Совершенствование методики выбора отключающих защитных аппаратов в электроустановках оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций

Актуальность работы. Электроустановки оперативного постоянного тока обеспечивают управляемость и живучесть электрических станций и подстанций, а, следовательно, и всей энергосистемы. В настоящее время на электрических станциях и подстанциях происходит замена традиционных средств релейной защиты и противоаварийной автоматики на микропроцессорные. Изменение состава электроприемников постоянного тока требует пересмотра требований к отключающим защитным аппаратам. Значительно усиливаются требования к качеству питания и электромагнитной совместимости электроприемников и систем питания. Традиционные принципы построения сети оперативного постоянного тока не отвечают возросшим требованиям.

Действующая методика выбора отключающих защитных аппаратов основана на методах эмпирического исследования. В настоящее время используются современные защитные аппараты с защитными характеристиками, отличными от тех, для которых проводились эксперименты и получены коэффициенты, заложенные в действующей методике выбора. Действующая методика выбора защитных аппаратов не обеспечивает комплексность учета требований к системе защиты в той степени, которая необходима новым электроприемникам при применении новых типов защитных аппаратов. Кроме того, выявлены особенности работы защитных аппаратов в сетях постоянного тока, недостаточно полно учитываемые в действующей методике выбора.

Разработка теоретически обоснованной и экспериментально подтвержденной методики выбора отключающих защитных аппаратов с учетом современных жестких требований на качество электроэнергии, а также особенностей работы современных защитных аппаратов в сетях постоянного тока, позволит принимать более обоснованные технические решения, обеспечит разработку современных систем оперативного постоянного тока (СОПТ), а также повысит надежность работы электростанций, подстанций и всей энергосистемы.

Основной целью работы являлась разработка теоретически обоснованной и экспериментально подтвержденной методики выбора современных быстродействующих защитных аппаратов для СОПТ с учетом требований современных электроприемников, в частности микропроцессорных релейных защит.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

— проведен анализ действующих СОПТ электростанций и подстанций, выявлены основные недостатки работы системы защиты, а также тенденции изменения применяемых типов защитных аппаратов и состава нагрузок;

— исследованы особенности работы электроприемников и сформулированы дополнительные требования к системе защиты;

— проведен анализ действующей методики выбора защитных аппаратов и выявлены особенности работы аппаратов установках постоянного тока, недостаточно полно учитываемые в действующих методиках;

— разработана математическая модель процесса короткого замыкания (КЗ) в цепях с кабельными линиями, позволяющая комплексно учесть факторы, одновременно действующие на снижение тока КЗ;

— исследованы термодинамические процессы в кабельных линиях с учетом особенности работы защитных аппаратов с целью уточнения расчетных условий;

— проанализированы требования к системе защиты при использовании автоматических выключателей и плавких предохранителей, а также разработаны рекомендации по проектированию системы защиты, обеспечивающей качественное питание современных электроприемников;

— исследован процесс плавления вставок при воздействии сверхтоков, предложен алгоритм определения время-токовых характеристик плавления, необходимых для надежной отстройки от толчков тока, а также разработаны рекомендации о необходимости замены вставок в результате воздействия сверхтоков;

— систематизированы и обобщены результаты исследований процесса старения вставки;

— разработан алгоритм выбора номинального тока плавкой вставки с учетом импульсных нагрузок при учете процессов плавления и старения;

— исследованы электромагнитные процессы в СОПТ, а также проведена оценка влияния параметров цепи ввода на отключение защитных аппаратов, уровень перенапряжений, параметры провалов напряжения в сети, и шунтирующий эффект аккумуляторной батареи.

Методы исследования. В процессе исследования использовались методы математического моделирования и натурные эксперименты на действующих электроустановках.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

В отличие от действующей методики выбора отключающих защитных аппаратов, разработанной преимущественно на основе эмпирических данных, в данной диссертации критерии выбора аппаратов защиты обоснованы с использованием теоретического анализа.

Разработана математическая модель процессов КЗ в цепи с кабельными линиями и защитными аппаратами, позволяющая одновременно учитывать нелинейный характер элементов цепи КЗ, а также нелинейные характеристики защитных аппаратов.

Разработана методика определения времятоковых характеристик плавления вставки для различных материалов и температуры окружающей среды, необходимая для отстройки от толчковых токов нагрузки.

Произведена систематизация и обобщение результатов исследований процесса старения вставки.

Произведен анализ электромагнитных процессов, возникающих при отключении КЗ защитным аппаратом.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными данными, а также хорошим согласованием с результатами других исследований.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

Разработаны рекомендации по проектированию современных СОПТ, позволяющих обеспечить бесперебойную работу электроприемников постоянного тока.

Разработана методика выбора номинального тока вставки плавкого предохранителя с учетом толчкового тока конкретной нагрузки, при учете процессов плавления и старения. Разработаны рекомендации относительно замены вставок после воздействия сверхтоков.

Результаты работы реализованы в виде компьютерной программы и используются в ОАО «ФСК ЕЭС».

Предложения, выносимые на защиту:

— обосновано более широкое применение современных плавких предохранителей на первом и втором уровне защиты;

— предложен алгоритм выбора номинального тока вставки для обеспечения надежной отстройки от срабатывания при толчковых токах нагрузки и безотказной работы предохранителей с учетом процессов плавления и старения;

— обосновано значительное влияние параметров цепи ввода на процесс i отключения сверхтоков, а также на уровень возможных высокочастотных помех в СОГГГ.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на десятой международной научно — технической конференции студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика» (Москва, 2−3 марта 2004) — III научно — технической конференции «Научно — инновационное сотрудничество» (Москва, 26−27 января 2004) — IV Всероссийской научно — технической (конференции «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (Благовещенск, 5−6 октября 2005). По работе имеются четыре публикации [59−62].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и 5 приложений.

Выводы:

1) Индуктивность цепи ввода является важным параметром цепи постоянного тока. Увеличение индуктивности цепи ввода приводит к снижению отключающей способности защитных аппаратов, повышению уровня перенапряжений в сети, а также снижает шунтирующий эффект аккумуляторной батареи по отношению к высокочастотным помехам, возникающим в сети высшего напряжения.

2) Индуктивность цепи ввода следует определять с учетом компоновки аккумуляторов в аккумуляторном помещении, а также просвета между полюсами вводного кабеля. Минимальное значение индуктивности соответствуем компоновкам аккумуляторов при расстановке их рядами, а также прокладки кабеля, соединяющего аккумуляторную батарею к ЩПТ с минимально возможным просветом. При выборе аккумуляторов на индуктивность цепи также влияет способ выполнения межэлементных соеднений.

3) При использовании предохранителей переменного тока в цепях постоянного тока, номинальное напряжение предохранителя должно выбираться в соответствии с параметрами цепи. Если постоянные времени составляют менее 5 мс, характеристики работы будут такими же, как и на переменном токе. Для постоянных времени от 5 до 10 мс, номинальное напряжение должно быть снижено на 10−35% в зависимости от конкретного типа предохранителя. Для надежного срабатывания предохранителя минимальный сверхток должен составлять от 2 до 10 крат относительно номинального тока вставки.

4) При выборе защитных аппаратов следует определять уровень коммутационных перенапряжений. Основными факторами, действующими на повышения уровеня коммутационных перенапряжений, является увеличение индуктивности цепи ввода, а также ускорения процесса отключения сверхтоков.

5) Активное сопротивление цепи ввода является важным параметром цепи при выборе защиты. По мере уменьшения активного сопротивления цепи ввода обеспечивается более быстрое отключение сверхтоков, а также повышается уровень напряжения на ЩПТ и на отходящих присоединениях. При применении плавких предохранителей уменьшается продолжительность провалов напряжения при КЗ.

6) По отношению к высокочастотным помехам аккумуляторная батарея может обладать шунтирующим эффектом. По мере уменьшения индуктивности и активного сопротивления цепи ввода аккумуляторной батареи снижается уровень высокочастотных помех в СОПТ, что повышает надежность работы электроустановки.

Заключение

.

1. На основе анализа состава электроприемников на современных электрических станциях и подстанциях выявлено, что кроме традиционных требований к системе защиты — чувствительности, селективности, резервированию, обеспечению термической стойкости и невозгораемости кабелей, отключающие защитные аппараты должны обеспечивать допустимые продолжительность и глубину провалов напряжения.

2. На основе анализа характеристик защитных аппаратов выявлено, что применение современных плавких предохранителей на первом и втором уровне защит отвечает жестким требованиям по качеству питания со стороны электроприемников нового поколения, обеспечивает термическую стойкость и невозгораемость кабелей, а с точки зрения надежного резервирования является наиболее эффективным. Автоматические выключатели с точки зрения эксплуатации целесообразно использовать для защиты конечных потребителей, где они могут дополнительно выполнять функции выключателей нагрузки.

3. На основе исследований установлено, что наибольший нагрев кабеля может иметь место при КЗ, удаленных от начала кабеля. При защите автоматическими выключателями рассматриваемая удаленность места КЗ должна определяться с учетом изменения типа срабатывающего расцепителя. Проверку термической стойкости и невозгораемости кабелей следует производить не только для металлических КЗ, но и дуговых КЗ.

4. Для выбора номинального тока вставки и обеспечения надежной отстройки от срабатывания при толчковых нагрузках предложено использовать не только преддуговую времятоковую характеристику, но и характеристику плавления элемента вставки. Разработан алгоритм определения времятоковых защитных характеристик плавления для различных материалов вставки и температур окружающей среды. Разработаны рекомендации по замене плавких вставок после воздействия сверхтоков.

5. На основе систематизации и обобщения исследований, касающихся процесса старения вставки, разработаны рекомендации по выбору номинального тока вставки с учетом фактора старения. В случае увеличения номинального тока вставки для учета процесса старения, предохранитель может не заменяться в течение всего срока службы. В противном случае, необходимо корректировать срок службы предохранителя с учетом особенностей графика нагрузки и заменять по мере истечения этого срока.

6. На основе анализа электромагнитных процессов в СОПТ предложен алгоритм оценки влияния индуктивности цепи ввода аккумуляторной батареи на отключающую способность защитных аппаратов, уровень коммутационных перенапряжений в сети, а также на шунтирующий эффект аккумуляторной батареи по отношению к высокочастотным помехам. Выявлены основные факторы, влияющие на индуктивность вводной цепи, к которым относятся: компоновка аккумуляторов в аккумуляторном помещении, емкость аккумуляторной батареи, способ выполнения межэлементных соединений, а также расстояние между жилами вводного кабеля.

7. Произведена количественная оценка уровня перенапряжений в сети при срабатывании защитных аппаратов. Получено, что ускорение процесса отключения КЗ в быстродействующих аппаратах приводит к увеличению уровня перенапряжений в СОПТ. Уровень перенапряжений увеличивается по мере увеличения индуктивности вводной цепи, в том числе при увеличении емкости аккумуляторной батареи, а также сечения кабеля.