ДИАГНОСТИКА
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ПОДСТАНЦИЯХ ОАО “МОСЭНЕРГО”[i]
Балашов В.В., инж., Гусев Ю.П., канд. техн. наук, Поляков А.М., Фещенко В.А., инженеры
ОАО “Мосэнерго” -
Московский энергетический институт (технический университет)
Электроустановки оперативного постоянного тока (ЭУ ОПТ) являются важнейшей составной частью системы обеспечения управляемости и живучести электростанций и подстанций. От ЭУ ОПТ зависит возможность функционирования цепей управления, защиты, контроля и регулирования основного оборудования электростанций и подстанций, устройств сигнализации и связи.
Ежегодно в ОАО “Мосэнерго” фиксируется по несколько случаев несрабатывания или неселективной работы защитных аппаратов в ЭУ ОПТ при коротких замыканиях. Значительная доля таких случаев сопровождается повреждением основного оборудования. Аналогичная ситуация имеет место и в других энергосистемах [1]. Анализ проектных материалов и экспериментальные исследования на подстанциях ОАО «Мосэнерго» позволили установить, что одной из причин отказов ЭУ ОПТ является недостаточная чувствительность защитных аппаратов. Обследованные ЭУ ОПТ проектировались по типовым проектным материалам и методическим указаниям [2,3] не соответствующим действующему государственному стандарту [4] и в недостаточной степени учитывавшим комплекс факторов влияющих на токи металлического и дугового коротких замыканий. Следствием применения устаревших норм явилось использование завышенных расчетных значений токов короткого замыкания для выбора защитных аппаратов. В некоторых случаях, значения, полученные по [2,3], отличались от полученных по [4] в 2 и более раз.
В связи с указанным, в ОАО “Мосэнерго”, совместно с кафедрой “Электрические станции” МЭИ, выполнен ряд работ нацеленных на повышение надежности ЭУ ОПТ. В статье представлены результаты выполненных работ и даны некоторые замечания о практике проектирования ЭУ ОПТ.
Указанные работы стали возможными после создания
программно-технического комплекса (ПТК), в
состав которого входят:
· программа GUCHOICE “Карта селективности автоматических выключателей и предохранителей”;
· программа GUDCSETS “Короткие замыкания в электроустановках постоянного тока напряжением до 1 кВ”;
· специализированное устройство для экспериментального определения токов короткого замыкания (УТКЗ).
Программа GUCHOICE позволяет проанализировать селективность защитных аппаратов по времятоковым характеристикам. Основой программы является база данных с времятоковыми характеристиками автоматических выключателей и плавких вставок предохранителей отечественного производства. Для проверки селективности, из базы данных по номинальным параметрам, выбираются защитные аппараты, соответствующие установленным в конкретной сети, например, в кольце шин питания (ШП) электромагнитов включения выключателей. На экране компьютера в единых именованных логарифмических координатах строятся их времятоковые характеристики, рис. 1. Защитные характеристики автоматических выключателей, имеющих регулирование, например, серии А3793С, строятся с учетом уставок, выставленных при настройке. Имеется возможность учесть и температуру окружающей среды. Программа позволяет построить характеристики срабатывания шести защитных аппаратов в одних осях координат. При выявлении неселективности, можно выбрать из базы данных защитный аппарат с характеристикой, удовлетворяющей требованию селективности.
Программа GUDCSETS позволяет выполнять расчеты токов короткого замыкания с целью проверки чувствительности защит. Программа полностью удовлетворяет рекомендациям ГОСТ [4]. При проведении расчетов комплексно учитываются:
· тепловой спад тока, обусловленный изменением сопротивления кабелей вследствие их не адиабатического нагрева токами короткого замыкания (с учетом теплоотдачи в изоляцию токоведущих жил);
· влияние температуры окружающей среды и токовой нагрузки на сопротивление кабелей;
· возможность подпитки со стороны двигателей постоянного тока.
· сопротивления расцепителей автоматических выключателей, контактных соединений и плавких вставок;
· нелинейность вольтамперной характеристики аккумуляторной батареи и внешних вольтамперных характеристик зарядно-подзарядных агрегатов;
· нелинейное сопротивление электрической дуги.
Подготовка расчетной схемы и ее последующее редактирование осуществляются в интерактивном режиме с использованием базы условных графических обозначений элементов ЭУ ОПТ, рис. 2 и 3.
Параметризацию элементов схемы можно производить ручным способом или использовать для этих целей базу данных программы, содержащую необходимую для расчетов информацию об аккумуляторных батареях, рубильниках, кабелях, предохранителях, расцепителях автоматических выключателей и т.п.
Совместное использование программ GUDCSETS и GUCHOICE позволяет определять величину и продолжительность понижения напряжения в узлах ЭУ ОПТ, при отключении различных видов короткого замыкания и разной электрической удаленности, что важно для оценки работоспособности потребителей постоянного тока.
Более подробно о программах можно узнать в Интернете по адресу HTTP://ES.MPEI.AC.RU.
Специализированное диагностическое устройство УТКЗ разработано с участием МЭИ, а производство его налажено с 1998 года на заводе “ОЗАП МОСЭНЕРГО”. В состав комплекса входит переносной компьютер и силовой блок. Диагностический комплекс обеспечивает единовременное проведение, как расчетных работ, так и получение значений токов короткого замыкания экспериментальным путем. Экспериментальные значения токов позволяют учесть реальное состояние аккумуляторной батареи и контактных соединений короткозамкнутой цепи.
Силовой блок УТКЗ управляется компьютером и обеспечивает создание толчков нагрузки заданной величины и длительности. Сопротивление нагрузки может варьироваться в пределах от 25 до 2500 мОм, а длительность толчка от 2 до 10000 мс. Переходные процессы, создаваемые силовым блоком, регистрируются с помощью аналого-цифрового преобразователя и обрабатываются компьютером для получения необходимой диагностической информации, рис. 4. Техническая база УТКЗ является универсальной и допускает расширение его функциональных возможностей вплоть до использования при диагностике электроустановок переменного тока напряжением 0.4 кВ.
Среди специалистов, занятых обслуживанием ЭУ ОПТ, распространено мнение, что при наличии экспериментальных данных о токах короткого замыкания, нет необходимости заниматься расчетами. Такая точка зрения является заблуждением. Экспериментальные данные не дают представления о возможных границах изменения тока короткого замыкания. Известно, что чувствительность защитных аппаратов должна проверяться по минимально возможным значениям тока, а для проверки селективности, в общем случае, требуется еще и знание максимально возможных значений тока. Максимально возможные значения токов нужны для проверки коммутационной способности аппаратов и для проверки кабелей на термическую стойкость и невозгораемость. Для экспериментального определения граничных значений тока пришлось бы воспроизводить на действующей электроустановке разные варианты ремонтных и после аварийных схем, отключать и включать зарядно-подзарядные устройства, имитировать дуговые короткие замыкания, делать затяжные короткие замыкания, добиваясь нагрева кабелей до соответствующих таким замыканиям температур, разряжать аккумуляторную батарею до уровня, предусмотренного правилами эксплуатации.
Практическое использование вышеописанного программно-технического
комплекса, при обследовании ряда подстанций ОАО “Мосэнерго”,
позволило разработать и апробировать методику выявления скрытых дефектов в ЭУ
ОПТ. Иллюстрацией применения разработанной
методики могут служить представленные на рис. 1 – 4 расчетные и опытные данные.
На
одной из подстанций, с головным автоматическим выключателем АВМ-4С, в присоединении кольца питания электромагнитных
приводов был установлен предохранитель ПН2-250-160. С помощью карты
селективности защитных аппаратов, приведенной на рис. 1, хорошо видно,
что обратнозависимый расцепитель автоматического
выключателя АВМ-4С неселективен по отношению к такому
предохранителю. На другой аналогичной подстанции в
присоединениях цепей питания приводов, работающих в режиме замкнутого кольца
были установлены 80-ти амперные предохранители, что, как видно из того же рисунка, также не
гарантирует селективную работу головного автоматического выключателя. При
возникновении неисправности в приводе, подобные ошибки приводят к отключению
головного автоматического выключателя и потере питания устройств управления,
релейной защиты и автоматики (РЗА), что недопустимо.
Т. о. программа GUCHOICE, при минимальных затратах времени на сбор исходных данных, позволяет проанализировать характеристики защитных аппаратов, выявить угрозу их неселективной работы при коротких замыканиях и принять необходимые меры.
Для использования программы GUDCSETS необходимо иметь полную информацию о схеме и элементах ЭУ ОПТ. Необходимо отметить, что сбор исходных данных во многих случаях затруднен, так как предусмотренная правилами технической эксплуатации, документация на ЭУ ОПТ может быть либо утерянной, либо не полностью соответствующей фактическому состоянию электроустановки. Как правило, нет надежных сведений о настройке расцепителей автоматических выключателей. Недостающие данные приходится находить непосредственно на подстанции. В процессе выполнения работ были выявлены отклонения реальных длин кабелей, их сечений и даже материала жил, от сведений приведенных в технической документации. Обнаруживались и отличия реальных схем от проектных, особенно в части подключения концевых элементов аккумуляторной батареи и в использовании режима замкнутого кольца питания ШП, вместо разомкнутого, по проекту. В сомнительных случаях для уточнения длины кабельных линий, при отсутствии сведений об их трассе, проводилось измерение сопротивлений жил кабелей методом вольтметра-амперметра или измерительным мостом. При этом следует иметь в виду, что измеренные при малых токах сопротивления кабелей могут значительно возрасти из-за увеличения температуры жил при протекании по ним токов короткого замыкания.
Затраты времени на получение качественных исходных данных для расчетов окупаются выявлением скрытых, но потенциально очень опасных дефектов. Как показали проверки, недостаточный запас по чувствительности, чаще всего, имеют мгновенные расцепители головных автоматических выключателей и предохранители в кольцах питания электромагнитов включения выключателей. Действующие ЭУ ОПТ проектировались по методикам, допускавших значительное завышение расчетных значений токов как дуговых, так и металлических коротких замыканий. Например, не учет лишь одного фактора – возможности нагрева кабелей при металлическом коротком замыкании с 65 до 350 градусов, мог быть причиной завышения расчетных значений токов более чем в 2 раза. Если учесть, в соответствии с рекомендациями ГОСТ [4], дополнительно сопротивления электрической дуги и защитных аппаратов, можно ожидать уменьшения расчетных значений токов короткого замыкания еще в 1,5 – 2 раза, по сравнению с расчетными значениями токов металлических коротких замыканий.
Сопоставление расчетных значений токов короткого замыкания, полученных с помощью программы GUDCSETS, и экспериментальных данных, полученных с помощью УТКЗ, позволяет оценивать исправность многих элементов ЭУ ОПТ. Обычно, признаком неисправности элементов ЭУ ОПТ является разница, превышающая 10%, между расчетным значением тока металлического короткого замыкания и его значением полученным из опыта. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений токов короткого замыкания на проходной доске позволило, на ряде подстанций, выявить опасное ухудшение состояния аккумуляторных батарей. Среди батарей, проработавших несколько лет, обнаружены батареи с уровнем токов короткого замыкания значительно меньшим по сравнению с новыми батареями. Как правило, такие батареи не могут обеспечить четкую работу защитных аппаратов, в первую очередь, электрически близких к аккумуляторной батарее. Существенным является то, что срок службы не является решающим фактором, определяющим работоспособность батареи. На одной из подстанций батарея типа СК, отработавшая 30 лет, имела измеренный ток короткого замыкания на проходной доске лишь на 13% меньше расчетного тока, в то время, как ток короткого замыкания от аккумуляторной батареи типа СН, проработавшей 9 лет, оказался меньше ожидаемого значения на 32%. До проведения опытов персонал подстанции считал техническое состояние батареи СН более удовлетворительным, чем батареи СК.
Сопоставление расчетных и измеренных значений токов короткого замыкания позволило проверить качество электрических соединений щитов и сетей постоянного тока. Было установлено, что в ЭУ ОПТ, отслуживших 20-30 лет, имеется большое количество пакетных выключателей и переключателей серий ПВ и ПП, предохранителей типа ПН-2 и НПН2-60 с изношенными контактами. Дефекты контактов, обусловленные ослаблением стальной кольцевой пружины на контактной стойке предохранителя или рубильника, или ослабевшей затяжкой болта электрического зажима, проявили себя лишь при протекании токов по величине соизмеримых со значениями тока короткого замыкания. Такие дефекты являлись причиной снижения на 25% и более величины тока короткого замыкания, определяемой экспериментально по отношению к расчетному значению.
Наличие возможности регулирования величины и длительности токовых толчков, создаваемых УТКЗ позволяет применять его для опробования автоматических выключателей с уставками расцепителей до 2500 А без демонтажа их с панелей и щитов. Источником пробного тока, при этом, является штатная аккумуляторная батарея. В процессе работ на подстанциях были выявлены отклонения фактических токов и времен срабатывания расцепителей автоматических выключателей от заданных значений. Были зафиксированы случаи ложного срабатывания предохранителей, при параметрах токовых воздействий много меньших, по сравнению с указанными на типовой защитной характеристике. Получило практическое подтверждение известное положение о необходимости замены предохранителей не только после расплавления их вставок, но и по истечении установленной нормами продолжительности эксплуатации .
Обобщая результаты расчетов, выполненных по проектным данным, и результаты экспериментов, проведенных на ряде подстанций ОАО “Мосэнерго”, можно отметить следующие факторы, отрицательно влияющие на надежность работы ЭУ ОПТ.
1. До настоящего времени продолжается использование методики расчета токов короткого замыкания в ЭУ ОПТ, не учитывающей рекомендаций действующего с 1992 года ГОСТа [4]. К сожалению, даже в отраслевых методических указаниях по выбору защитных аппаратов, вышедших после введения в действие ГОСТ, не учитываются в достаточной степени содержащиеся в ГОСТ рекомендации по расчету токов короткого замыкания. Большинство проектов и в настоящее время выполняется без комплексного учета сопротивления электрической дуги, сопротивлений разъемных контактов и токоведущих частей расцепителей, учета зависимости сопротивления кабелей от температуры, зависимости параметров аккумуляторной батареи от температуры окружающей среды и степени ее разряженности. Значение токов короткого замыкания, полученные без учета рекомендаций ГОСТ, могут превышать реально возможные токи в 2-3 раза. Следовательно, защитные аппараты, выбранные с минимальными запасами по коэффициенту чувствительности, могут оказаться неработоспособными. Необходимо отметить, что комплексный учет всех рекомендуемых ГОСТ факторов возможен лишь при выполнении расчетов на компьютере.
2. В проектной документации, как правило, отсутствуют результаты расчетов токов короткого замыкания в ЭУ ОПТ, результаты проверки селективности и чувствительности, нет сведений о резервировании защитных аппаратов.
3. Производимые в процессе эксплуатации изменения ЭУ ОПТ, перекладка кабелей, замена защитных аппаратов и даже аккумуляторных батарей не сопровождаются перерасчетом уставок и перенастройкой автоматических выключателей.
4. На ряде подстанций, вместо, предусмотренной проектом, работы кольца питания электромагнитов включения выключателей в разомкнутом режиме, используется режим замкнутого кольца. Надежность операций включения при этом повышается, но становится возможным неселективное отключение головного автоматического выключателя или предохранителя, что может приводить к потере питания устройств РЗА.
5. Выявлены случаи использования в цепях постоянного тока автоматических выключателей, предназначенных для использования в цепях переменного тока, без учета влияния на защитные характеристики рода тока. Допускаются случаи параллельного включения нескольких полюсов выключателей в одном полюсе цепи, что снижает чувствительность выключателей в 2 и более раза. Нередко поврежденные автоматические выключатели заменяются выключателями другого типа без учета влияния сопротивления их расцепителей, достигающего единиц Ом, на уровень токов короткого замыкания.
6. Типовые схемы ЩПТ подстанций плохо приспособлены к выполнению профилактических работ. Не учитывается, что отечественные автоматические выключатели имеют малый межремонтный ресурс работоспособности. Так, например, по действующим техническим условиям на выключатели серии А3700, проверку работоспособности полупроводниковых блоков управления расцепителем следует проводить каждые 5000 часов, т.е. ежегодно! Автоматические выключатели серии АВМ, повсеместно страдающие разрегулированностью часовых механизмов, необходимо проверять не реже 1 раза в 3 года.
7. На практике периодичность и объем профилактических работ по автоматическим выключателям не выдерживается. И происходит это не только из-за нерадивости соответствующих служб, но и по объективным причинам. Отсутствие резервного ввода питания от аккумуляторной батареи на ЩПТ, затрудненный доступ к головному выключателю и выключателям присоединений из-за чрезмерно плотной компоновки ЩПТ, отсутствие требуемых нагрузочных устройств - являются объективными причинами снижения качества эксплуатации ЭУ ОПТ.
8. Не обновляются, по истечении установленных нормами сроков хранения и эксплуатации, предохранители.
9. В преобладающем большинстве ЭУ ОПТ подстанций устройства релейных защит, автоматики, сигнализации, связи и электромагнитов включения имеют общий ввод питания от аккумуляторной батареи. Из-за неселективной работы головного защитного аппарата, обусловленной нарушениями в работе электромагнитных приводов выключателей и короткими замыканиями в их цепях, все устройства, предназначенные для локализации аварий в первичных цепях подстанций, становятся неработоспособными. Обеспечить селективную работу защитных аппаратов в цепях питания электромагнитных приводов сложно, т. к. ток удаленного дугового короткого замыкания соизмерим с номинальным током “тяжелых” электромагнитов распространенных масляных выключателей типа У-220 и У-110.
10. Негативно влияющим на надежность работы ЭУ ОПТ фактором является эксплуатация аккумуляторных батарей, выработавших свой ресурс. На некоторых подстанциях продолжают эксплуатироваться аккумуляторные батареи, введенные в работу более 25 лет назад. Емкость и внутреннее сопротивление таких батарей могут существенно, в 2 и более раза, отличаться от емкости и внутреннего сопротивления новых батарей, что снижает уровень токов короткого замыкания и приводит к потере чувствительности автоматических выключателей. Необходимо отметить, что современные аккумуляторные батареи с намазными пластинами, как отечественные, так и импортные, обладая лучшими мощностными характеристиками по сравнению с батареями типа СК, имеют существенно худшие ресурсные характеристики.
11. Ухудшение параметров аккумуляторных батарей трудно своевременно обнаружить. Даже контрольный разряд батареи не позволяет дать исчерпывающую оценку ее работоспособности, в частности, он не всегда позволяет выявить окисленные контактные соединения внутри батареи и на ее клеммах. На большинстве подстанций имеется всего одна аккумуляторная батарея, и устраивать ее контрольный разряд непросто и рискованно. На заводе “ОЗАП МОСЭНЕРГО” совместно с МЭИ разработано специализированное устройство для диагностики аккумуляторных батарей - “УДБ”, работающее совместно с комплексом УТКЗ. В основу диагностики положено измерение динамических характеристик ЭДС каждого аккумулятора батареи, при контролируемых токовых возмущениях. Появилась возможность оперативно оценивать остаточный ресурс батареи без проведения контрольных разрядов.
12. Схемы распределения постоянного тока имеют коммутационные аппараты, установленные как в помещениях ЩПТ и ОПУ, так и в распределительных устройствах (во вводных ящиках), что приводит к увеличению числа ошибок оперативного персонала, особенно в аварийных ситуациях. Хорошо, что исчезновение напряжения в цепях питания релейных защит из-за срабатывания защитных аппаратов или из-за ошибочных действий персонала сопровождается световой и звуковой сигнализацией. Но об исчезновения напряжения в цепях питания приводов можно узнать лишь после неудачной попытки включения силовых выключателей. Неуспешное АПВ, связанное с неготовностью цепей привода электромагнита включения, снижает надежность энергосистемы в целом. Очевидно, что введение контроля наличия напряжения в цепях электромагнитов включения выключателей во много раз дешевле ликвидации последствий системной аварии, обусловленной отказом АПВ.
13. К распространенным видам повреждений относятся короткие замыкания на шинках управления КРУ, в релейных панелях, шкафах управления. Примерно 20% таких коротких замыканий не локализуются из-за недостаточной чувствительности защитных аппаратов, а каждое четвертое из не отключенных коротких замыканий вызывает возгорание. Из-за того, что электропитание панелей релейных защит осуществляется радиальными цепями без устройства автоматического включения резерва, короткие замыкания в этих цепях приводят к длительному обесточиванию релейных защит. Приведение в рабочее состояние поврежденных цепей после коротких замыканий требует больших затрат времени и, как правило, сопровождается выводом из работы силового первичного оборудования. Существенно повысить надежность РЗА можно оптимальным разукрупнением цепей их питания. Целесообразно применять отдельные линии питания для небольших групп панелей защит и обеспечить их резервирование от секционированных шин управления.
Выводы
1. Необходимо пересмотреть нормы проектирования, в части выбора защитных аппаратов ЭУ ОПТ, с учетом действующих государственных стандартов и опыта эксплуатации.
2. Проектные институты должны передавать заказчикам расчеты токов короткого замыкания в ЭУ ОПТ, а также обоснования выбираемых защитных аппаратов и их уставок, что предусмотрено решением № Э-6/89 от 15 мая 1989 г. и извещением о дополнении решения от 28.02.90 г. “О передаче электростанциям проектных материалов по расчету уставок устройств РЗА присоединений собственных нужд ТЭС”.
3. Все действующие ЭУ ОПТ следует проверить на соответствие применяемых защитных аппаратов современным представлениям о параметрах токов короткого замыкания.
4. Необходимо ввести в практику эксплуатации регулярное комплексное обследование ЭУ ОПТ с целью проверки состояния аккумуляторных батарей и выявления дефектов коммутационных и защитных аппаратов.
5. На ЩПТ предусматривать создание отдельных головных защитных аппаратов для цепей питания устройств защиты и автоматики и цепей питания электромагнитов включения.
6. Выполнить разукрупнение цепей питания релейных щитов, направленное на создание отдельных линий рабочего питания для каждой панели и предусмотреть резервное питание панелей от секционированных шин управления.
7. На действующих ЭУ ОПТ необходимо иметь утвержденные оперативные схемы с параметрами защитных аппаратов и указанием нормального положения коммутационных аппаратов.
Список литературы
1. Повышение надежности систем оперативного постоянного тока электростанций и подстанций средствами управления: Сб. науч. статей/ Под ред. А.С. Засыпкина. - Новочеркасск: НГТУ, 1996.
2. Методические указания по расчету защит в системе постоянного тока тепловых электростанций и подстанций. МУ 34-70-035-83. М: СПО СОЮЗТЕХЭНЕРГО, 1983.
3. Дополнение к методическим указаниям по расчету защит в системе постоянного тока тепловых электростанций и подстанций. МУ 34-70-035-83. М: СПО СОЮЗТЕХЭНЕРГО, 1987.
4. ГОСТ 29176-91. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках постоянного тока.
Рис. 1. Проверка селективности защитных
аппаратов с помощью программы GUCHOICE
Рис. 2. Подготовка расчетной схемы в
программе GUDCSETS
Рис. 3. Расчет дугового короткого
замыкания с помощью программы GUDCSETS
Рис. 4. Определение тока короткого
замыкания экспериментальным путем с помощью программы GUTESTER