Организация релейной защиты на АЭС


Применение сейсмостойких реле на АЭС Современный этап эксплуатации электротехнического оборудования электрических станций имеет ряд особенностей: оборудование выработало значительную степень ресурса и перешло в фазу нарастающих интенсивностей отказов. К сожалению, и уровень подготовки эксплуатационного персонала имеет тенденцию к снижению. Это вполне объективные факторы.

Вместе с тем, экономические условия требуют повышения надежности эксплуатации, что приводит к необходимости разработок, направленных на повышение уровня эксплуатации на основе новых методов, существенно снижающих роль человеческого фактора и одновременно повышающих эффективность принимаемых решений.

Такое направление поисков дают технологии технически обоснованного продления ресурса используемого оборудования и создания условий, наиболее благоприятных для его эксплуатации.

Экономическая ситуация, сложившаяся в последние годы в энергетике, заставляет принимать меры, направленные на увеличение срока эксплуатации различного оборудования.

В создавшейся ситуации, когда нет средств на его замену, эксплуатация такого оборудования должна, несомненно, отличаться от прежней.

Наверное, это и более частые адресные профилактические ремонты, и мониторинг за состоянием с применением современных методов диагностики (ИК-контроль, частичные разряды, акустический и вибро-контроль, новые методы химического анализа и др.), а также разработка и анализ мероприятий и проектов, улучшающих эксплуатационные режимы, которые позволят уменьшить риск повреждений такого оборудования. При использовании электротехнического оборудования большинства электрических станций, ресурс эксплуатации которого практически исчерпан, необходимы разработка, анализ мероприятий и проектов, которые позволили бы создать более благоприятные эксплуатационные условия и уменьшили бы риск повреждений такого оборудования.

Необходимо наконец-то задаться вопросом: «Почему один трансформатор эксплуатируется в течение 50 лет, а другой — менее 20».

Одна из причин кроется в тех условиях, в которых эксплуатируется тот или иной аппарат, электрическая машина. Условия определяются совершенством технической стороны проектных решений в первую очередь, во вторую — уровнем организации эксплуатации, технического обслуживания и ремонта. Сейсмостойкие реле

В технике релейной защиты успешно применяется аппаратура, содержащая интегральные микросхемы. Высокие требования к правильной работе релейной защиты элементов сети собственных нужд АЭС в условиях ударных и вибрационных нагрузок как раз и обусловили разработку, выпуск промышленностью специальной серии реле, так называемых сейсмостойких реле.

Применение микросхем позволило не только заметно улучшить характеристики защит, но и получить совершенно новые, которые невозможно было создать при использовании традиционных электромеханических реле.

В настоящее время устройства релейной защиты всех элементов сетей собственных нужд на атомных станциях выполняются только с использованием сейсмостойких реле.

Применение сейсмостойких реле на __fg_link_4__ 1

Старый подход проектирования устройств релейных защит при использовании сейсмостойких реле оказался неприемлемым. Дело в том, что при этом подходе основное внимание уделялось быстродействию при срабатывании. Возвратные характеристики измерительных органов релейной защиты, как правило, никого не интересовали. Все сейсмостойкие реле, в отличие от электромеханических, обладают некоторой «памятью» (табл. 1).

Не учитывать ее при проектировании релейной защиты в разветвленных сетях собственных нужд атомных станций (рис. 1) является недопустимым и опасным. Возвратные характеристики реле (см. табл.) взяты из [1-4] и заводских технических описаний и инструкций.


Опыт эксплуатации и аварийные ситуации, произошедшие в сетях собственных нужд Калининской АЭС, говорят об обязательном учете возвратных характеристик сейсмостойких реле при проектировании.

Разберем несколько случаев, подтверждающих эти гипотезы. Компоновка сети и ее состав Сеть энергоснабжения ответственных технологических потребителей сверхмощного энергоблока АЭС представлена на рис.1. В ее состав входят два питающих источника: ТСН 1 и РТСН 3. Первый из них является рабочим источником энергоснабжения, который подключен к сети генераторного напряжения 24 кВ без применения каких-либо коммутационных аппаратов. Второй — резервный источник, подключен к энергосистеме через открытое распределительное устройство номинальным напряжением 330 кВ.

В сети генераторного напряжения энергоблока имеется выключатель нагрузки. Такая схема позволяет выводить энергоблок на номинальные технологические параметры при питании общеблочных секций (ОБС) от рабочих трансформаторов собственных нужд.

Применение сейсмостойких реле на __fg_link_9__ 2

Включение резервного питания от резервных трансформаторов собственных нужд (РТСН) может быть выполнено вручную оператором или автоматически устройством ввода резерва (АВР) по факту отключения выключателя рабочего ввода, если нет запрета от защит, срабатывание которых происходит при заведомо не устранившемся коротком замыкании на секции (устройство резервирования отказов выключателей, дистанционная, дуговая защиты и др.).

На энергоблоке 1000 МВт — четыре общеблочных секции, к которым подключаются все механизмы, осуществляющие основной технологический процесс.

Каждая ОБС имеет независимые рабочий и резервный источники энергоснабжения. Кроме технологических механизмов к шинам общеблочных секций подключаются секции надежного питания (СНП, на энергоблоке их три), секции второй группы надежного питания (СII-грНП, на энергоблоке их две), секции удаленных нагрузок (СУН, на энергоблоке их четыре).

Применение сейсмостойких реле на __fg_link_10__ 3

Все вышеупомянутые секции подключаются к ОБС посредством линий питания, состоящих из двух выключателей и кабельных линий. К СНП подключаются механизмы, в задачу которых входит выведение реакторной установки в подкритическое (безопасное) состояние при любом режиме энергоснабжения,включая полное обесточение.

При полном обесточении питание потребителей СНП осуществляется от автономной дизель-генераторной станции, запуск которой осуществляется по факту отключения хотя бы одного из секционных выключателей линии питания.

СII-грНП — общестанционные секции, к которым подключаются различные подпиточные и пожарные насосы, эксплуатируемые в общестанционных агрегатах. Эти секции имеют межсекционный АВР и автономные дизель-генераторные станции. К секциям удаленных нагрузок подключены различные хозяйственные потребители, не участвующие непосредственно в технологическом процессе энергетического блока.

Они имеют два источника питания и автоматику включения резерва. Резервный ввод СУН запитан (см. рис. 1) непосредственно с секций магистрали резервного питания (МРП).

На ОБС и СУН включаются трансформаторы (ТВН), при помощи которых выделяется нейтраль сети, которая, в свою очередь, заземляется через резистор сопротивлением 100 Ом.

Применение сейсмостойких реле на __fg_link_12__ 4

При питании СУН от общеблочной секции трансформатор, выделяющий нейтраль, подключаемый непосредственно на СУН, отключен. Включается он автоматически, когда секция удаленных нагрузок питается с магистрали резервного питания. При переводе питания этих секций от общеблочных секций ТВН СУН автоматически отключается, тем самым предотвращается параллельная работа двух трансформаторов, при помощи которых выделяется нейтраль сети.

Комплекс релейных защит от междуфазных коротких замыканий, установленный в сети собственных нужд сверхмощных энергоблоков атомных электрических станций.

Каждое присоединение на любой из секций собственных нужд (см. рис. 1) оснащено основной быстродействующей защитой от внутренних повреждений. Это, как правило, либо токовая отсечка, либо дифференциальная защита. На линиях питания секций, смежных с общеблочной, устанавливаются максимальные токовые защиты (МТЗ), действующие на отключение секционных выключателей с выдержкой времени 0,3 с.

Основной задачей МТЗ, установленных на линиях питания, является функция выполнения дальнего резервирования основных защит присоединений. На питающих вводах (рабочем и резервном) общеблочной секции установлен комплект дистанционных защит, также выполняющих функции дальнего резервирования защит всех присоединений сети собственных нужд.



Для того, чтобы минимизировать время нахождения в сети короткого замыкания и обеспечить селективность при любых коротких замыканиях в комплексе релейной защиты сети собственных нужд, применяются блокировки дистанционной защиты питающих вводов от максимальных токовых защит линий питания секций, смежных с общеблочной.

Временные диаграммы работы комплекса релейных защит от коротких замыканий в сети собственных нужд представлены на рис. 2.

Согласно проектному алгоритму [1, 5] (см. рис. 2), при не устранившихся основными защитами присоединений коротких замыканий последние будутлокализовываться защитами, выполняющими функции резервирования. Так, при повреждениях в месте К1 (см. рис. 1) ток короткого замыкания будет протекать от питающего источника через линию питания секции удаленных нагрузок к месту К1.

В этом случае сработают измерительные органы максимальной токовой защиты линии питания СУН и дистанционной защиты питающего ввода.

При срабатывании измерительных органов максимальной токовой защиты линии питания СУН они без выдержки времени будут блокировать формирование отключающего импульса питающего ввода от дистанционной защиты, предотвращая тем самым излишние отключения секций, на которых нет повреждений. По истечении выдержки времени МТЗ сформируется импульс на отключение секционных выключателей, после отключения которых ликвидируется короткое замыкание, и все измерительные органы релейных защит приходят в состояние «до срабатывания».

Применение сейсмостойких реле на __fg_link_15__ 5

Переход измерительных органов релейной защиты, выполненных с использованием сейсмостойких реле, в положение, предшествующее срабатыванию, осуществляется, к сожалению, неодновременно (рис. 3, табл.), и поэтому в таких случаях могут формироваться неселективные отключающие импульсы, усугубляющие аварийную ситуацию и усложняющие переходный процесс в технологической схеме энергоблока.

Так, при устранении короткого замыкания в точке К1 (см. рис. 1) максимальной токовой защитой линии питания СУН измерительный орган МТЗ вернулся в положение «до срабатывания» значительно раньше измерительного органа дистанционной защиты, чем и был сформирован отключающий импульс на отключение рабочего ввода с запретом АВР (см. рис. 3) уже после ликвидации аварийного режима.

Согласно [1, 5] резервная высокочувствительная токовая защита от междуфазных коротких замыканий (РВЧТЗМФКЗ) сети 6 кВ в своей логической части имеет блокировку от группового самозапуска электродвигателей на секциях только при переключении питания от рабочих источников на резервные (АВР).

При ликвидации коротких замыканий на смежных с общеблочной секциях никаких блокировок от групповых самозапусков проектом не предусмотрено. Уставка токового органа РВЧТЗМФКЗ сети 6 кВ совпадает с уставкой токового пуска дистанционной защиты, которые от таких режимов не отстраиваются. В результате чего ток и время группового самозапуска двигателей после ликвидации аварии tсраб.

МТЗ линии питания= 0,3 с (рис. 2, 3) и восстановления напряжения могут превысить соответствующие уставки резервной защиты; в этом случае получим неселективное действие еще одной защиты в сети 6 кВ после устранения короткого замыкания (КЗ).

Дистанционная защита питающих вводов общеблочных секций и РВЧТЗМФКЗ выполняют функции дальнего резервирования основных защит всех присоединений сети 6 кВ.

По мнению авторов, с точки зрения надежности, не совсем логично, что обе защиты, выполняющие одинаковые функции, могут блокировать одним контактом максимальные токовые защиты линий питания секций, смежных с общеблочной (см. рис. 2). В этой связи предлагается РВЧТЗМФКЗ сети 6 кВ вообще ничем не блокировать при повреждениях на смежных с общеблочной секциях. Время срабатывания резервной защиты для обеспечения селективности увеличить до 0,5 с. Исходя из вышеизложенного, с целью предотвращения возгорания в кабельной сети 6,3 кВ СН АЭС к защитам предъявляются требования отключения КЗ в любой точке сети с как можно меньшим временем, в том числе и при отказе защит или выключателя присоединения, на котором возникло короткое замыкание.

Поэтому предлагаем:

  • использовать для защиты рабочих и резервных вводов общеблочных секций микропроцессорные устройства релейной защиты;
  • логическую схему работы резервной высокочувствительной токовой защиты от междуфазных коротких замыканий реализовать в микропроцессорном терминале с помощью свободно программируемой логики.

    Увеличение единичной мощности блоков, мощности питающих элементов собственных нужд (СН) АЭС привели к увеличению токов коротких замыканий.

     В настоящее время выключатели, применяемые в системах СН, работают на пределе своих технических возможностей [6, 7] (рис. 4).

Токи КЗ в сетях СН сверхмощных энергоблоков достигли предельных значений как для выключателей (36-40 кА), так и для всего электрооборудования сети, включая питающие источники. Чрезвычайно часты случаи повреждения опорных изоляторов питающих шинопроводов от динамических воздействий сверхтоков коротких замыканий, причем эти повреждения могут проявиться не сразу, а спустя некоторое время.

В этой связи локализация повреждений в сети должна осуществляться защитами за минимально допустимое время.

Однако минимальные выдержки времени, установленные в релейной защите элементов сети энергоснабжения основных технологических потребителей энергоблока, необходимо согласовывать между собой, учитывая возвратные характеристики измерительных органов, а всю сеть рассматривать как единый энергетический объект. Ячейки комплектных распределительных устройств 6 кВ с элегазовыми выключателями снабжаются фотоэлементами, реагирующими на вспышку в ячейке.

Время срабатывания таких устройств в два раза меньше времени срабатывания разгрузочных клапанов в камерах дуговой защиты и составляет не более 40 мс.

В некоторых местах токопроводы резервного и рабочего энергоснабжения проходят в непосредственной близости (20-30 см) от легких разгрузочных клапанов дуговой защиты ячеек. Все это может вызывать неселективные действия дуговой защиты при коротких замыканиях, когда по шинопроводам текут значительные токи коротких замыканий и от электродинамических воздействий последних крышки клапанов могут подниматься самопроизвольно.

Интересным аварийным случаем при рассмотрении проблем, затронутых в настоящей статье, является трехфазное дуговое короткое замыкание в одной из ячеек общеблочной секции (см. рис. 1, К2).

При пусковых операциях на одном из присоединений ОБС возникли коммутационные перенапряжения.

Самым слабым местом с точки зрения изоляции явилась выкатная часть тележки выключателя. От возникновения коммутационных перенапряжений первоначально возникла дуга между фазами А, В и землей, спустя 1 мс произошло трехфазное дуговое короткое замыкание на землю в ячейке выключателя.

Слабое место изоляции — в выкатной части выключателя послужило позитивным фактором.

В противном случае мог бы повредиться двигатель, так как перенапряжения в таких ситуациях могут достигать согласно [8, 9] уровня (3,1—4,9) Um/Uф.m., что чрезвычайно опасно не только для витковой, но и для корпусной изоляции электродвигателя.

Короткое замыкание сопровождалось возникновением обширных дуг в ячейке, от которых (0,035 с) сработал фотоэлемент дуговой защиты ячейки и токовый пуск защит секции. По истечении 0,095 с начала развития аварии локализация короткого замыкания произошла отключением выключателя резервного ввода (см. рис. 1) от дуговой защиты.

Из-за запоздалого возврата (62 мс) реле токового пуска (РСТ 13 на рис. 4) после ликвидации аварийного режима от электродинамических воздействий токов короткого замыкания (более 50 кА, см. осциллограммы рис. 4)

На клапан дуговой защиты, который находится в непосредственной близости от резервного шинопровода, возникли условия для формирования отключающего импульса ввода на МРП. Продолжительность отключающего импульса составила около 17 мс. Этого времени хватило для завершения операции отключения ввода на МРП.

В этой связи надо подчеркнуть, что неселективные срабатывания дуговой защиты общеблочной секции и вводов на магистраль резервного питания имеют тяжелые последствия.

В одних ситуациях отключается либо секция с разгрузкой энергоблока, либо полностью энергоблок или оба резервных трансформатора собственных нужд (см. рис. 1), оставляя при этом все сети СН энергоблока без резервного питания.

ВЫВОДЫ

  1. Сеть собственных нужд на мощных энергоблоках атомных станций — это электрическая система с присущими всем электрическим системам признаками. Проектирование релейной защиты в этих сетях должно вестись с учетом этого фактора.
  2. Монтаж питающих токопроводов рабочего и резервного питания должен вестись с учетом возможного электродинамического воздействия сверхтоков короткого замыкания на клапаны дуговой защиты.
  3. Для уменьшения термических и динамических воздействий (временных и количественных) от сверхтоков коротких замыканий все электротехническое оборудование, расположенное вблизи мощных питающих источников, должно защищаться основными защитами с минимально возможным временем отключения.

    В схемах собственных нужд сверхмощных энергоблоков должны применяться мероприятия по ограничению токов короткого замыкания.

    Выполнение указанных требований создаст наиболее благоприятные эксплуатационные условия для электротехнического оборудования, увеличит ресурс его безаварийной эксплуатации.

  4. Проводя анализ аварийных случаев и схем энергоснабжения ответственных технологических потребителей атомной станции, можно констатировать, что в создавшейся ситуации комплекс релейных защит от междуфазных коротких замыканий при повреждениях на смежных с общеблочной секциях всегда работает неселективно, отключая при этом ОБС с разгрузкой энергоблока.
  5. Проблемы, затронутые в настоящей статье, требуют детального изучения и проработки как с проектными организациями, так с разработчиками релейной аппаратуры. Назрела чрезвычайная и острая необходимость в предварительном анализе новых проектных решений электрической части электростанций, который базировался бы на эксплуатационном опыте и здравом смысле. Заимствование зарубежных проектных решений должно также использоваться после их детального изучения, проработки, анализа, научного обоснования применительно к используемому электрооборудованию.


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: