Диагностика элементов систем релейной защиты и автоматики

Ежегодно в системах электроснабжения промышленных предприятий фиксируется случаи несрабатывания или неселективной работы защитных аппаратов вторичных электрических цепей. Значительная доля таких случаев сопровождается повреждением основного оборудования. Одной из причин отказов является недостаточная чувствительность защитных аппаратов. При проектировании этих установок в недостаточной степени учитывался комплекс факторов, влияющих на токи металлического и дугового коротких замыканий. Следствием этого явилось использование завышенных расчетных значений токов короткого замыкания для выбора защитных аппаратов. Для обеспечения надежного функционирования элементов систем релейной защиты и автоматики необходимо осуществлять диагностирование электроустановок оперативного тока. Для решения этой задачи кафедрой “Электрические станции” МЭИ совместно с ОАО “Мосэнерго”, создан программно-технический комплекс (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. 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 (рисунок 6.1). 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. 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 электроустановок оперативного постоянного тока (рисунок 6.4).

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 электроустановок оперативного постоянного тока, при отключении различных видов короткого замыкания и разной электрической удаленности, что важно для оценки работоспособности потребителей постоянного тока.

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. Техническая база УТКЗ является универсальной и допускает расширение его функциональных возможностей вплоть до использования при диагностике электроустановок переменного тока напряжением 0,4 кВ.

Наиболее полную информацию о техническом состоянии оперативных цепей могут дать только совмещенные расчетные и экспериментальные исследования. Отдельно проведенные экспериментальные исследования 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 послеаварийных 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.

Применение программы GUCHOICE позволяет проанализировать характеристики защитных аппаратов, выявить угрозу их неселективной работы при коротких замыканиях и принять необходимые меры. 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 оперативных цепей 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 позволяет выявить опасное ухудшение состояния аккумуляторных батарей. Среди батарей, проработавших несколько лет, выявляются батареи с уровнем токов короткого замыкания значительно меньшим, по сравнению с новыми батареями. Как правило, такие батареи не могут обеспечить четкую работу защитных аппаратов.

Сопоставление расчетных и измеренных значений токов короткого замыкания позволяет проверить качество электрических соединений щитов и вторичных цепей. Дефекты контактов, обусловленные ослаблением стальной кольцевой пружины на контактной стойке предохранителя или рубильника, или ослабевшей затяжкой болта электрического зажима проявляют себя лишь при протекании токов, по величине соизмеримых со значениями тока короткого замыкания. Такие дефекты являются 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 уставкамирасцепителей до 2500 А без демонтажа их с панелей и щитов. Источником пробного тока, при этом, является штатная аккумуляторная батарея.