Выбор защитных аппаратов СОПТ для подстанций 35–750 кВ
 
Энергетика

Выбор защитных аппаратов СОПТ для подстанций 35–750 кВ

Правильный расчёт и выбор защитных аппаратов в системах оперативного постоянного тока (СОПТ) подстанций определяет не только нормальное функционирование СОПТ, но и надёжную работу объекта в целом.

Действующая в настоящее время нормативная база [1—3] определяет следующие требования к аппаратам защиты:
• расчёт токов КЗ нужно выполнять как для максимально возможных токов, так и для минимально возможных с учётом сопротивления дуги. Расчёт токов КЗ должен выполняться в соответствии с требованиями ГОСТ 29176-91;
• на верхнем и среднем уровнях в качестве защитных аппаратов должны применяться предохранители. На нижнем уровне допускается применение как предохранителей, так и автоматических выключателей;
• защиты всех уровней должны быть селективны во всех диапазонах токов КЗ;
• защиты более низкого уровня резервируются защитами более высокого уровня;
• защитные аппараты должны обеспечивать чувствительность к дуговым коротким замыканиям в основной зоне и зоне резервирования;
• защитные аппараты должны обеспечивать отключение коротких замыканий в любой точке СОПТ, сопровождающихся снижением напряжения на шинах глубиной более 50%, со временем, не превышающим 50 мс, для обеспечения неперезагрузки микропроцессорных терминалов (МП терминалов).

Не претендуя в рамках одной статьи на полный анализ возможных вариантов решений этих задач, остановимся на нескольких, на наш взгляд, важных моментах.

Приведённые требования определяют следующий алгоритм расчёта.

Для определения коммутационной стойкости используемых защитных аппаратов и селективности необходимо рассчитать максимальное значение тока — это металлическое КЗ в начале кабельной трассы непосредственно за выбираемым защитным аппаратом. Батарея при этом считается новой (100% ёмкости) и полностью заряженной, то есть её ЭДС равна 2,05—2,1 В на элемент. Для определения чувствительности защитных аппаратов определяется минимальный ток КЗ — дуговое КЗ в конце защищаемой кабельной трассы при АБ в конце срока службы в аварийном разряде. Для батареи это означает ёмкость, гарантируемую производителем в конце срока службы (обычно 80% от номинальной), и ЭДС элемента в конце аварийного разряда согласно проектному решению (как правило, 1,8 В/эл). В зависимости от длин и сечений кабелей минимальный и максимальный токи КЗ могут отличаться на порядок.

Также, по требованиям ГОСТ 29176-91, необходимо учитывать изменения внутреннего сопротивления элементов цепи при их нагреве вследствие протекания тока КЗ. Это явление приводит к тому, что в процессе КЗ при нагреве, например, кабелей ток КЗ начинает снижаться. Если проигнорировать этот эффект при расчётах, то реальный ток КЗ может оказаться серьёзно заниженным, что приведёт к недостаточной чувствительности выбранных защитных аппаратов. Это подтверждается обследованиями действующих объектов [4]. Таким образом, расчётное значение тока КЗ напрямую зависит не только от параметров АБ, кабелей и прочих элементов схемы, но и от расчётного времени отключения КЗ выбранным защитным аппаратом. Следовательно, перед тем, как начинать расчёт, необходимо первоначально выбрать кабели и защитные аппараты на всех уровнях защиты, определив тем самым времена отключения КЗ, а затем рассчитывать токи и выбирать аппараты и их уставки начиная с нижнего уровня. Не исключено, что в процессе расчёта придётся корректировать сечения кабелей и номиналы защитных аппаратов, заново пересчитывая при этом все токи КЗ и время отключения.

При таком расчёте, во время которого выбираются устанавливаемые аппараты, решается ещё одна важная задача — обеспечение селективности уровней защиты. При использовании предохранителей на всех трёх уровнях её решение не вызывает особых затруднений — достаточно лишь, чтобы номиналы последовательно включённых вставок отличались более чем в 1,6 раза — селективность при этом гарантируется производителем. При установке же на нижний уровень современных автоматических выключателей, у которых в режиме отсечки время отключения практически не зависит от тока КЗ, необходимо, как видно из рисунка, учитывать предельный ток селективности.

Определённые сложности в реализации вызывает требование обеспечивать чувствительность к дуговым коротким замыканиям в зоне резервирования. Как видно из рисунка, при одинаковом токе КЗ времена отключения автоматического выключателя на 10 А с характеристикой С в зоне отсечки и предохранителя на ток 50 А могут отличаться на порядки. С учётом того, что разница между номиналами выше- и нижестоящего аппаратов может быть значительно большей, например при большом количестве отходящих от вышестоящего предохранителя линий, ни о каком оперативном отключении дугового КЗ в зоне резервирования речь не идёт.

Особенно сложно обеспечить чувствительность к дуговым КЗ в зоне резервирования, если при выборе автоматических выключателей нижнего уровня необходимо обеспечивать пусковые токи питаемого оборудования. Так, например, у некоторых МП терминалов производства Siemens серии SIPROTEС пусковой ток превышает номинальный ток потребления более чем в 15 раз, что заставляет завышать номинал аппаратов нижнего уровня.

Отдельно стоит рассмотреть требования, касающиеся обеспечения неперезагрузки МП терминалов при КЗ в СОПТ. Если в первом варианте Норм технологического проектирования [3] просто констатировалась необходимость соблюдать это условие, то в [1] и [2] даны чёткие указания по обеспечению отключения КЗ, которые сопровождаются просадкой напряжения ниже 50% от номинала, за время 50 мс. Реализовать это на реальном объекте во всём диапазоне токов КЗ, особенно с учётом длин кабельных трасс, выходящих за пределы ОПУ, весьма затруднительно, в любом случае это приводит к значительному увеличению сечения кабелей. Насколько же эти требования правомерны?

Если отталкиваться от действующих нормативных документов — РД 34.35.310-01, — устройства МП РЗА должны сохранять заданные функции без изменений параметров и характеристик срабатывания при перерывах питания постоянным оперативным током длительностью до 0,5 с. Так, например, МП терминалы производства АВВ серии 670 снабжаются специальной приставкой, которая продлевает работу устройства без «перезагрузки» при потере питания до 0,6 с. Также производитель подтверждает длительную нормальную работу таких устройств в диапазоне напряжений от 70 до 300 В. В данном случае попытка соблюсти условие «50% за 50 мс» приведёт лишь к неоправданным затратам на кабели повышенного сечения и не принесёт никакого реального эффекта.

Однако существуют и другие МП терминалы, например производства Siemens серии SIPROTEС, у которых при определённой комплектации диапазон рабочих напряжений равен 176—300 В постоянного тока, а перекрываемое время потери напряжения при обрыве/коротком замыкании составляет 50 мс. Для подобных устройств просадка напряжения ниже 176 В (то есть 20% от номинального напряжения), пусть даже формально вписывающаяся в требования [1] и [2], означает перезагрузку, и её недопущение — задача ещё более сложная и дорогостоящая.

Таким образом, на наш взгляд, в данном вопросе правильнее отталкиваться не от требований [1—3], а от требований, которые предъявляют к питающему напряжению конкретные МП терминалы, установленные на объекте. Причём не стоит ограничиваться только борьбой за малые просадки напряжения при КЗ и быстрое их отключение — этот метод может быть неэффективным. Необходимо рассматривать и иные меры недопущения перезагрузки МП терминалов. Одним из возможных вариантов может стать организация безразрывного диодного АВР. При провале напряжения вследствие КЗ или иной неисправности на одной АБ, это устройство автоматически подключает для питания вторую АБ при двухбатарейной конфигурации СОПТ. Подобное схемотехническое решение допускается к использованию согласно [2], и уже реализовано на нескольких объектах.

Таким образом, расчёт токов КЗ и выбор защитных аппаратов — это сложный итерационный процесс, при котором должны учитываться множество факторов, в первую очередь реальные технические характеристики оборудования, установленного на объекте. Во вдумчивом анализе этих факторов, оптимальном подборе компонентов системы по принципу необходимости и достаточности и заключается искусство проектировщика.


ЛИТЕРАТУРА

1. СТО 56947007-29.120.40.093-2011 Руководство по проектированию систем оперативного постоянного тока (СОПТ) ПС ЕНЭС. Типовые проектные решения.
2. СТО 56947007-29.120.40.041-2010 Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования.
3. СО 153-34.20.122-2006 Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35—750 кВ.
4. Диагностика электроустановок оперативного постоянного тока на подстанциях ОАО «Мосэнерго», Балашов В.В., Гусев Ю.П., Поляков А.М., Фещенко В.А., Электрические станции, 2000, № 8, с.39—46.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно