Логическая защита шин

Диагностика цепей на обрыв при помощи обтекания током

Вернемся к дискретным цепям, в которых нельзя использовать метод избыточной информации. Это все входные цепи с единичными контактами, переключателями и кнопками со стороны плюса опер. тока

Если вы можете пропускать небольшой фиксированный ток через такую  цепь, то контроль на обрыв становится реальным. Правда создать такую цепь не просто, да и сама конструкция не вызывает у релейщиков доверия (см. рисунок ниже)

Зная напряжение опер. тока и номинал шунтирующего контакт резистора R вы определяете ток контроля цепи. Резкое увеличение тока в цепи означает замыкание контакта (работа с соответствии с основным алгоритмом), а исчезновение тока контроля Ik — обрыв цепи.

Минусы данной схемы очевидны: нужен внутренний источник питания цепей и схема анализа тока в каждом дискретном входе терминала. Да и установка резисторов параллельно каждому внешнему НО-контакту довольно скучное занятие. Поэтому в реальности схему применяют нечасто, хотя устройства с внутренним источником питания дискретных входов на рынке есть.

Фиксация обрыва цепей с использованием возврата реле

Идея стара, как релейная защита и надежна на АК-47. Запитываете катушку реле или внутреннюю схему терминала РЗА, сторожевой контакт размыкается и ждет своего часа. Если питание исчезло или произошел обрыв цепи, то контакт возвращается в замкнутое состояние под действием пружины. Для фиксации неисправности потребуется цепи со смежным опер. ток, которыми обычно выступают цепи центральной сигнализации (см. рисунок ниже)

Для контроля питания терминала даже не нужно дополнительных элементов потому, что реле “Отказ” есть в каждом устройстве (обычно два контакта — для ЦС и АСУ/ТМ). Если же хотите контролировать все оперативные цепи, то можно в самый конец повесить промежуточное реле с НЗ-контактом (на рисунке KL). Я не люблю такие схемы потому, что выглядит достаточно колхозно и увеличивает количество оборудования, но почему бы и нет? Особенно, если входные сигналы важные

Контролируемые цепи: оперативные, цепи питания

Кстати, я бы применял реле “Отказ” даже на Цифровой подстанции с диагностикой через GOOSE-сообщения потому, что через них не всегда понятно, обрыв произошел или терминал вышел из строя. Хотя по косвенным признакам это можно попробовать определить

Алгоритм фиксации обрыва по избыточной информации

А что делать, если сигнал нужно взять по “нулю”?

Это довольно частое явление, например, прием сигнала через блок-контакт выключателя. Положение выключателя вам нужно определять и во включенном, и в отключенном состоянии. Какой бы БК вы не использовали в свое время он окажется в открытом положении (на входе терминала или реле “висит” 0)

Для таких случаев применяют вариант избыточной информации, т.е. подключаются сразу к двум типам блок-контактов — нормально замкнутому и нормально разомкнутому, которые механически связаны друг с другом (например, находятся на одном валу привода). При этом мы можем четко зафиксировать обрыв парной цепи, если сигнал отсутствует сразу на двух входах терминала.

Это классическая задача контроля цепей привода через реле/входы РПВ/РПО (см. картинку ниже, левая часть)

Кстати у меня есть подробная статья на эту тему.

Да, господа релейщики, чтобы вы не скучали — какого элемента не хватает в цепи РПВ/РПО для данного варианта реализации? Всякие блок-контакты элегаза и пружины считайте, что я просто не показал, но они как бы есть) Кроме этого, чего не хватает в схеме? Пишите в комментах)

Еще один вариант применения такого решения — это контроль цепей оперативной блокировки, с которыми на подстанциях большие проблемы (та же картинка, правая часть). Только вместо БК выключателей вы применяете БК разъединителей. Этот метод стал популярен с приходом цифровой оперативной блокировки и позволяет надежно зафиксировать обрыв цепей сигнализации о положения ножа.

Где еще используется метод фиксации обрыва по избыточной информации? В принципе во всех дискретных цепях, где мы может ее получить. Например, для контроля обрыва шинки блокировки ЛЗШ, при последовательном соединении контактов

Да, выше я писал, что блокировку ЛЗШ лучше делать по “единице”. Но это верно только “если нет способа подтвердить сигнал!” Внимательно прочитайте правило)

Алгоритм ЛЗШ обрабатывает сразу два логических сигнала — блокировка ЛЗШ от нижестоящих присоединений (размыкание контакта нижестоящей защиты) и пуск собственной ступени МТЗ. Если вы соберете шинку блокировки ЛЗШ, как показано на рисунке ниже, то сможете фиксировать обрыв этой шинки по простому признаку

Это тот же принцип, что для РПВ/РПО, но связь между логическими сигналами не столь очевидна. На электромеханике можно собрать аналогичную схему, но эти принципы получили массовое распространение именно с приходом МП РЗА.

Контролируемые цепи: все, кроме измерительных

Разновидности дуговой защиты

Существуют два типа защиты от дуговых замыканий: механическая (клапанная и мембранная) и электронная (фототиристорная и волоконно-оптическая).

Клапанная ЗДЗ

В защитном устройстве данного типа находится датчик в виде клапанов с выключателями, срабатывающий на повышение давления воздуха в результате появления дуги. Нарастание давления в ячейке способствует выбиванию крышки, которая замыкает контакт датчика (клапана), и происходит защитное отключение оборудования от сети.

Клапанная ЗДЗ проста в исполнении и обслуживании, отличается доступной ценой, надежностью при токах КЗ свыше 3кА. Но в связи с тем, что реле реагирует не на саму дугу, а на ее последствия (повышение давления), то при небольших токах КЗ имеет не вполне высокую чувствительность и несколько длительное время срабатывания.

Мембранная защита от дуги

ЗДЗ мембранного типа наделена шлангами, которые подведены к отсекам ячеек распредустройства. Система шлангов объединена через вентили обратного давления и подключена к мембранному выключателю, который срабатывает при повышении давления воздуха, создаваемого дугой.

Фототиристорный тип дуговой защиты

Относится к электронному виду защиты от дуговых замыканий, реагирует на вспышку от электрической дуги с помощью датчика, в качестве которого применяется полупроводниковый прибор – фототиристор.

Дуговая защита на основе фототиристорных датчиков обладает относительно высокой чувствительностью и быстротой реагирования. Однако их невозможно установить для полного обзора, трудно учесть организационные нюансы при контроле исправности. Также фототиристоры могут ложно срабатывать из-за токов утечки, прямых солнечных лучей или включенных ламп освещения.

Волоконно-оптическая ЗДЗ

Следующим представителем электронной защиты от дуговых замыканий является волоконно-оптический вид ЗДЗ – наиболее современный и качественный. Датчики размещают в отсеках ввода, выкатного элемента, в кабельном отсеке. Волоконно-оптическая линия связи служит передающим звеном при срабатывании датчика на вспышку дуги. Микропроцессорный терминал, получив сигнал от датчика, подает команду на отключение выключателей для устранения короткого замыкания.

Волоконно-оптическая ЗДЗ

Важно! Данные устройства релейной защиты наделены достоинствами фототиристорных ЗДЗ и не имеют их уязвимых характеристик. Высокая стоимость волоконно-оптических приборов оправдана эффективностью, надежностью и качеством

Лучшим представителем представленной защиты является прибор “Лайм”, имеющий самые эффективные технические характеристики:

• реагирование (быстродействие) – 0,7-0,9 мс, то есть выше в 10 раз, чем в обычных устройствах;
• время начала срабатывания – 40 мс;
• длительность работы после отключения (инерция) – 3 с;
• благодаря возможности подключения трех датчиков, достигается угол обзора более 1800С.

С целью экономии средств на монтаж оптической ЗДЗ выбирают рациональный вариант построения защиты, объединяя одноименные зоны: отсеки шинного моста, выключателей, трансформаторов тока. В зависимости от особенностей схемы, также применяют объединение разноименных зон.

Дуговая защита является необходимостью при эксплуатации энергооборудования. Особенно это требуется на предприятиях, в учреждениях и организациях, от бесперебойного электроснабжения которых зависят важные человеческие и технические факторы

Применение надежной и качественной системы защиты от электрической дуги избавит от рисков работу оборудования стратегической важности, а также жизнь и здоровье большого количества людей

Уставки по току задаются при программировании БМРЗФКС

-защиту минимального напряжения (ЗМН);

-квазитепловую защиту фидера;

-резервирование при отказах выключателя (УРОВ);

-логическую защиту шин (ЛЗШ);

-двукратное автоматическое повторное включение (АПВ);

-защиту смежного фидера контактной сети (токовая отсечка и вторая ступень ДЗ).

Для защиты фидеров ДПР были применены БМРЗ-ФПЭ, позволившие осуществить:

-токовую отсечку; трехступенчатую МТЗ, причем первые две ступени имеют независимую выдержку времени, а выдержка времени третьей ступени может быть как зависимой, так и независимой на выбор;

— защиту минимального напряжения;

-УРОВ;

-логическую защиту шин;

-двукратное АПВ.

Другие защиты, входящие в МТ БМРЗФПЭ (защита нулевой последовательности и т.д.), не используются.

На выключателях вводов 27,5 кВ использованы МТ БМРЗФВВ, содержащие в себе:

-двухступенчатую МТЗ с блокировкой по напряжению;

-две ступени ДЗ («замочная скважина»);

-защиту минимального напряжения;

—УРОВ с возможностью включения выходного реле в цепи РЗА защит высокой стороны на пряжения силового трансформатора;

-логическую защиту шин;

-защиту от подпитки коротких замыканий на стороне высокого напряжения от смежных подстанций через контактную сеть.

Принцип действия дифференциальной защиты

Действие данной защиты базируется на сравнивании токов, которые приходят в участок нуждающийся в защите, и выходят из него. Для такого сравнения величины силы тока применяются трансформаторы тока, так как только за счёт них есть возможность измерять большие его величины. Лучше всего это видно на примере простейшей схемы, приведённой ниже.

В схеме трансформаторы тока обозначены ТА1 и ТА2. Вторичные цепи их соединяются с реле тока КА. Таким образом, получается, что обмотка главного реле защиты получает разницу токовых значений от двух трансформаторов, и при нормальном рабочем процессе она будет равна нулевому значению, а значит реле КА останется не втянутым. Однако если в цепи, которая защищается, происходит межфазное короткое замыкание (к. з.), то на обмотку реле поступит уже значение равное сумме нескольких токов, это и приведёт в движение подвижную часть электромеханического реле, которая, в свою очередь, замкнёт контакты и подаст сигнал на отключение оборудования от источника электрической энергии. Однако это всё в теории, а в практике всегда через катушку реле будет протекать некий небольшой ток небаланса, который при расчёте катушки необходимо учесть.

Вот несколько причин возникновения этого отрицательного явления:

• ТТ (трансформаторы тока) могут иметь характеристики значительно отличающие их друг от друга. Чтобы снизить эти показатели применяются более точные трансформаторы, изготовленные попарно специально для этого вида защиты;
• За счёт тока намагничивания, возникающего в обмотке защищаемого трансформатора в момент его включения из режима холостого хода, в рабочий режим с наличием нагрузки. Для того чтоб избежать ложного срабатывания реле КА нужно подобрать ток срабатывания реле побольше чем, самое большое значение тока намагничивания, которые может произвести защищаемый объект, в данном случае трансформатор;
• За счёт различного соединения обмоток (звезда-треугольник и наоборот). Для этого нужно выбрать число витков трансформаторов тока, участвующих в дифзащите, таким образом, чтобы они компенсировали эти неблагоприятные величины.

Ток небаланса в дифференциальной защите, возникающий при эксплуатации — это отрицательное явление, с которым нужно бороться и которое нужно обязательно учесть при расчёте данного защитного электрооборудования.

Необходимость дуговой защиты вызвана несовершенством токовой

Несмотря на требования пунктов ПУЭ п.3.3.31, п.3.3.42 о применении АПВ шин и АВР после ликвидации КЗ внутри отсеков КРУ, сегодня проектные организации и эксплуатирующие предприятия обоснованно сомневаются в необходимости выполнения этих требований и предпочитают блокирование АПВ шин и АВР при срабатывании дуговой защиты КРУ. Такое решение обосновано отрицательным опытом применения АПВ шин среднего напряжения у эксплуатирующих организаций. Обоснован ли этот подход? Обеспечивают ли существующие решения защит отключение дугового КЗ за время, в течение которого не возникает критичных повреждений внутри КРУ?Токовые ступенчатые защиты не могут быть использованы в качестве быстродействующей защиты от дуговых замыканий вследствие больших значений выдержек времени на питающих присоединениях (обычно более 0,5 с).С целью сокращения времени действия токовых защит на питающих присоединениях применяют логическую защиту шин (ЛЗШ), принцип действия которой основан на передаче блокирующих сигналов от устройств защиты отходящих присоединений. Однако, и в этом случае время срабатывания защиты превышает допустимое значение. Выдержка времени ЛЗШ обычно составляет не менее 100мс.

ЛЗШ обладает рядом недостатков: 

• отсутствие срабатывания при КЗ в «мертвой зоне» отсека подключения кабеля вводной ячейки КРУ;
• возможные отказы ЛЗШ, связанные с излишним блокирование защиты в случае подпитки места КЗ от мощных синхронных электродвигателей (с целью устранения данного недостатка возможно применение более сложной схемы защиты с использованием цепей напряжения и контролем направления мощности на отходящих линиях);
• возможные отказы ЛЗШ в сетях с низкоомным резистивным заземлением нейтрали, в которых ток замыкания на землю при КЗ на корпус КРУ может быть меньше уставки токовой защиты.

Таким образом, ЛЗШ также не может быть использована в качестве быстродействующей защиты КРУ от дуговых замыканий.

Автоматический ввод резерва (АВР)

АВР — это базовая автоматика для РУ с несколькими секциями.

При этом не стоит думать, что АВР делается всегда. Есть упрощенные ТП 10/0,4 кВ, в которых АВР делается обычно по стороне 0,4 кВ из-за того, что стороне 10 кВ, для удешевления и упрощения, применяют выключатели нагрузки и работают без ТН.

Алгоритм АВР в современных терминалах обычно делают распределенным на блоках РЗА ввода. Есть варианты АВР на блоках РЗА ТН 6(10) кВ, а также специальные устройства АВР, которые содержат только это алгоритм и управляют сразу тремя выключателями (например, БМРЗ-107-АВР и Сириус-АВР).

Если интересно как работает простой АВР 6(10) кВ, то посмотрите это видео

Алгоритм автоматического восстановления нормального режима (ВНР) позволяет вернуть схему в исходное положение без участия оперативного персонала, после того как напряжения на отключенном вводе восстановилось. Его используют не всегда, часто предпочитая возвращать нормальную схему вручную.

Разговор о защитах ввода мы продолжим в следующей статье, где рассмотрим РЗА ввода 6(10) кВ на ПС.

На рисунке
Терминал защиты и автоматики ввода 6(10) кВ типа БЭ2502А03.

Разработчик НПП «ЭКРА», www.ekra.ru.

БЭ2502А03 содержит все перечисленные в статье защиты

Какие преимущества дает УРОВ?

Изначально УРОВ, в виде панели с электромеханическими реле, применялось на подстанциях и станциях с РУ 220 кВ и выше. Его применение обусловлено повышенными требованиями к надежности отключение короткого замыкания за наименьший промежуток времени.

Представьте, что на линии 220 кВ, в соответствии с принципом ближнего резервирования, установлены комплекты основной (ДФЗ) и резервных защит (ДЗ, ТЗНП, ТО), и все это бесполезно из-за механической неисправности привода выключателя. Сигнал на отключение защитами выдан, но ничего не происходит, и линия продолжает «гореть».

Остается надежда только на защиты дальнего резервирования, которые установлены на противоположных концах соседних линий.

По требованию дальнего резервирования эти защиты обязаны чувствовать КЗ на смежной лини и устранять их. Но во-первых, выдержки времени в этом случае могут быть достаточно большими (особенно, если ДЗ или ТЗНП начинают чувствовать КЗ только после отключения некоторых параллельных линий). А во-вторых, дальнее резервирование удается обеспечить не всегда. К тому же при действии защит дальнего резервирования происходит отключение множества выключателей на разных подстанциях, что затрудняет работу диспетчера при локализации аварии.

В таких случая, требуется меры по усилению ближнего резервирования, т.е. установке устройства резервирования при отказе выключателя.

УРОВ принимает команду отключения выключателя от защит и если через время Туров отключения не происходит, то устройство дает команду на отключение смежных выключателей. Просто и надежно

При этом время отключения от УРОВ всегда определено как сумма времени действия собственной защиты присоединения плюс ступень селективности. К тому же УРОВ «использует» чувствительность своей защиты, которая выше, чем у защиты дальнего резервирования.

На напряжении 110 кВ и ниже УРОВ использовался реже из-за стоимости панели и отсутствия жестких требований к скорости отключения, как на сверхвысоком напряжении. Ведь панель УРОВ стоит денег и занимает место.

Однако, с развитием микропроцессорной техники функция УРОВ стала практически бесплатной. Распределенный алгоритм УРОВ стал использоваться в логике терминалов, а «снаружи» остались только шинки и ключи ввода/вывода. Сегодня УРОВ применяют на всех классах напряжения, начиная с 6 кВ.

Давайте рассмотрим, что дает УРОВ на стандартной подстанции по схеме «6-1» (одна секционированная система шин 6 кВ).

1 случай (удаленное КЗ на линии 1)

При возникновении короткого замыкания на линии 1 в зоне действия МТЗ (конец линии), защита срабатывает с выдержкой времени 0,9 с. При отказе выключателя алгоритм УРОВ отключит вводной выключатели через время Тзащ. = Тмтз + Туров = 0,9 + 0,3= 1,2 с.

Если алгоритм УРОВ отсутствует, то МТЗ ввода отключит КЗ через 1,5 с (дальнее резервирование).

Таким образом, мы получаем выигрыш 0,3 с.

Также обратите внимание, что здесь для пуска алгоритма мы используем МТЗ линии, а не ввода, что дает значительно большую чувствительность. Особенно сильна эта разница будет для секций 6 кВ с двигателями

2 случай (близкое КЗ на линии 1)

При возникновении короткого замыкания на линии 1 в зоне действия отсечки (начало линии), защита срабатывает с выдержкой времени 0,1 с. При отказе выключателя алгоритм УРОВ отключит вводной выключатели через время Тзащ. = Тто + Туров = 0,1 + 0,3= 0,4 с.

По дальнему резервированию мы так же получим 1,5 с, т.е. теперь выигрыш уже 1,1 с.

Очевидно, что и на 6 кВ применение УРОВ дает преимущество в быстродействии и чувствительности

При всех своих плюсах УРОВ — достаточно «опасная» функция и применять ее нужно обдуманно. Следует помнить, что при срабатывании УРОВ полностью отключает участок сети с блокировкой любой автоматики восстановления питания, такой как АПВ и АВР. Это означает невозможность быстрого восстановления нормального режима и массовый недоотпуск электроэнергии (особенно если нижестоящие потребители не имеют своих АВР).

В связи с этой особенностью при пуске УРОВ, помимо контроля тока через выключатель, применяют различные способы ограничения возможности излишнего действия.

О логике и схемах УРОВ мы поговорим в следующей статье

Работа ЛЗШ при КЗ на шинах

Другая цель применения ЛЗШ – это отключение напряжения при возникновении короткого замыкании на шинах. При этом речь идёт о КЗ, происходящем непосредственно на территории распределительного устройства (РУ) или подстанции. Данная ситуация имеет особенность. Замыкание происходит в непосредственной близи от трансформатора. Сопротивление шин до точки КЗ имеет минимальное значение. Ток замыкания будет крайне высоким, вплоть до десятков тысяч ампер. Терминал РЗиА, регистрируя такое большое значение, соберёт цепочку ЛЗШ быстрее, чем, если бы авария сформировалась где-то далеко от подстанции. Если по каким-либо причинам данный каскад защиты не отработает, то питание отключится тем, который стоит выше по цепи. При этом из работы выйдет вся секция. Срабатывание будет неселективным, что является нежелательным.

Применение

Несмотря на некоторые недостатки, защита минимального напряжения тесно связана с производственными процессами, обеспечивает надежное функционирование техническому оборудованию.

Применяется для обеспечения защиты на электростанциях, обеспечивает работу важных механизмов при кратковременном исчезновении собственного питания. Устанавливается на проблемных участках электросети и подстанциях, отключая в первую очередь потребителей третьей категории. Обеспечивает сохранение напряжения на жизненно-важных объектах (больницы, железная дорога, связь, водопровод, канализация).

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.

Диагностика токовых цепей

Особенность токовых цепей состоит в том, что в них нет событий (появления или исчезновения значимого сигнала). Измерения идут постоянно, вне зависимости от наличия повреждения в первичной сети. Большую часть времени в этих цепях присутствует периодический сигнал, который не дает вам значимую информация для диагностики обрыва. И даже если сигнал исчезает, то это не обязательно означает обрыв. Возможно просто нагрузка в сети упала до нуля.

Таким образом, проконтролировать единичную токовую цепь на обрыв практически невозможно. Вы, конечно, сейчас напишите мне 100500 относительно честных способов контроля таких цепей (типа, измеряй ток I2, сравнивай с I1), но на практике, для ступенчатых защит, контроль обрыва токовых цепей не применяют. Здесь Цифровая подстанция действительно может дать фору обычной.

Другое дело дифференциальные защиты, где, при отсутствии повреждения “в зоне”, ток в защите всегда примерно равен нулю. Если вы сможете выбрать уставку алгоритма диагностики токовых цепей ниже максимального тока небаланса, но выше начальной уставки срабатывания ДЗТ, то сможете фиксировать обрывы токовых цепей . Что и делается на практике, причем как в микропроцессорных РЗА, так и в схемах с электромеханикой.

Из книги «Дифференциальная защита шин 110-220 кВ». И.Р. Таубес. БЭ. 1984 г.

Например, в схемах ДЗШ уставка начала характеристики срабатывания выбирается выше, чем рабочий ток самого нагруженного присоединения. При обрыве любой токовой цепи срабатывает сигнализация и ДЗШ выводится из работы. Это делается для того, чтобы не было ложного отключения при внешнем КЗ. Дальше у вас есть какое-то время на поиск обрыва и восстановление нормальной схемы.

Кстати, с появлением терминалов РЗА со второй группой токовых входов, под керн 0,5, появилась возможность контроля токовых цепей по избыточной информации, аналогично дискретным.

Заодно уменьшится количество электронных устройств, которые выполняют практически одни и те же функции. Правда у релейщиков и асушников могут возникнуть вопросы по объединению функций в одном устройстве. А там и служба телемеханики подтянется)

Защита от двойных замыканий на землю на двигателях 6(10) кВ

Предложение Александра Ряжских

Защиту от двойных замыканий на землю в принципе может выполнять и трехтрансформаторная МТЗ, которая чаще всего и применяется в современных проектах. Однако, если схема двухтрансформаторная, то защиту от данного вида повреждения должна выполнять защита нулевой последовательности, которая подключается к ТТНП.

Обычно двойные замыкания на землю устраняет защита от ОЗЗ, но если она выполняется с выдержкой времени, то добавляют отдельную степень (или реле), которое настраивается с бОльшим током, но уже без выдержки времени. На ОЗЗ и переходные процессы оно не действует, но большие токи КЗ через землю чувствует.

Защита от двойных замыканий на землю будет добавлена для всех двигателей 6(10) кВ, как опциональная.

На этом все. Осталось только отредактировать схемы и собрать итоговый документ. Как будет готово — сообщу.

Кстати, первыми PDF-отчет получать те, кто подписался на одну из наших почтовых рассылок. Позже выложу все на сайте.

Всем хорошей рабочей недели. Пока!