Электротехника
Электротехнические комплексы и системы
Углов А.В., кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой Гусева Е.В., кандидат технических наук, доцент
(Севастопольский государственный университет)
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИЗАЦИЯ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ
В настоящей статье раскрываются понятие и особенности релейной защиты, автоматизация электроэнергетических систем атомных станций. Предлагается для сравнения второе и пятое поколения автоматизации электроэнергетических систем атомных станций. Определены основные назначения системы релейной защиты и противоаварийной автоматики.
Ключевые слова: релейная защита, электроэнергетические системы, защита атомных станций, энергосистемы, противоаварийное управление, противоаварийная автоматика, АЭС.
RELAY PROTECTION AND AUTOMATION OF POWER SYSTEMS, NUCLEAR POWER PLANTS
This article describes the concept and features of relay protection, automation of electric power systems of nuclear power plants. It is proposed to compare the second and the fifth generation of automation of electric power systems of nuclear power plants. The main purpose of relay protection and emergency control.
Keywords: relay protection, electric power systems, the protection of nuclear power plants, power grids, emergency management, emergency control system, nuclear power plant.
Проходящие в настоящее время процессы реформирования электроэнергетики атомных электростанций (АЭС) зачастую обуславливают повышение роли релейной защиты и автоматики (РЗА) в обеспечении управляемости и надежности работы энергосистем и энергообъединений АЭС. В связи с чем, появляется необходимость пересмотра философии организации и самой структуры РЗА.
Существенное усложнение архитектуры электрических сетей, усложнение эксплуатационных режимов, энергичное внедрение современного оборудования и аппаратов коммутации сделали актуальными вопросы автоматики управления и релейной защиты объектов электроэнергетических систем атомных электростанций. С началом нового тысячелетия наиболее насущными стали проблемы координации основных устройств релейной защиты с наименее возможным усложнением процессов расчета установок и эксплуатации микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики.
Несмотря на то, что в последние годы происходит интенсивное внедрение микропроцессорных устройств РЗА АЭС, пока что они составляют ничтожную долю (около 3-4 %) [14], и соответственно не оказывают влияние на показатели эффективности функционирования РЗА в целом. Доля правильных срабатываний устройств РЗА по-прежнему стабильна и составляет 99,6 % [14], что можно отнести за счет верной структуры и самой методологии применения устройств РЗА, а так же отработанной системы их технического обслуживания.
РЗА является одним из основных видов электрической автоматики атомных электростанций, она осуществляет непрерывный контроль за состоянием и режимом работы всех
элементов энергосистемы и реагирует на возникающие повреждения и нарушения режима работы.
Основным назначением РЗА является выявление места возникновения повреждения и быстрое автоматическое отключение с помощью выключателей поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части.
Вторым, дополнительным назначением РЗА является выявление нарушений нормальных режимов работы оборудования и подача предупредительных сигналов обслуживающему персоналу или отключение оборудования с выдержкой времени.
В общем случае к устройствам РЗА ЭЭС АЭС предъявляются следующие четыре наиболее важных технических требования: селективность, быстродействие, чувствительность, надежность.
Селективностью, или избирательностью, называется действие защиты, обеспечивающее отключение только поврежденного элемента системы посредством его выключателей.
Требование селективности не должно пропускать возможность действия защит как резервных в случаях отказа защит или выключателей смежных элементов, так например, отказ релейной защиты на выключателе 08 при КЗ в точке КЗ (рис. 1.).
Рис. 1. Принципиальная схема ЭЭС, поясняющая принцип селективности действия устройств релейной защиты
Быстродействие. С большей вероятностью, в основных случаях к РЗА, действующей при повреждениях на отключение, предъявляется требование быстродействия.
Чувствительность РЗА должна быть достаточно чувствительной к повреждениям и ненормальным режимам работы, которые могут возникнуть на защищаемых элементах ЭЭС. Удовлетворение требований должной чувствительности в действующих электрических сетях зачастую встречает ряд серьезных затруднений.
Чувствительность защиты РЗА должна быть такой, чтобы она действовала при КЗ в конце установленной для нее зоны в минимальном режиме системы. Чувствительность защит РЗА принято количественно характеризовать коэффициентом чувствительности Кч. Для токовых защит коэффициент чувствительности определяется формулой:
1м
Кч =
1мин.авар.
1г>а
где 1мин.авар. минимальный аварийный ток, А, протекающий через защиту при КЗ в: а) непосредственной близости от места установки защиты для основной защиты, б) конце защищаемого элемента для резервной защиты, выполняющей функцию ближнего резерва, в) конце зоны действия (конце смежного элемента) для резервной защиты, выполняющей функцию дальнего резерва, 1са - первичный ток срабатывания защиты, А. Согласно ПУЭ коэффициент чувствительности не должен быть меньше соответственно: а) 2; б) 1,5; в) 1,25.
Требование надежности состоит в следующих основных моментах: РЗА должна правильно и безотказно и безошибочно действовать на отключение выключателей оборудования при всех возможных его нарушениях нормального (рабочего) режима, на действие при кото-
рых защита предназначена, и на отсутствие действия в режимах, при которых работы защиты не трубуется.
При КЗ в точке КЗ и отказе защиты Q3 срабатывает защита 02, в результате чего вместо погашения одной подстанции Г мы обесточим три подстанции В, Г и Д, а при неправильной работе в нормальном режиме защиты 01 потеряют питание потребители четырех подстанций Б, В, Г и Д (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема ЭЭС, поясняющая требование надежности
Таким образом, возможно констатировать факт должного срабатывания только защиты поврежденной линии. РЗА неповрежденных линий и ряда других элементов системы (генераторов, трансформаторов) могут при этом происходить в действие, но, тем не менее, не срабатывать.
Затронем немного этап развития РЗА. Центральным устройством защиты электрических систем при коротких замыканиях был плавкий предохранитель, основной элементом которого являлась плавкая вставка, выполняющая на основе теплофизических процессов все требуемые для защиты информационные операции, такие как: измерение тока в защищаемой цепи за счет преобразования электрической энергии тока в тепло по закону Джоуля-Ленца; сравнение температуры плавкой вставки с температурой плавления; срабатывание защиты - расплавление вставки, и силовую операцию - отключение поврежденной цепи (гашение дуги).
Современная релейная защита реализуется в виде совокупности согласованных между собой, но автономных устройств. Представленную совокупность устройств назовем системой защиты электроэнергетических систем атомных электростанций, представленную на рисунке 3.
Рис. 3. Система релейной защиты электроэнергетических систем атомных электростанций
(второго поколения)
Представленная система строится из элементов пяти классов: генератор, трансформатор, линия электропередачи, сборные шины и потребитель. С помощью выключателей элементы соединяются в сеть, где каждое из присоединений оснащается соответствующим устройством релейной защиты.
Таким образом, система релейной защиты второго поколения, хотя и состоит из автономных устройств, по сравнению с системой защиты первого поколения оказывается весьма связной, что усложняет оперативное и техническое обслуживание РЗА, тем самым снижая надежность функционирования.
В современных АЭС вводится в эксплуатацию РЗА пятого поколения. Тем не менее, пятое поколение защиты имеет ряд основных проблем: зачастую относительная селективность, а в некоторых случаях неселективное действие либо отказ в срабатывании, высокая сложность и значительная связность выходных логических цепей защиты; имеет место энергетическая несовместимость с трансформаторами напряжения и тока; электромагнитная уязвимость электронных устройств и проводных линий связи.
Для решения этих проблем целесообразно предложить следующее. Первое, изменить архитектуру системы релейной защиты, соединив информационные и силовые операции в едином элементе данной системы (рис. 4). Для этого устройствами следуем заменить присоединения, имеющие место в классической защите выключателями. Второе. Функционально-алгоритмическую структуру систем РЗА пятого поколения выстаивать не из виртуальных реле, а как процессор распознавания ситуаций (ПРС). Третье. На каждом выключателе установить с каждой стороны измерительные преобразователи тока и напряжения (ИПТН). ИПТН связать цифровыми волоконно-оптическими каналами с ПРС. Четвертое. ПРС связать со всеми смежными выключателями цифровыми волокон-но-оптическими, высокочастотными или радиоканалами.
Так образуется система релейной защиты пятого поколения, представленная на рисунке
4.
Рис. 4. Система релейной защиты электроэнергетических систем атомных станций
(пятого поколения)
Соединение всех операций защиты в одном элементе, как в плавком предохранителе, значительно упрощает его входные и выходные цепи, за счет чего так же достигается максимально возможная автономия элементов системы РЗА. Так же в предлагаемой структуре достаточно просто осуществить дублирование всех существующих информационных операций
с включением мажоритарного элемента на выходе процессора распознавания ситуаций.
Таким образом, системы РЗА являются неотъемлемой частью современных АЭС и играют ключевую роль в обеспечении их надежной и безопасной работы. Современные РЗА для АЭС обычно служат для решения двух основных задач: автоматическое управление технологическими процессами (ТП) и автоматический контроль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.