по всем вопросам:
8 (800) 555-25-11
СНГ: +7-495-127-97-07
контакты

Пути развития зашит на основе опыта реальных аварий в мёртвой зоне дуговой защиты | Микропроцессорные Технологии

Публикации на тему релейной
защиты и автоматики

Пути развития зашит на основе опыта реальных аварий в мёртвой зоне дуговой защиты

 

Кратко о классике

Действие дуговой защиты на отключение необходимо организовывать с дополнительным электрическим признаком для предотвращения излишнего срабатывания. Схемы с пуском по току сегодня получили наибольшее распространение.

 


Рис.1 – пример организации цепей защиты от дуговых замыканий для ячейки отходящего фидера


        

 

При введенном ключе SXD контакты К1 (ВОДI), К2 (ВОДII), К3-К4 (ВОД III) срабатывают при фиксации вспышки дугового КЗ в соответствующем отсеке ячейки. Реле KLD действует на отключение выключателя присоединения только при срабатывании пускового органа максимального тока в реле, установленном на вводных присоединениях секций.

 


Рис.2 – пример распределения датчиков фиксации светового потока по отсекам ячеек


 

Действия защиты от дуговых замыканий (ДГЗ) распространяется от выводов трансформаторов тока (ТТ) вводных присоединений и включает в себя отсеки отходящих присоединений.

В связи с конструкционной спецификой ячеек, в такой схеме существует мертвая зона в отсеках, на рис.2 эти зоны окрашены в оранжевый цвет.

Мёртвые зоны ДГЗ в водных присоединениях возникают так как:

А) при симметричном повреждении до трансформаторов тока, ток не будет протекать через ТТ. Действие пуска по току окажется невозможным и не смотря на фиксацию вспышки в отсеке, реле KLD на отключение выключателя Q не сработает;

Б) успешное отключение выключателя Q ячейки вводного присоединения не приводит к ликвидации замыкания в отсеке с ВОДIII, так как оно продолжит получать питание. В случае значительного удаления питающей подстанции организация действия дуговой защиты «в голову» затруднительно.

Мёртвой зоне не уделяют внимание в «надежде», что такие замыкания случаются редко и маловероятны.

 


 

 

29 августа 2019, спустя несколько месяцев с момента установки дуговой защиты Лайм, на ячейке вводного присоединения произошло замыкание, сопровождающееся открытой электрической дугой.

Началом развития аварии послужило нарушение изоляции кабельной муфты и это произошло в «классической» мёртвой зоне ДГЗ.

 


Как все происходило


 

В 10:47

 


 

Произошло повреждение кабельной муфты, установленной до трансформаторов тока, о чем свидетельствует прогар и следы выброса нагретого вещества напротив зоны повреждения. Замыкание фаз А, В, С привело к снижению напряжения секции с 10кВ до 0.6кВ.

Искровой разряд в кабельной муфте инициировал ионизацию воздуха, что привело к возникновению «плазменного шнура» - короткого замыкания, сопровождающегося открытой электрической дугой.

Разогрев дуги происходит до уровня 9000…12 000 градусов С, что приводит к скачкообразному росту давления внутри отсека. Следуя стандарту IEEE 1584, мы определили, что расчётное начальное давление «взрыва» в отсеке составило 1…1.5 Бар, воздействие на оборудование отсека было эквивалентно взрыву 9-14 граммов тротила.

 


 

Спустя 84 мс

 


 

Выключатель ячейки был отключен. Длительное время отключения (более 60 мс) обусловлено нарушением рекомендаций типовой работы МТ.ЛАЙМ.082.ТР по применению дуговой защиты. Вместо прямого действия (рис.1) на выключатель, работа Лайм была организована через дискретный вход «Внешняя защита» блока БЗП-02. В результате получено замедление из-за ввода в цепь отключения лишних звеньев:

- работа дискретного входа 16мс;

- программный цикл БЗП-02 10мс;

- срабатывание выходного реле БЗП-02 с действием на выключатель 8мс;

 


 

Замедление в результате проектной ошибки составило 34мс

 


 

Альбом схем рекомендует использовать дискретные входы цифровых реле только для фиксации информации о работе дуговой защиты в осциллограммы, но никак не для организации самой дуговой защиты.

Хотя отключение выключателя поврежденной ячейки и произошло через 84мс. Однако в виду того, что расстояние до питающей замыкание подстанции составляет 3 километра, действие защиты в «голову» организовано не было.

 


 

Дуга продолжала гореть, повреждение находилось в «мёртвой» зоне.

 


 

Понимая, что дуговые замыкания в зоне до ТТ питающих присоединений приведут к отказу пуска по току, в альбоме МТ.ЛАЙМ.082.ТР мы рекомендовали для этих отсеков использовать пуск по напряжению, с контролем исправности цепей ТН. Рекомендация проектировщиком была проигнорирована и действие ЛАЙМ на отключение вводного выключателя было организовано через дискретный вход и алгоритм «Внешняя защита». Ни пуска по току, ни пуска по напряжению проектировщик для отсеков питающих присоединений не предусмотрел. Любая засветка датчика ЛАЙМ приводила к действию на отключение вводного выключателя… и немедленному отключении всей секции.

А так как ячейка КСО конструктивно открыта, то отражение светового потока от стены здания привело к …засветке датчика «здоровой» секции шин, которая «погасла» через 102 мс с момента начала аварии.

 


 

Неповрежденная соседняя секция шин погасла через 102 мс.

 


 

В виду конструктивной особенности ячейки КСО-298, плазма из отсека с кабельной муфтой проникла в отсек с выключателем и трансформаторами тока.

 


 

Через 176 мс

 


 

В виду конструктивной особенности ячейки КСО-298, плазма из отсека с кабельной муфтой проникла в отсек с выключателем и трансформаторами тока. Произошло еще одно дуговое замыкание в зоне между трансформаторами тока и выключателем. Ток дугового замыкания в фазах А, В, С составлял 2.7, 2.4, 4.7кА соответственно. Штатно сработал «Пуск МТЗ» блока БЗП-02, так как ток стал проходить через ТТ. От стен помещение отражение светового потока дуги привело к срабатыванию датчиков ЛАЙМ в соседних ячейках, четыре из которых отключились неселективно с контролем пуска по току при уже отключенном выключателе ввода.

 



Спустя 1611 мс

 


 

Ликвидация дугового замыкания произошла спустя 1611 мс, действием МТЗ установленной на фидере питающей подстанции.

Вводная ячейка получила тяжёлые повреждения, а инженерное сообщество получило ценный опыт. На подстанцию прибыли пожарные, скорая помощь. Дневной план руководителей ответственных за эксплуатацию был нарушен.

 


 

Рис 4 – последствия повреждения в отсеке выключателя (фото слева) и в отсеке ввода кабеля (справа).


 

 

Резюме: отключилось 6 ячеек, погасли обе секции шин. Невероятно поучительная история.

 


Выводы и дальнейшее развитие защит

Авария наглядно показала пример того, что организация действия дуговой защиты через дискретные входы приводит к её замедлению на 30-35 мс. Это часто игнорируют при проектировании. Дискретные входы цифровых реле нужно использовать только для фиксации информации о работе дуговой защиты в осциллограммы, но никак не для организации самой дуговой защиты.

Алгоритм органа пуска по току питающих присоединений целесообразно дополнить принудительным возвратом по факту одновременного выполнения условий «РПО = 1, РПВ = 0». Это может предотвратить излишнее отключение ячеек КСО при засветке от дугового замыкания в зоне между ТТ и выключателем ввода, как было описано в аварии выше. Хотя, более элегантным решением является создание фотобарических датчиков, принцип действия которых будет рассмотрен ниже.

При проектировании защиты от ДГЗ необходимо учитывать конструктивные особенности ячеек и помнить, что засветка датчика может произойти не от «фонаря» электромонтера, а, например, по причине отражения светового потока от стен помещения при горении дуги. И авария, описанная выше – это хороший повод развивать саму дуговую защиту как систему, предусматривая решения исключающие её неправильное действие в таких ситуациях. Для подстанций с ячейками КСО это особенно актуально ввиду отсутствия полной оптической изоляции отсеков. При ДГЗ, для предотвращения отключения «здоровой» соседней секции шин, обязательно применение пуска по минимальному напряжению для отсеков с «мёртвой» зоной ДГЗ.

Цепи напряжения не всегда исправны, поэтому целесообразно создать комбинированный датчик ДГЗ работающий при одновременном выполнении условий:

- рост интенсивности светового потока (вспышка);

- фиксация небольшого скачка давления, создаваемого взрывным давлением дуги (arc blast pressure);

Следуя методам расчёта, изложенным в стандарте IEEE 1584, давление в отсеке возрастает на 0.05-0.1 бар за время менее 1-2мс. Возможно развитие такого принципа в будущем даже приведет к отказу от пуска по току или напряжению в защитах от ДГЗ. Позволю себе дать название такому принципу – фотобарический датчик дуговой защиты. Фотобарический датчик дуговой защиты – запомните это название, через 7-10 лет — это будет широко распространенное решение.

Учитывая частоту аварий, связанных с проблемами на кабельных муфтах, нужно подумать, как уделить больше внимания защите этого участка. Например, установка трансформатора тока нулевой последовательности после кабельной муфты и наличие трёх фазных ТТ до неё позволит организовать дифференциальную защиту этого участка с торможением. Кабельная муфта получит отдельную быстродействующую защиту. Такое решение сегодня активно применяется в Норвегии, США и ряде других стран (cable end differential ANSI 87N).

В связи с тем, что процесс развития пробоя кабельной муфты может продолжаться от нескольких месяцев, до нескольких лет нам необходимо развивать средства предиктивной диагностики заблаговременно выявляющие повреждения. Перспективными являются решения использующие неэлектрические принципы. Звуковая оценка частичных разрядов, методы тепловизионного наблюдения за кабельной муфтой для выявления точечных нагревов – несут высокий потенциал с учётом мощного инструментария алгоритмов нейронных сетей. Создание бюджетных систем фиксации частичных разрядов, определения профиля напряженности электрического поля кабельной муфты откроет широкий потенциал будущих систем предиктивной диагностики.

Описанные выше идеи относятся к методам совершенствования дуговой защиты. Однако, что делать с мёртвой зоной отсеков питающих присоединений? Как сократить время отключения в условиях, когда выключатель питающей подстанции находится очень далеко, и организация прямого действия на него от ДГЗ затруднительна?

Считаю возможным создание и внедрение в фидерные защиты специального пускового органа, выявляющего сам факт горения дуги с действием на ускорение МТЗ присоединения. Представим, что в вышеописанной истории с аварией, такой орган был бы в защите на вышестоящей подстанции питавшей ДГЗ в мёртвой зоне. В этом случае, ликвидация аварии произошла не за 1611 мс, а за 120-150мс. В десять раз быстрее.

Принцип действия такого пускового органа может быть основан на том, что физической основой природы дугового замыкания является импульсное, перемежающее протекание тока по плазменному «шнуру». В результате при регистрации тока, мы можем увидеть одномоментные импульсные изменения – «тычки», фаза начала и окончания, и форма образов которых совпадают.

 


Рис. 5 – реальная осциллограмма токов замыкания, сопровождавшегося открытой электрической дугой


 

В заключение хочу отметить, что не смотря на активнейшее внедрение дуговых защит сегодня нам, инженерам, предстоит сегодня еще очень много сделать для их правильного применения как на стадии проектирования, наладке, так и в развитии самих систем защит от дуговых замыканий.

 

Категория блога: 

Технический директор, Михаил Пирогов, Директор департамента технической поддержки, Нарожнев Евгений

Подпишитесь
на рассылку

Поделиться
Яндекс.Метрика
Орфографическая ошибка в тексте:
Чтобы сообщить об ошибке, нажмите кнопку "Отправить сообщение об ошибке". Также вы можете добавить свой комментарий.