм) до значения, соответствующего отключенному состоянию выключателя (Rпер = ), т.е. обрыву токоведущего контура.

При отсутствии шунтирования дефектного контакта параллельной цепью, тормозящим фактором процесса нарастания Rпер будет увеличивающееся напряжение между контактами, которое будет уменьшать (стабилизировать) переходное сопротивление.

При шунтировании дефектного контакта параллельной цепочкой, вследствие нелинейности Rпер состояние выключателя (разъединителя) может изменяться скачком с обрывом тока в дефектной фазе и его переброской в фазу с нормальным сопротивлением (наблюдается релейный, триггерный эффект).

На какую величину должно измениться переходное сопротивление в дефектной фазе выключателя, чтобы сработала защита ТЗНП?

Выведем формулу для такой оценки. Очевидно, что в этой формуле будет присутствовать ток нагрузки (сопротивление нагрузки), уставка ТЗНП, нормированное сопротивление контактов исправного выключателя. Формула может быть легко получена из схемы замещения одной фазы (рис. 4).

Поскольку полный ток в схеме замещения определяется в основном сопротивлением нагрузки (переходное сопротивление контактов существенно мало в сравнении с сопротивлением нагрузки), то ток в фазе А дефектного выключателя (с переходным сопротивлением Rпер) будет определяться, как:

Очевидно, что при равенстве сопротивлений выключателей (Rпер = = Rнорм) ток в каждом выключателе равен половине тока нагрузки. Ток нулевой последовательности цепи с дефектным выключателем будет равен:

Ясно, что при равенстве сопротивлений выключателей (Rпер = = Rнорм) ток нулевой последовательности будет равен нулю. Обозначим 3I01 как Iуст, тогда формулу можно переписать в виде:

откуда

Получается достаточно простая формула, по которой можно оценить ухудшение сопротивления контактов фазы выключателя (разъединителя), при котором произойдет срабатывание защиты ТЗНП при параллельном включении цепей.

Из выведенной формулы также понятно, что защиты будут срабатывать только при наличии достаточного тока нагрузки (какого именно, зависит от уставки ТЗНП). При отсутствии тока нагрузки нужно рассматривать емкостные токи фаз линии.

Емкостные токи линий 110–220 кВ невелики (примерно 0,16 А/км и 0,33 А/км соответственно), и минимальная длина линии, при которой возможно определение дефекта, составляет порядка 330–440 км для ВЛ 110 кВ и 170–220 км для ВЛ 220 кВ (при условии полной потери контакта в фазе Rпер = . и уставке III и IV ступеней ТЗНП на уровне 30–40 А). Следует отметить, что для ВЛ 110 кВ длина 330–440 км нереальна, а вот для ВЛ 220 кВ протяженность в 170–220 км вполне допустима. Тем не менее определить дефект коммутационного аппарата по действию релейной защиты при отсутствии нагрузки линии достаточно сложно (защита не будет срабатывать).

Дефект на ПС «НЕРА»

Рассмотрим случай, произошедший на ПС «Нера» при выводе в ремонт выключателя 110 кВ воздушной линии «Нера – АрГРЭС» с заменой на обходной выключатель для планового технического обслуживания устройства защиты линии. В момент включения обходного выключателя 110 кВ (см. схему на рис. 5) сработали ТЗНП с блокирующим РМ, установленные на выключателе ВЛ 110 кВ «Нера – АрГРЭС» и обходном выключателе 110 кВ. Обходной аппарат при этом отключился от защит, выключатель линии не отключался, т.к. действие защит на выключатель линии было выведено по режиму одностороннего питания ПС, благодаря чему ПС не была погашена (чистая случайность).
Уставки самых чувствительных ступеней ТЗНП, установленных на линейном и обходном выключателях:

- ВЛ 110 кВ «Нера – АрГРЭС», I0 с,зIII = 30 А (с блокирующим реле мощности);

- ОВ 110 кВ, I0 с,зIV = 40 А (с блокирующим реле мощности).

После проведенного анализа ложной работы защит и сделанных предположений о неисправности элементов 1', 2', 3', 1'', 2'', 3'' схемы рис. 5 для начала было измерено переходное сопротивление выключателя 110 кВ ВЛ «АрГРЭС», выведенного к этому времени в ремонт. Было выявлено, что переходные сопротивления фаз А и С аппарата были в пределах нормы (1000 и 800 мкОм), тогда как переходное сопротивление фазы В более чем на порядок превышало норму. При заводской норме 1300 мкОм измеренное переходное сопротивление этой фазы составляло 32 мОм.

Визуальный осмотр контактной системы после разборки выключателя и извлечения дугогасительной камеры из бака показал наличие дефекта – разрушение контактов электрической эрозией.

Дефект на ПС «УСТЬ-ОМЧУГ»

Рассмотрим случай выявления дефекта разъединителя фазы В на ПС 220 кВ «Усть-Омчуг» при включении ВЛ 220 «Усть-Омчуг – КГЭС 2» через обходную систему шин (через обходной выключатель 220 кВ).

Данный случай произошел при переключениях на ПС «Усть- Омчуг» при замене линейного выключателя обходным. На рис. 6 изображен фрагмент схемы распределительного устройства 220 кВ, при которой произошло срабатывание звуковой предупредительной сигнализации от устройства контроля исправности цепей тока дифференциальной защиты шин (ДЗШ 220), установленного в нулевом проводе.

Последующие измерения в цепях тока защиты ЭПЗ-1636 обходного выключателя, линейного выключателя, ДЗШ 220 кВ и в измерительном комплексе выявили показанное на рисунке распределение токов между параллельными цепочками и образовавшуюся несимметрию токов по фазам. Далее была предположительно определена дефектная цепь и дефектный элемент – шинный разъединитель 220 кВ обходной системы шин ВЛ «Усть-Омчуг – КГЭС 2», исходя из того, что последний длительно находился в отключенном состоянии. После отключения ОВ, выполнения цикла «откл.–вкл.» дефектного разъединителя и последующего включения обходного выключателя 220 кВ восстановились контакт в разъединителе и симметрия токов в фазах параллельных цепочек.
Следует отметить, что при появлении несимметрии токов (3I0) ТЗНП, установленные на обходном и линейном выключателях ВЛ «Усть-Омчуг – КГЭС 2» не срабатывали, т.к. выполнены направленными с разрешающим реле направления мощности (3U0 = 0).

Вывод

С помощью рассмотренного метода могут быть выявлены дефекты силовых выключателей (разъединителей) 110–220 кВ в межремонтный период при плановых переключениях, что будет способствовать профилактике аварий, т.е. повышению надежности работы энергосистемы.