CC BY
136
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №2(7), С. 64-68
= ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС -
УДК 621.316.925
О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ЗАЩИТ ОТ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
© 2013 г. И.В. Нагай
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Новочеркасск, Ростовская обл.
Поступила в редакцию 06.05.2013 г.
В статье рассматриваются вопросы возникновения неполнофазного режима на АЭС, а также действия релейных защит. Анализируется реальный случай возникновения неполнофазного режима на атомной станции.
Ключевые слова: релейная защита, неполнофазный режим, атомная электрическая станция.
Актуальность проблемы. Одним из видов повреждения в электрических сетях и на электростанциях являются неполнофазные режимы (НИР), которые могут сопровождаться коротким замыканием (КЗ) фазы на землю с одной или двух сторон обрыва или без КЗ (обрыв фазного провода без касания земли, недовключение фаз выключателя или других коммутационных аппаратов). Разрывы фаз, представляющие собой продольную несимметрию, являются источниками напряжений и токов симметричных составляющих, которые оказывают существенное влияние на поведение релейной защиты, вызывая их срабатывание, как например, срабатывание токовых защит нулевой последовательности (ТЗНП). Правилами устройства электроустановок (ИУЭ) такие повреждения, как разрывы фаз на линиях, рассматриваются как ненормальный, но не аварийный режим, и селективная релейная защита для них не предусматривается [1], что, возможно, вызвано как меньшим термическим воздействием на электроустановки и возможностью их более длительной работы в рассматриваемых режимах, так и дополнительными затратами при оснащении электрических сетей рассматриваемой защитой. Поэтому, к защитам линий предъявляются требования, чтобы они были отстроены по принципам действия или параметрам срабатывания от неполнофазного нагрузочного режима [2]. Проблема поддержания такого режима в течение долгого времени является достаточно сложной, так как необходимы специальные защиты от НИР, средства для определения места обрыва (повреждения), что позволило бы определять допустимость режима и не допускать его развития в аварийный, тем более, что длительное существование НИР может привести к тяжелым авариям как электроприемников, так и, например, силовых трансформаторов, генераторов.
Кроме того, неполнофазный режим может стать причиной развивающейся аварии, когда происходит отключение большого числа оборудования с возможным переходом в системную аварию. Такое развитие повреждения наиболее вероятно для сетей с многоконцевыми линиями, с параллельными линиями, где при появлении продольной несимметрии токовые защиты нулевой последовательности могут действовать неселективно, тем самым приводя к последовательному отключению энергорайона. Особое внимание здесь стоит обратить на аварии, связанные с потерей питания собственных нужд атомных электростанций, в том числе и от внешних источников.
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ЗАЩИТ ОТ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ 65
Хотя такие повреждения по классификации INES (англ. INES, сокр. International Nuclear Event Scale), т.е. по Международной шкале ядерных событий [3] обычно относят к инцидентам или событиям, которые с точки зрения безопасности не имеют значения, т.е. 0-2 уровень по 8-уровневой шкале, тем не менее, в своем развитии они могут привести к выходу оборудования из строя и длительному перерыву электроснабжения. Примером развивающейся аварии в сети, где присутствует АЭС, может служить случай появления неполнофазного режима на многоконцевой воздушной линии (ВЛ).
Неполнофазный режим, оказавший влияние на работу АЭС. Неполнофазный режим возник в результате разрушения аппаратного зажима на проходном изоляторе распределительного устройства 110кВ п/ст 1 (рис.1), что привело к нарушению в работе трактов резервного питания собственных нужд (СН) АЭС - ГЭС. Необходимо отметить ,что обрыв провода с током - 450 А не сопровождался коротким замыканием.
Рис. 1. Участок сети АЭС-ГЭС - п/ст. 1
Совместно с персоналом АЭС был выполнен анализ развития аварии, результаты которого сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Описание развития аварии
№ п/п Режим Состояние сети Реакция РЗ и автоматики
1 2 3 4
1. Обрыв фазного провода линии W2 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7 включены Iн.АW3=87 А, 1н^3=315А, 1н.ст=336А, 3I0W3=337A, Iн.АW5=95 А Iн.BW5=93A, !^5=90А, 3Iow5=18A, 1н^1=700 A, 4bwi=366A, ^1=357А, 3Iowi=257A. Неселективно отключается Q1 ВЛ W1 IV-ой ступенью ТЗНП
66
НАГАЙ
Продолжение таблицы 1
1 2 3 4
2. Обрыв фазного провода линии W2 с изменившимся режимом нагрузки Q1 отключен, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7 включены. !н^3=106 А, ^нвwз=693A, Iн.ф.cwз=705А, 3^3=540А, Iн.ф.АW5=82 А Iн.ф.BW5=51A, Iн.ф.CW5=52А, 3I0W5=18A Срабатывает 1У-ая ступень ТЗНП на ГЭС и п/ст 1, отключаются Q4, Q3.
3. Синхронные качания на линии W5 при наличии обрыва Q1, Q3, Q4 отключены, Q2, Q5, Q6, Q7 включены. Ток качаний Imax. = 820А, Ыт = 360А Автоматическое повторное включение (АПВ) Q1 линии W1.
4. Включение линии W1 при наличии неполнофазного режима на W2 В момент включения от АПВ W1 ток нагрузки Iм.ф.W^=1200 А, ^^^5=70 А. Апериодическая составляющая тока НП 3^ спадала с 780 А до 300 А течение 50мсек От действия апериодической составляющей и с ускорением после АПВ отключается Q1 от 111ст. ТЗНП
5. Синхронные качания на линии W5 при наличии обрыва Q1, Q3, Q4 отключены, Q2, Q5, Q6, Q7 включены. Ток качаний Imax. = 1000А, Шп = 250А. В результате качаний перегорает и обрывается провод линии Ж5 на ГЭС, что приводит к КЗ. Дистанционная защита блокируется при качаниях, ТЗНП не срабатывает
6. КЗ на ГЭС, обрыв провода на W2 Q1, Q3, Q4 отключены, Q2, Q5, Q6, Q7 включены. Однофазное КЗ на ГЭС. Q5, Q7 отключаются быстродействующими защитами.
7. АПВ Q5 линии W5 Q1, Q3, Q4, Q5, Q7 отключены, Q2, Q6 включены. Оборванные провод на ГЭС не касаются опоры. АПВ со стороны АЭС не происходит из-за отсутствия синхронизма. ГЭС выделяется на прилегающий район.
8. АПВ Q3 линии W2 Q1, Q4, Q5, Q7 отключены, Q2, Q6, Q3 включены. Далее неполнофазный режим со стороны п/ст 1 сохранялся в течение 11 часов.
9. АПВ Q4 линии W3 Q1, Q5, Q7 отключены, Q2, Q4, Q6, Q3 включены. Появляется апериодическая составляющая. ТЗНП с ускорением после АПВ отключает Q4
10. Синхронизация линии W1, включение Q1 Q5, Q7 отключены, Q1, Q2, Q4, Q6, Q3 включены. Присутствует неполнофазный режим на линии W2. Неполнофазный режим по W2 был устранен через 11 час. 20 мин.
Таким образом, устранение повреждения заняло 11 час. 20 мин., повреждение получило свое развитие в результате несогласованного действия защит, что дважды привело к появлению синхронных качаний, появлению еще одного обрыва на другой линии, неоднократному отключению неповрежденных линий в результате неселективного действия защит.
Подобный этому инцидент произошел 2 февраля 1993 года на Кольской АЭС. Во время урагана в энергосистеме «Колэнерго» были повреждены высоковольтные линии
О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ЗАЩИТ ОТ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ
67
электропередачи, и произошла потеря внешних источников электропитания Кольской АЭС [4]. Персоналу станции не удалось запустить аварийные дизельные установки первого и второго энергоблоков. В течение 1 часа 40 минут эти блоки оставались без энергии.
Совершенствование резервной защиты от неполнофазного режима. Селективность токовых защит нулевой последовательности линий часто не обеспечивается органами направления мощности из-за их нечувствительности в режимах при разрывах фаз. Значения напряжения нулевой последовательности могут оказываться недостаточными для срабатывания блокирующих органов направления мощности защит линий на подстанциях сети с мощными источниками питания и малыми сопротивлениями нулевой последовательности на шинах подстанции. В этих случаях нарушается селективность защит и неселективно могут срабатывать защиты линий, имеющие большую чувствительность по току, или защиты с меньшей установкой времени срабатывания. Решением этой проблемы могло бы стать комплексное применение методов выявления неполнофазного режима.
В настоящее время применяется несколько способов выявления неполнофазных режимов, которые можно разделить по информационным признакам (см. табл. 2).
Таблица 2. Информационные признаки НПФ
№ п/п Информационный признак Основные соотношения
1 Ток нулевой последовательности 3/0 > /бпо
2 Ток обратной последовательности 12 > /6по
3 Изменение (приращения) фазных токов К/ /«ф /.«о, Д/^0
4 Неравенство фазных токов по модулю /А * /в * /а
5 Соотношение токов обратной или нулевой последовательности к фазным токам или току прямой последовательности 10 /1 о — 1 *опо
6 Отсутствие фазных токов
7 Отношение между модулями токов разных фаз |/„. // _|> 01 01 +1 — *опо
8 Комбинированный сигнал токов обратной и нулевой последовательностей \/2+ к/о\//« > /*опо
9 Угловые соотношения между фазными токами а^1«! ) - а^(4 +1 )| > А^опо
Контроль тока нулевой последовательности прост в реализации, но отсутствие направленности сужает область применения (ТЗНП может неселективно работать при неполнофазных режимах на параллельных линиях). Контроль тока обратной последовательности предпочтителен по сравнению с первым способом, т.к. позволяет его использовать для сетей с любым режимом нейтрали.
Контроль приращений фазных токов может быть использован на воздушных линиях как при наличии ответвлений, так и без них. Использование приращений позволяет повысить чувствительность защиты к неполнофазным режимам. Однако требуется контролировать не только относительное изменение токов, но и абсолютные
68
НАГАЙ
их значения для исключения ложного действие в области малых токов. Также требуется контролировать наличие несимметрии, чтобы защита не срабатывала излишне при отключении или включении нагрузки.
Контроль разности модулей фазных токов сочетает достоинства и недостатки принципов работы по токам нулевой и обратной последовательности и приращениям фазных токов. Кроме того, эффективным можно считать принцип контроля отсутствия тока в одной из фаз. Данный принцип сравнительно прост и возможна его реализация на любой элементной базе. Он основывается на контроле всех фазных токов, причем фазный ток в нормальном режиме работы не может принимать значения ниже определенного уровня.
В настоящее время в сетях 110-220 кВ для защиты от неполнофазных режимов радиальных линий используются последние ступени токовой направленной защиты нулевой последовательности. Как показал инцидент на АЭС, использование одних только ТЗНП последних ступеней недостаточно для организации правильной работы релейной защиты при неполнофазном режиме. Более совершенным решением может быть защита с комбинацией способов распознавания неполнофазного режима, обеспечивающая селективное отключение поврежденной линии или действие на сигнал, если существование неполнофазного режима допустимо, как в выше приведенном примере с многоконцевой линией в цикле АПВ.
В ЮРГТУ(НПИ) разработана платформа резервной защиты КЕДР-07, на базе которой реализована защита от неполнофазных режимов с контролем наиболее информативных признаков, приведенных в таблице 2 и которая может быть использована в электрических распределительных сетях, в том числе имеющих источники в качестве АЭС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила устройства электроустановок: 6-е изд. перер. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1987. -640 с.
2. Чернин, А.Б. Вычисление электрических величин и поведение релейной защиты при неполнофазных режимах в электрических системах / А.Б. Чернин. - М. : Госэнергоиздат, 1963. - 416 с.
3. Аверьянов, С.Д. Информационная справка. Радиационные аварии и Международная шкала ядерных событий (INES) [Электронный ресурс] / С.Д. Аверьянов // Ленинградская АЭС: технологическая площадка «кольца сайтов» атомной отрасли. - 2007. - Режим доступа: URL: http://www.laes.ru/content/actual/2007/19_09_01.htm - 06.05.2013.
4. Кульпинов, C.A. Аварии на атомных электростанциях [Электронный ресурс] / С.А. Кульпинов // Информация по гражданской обороне, предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций: методическое руководство. - 2003. - Режим доступа: URL: http://gr-obor.narod.ru/p661.htm - 06.05.2013.
About perfection of protection from current networks open-phase modes
I.V. Nagai
South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), 132 Prosveschenia St., Novocherkassk, Rostov region, Russia 346428 e-mail: [email protected]
Abstract - The article is devoted to the questions of rising an open-phase mode at NPP and also
relay protection operating. The real case of open-phase mode rising at NPP is analyzed.
Keywords: relay protection, open-phase mode, nuclear power plant.
