Защита и автоматика подстанций

Известно, что значительную часть стоимости подстанций со­ставляет стоимость выключателей на стороне высшего напряже­ния. В связи с этим все более широкое применение находят под­станции, выполненные по схемам с минимальным количеством выключателей и без них на стороне высшего напряжения. Техникоэкономический эффект от применения таких подстанций заключа­ется в возможности отказаться не только от выключателей, но и аккумуляторных батарей и компрессорных установок. Важным фактором является также уменьшение площади участка, занимае­мого подстанцией, и, кроме того, резкое сокращение сроков строи­тельства. Одновременно благодаря автоматизации и отказу от постоянного обслуживающего персонала снижаются расходы на эксплуатацию таких подстанций.

В настоящее время наибольшее распространение получили схе­мы подстанций с использованием комплектов отделитель-короткозамыкатель. Разработаны и применяются схемы, выполненные на основе предохранителей, открытых плавких вставок, комплектов предохранитель-короткозамыкатель, а также схемы без коммута­ционной аппаратуры на стороне высшего напряжения. Все эти схе­мы имеют разные возможности для обеспечения требуемой защиты и автоматики подстанций. В одних случаях для этого необходимо создавать искусственные короткие замыкания, в других — использо­вать средства телемеханики или ограничиваться плавкими предо­хранителями.

Подстанции без коммутационной аппаратуры на стороне выс­шего напряжения являются наиболее простыми. Трансформатор присоединяется к линии по схеме блока линия—трансформатор Л—Т (рис. 16.1, б). Отключение подстанции при повреждении трансформатора производится головным выключателем Q1, установленным в начале линии. При этом если релейная защита линии имеет достаточную чувствительность к повреждениям на выводах низшего напряжения трансформатора, то на трансформаторе защи­та со стороны высшего напряжения может не устанавливаться. Для предотвращения повреждений обмоток трансформатора при внешних коротких замыканиях выдержка времени защиты линии должна быть не больше времени термической стойкости защищае­мого трансформатора. Однако защита линии часто не обладает достаточной чувствительностью и необходимым быстродействием при повреждении внутри трансформатора. В таких случаях на трансформаторе предусматривается собственная релейная защита. Она, как и защита линии, действует на отключение головного вы­ключателя. Передача отключающего сигнала производится с по­мощью устройств телемеханики, что может привести к усложнению и удорожанию защитного устройства.

Подстанции с короткозамыкателями и отделителями выполня­ются по схемам, показанным на рис. 16.2, а, б, в. Наличие на стороне высшего напряжения трансформатора отделителя QR и короткозамыкателя QN не требует специальной системы передачи сигнала на отключение линии при срабатывании защиты транс­форматора. В этом случае релейная защита трансформатора дей­ствует на включение короткозамыкателя QN и при этом создается искусственное короткое замыкание в зоне действия защиты линии. После ее отключения ток к.з. исчезает и отключается отделитель.

Приводы короткозамыкателя и отделителя выполняются на основе пружинно-грузовых приводов выключателей, причем первый из них освобождает включающую пружину короткозамыкателя, а вто­рой — отключающие пружины отделителя. Отключение коротко­замыкателя и включение отделителя производятся вручную.

Схема управления короткозамыкателем и отделителем, установленными на тупиковой подстанции, показана на рис. 16.3. К подстанции идет линия Л, на питающем конце которой установлены быстродействующая защита и защита с выдержкой времени. В рассматриваемой схеме питание электромагнитов отключе­ния отделителя YATI и выключателя YAT2 на стороне напряжения 6—10 кВ, промежуточного реле KL1, а также обмотки KL2.2 двухпозиционного реле KL2 осуществляется от предварительно заря­женных конденсаторов С1—С4, вклю­ченных через разделительные диоды VDl—VD4. Для заряда конденсаторов использованы зарядные устройства типа БПЗ-401 и БПЗ-402.

При оперативном отключении под­станции ключом SA1 отключают выклю­чатель Q2 на стороне низшего напря­жения, а затем ключом SA2 отключают отделитель QR. Обратный порядок от­ключения (сначала QR, а затем Q2) не­возможен, так как вспомогательный кон­такт Q2.1 выключателя препятствует отключению отделителя, способного от­ключать лишь ток холостого хода транс­форматора, Отлючение подстанции по каналу телеуправления (см. § 17.4) происходит при замыкании контактов КСТ.1 и КСТ.2.

При повреждении трансформатора и аварийном его отключении могут быть два случая: срабатывает только защита трансформатора; вместе с защитой трансформатора срабатывает защита линии и отключает выключатель Q1.

В первом случае защита трансформатора контактом А.2 замыкает цепь кон­тактора КМ1 включения короткозамыкателя QN. После включения QN защита линии отключает выключатель Q1. В этом случае условием отключения отдели­теля QR является отсутствие тока в цепи защищаемого трансформатора, включенное положение короткозамыкателя QN и отсутствие тока в его цепи. Для получения этой информации используют реле тока КА1 и КА2 (рис. 16.3, а) и вспомогательные контакты короткозамыкателя QN.1. Контакты реле КА1, КА2, вспомогательный контакт QN.1 включены последовательно в цепь реле KL1, ко­торое при срабатывании замыкает контакт KL1.1 в цепи YAT1 и действует на от­ключение отделителя (рис. 16.3, б).

При включении короткозамыкателя его вспомогательные контакты QN.1 могут замкнуться раньше основных контактов и отделитель начнет отключаться. В этом случае он отключает токи короткого замыкания, что приводит к аварии. Чтобы избежать этого, используют промежуточное реле KL1 с замедлением при срабатывании.

Если вместе с защитой трансформатора срабатывает защита линии и от­ключается выключатель Q1 до включения короткозамыкателя QN, то вспо­могательный контакт QN.1 в цепи обмотки реле KL1 остается разомкнутым. В этом случае отключение отделителя QR в бестоковую паузу происходит бла­годаря действию двухпозиционного реле KL2, контакт KL2.1 которого дублирует вспомогательный контакт QN.1. Двухпозиционное реле переключается при сра­батывании защиты трансформатора (замыкается контакт A.1).

Из устройств автоматики на однотрансформаторных подстан­циях с отделителями и короткозамыкателями применяется УАПВ шин низшего напряжения. Чтобы это устройство не приходило в действие при повреждениях в трансформаторе, вспомогательные контакты короткозамыкателя выполняют соответствующий запрет. На двухтрансформаторных подстанциях кроме УАПВ секций шин низшего напряжения могут применяться устройства АВР секцион­ного выключателя и АВР на отделителях (если трансформаторы получают питание по отдельным линиям). Схемы устройств АВР секционного выключателя имеют обычное выполнение и отличают­ся только тем, что имеют цепь пуска от вспомогательных контак­тов короткозамыкателей. В устройствах АВР на отделителях со­гласованное действие всех аппаратов первичных цепей также обес­печивается включением в схему вспомогательных контактов этих аппаратов.

Одна из таких схем показана на рис. 16.4 [36]. В нормальном режиме на подстанции (рис. 16.4, а) включены отделители QR1, QR2 и выключатели Ql, Q2; остальные коммутационные аппараты отключены. На рис. 16.4, б, в показана та часть полной схемы УАВР на отделителях, которая восстанавливает питание трансформато­ра Т1 после отключения линии Л1. Выполнение другой части схе­мы (действующей при исчезновении напряжения на линии Л2) аналогично.

При рассмотрении работы схемы следует иметь в виду, что кроме УАВР на отделителях подстанция имеет следующие виды автоматики: УАПВ выклю­чателей Q1 и Q2, УАВР секционного выключателя Q3. Схема УАВР на отдели­телях выполнена с использованием энергии предварительно заряженных конден­саторов С1 — С3.

Если линия Л1 отключается, то исчезает напряжение на секции 1 (рис. 16.4, а). При этом действует минимальная защита напряжения — реле KVT1, КТ1, КТ2 (рис. 16.4, б). По истечении заданной выдержки времени замыкаются контакт KVT1 и импульсный контакт реле KT1.1 (рис. 16.4, в). Если на резервном источнике питания (линия Л2) имеется напряжение, то контакт ре­ле KVT2 тоже замкнут и обмотка реле KL1 подключается к предварительно заряженному конденсатору С1. Реле срабатывает и контактом KL1 отключает выключатель Q1. Затем контактом КТ1.2 реле КТ1 замыкается цепь электро­магнита YAT1 отключения отделителя QR1. В цепь электромагнита YAT1 от­ключения отделителя QR1 включены вспомогательные контакты: QN1.1 — ко­роткозамыкателя QN1; QR3.1 — отделителя QR3; Ql.l — выключателя Q1, позво­ляющие действовать автоматике на отключение QR1 только в том случае, если все указанные аппараты отключены.

После отключения отделителя QR1 дорабатывает реле времени КТ2. Его контакт КТ2 подключает к конденсатору СЗ электромагнит YAC3 включения отделителя QR3; вспомогательные контакты QN1.2, QR1.1, QR2.1 и Q1.2 в цепи электромагнита разрешают включить отделитель QR3, если отключены QN1, QR1 и Q1, а отделитель QR2 включен.

Включившись, отделитель QR3 подает напряжение на трансформатор Т1. Его выключатель Q/ снабжен устройством АПВ с контролем наличия напря­жения на выводах низшего напряжения трансформатора (реле контроля под­ключено к трансформатору собственных нужд ТЗ}. При появлении напряжения устройство АПВ приходит в действие и включает выключатель Q1. Питание по­требителей секции I восстанавливается.

При отказе по какой-либо причине автоматики отделителей напряжение на ТЗ не восстанавливается. В таком случае действует устройство АВР секцион­ного выключателя Q3.

Аналогично выполняется и автоматика однотрансформаторных подстанций, подключаемых через отделители к параллельным ли­ниям (см. рис. 16.2, б). Если подстанция является транзитной (см. рис. 16.2, е), то защита и автоматика линии взаимодействуют с автоматикой подстанции следующим образом. При неустойчивом коротком замыкании на линии она отключается соответствующей защитой с обоих концов, после чего устройства АПВ линии (вы­полняемые двукратными) восстанавливают схему в первом цикле АПВ. При устойчивом коротком замыкании на линии после перво­го цикла АПВ защита вновь отключает линию и в следующую за этим бестоковую паузу автоматика отключает отделитель, соеди­ненный с поврежденным участком. Какой из двух отделителей должна отключить автоматика, предварительно (до отключения линейных выключателей) выявляет направленная защита, уста­новленная на подстанции. При действии этой защиты срабатывает реле фиксации, подготавливающее цепь отключения отделителя. По окончании бестоковой паузы второго цикла выключатели ли­нии снова включаются. Один из них включается на существующее короткое замыкание и затем окончательно отключается защитой, а второй восстанавливает питание подстанции. Схема автоматики, работающей в описанной последовательности, приведена в [36].

Подстанции с отделителями и короткозамыкателями по сравне­нию с подстанциями с выключателями проще и дешевле по капи­тальным затратам. Однако в связи с малой надежностью современ­ных отделителей и короткозамыкателей, несовершенством и гро­моздкостью их конструкций суммарные приведенные затраты с учетом ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям на этих подстанциях выше, чем на подстанциях с выключателями. Кроме того, время включения серийно выпускаемых короткозамыкателей на 110кВ с пружинным приводом составляет не менее t _в=0,5÷0,7 с, что приводит к увеличению объема повреждения в трансформаторе и суммарного времени аварийного состояния сети.

Более совершенными являются элегазовые аппараты. Быстро­действующий пневматический привод снижает время включения короткозамыкателя до t _в=0,1 с. Однако элегазовые аппараты более чем в два раза дороже обычных того же напряжения. За рубежом (США, Чехословакия) применяются быстродействующие короткозамыкатели с пиротехническим приводом. Их недостатком является однократность действия и использование опасных взрыв­чатых веществ. В настоящее время предложены быстродействую­щие короткозамыкатели с использованием дугового разряда, воз­никающего между электродами, один из которых подключается к фазе на стороне высшего напряжения трансформатора, а другой соединяется с землей или с соседней фазой. Время действия такого короткозамыкателя t _в=0,07÷0,08 с. Эти аппараты находятся на стадии опытных разработок.

Подстанции с открытыми плавкими вставками отличаются де­шевизной и простотой. Плавкие вставки заменяют собой коротко­замыкатели и отделители. Перегорание вставок сопровождается коротким замыканием, что приводит к срабатыванию защиты ли­нии и отключению ее выключателя. На подстанциях с открытыми плавкими вставками иногда устанавливают короткозамыкатель, включаемый при действии газовой и дифференциальной защит трансформатора и ускоряющий перегорание плавких вставок.

Подстанции с предохранителями могут выполняться однотранс­форматорными и двухтрансформаторными. При совместном исполь­зовании предохранителей и короткозамыкателя появляется воз­можность управлять моментом срабатывания предохранителей. При этом защитные функции предохранителя частично или полностью передаются более совершенному защитному устройству — релейной защите трансформатора, действующей на включение ко­роткозамыкателя. Отпадает также необходимость в отключении, выключателя линии.

Однако в связи с наличием короткозамыкателя сохраняется ос­новной недостаток — искусственные короткие замыкания при дей­ствии защиты трансформатора. Предохранителями можно управ­лять и без использования короткозамыкателя. Такие управляемые предохранители рассмотрены выше (см. § 4.3; 13.8). Они являются выключателями однократного действия и потому при срабатывании защиты трансформатора не требуют ни создания искусственного короткого замыкания, ни канала связи для передачи сигнала на.отключение выключателя линии. В этом преимущество подстанций с управляемыми предохранителями перед другими подстанциями без выключателей на стороне высшего напряжения.