Токовая защита в распределительных сетях с повышенным быстродействием и чувствительностью

Аннотация. Основной проблемой эксплуатации КРУ (комплексных распределительных устройств) является их ограниченная временем протекания тока термической стойкости локализационная способность (1 с.) при коротких замыканиях. В данной статье рассматриваются способы увеличения быстродействия и чувствительности токовых защит распределительных сетей.

Ключевые слова: электроэнергия, токовая защита, энергосбережение.

Согласно п. 1.12.5 приказа РАО «ЕЭС России» №120 от 01.07.1998г. «О мерах по повышению взрывопожаробезопасности энергетических объектов», п 5.4.19 «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ» [1], необходимо обеспечить установку быстродействующих защит от коротких замыканий через в комплексных распределительных устройствах (КРУ). Так как на сегодняшний день в энергосистеме и на промышленных предприятиях находится большое количество распределительных сетей (РУ) различных типов, которые не оборудованы специальной защитой от короткого замыкания (далее КЗ) или устройства установленные морально и физически изношены [2]. Поэтому разработка быстродействующих устройств релейной защиты от КЗ внутри КРУ, удовлетворяющих современным требованиям [3] является актуальной и требует уточнения основных информационных признаков короткого замыкания и разработки на их основе новых алгоритмов функционирования токовых защит.

Следует отметить, что воздействие электрической дуги КЗ характеризуется мощным разрушающим действием, что объясняется быстрым разогревом воздушной массы в зоне действия дуги до 15000К, то есть происходит взрыв, сопровождающийся мощным импульсным шумом, образованием аэрозолей, расплавлением и испарением металла, яркой вспышкой и резким повышением температуры окружающей среды. При больших значениях времени отключения (равным или более 0,1-0,4 сек.), возникающая открытая электрическая дуга перемещается внутри шкафа и вызывает повреждение оборудования. Действие перечисленных факторов на человека приводит к получению травм, прежде всего ожогового характера, часто несовместимых с жизнью.

По данным ряда энергосистем, отказы в работе КРУ напряжением 6-10 кВ распределяются согласно диаграммы, представленной на рис. 1.

Рисунок 1. Диаграмма отказов в работе КРУ 6-10 кВ

Быстродействие токовых защит является одним из критериев, определяющих риск возникновения чрезвычайных ситуаций при дефекте электрических сетей.

Способы обнаружения КЗ по контролирующему параметру можно условно разделить на две группы [5]:

1. Контроль основных параметров и характеристик электрической цепи при дуговом КЗ:

– амплитуды тока/напряжения;

– спектрального состава тока/напряжения;

– вольт-амперной характеристики;

– сопротивления.

2. Контроль основных параметров физических процессов, сопровождающих электрическую дугу:

– температуры;

– давления;

– электрической проводимости (степени ионизации газов);

– оптического излучения.

Из приведенных способов обнаружения КЗ наиболее предпочтительным является измерение мощности электромагнитного (светового) излучения.

Электрической дуге свойственно сильное электромагнитное излучение, расположенное в основном в инфракрасном диапазоне частот, что определяется высокой температурой электрической дуги. Излучение электрической дуги имеет линейчатый спектр [6], обусловленный переходом электронов с одного уровня на другой, причем характер спектра изменяется с температурой. Энергетическая освещенность (облученность) характеризует плотность падающего потока излучения по поверхности облучаемого тела. Для контроля электромагнитного излучения применятся датчики на основе фоторезисторов, фотодиодов, фототиристоров, фототранзиторов и др. Фотодатчики реагируют на появление дуги с высоким быстродействием и достаточной чувствительностью. Необходимо отметить, что наиболее удобным является использование не энергетических, а светотехнических характеристик излучения, которые описывают его свойства в видимой области спектра. При этом поверхностную плотность падающего светового потока, характеризует освещенность. Для необходимой чувствительности достаточно даже отраженного от стенок ячейки светового потока [6, 7].

Следовательно, одним из способов выявления электрической дуги в распределительных сетях является контроль электромагнитного излучения, но для дальнейшего анализа возможных вариантов построения защиты от коротких замыканий, сопровождающихся открытой электрической дугой необходимо провести анализ способов передачи сигнала о повреждении от места установки датчиков к измерительному органу устройства защиты.

Так же была разработана структурная схема устройства токовой защиты от КЗ, она представленная на рис. 2., она состоит из фотодатчиков (ФД), частотного фильтра (ЧФ), пороговых элементов каналов срабатывания (ПЭ1) и теста (ПЭ2), органа времени (ОВ), обеспечивающего отстройку от импульсных помех и логического элемента (ЛЭ), реализующего алгоритм функционирования защиты и выходного элемента (ВЭ) сигнал которого направлен в схему автоматики подстанции. Для тестирования схемы используется генератор тестового сигнала (ГТС).

Рисунок 2. Структурная схема устройства защиты от КЗ