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 уставками расцепителей до 2500 А без демонтажа их с панелей и щитов. Источником пробного тока, при этом, является штатная аккумуляторная батарея.

 

 

Рисунок 6.1 - Проверка селективности защитных аппаратов с помощью программы GUCHOICE

 

6.2 Технические средства диагностики электрических цепей и элементов систем управления и защиты

Анализатор параметров электрических сетей СА 8350 является представителем анализаторов, предназначенных для измерения силовых параметров электрических сетей, имеющих помехи. Это трехфазный анализатор, полностью управляемый через графический интерфейс. Все виды программирования и вывода данных измерения на дисплей выполняются с помощью сенсорного дисплея, использующего контекст операционной системы Windows. Базовая конфигурация автоматически включает функцию быстрого преобразования Фурье и режим осциллографа. Вычислитель - процессор INTEL Pentium 500. Прибором можно выполнить измерение параметров токов и напряжений, активной и реактивной мощности, спектральный анализ гармонических составляющих до 50 - й гармоники, анализ системы с прямой последовательностью фаз, обратной последовательностью фаз и с нулевой последовательностью фаз. С помощью анализатора можно построить векторные графики напряжений и токов, регистрировать короткие замыкания.

3-фазные анализаторы качества электросети Qualistar СА 8332 и СА 8334 предназначены для энергетических и эксплуатационных служб промышленных предприятий и моментально дают картину основных характеристик электросети, которая дополняются расчетными параметрами и многочисленными функциями обработки (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 -Анализаторы качества электросети Qualistar С А 8332

Основными измеряемыми параметрами являются токи, напряжения, частота, активная, реактивная и полная мощность отдельной фазы и всех фаз, активная, реактивная, полученная и переданная энергия, полная энергия, напряжение, ток и мощность гармоник до 50-го порядка.

Дополнительные функции прибора:

Рисунок 6.3 - Токовые клещи F27

- графическое представление данных;

- аварийные сигналы, отображение переходных процессов;

- запись, датировка и характеристики нарушений (перегрузки, провалы, пропадания и т.п.);

- сохранение данных;

- немедленная распечатка изображения экрана на принтер.

Основные рассчитываемые параметры:

- ток нейтрали;

- разбалансировка фаз по току и напряжению;

- общий коэффициент гармонических искажений.

Многофункциональные токовые клещи F27 - измеритель мощности и гармоник предназначен для проверки, оперативного контроля и анализа качества электроэнергии в сетях переменного (синусоидального и несинусоидального) и постоянного тока. Измеряемыми параметрами являются токи и напряжения, частота, активная, реактивная и полная мощность в 1 и 3-х фазных сетях, коэффициент гармоник, значения отдельных гармоник до 25-го порядка.

Рисунок 6.4-Токовые клещи МХ 2040

Оптический выход RS232 и программное обеспечение используются для распечатки результатов измерений на принтере и их обработки (рисунок 6.3).

Универсальные токовые клещи МХ 2040 и МХ 240 предназначены для измерения постоянных и переменных напряжений и токов в однофазных и трехфазных системах, мощности, энергии и частоты. Токовые клещи имеют 3-фазный вход и позволяют осуществлять следующие функции:

- измерение коэффициента мощности и определение компенсирующей емкости;

- передача аналогового сигнала через адаптеры;

- передача и обработка потока данных на компьютере;

- отображение двух параметров для ускорения измерений (рисунок 6.4).

Автоматизированная система диагностики АСК "Тест" предназначена для контроля параметров реле и релейных блоков автоматики и телемеханики в условиях ремонтно-технологического участка.

Области применения АСК "Тест":

- контроль исправности монтажа релейных блоков;

- определение электрических и временных параметров реле, входящих в состав релейных блоков: напряжения срабатывания, напряжения отпускания, время задержки на отпускание, напряжения перелета у поляризованных реле, время отпускания;

- определение электрических и временных параметров реле: напряжения срабатывания, напряжения отпускания, время задержки на срабатывание, время задержки на отпускание, неодновременности срабатывания, сопротивления обмоток, сопротивления контактов.

Архитектура системы диагностики построена таким образом, что к одному компьютеру можно подключить до четырех измерительных блоков, работающих независимо друг от друга. Общее количество управляющих выводов такой системы – 576.

Испытательные устройства Сатурн-М предназначены для проверки и настройки автоматических выключателей с тепловыми и электромагнитными расцепителями присоединений 220 – 380 В частоты 50 Гц, а также для проверки характеристик средств релейной защиты присоединений 6 - 35 кВ и оценки тока короткого замыкания (КЗ) цепи фаза-нуль присоединений 380 В и тока КЗ на шинах 380 В (рисунок 6.5).

Испытательные устройство обеспечивает:

Рисунок 6.5 - Комплектное испытательное устройство "Сатурн-М"

- возможность проверки средств РЗА присоединений 6 - 35 кВ вторичным током совместно с нагрузочным трансформатором, при этом оно используется для регулирования первичного тока трансформатора, измерения эффективного значения вторичного тока, установки заданной длительности протекания тока и измерения времени срабатывания защиты;

- возможность проверки характеристик релейной защиты электрических присоединений 6 - 35 кВ первичным током без нагрузочного трансформатора от сети 380/220 В при значениях тока до 2000 А и с нагрузочным трансформатором при значениях тока до 12000 А;

- возможность оценки тока короткого замыкания (КЗ) цепи фаза-нуль или фаза-фаза присоединений 380 В для выбора характеристик релейной защиты, плавких вставок и автоматических выключателей.

Диапазон регулирования и измерения тока в схеме без нагрузочного трансформатора - 10..2000 А.

Диапазон регулирования первичного тока в схеме с нагрузочным трансформатором - 0,5..300 А.

Диапазон измерения тока cо встроенным трансформатором тока - 10..2500 А, с внешним трансформатором тока - 0,1..99,99 кА.

Диапазон задания и измерения длительности протекания тока и времени отключения аппарата- 0,01..99,99 с.

Комплектное испытательное устройство для проверки простых защит Нептун предназначено дляlпроверки простых средств релейной защиты и автоматики типа токовых реле, реле напряжения, реле времени непосредственно на энергообъектах (рисунок 6.6).

Устройства питаются от однофазной сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 В и выполняют следующие основные функции:

- формирование синусоидального тока регулируемой силы;

- формирование синусоидального или постоянного выходного напряжения регулируемой величины;

Рисунок 6.6 – Комплектное испытательное устройствоНептун

- измерение формируемых значений тока и напряжения;

- измерение временных параметров.

Устройство «Нептун» выдает следующие выходные сигналы:

- переменное напряжение частотой 50 Гц от 0 до 240 В или от 0 до 25 В при токе до 2 А с плавной регулировкой (кратковременно - до 5 А);

- постоянное напряжение от 0 до 320 В или от 0 до 35 В при токе до 2 А с плавной регулировкой;

- переменный ток частотой 50 Гц от 0 до 10 А (25 В макс.), от 0 до 20 А (12 В макс.) или от 0 до 40 А (6 В макс.) с плавной регулировкой.

Устройство «Нептун» позволяет измерять выдаваемую активную мощность. Диапазон измерения мощности от 0 до 1000 Вт.

Устройство «Нептун-2» отличается большей выходной мощностью - максимальный длительный ток канала напряжения увеличен до 5 А, а канал переменного тока имеет следующие поддипазоны: 0 - 25 А (50 В макс.), 0 - 50 А (25 В макс.) и 0 - 100 А (12 В макс.). Диапазон измерения выходной мощности также расширен до 2000 Вт.

Испытательный прибор РЕТОМ-41М предназначен для автоматизированной проверки и наладки устройств релейной защиты и автоматики всех поколений:

- современные микропроцессорные реле и сложные системы защиты;

- полупроводниковые отечественные устройства релейной защиты и автоматики;

- вся номенклатура электромеханических панелей и комплектов защиты и автоматики;

- отечественные и зарубежные приборы определения места повреждения;

- панели противоаварийной автоматики и цепи телеизмерения;

- счетчики электроэнергии.

Испытательный прибор используется при наладке и эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики с выдачей протокола испытаний.

Прибор содержит 3 источника тока, которые могут работать в следующих режимах:

- трехфазный режим 3 х 0...20 А, 3 х 250 ВА;

- однофазный режим 1 х 0...60 А; 1 х 750 ВА;

- режим постоянного тока 1 х 0...20 А; 1 х 250 Вт;

- трехфазный режим 3 х 0...120 В, 3 х 60 ВА;

- однофазный режим 1 х 0...240 В, 1 х 120 ВА;

- режим постоянного тока 1 х 0...320 В, 1 х 40 Вт;

Технические данные РЕТОМ-41М:

- диапазон изменения фазы в каналах тока и напряжения 0...360 º, минимальный шаг изменения фазы 0,1º, погрешность установки фазы ± 0,05 %;

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем особенность диагностики вторичных электрических цепей?

2. Чем обусловлена необходимость проведения диагностики электрических цепей по частям?

3. Какие дополнительны возможности предоставляет для решения задач диагностики электрических цепей совмещенные расчетные и экспериментальные исследования?

4. Как осуществляется проверка селективности защитных аппаратов с помощью программы GUCHOICE?

5. Какие методы диагностики применяют для оценки состояния аккумуляторных батарей?

6. Назначение, функциональные возможности и основные технические характеристики анализатора параметров электрических сетей СА 8350?

7. Назначение, функциональные возможности и основные технические характеристики анализаторов качества электросети Qualistar СА 8332 и СА 8334?

8. Назначение, функциональные возможности и основные технические характеристики токовых клещей F27?

9. Назначение, функциональные возможности и основные технические характеристики универсальных токовых клещи МХ 2040 и МХ 240?

10. Назначение и основные технические характеристики испытательного устройства Сатурн-М?

11. Назначение и основные технические характеристики устройство Нептун?

12. Назначение и основные технические характеристики испытательного прибора РЕТОМ-41М?