Искусная защита

Как минимизировать последствия коротких замыканий в распределительной сети НПЗ
29.11.2021
Алексей Рычков

В октябре 2015 года в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» была введена в эксплуатацию электростанция установленной мощностью 200 МВт (ГТУ-ТЭС-200). При этом в ходе строительно-монтажных работ была полностью модернизирована распределительная кабельная сеть 35 кВ, протяжённость которой увеличилась более чем в девять раз, достигнув 90,33 км. На новых линиях использовался кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Основной вид повреждений в данной сети - однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Согласно расчётам, ёмкостный ток замыкания может доходить до 441,5 А.

Для решения проблем, связанных с возникновением ОЗЗ в распредсети 35 кВ, в декабре 2017 года была введена в эксплуатацию система комбинированного заземления нейтрали с кратковременно подключаемым низкоомным резистором и защитой от ОЗЗ. При объединении режимов комбинированного и низкоомного (с той особенностью, что подключение резистора при ОЗЗ происходит кратковременно) заземления нейтрали сохраняются все преимущества комбинированного режима (компенсация ёмкостного тока ОЗЗ и снижение кратности перенапряжений), гарантируется определение повреждённого присоединения в режиме ОЗЗ и обеспечивается безопасность персонала предприятия.

За первые два года эксплуатации системы произошло восемь ОЗЗ, во время которых устройства релейной защиты и автоматики (РЗА) на ГТУ-ТЭС-200 сработали по активной составляющей тока через установленные в сети резисторы, отключив повреждённые линии и предотвратив переход ОЗЗ в межфазные короткие замыкания (КЗ). Провалов напряжения в сети 35 кВ, критичных для работы технологических установок, удалось избежать.

Тревожный сигнал

Однако в процессе эксплуатации случился отказ защиты: в декабре 2018 года произошло перемежающееся ОЗЗ на кабельной линии соединения 35 кВ с подстанцией «Устиново» и последующий переход в межфазное КЗ. С момента возникновения ОЗЗ до срабатывания дифференциальной защиты линии от КЗ прошло 270 секунд, то есть защита от ОЗЗ не отключила повреждённое присоединение.

В чём же дело? После подключения низкоомного заземляющего резистора к нейтрали сети в течение 385 мс замыкание носило неустойчивый характер. За этот период дуга зажигалась и гасла четыре-пять раз. Ток и напряжение нулевой последовательности в повреждённой линии имели прерывистый характер, с паузами длительностью 10-80 мс. В эти паузы таймеры элементов защиты от ОЗЗ сбрасывались из-за падения тока и напряжения нулевой последовательности ниже значений возврата, возобновляя отсчёт времени выдержки. Анализ работы РЗА показал, что логику защиты требуется изменить так, чтобы она срабатывала при подобных неустойчивых ОЗЗ.

Без лишней спешки

Изучив процесс развития КЗ и его последствия, автор предложил ввести выдержку времени на возврат в исходное состояние пусковых элементов защиты в релейных устройствах General Electric F35 и F60. В этом случае таймер не будет обнуляться из-за коротких пауз в токе и напряжении нулевой последовательности. Логика работы защиты от ОЗЗ по видоизменённому варианту прошла лабораторную проверку током и напряжением аварийного режима на реальном устройстве РЗА с применением испытательного комплекса «Ретом-61». При имитации перемежающегося ОЗЗ защита показала корректную работу.

Системы защиты с видоизменённой логикой срабатывания внедряются на предприятии с февраля 2019 года. С того момента в сети 35 кВ на уже модернизированных присоединениях произошло два ОЗЗ с неустойчивым характером. В обоих случаях паузы в токе нулевой последовательности были скомпенсированы введённой выдержкой времени на возврат, так что сигнал на срабатывание выключателя поступал своевременно.

Необходима доработка

Помимо описанных проблем в течение 2020 года на ГТУ-ТЭС-200 неоднократно случались повреждения RIP-изоляции Т-образных соединительных муфт DURESCA производства компании MGC Moser-Glaser, сопровождавшиеся замыканиями на землю на участках между секционными и шиносоединительными выключателями КРУЭ 35 кВ. В результате были повреждены шесть муфт и токоограничивающий реактор.

При анализе осциллограмм ОЗЗ на участках межсекционных связей КРУЭ удалось выявить два типовых сценария пробоя изоляции муфт. Первый характеризуется появлением в сети импульса ёмкостного тока в момент возникновения ОЗЗ. Далее, пока выключатель 35 кВ нейтралеобразующего трансформатора с низкоомным резистором (масляный заземляющий фильтр марки ФЗМ) включён, протекает устойчивый ток ОЗЗ. После отключения ФЗМ до окончания ОЗЗ в сети наблюдаются импульсы ёмкостного тока. Второй сценарий пробоя изоляции также характеризуется возникновением импульса ёмкостного тока, но ОЗЗ не переходит в устойчивую форму при включённом ФЗМ. Описанные варианты развития ОЗЗ общеизвестны; их необходимо принять во внимание при разработке средств защиты участков межсекционных связей КРУЭ 35 кВ, особенно при выборе выдержек времени.

В 2020 году на указанных участках по первому сценарию произошло пять ОЗЗ с включением ФЗМ, по второму - семь ОЗЗ. Таким образом, при пробое изоляции Т-образных муфт ОЗЗ нечасто переходит в устойчивую форму.

Очевидно, что участки межсекционных связей КРУЭ 35 кВ ГТУ-ТЭС-200, включающие токопроводы с литой изоляцией, соединительные муфты и токоограничивающие реакторы, необходимо защитить от ОЗЗ. Однако существующее проектное решение не предусматривает защиту токоограничивающих реакторов от повреждений данного вида.

Есть выбор

Автор работы предложил следующие варианты защиты.

1. Дифференциальная с применением трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП).

К достоинствам такого варианта относятся малые токи небаланса, необходимая и достаточная чувствительность защиты при ОЗЗ на целевом участке, а также возможность реализации алгоритма защиты в существующих микропроцессорных устройствах РЗА. К недостаткам можно отнести большие затраты на покупку и монтаж восьми ТТНП и необходимость прокладки вторичных кабельных линий от каждого трансфороматора до соответствующего устройства защиты.

2. Дифференциальная, реализованная в изменяемой части микропроцессорного устройства РЗА.

Достоинства данного варианта: исключение дополнительных материальных затрат; простота реализации; потребуются незначительные модификации во вторичных цепях. Недостатки: увеличенные по сравнению со схемой с ТТНП токи небаланса и отсутствие функции торможения в дифференциальной защите.

3. С ограниченной зоной действия (по стандарту ANSI 87RGF).

Достоинства этого варианта: исключение затрат на покупку и монтаж ТТНП; потребуются незначительные изменения во вторичных цепях; наличие торможения в дифференциальной защите. Недостатки: значительно большие по сравнению со схемой с ТТНП токи небаланса; необходимость покупки и установки процессорных модулей во все устройства защиты трансформаторов GE T35.

4. С применением реле направления мощности нулевой последовательности.

Достоинства: не нужно закупать дополнительное оборудование; требуются незначительные модификации во вторичных цепях. Недостатки: сложность выбора уставок и правильной настройки терминалов РЗА, а также увеличенные по сравнению со схемой с ТТНП токи небаланса.

* * *

Итак, разработанная логическая схема защиты распределительных линий 35 кВ от ОЗЗ исключает негативное влияние перемежающейся дуги. Рацпредложение, внедрённое на Пермском НПЗ, уже доказало свою эффективность и может быть использовано для доработки систем защиты от ОЗЗ на других энергообъектах.

Предложены и проанализированы четыре варианта реализации защиты участков межсекционных связей КРУЭ 35 кВ ГТУ-ТЭС-200 от ОЗЗ. По мнению специалистов Пермского регионального управления ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕТИ» наиболее предпочтителен вариант № 1 с применением ТТНП, так как в этом случае защита обладает высокой чувствительностью и токи небаланса минимальны.

Статья написана по материалам работы, завоевавшей 2-е место на XV Конкурсе ПАО «ЛУКОЙЛ» на лучшую научно-техническую работу молодых учёных и специалистов за 2019-2020 годы.

Об авторе: Алексей РЫЧКОВ, - инженер Пермского регионального управления ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕТИ».

Источник: ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕТИ

Читайте другие наши материалы