Ускорение ступенчатых защит линий 110-220 кВ без использования каналов связи

Компиляция статьи и доклада, представленного на VII международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи — 2016», проходившей 19-23 сентября 2016 года, КГЭУ, Казань

Введение
В электрических сетях 110-220 кВ значительное число линий электропередачи не оборудовано быстродействующими защитами, действующими на отключение без замедления. Время ликвидации повреждения на этих линиях ступенчатыми защитами может быть значительным даже с учетом каскадного действия. При этом установка быстродействующих защит связана со значительными финансовыми затратами из-за необходимости организации канала связи.

В то же время в ряде случаев возможно ускорение ступенчатых защит после отключения выключателя с противоположного конца транзитной ЛЭП, выявленного без использования канала связи по косвенным признакам. Имея ввиду тот факт, что подавляющее большинство повреждений на воздушных линиях составляют однофазные замыкания на землю и двухфазные короткие замыкания, признаком отключения выключателя с противоположной стороны линии может быть факт исчезновения тока в неповрежденных фазах.

Принцип действия
При возникновении короткого замыкания на ЛЭП, оборудованной только комплектом ступенчатых защит, повреждение может быть ликвидировано в следующем порядке:
  • с одного конца линии первой ступенью (дистанционной защиты или токовой защиты нулевой последовательности) без выдержки времени;
  • с противоположной стороны – также первыми ступенями, в результате возникновения каскадного режима, либо вторыми ступенями защит с выдержкой времени (как правило 0.3 – 0.8 сек). Следует также отметить, что при замыкании со значительным переходным сопротивлением повреждение может быть ликвидировано с еще большим временем.

При этом после отключения выключателя с одной из сторон линии токи неповрежденных фаз на противоположной стороне снижаются до уровня емкостных.

В этой связи для ускорения ликвидации повреждения предлагается использовать автоматическое токовое ускорение ступенчатых защит по факту выявления отключения линии с противоположной стороны, признаком которого является исчезновение тока хотя бы в одной из фаз.

Следует сразу очертить область возможного применения предлагаемого токового ускорения: двухконцевые транзитные линии без отпаечных подстанций.

Также необходимо отметить, что предлагаемое ускорение не способно заменить собой быстродействующие защиты, а является лишь дополнительной функцией КСЗ, способной сократить общее время ликвидации повреждения в ряде случаев.

На рисунке ниже представлена логическая схема предлагаемого ускорения.


Среди измеренных действующих значений фазных токов выбирается минимальный, затем текущее значение минимального из токов сравнивается с уставкой по минимальному току. Элемент задержки восходящего фронта DT1 служит для исключения срабатывания ускорения при краткосрочных переходных режимах, задержка DT2 служит для ограничения времени ввода автоматического токового ускорения.

Логику работы алгоритма можно проиллюстрировать на осциллограмме реального короткого замыкания, произошедшего на одной из линий 110 кВ, оборудованной лишь набором ступенчатых защитам.


Короткое замыкание фазы B на землю происходит в момент времени, обозначенный цифрой 1 на осциллограмме, через примерно 0.1 сек происходит отключение линии с противоположного конца первой ступенью ТЗНП – момент времени 2, при этом ток по неповрежденным фазам снижается практически до нуля. Спустя выдержку времени таймера DT1 срабатывает токовое ускорение, время ввода ускорения ограничивается уставкой таймера DT2. При отсутствии токового ускорения, несмотря на возникновение каскадного режима, повреждение ликвидируется спустя еще около 0.65 сек второй ступенью ТЗНП – момент 3.

Токовое ускорение предлагается применять для тех ступеней дистанционных и токовых защит, которые обладают достаточной чувствительностью при повреждении в конце защищаемой линии в каскадном режиме. Аналогичные требования предъявляются при выборе ступеней, автоматически ускоряемых при включении выключателя. Как правило, это третья ступень токовой защиты нулевой последовательности и вторая ступень дистанционной защиты.

Применительно к описанному выше случаю, в результате применения токового ускорения повреждение могло бы быть отключено со всех сторон с меньшим временем (менее 0.2 сек).

При двухфазных замыканиях представленная логическая схема работает аналогичным образом. Очевидно, что при трехфазном повреждении токовое ускорение работать не будет.

Выбор уставок
Ключевым параметром настройки – уставкой алгоритма является значение минимального тока нагрузки. Эта величина должна выбираться меньше минимально допустимого тока нагрузки по линии. В то же время, она должна быть больше емкостного тока линии. Следует отметить, что расчет значения минимального нагрузочного тока по линии не входит в компетенцию служб релейной защиты и производится, как правило, службой электрических режимов.


Емкостной ток может быть рассчитан, выбран по справочным данным, либо могут быть использованы укрупненные удельные значения: 0.2 А/км для линий 110 кВ и 0.4 А/км для линий 220 кВ.

Опыт эксплуатации
В энергосистеме Приморского края на двух объектах в панелях защит типа ЭПЗ-1636 по трем ЛЭП было реализовано упрощенное автоматическое токовое ускорение, действующее по цепи автоматического ускорения при включении выключателя на ускорение 3 ступени ТЗНП и 2 ступени ДЗ. Ускорение было выполнено на базе двух неиспользованных токовых реле типа РТ40/Р-5 в составе панели, предназначенных изначально для логики устройства резервирования отказа выключателя.


Реализованная логика токового ускорения, ввиду технической ограниченности используемых аппаратных средств, значительно отличалась от описанной выше:
  • контроль тока только по двум фазам;
  • отсутствие таймера, ограничивающего время ввода ускорения. В результате чего ускорение остается введенным в течении всего времени, пока отсутствует фазный ток хотя бы по одной из контролируемых фаз.
  • ограниченность диапазона регулирования тока срабатывания реле РТ40/Р-5.

Из-за обозначенных упрощений была возможна ситуация, когда ввиду ограниченного диапазона регулирования реле и малого тока нагрузки ускорение вводилось без отключения выключателя противоположной стороны линии и в дальнейшем не блокировалось. В этой ситуации при возникновении внешнего повреждения возможна излишняя работа защит.

Несмотря на перечисленные недостатки, десятилетний опыт эксплуатации показал в целом эффективность токового ускорения. От его применения пришлось отказаться только при реконструкции объектов и установке микропроцессорных терминалов быстродействующей релейной защиты.

Математическая модель автоматического токового ускорения была реализована в среде математического моделирования Matlab Simulink. Также были созданы вспомогательные программные средства, позволяющие использовать для анализа работы модели архивные осциллограммы, записанные регистраторами аварийных событий различных производителей в универсальном формате COMTRADE.

Анализ работы модели на значительном количестве реальных аварий показывает перспективу широкого использования токового ускорения при отсутствии быстродействующих защит линий, необходимость разработки рекомендаций к применению данного вида ускорения.

Материалы
  1. Версия статьи для печати (PDF, 690 Кбайт);
  2. Презентация доклада (PDF, 3 Мбайт);
  3. Расчет емкости ВЛ (ZIP, PDF, Mathcad, 400 Кбайт);
  4. Модель алгоритма, модель энергосистемы, модуль для чтения осциллограмм в формате Comtrade, а также несколько характерных осциллограмм для анализа (Matlab 2015b, 28 Мбайт).

Методика определения места замыкания на землю по токам и напряжениям нулевой последовательности в сетях разной конфигурации

Спасибо за предоставленный скан А.В. Корытову, Бурятское РДУ
КПВД

СОСТАВЛЕНО ЭЛЕКТРОЦЕХОМ ОРГРЭС, 1964
Автор канд. техн. наук М.П. Розенкноп
Редактор инж. Я.Е. Вольфкович

В работе излагается методика определения места замыкания на землю на линиях электропередачи в сетях напряжением 110 кв и выше с большим током замыкания на землю по токам и напряжениям нулевой последовательности.
Приводятся расчетные формулы для определения места замыкания и для экспериментального определения входящих в расчетные формулы параметров линий и примыкающих сетей по замерам при коротких замыканиях.
Рассматриваются линии одиночные, параллельные, линии в сети любой конфигурации и одиночные линии с ответвлением.
Дается методика производства опытов искусственных коротких замыканий для экспериментального определения параметров, входящих в расчетные формулы для определения места замыкания.


Скачать — OMP_Rozenknop_1964.djvu (780 кБ)

О мерах по предотвращению развития аварий, связанных с недостаточно эффективным дальним резервированием релейной защиты

Сборник распорядительных материалов по эксплуатации энергосистем (электротехническая часть)/РАО «ЕЭС России». — 5-е изд., перераб. и доп., 2000,— 120 с., ил.
[4.2]


Причиной ряда аварий или их развития остается недостаточно эффективное дальнее резервирование релейной защиты. При расследовании причин таких аварий выяснялось, что при выборе уставок защит этого узла энергосистемы можно было обеспечить несколько большую чувствительность срабатывания защит хотя бы при их каскадном действии и вообще не уделялось должного внимания выполнению дальнего резервирования.

В ряде случаев не предусматривалось применение резервной делительной защиты на шиносоединительных выключателях, действие которой при отсутствии дальнего резервирования могло бы ограничить масштабы развития аварии и улучшить условия дальнего резервирования при каскадном действии защит.

В целях предотвращения случаев развития системных аварий из-за недостаточно эффективного дальнего резервирования релейной защиты предлагается:
1. Службам РЗА энергосистем и службам РЗА ОДУ при реконструкции сети проверять соответствие уставок последних ступеней защит в основных системообразующих сетях (по которым осуществляется параллельная работа основных электростанций) и на межсистемных связях, а также на примыкающих участках условиям обеспечения дальнего резервирования. По мере выявления таких участков указанных сетей, на которых не обеспечивается дальнее резервирование, АО-энерго и ОДУ подготавливать мероприятия по повышению эффективности дальнего резервирования.

2. В мероприятиях по повышению эффективности дальнего резервирования в зависимости от конкретных условий предусматривать:
а) изменение уставок последних ступеней установленных защит для повышения их чувствительности там, где не реализована такая возможность; увеличение углов максимальной чувствительности дистанционных защит и уменьшение коэффициентов запаса по токам небаланса нулевой последовательности от максимальных расчетных токов нагрузки;
б) установку дополнительной ступени в двухступенчатых дистанционных защитах и в трехступенчатых токовых защитах нулевой последовательности;
в) использование фазоограничивающих и других дистанционных реле со специальными характеристиками;
г) применение последних ступеней защит, включенных на суммы токов параллельных линий и других присоединений.

3. При невозможности достижения удовлетворительного дальнего резервирования способами, указанными в п. 2, рассматривать возможность и целесообразность выполнения автоматического отключения отдельных ШСВ или СВ на высших напряжениях некоторых основных электростанций и узловых подстанций для обеспечения дальнего резервирования хотя бы в условиях каскадного действия защиты. Указанное отключение должно производиться при неотключении КЗ основными быстродействующими защитами, защитой ШСВ (СВ) либо дополнительной ступенью резервных защит трансформаторов (автотрансформаторов) связи разных напряжений или блоков. Такое деление на ШСВ (СВ) может предусматриваться для всех видов КЗ и для наиболее частых (только замыкания на землю, только несимметричные КЗ). Соответственно должны учитываться условия увеличения времени действия резервных защит в каскаде, вероятность их неселективного действия, а также возможные последствия.

4. При невозможности обеспечить дальнее резервирование при всех видах КЗ и при всех реальных режимах способами, приведенными в пп. 2, 3, для объектов, указанных в п. 1, предусматривать мероприятия по улучшению и повышению надежности ближнего резервирования при обязательном наличии УРОВ. В частности, предусматривать: раздельное выполнение основных и резервных защит; питание оперативным током от отдельных предохранителей или автоматических выключателей; раздельное по предохранителям (автоматическим выключателям) питание цепей защиты и управления выключателями; для особо ответственных распределительных устройств напряжением 330 кВ и выше, где отказ единственной защиты шин может привести к крайне тяжелым последствиям, дублирование быстродействующих защит шин.

Учитывая, что раздельное питание оперативным током через отдельные предохранители раздельно функционирующих защит улучшает их взаиморезервирование, в некоторых случаях ускоряет отключение КЗ, является простым и дешевым мероприятием, следует шире применять его и при достаточной эффективности дальнего резервирования.

5. При выполнении проектов релейной защиты электростанций, узловых подстанций и линий электропередачи в системообразующей сети и на межсистемных связях, в том числе проектов реконструкции релейной защиты, учитывать указания об уменьшении времени срабатывания устройств РЗиА. При проектировании и в процессе эксплуатации следует даже рассматривать вопросы об изменении первичной схемы сети для обеспечения дальнего резервирования релейной защиты.

6. Мероприятия, предусматриваемые данным разделом, для выполнения которых требуется дополнительная аппаратура и контрольный кабель, при отсутствии ресурсов в энергосистеме осуществлять по мере их получения.

До реализации намеченных мероприятий о наличии участков сети с недостаточно эффективным дальним резервированием следует специально указывать в действующих инструкциях для диспетчера и дежурных соответствующих ОЭС, энергосистем, электростанций и подстанций.

Об уменьшении времени срабатывания релейной защиты, устройств АПВ и автоматического включения резервного питания

Сборник директивных материалов Главтехуправления Минэнерго СССР (электротехническая часть)/Минэнерго СССР. — 3-е изд., перераб. и доп.—М.: Энергоатомиздат, 1985,— 304 с., ил.

Быстрейшее отключение элементов энергосистемы, повреждения которых сопровождаются глубоким понижением напряжения, является основным средством сохранения устойчивости параллельной работы электростанций и обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией большей части потребителей.

Однако в некоторых энергосистемах неправильно стремятся обеспечить полную селективность срабатывания релейной защиты устройств АПВ даже в ущерб основной задаче — быстрому отключению поврежденных элементов при глубоких понижениях напряжения.

С учетом изложенного предлагается:
1. Проводить мероприятия по снижению выдержек времени устройств релейной защиты, АПВ и АВР, необходимые и целесообразные для повышения надежности работы энергосистем. Ступени выдержки времени могут снижаться до 0,3 — 0,4 с путем:
а) учета фактического времени работы выключателей, особенно быстродействующих;
б) уменьшения разности ступеней выдержки времени до 0,1 с;
в) уменьшения выдержки времени для защиты II ступеней, отстраиваемых от быстродействующих защит, не имеющих элементов выдержки времени, что позволит вместо двойной ошибки реле времени учитывать только ошибку реле времени II ступени;
г) сокращения ошибок реле времени уменьшением пределов шкалы реле, для которых это конструктивно возможно, или заменой этих реле на реле с меньшими пределами шкалы;
д) выбора наименьшей уставки реле времени УРОВ с учетом реально возможных действий релейной защиты и выключателей элементов, отходящих от шин (например, при резервировании выключателей параллельных ВЛ на общих опорах возможен переход КЗ с одной BЛ на другую, поэтому учитывается время последовательного отключения обоих выключателей и время срабатывания УРОВ увеличивается).

2. При выводе из работы основной быстродействующей защиты присоединение защищать другой быстродействующей защитой в случаях применения подменных панелей РЗА.

3. В устройствах АВР, кроме пуска минимального напряжения с выдержкой времени для отстройки от отсечек на ответвлениях, предусматривать мгновенный пуск от блок-контактов тех выключателей, отключение которых снимает питание.

4. Допускать отстройку по времени устройства АПВ с проверкой синхронизма встречного напряжения только от вторых зон защиты, а в отдельных случаях — только от основных быстродействующих защит (при этом вследствие допущения отказа АПВ при действии резервных защит обеспечивается быстрое повторное включение в большей части случаев отключения линий).

Об автоматическом делении шин 110-220 кВ электростанций при наличии разземленных нейтралей трансформаторов блоков

Сборник распорядительных материалов по эксплуатации энергосистем (электротехническая часть)/РАО «ЕЭС России». — 5-е изд., перераб. и доп., 2000,— 120 с., ил.
[4.7]


В проектах предусматривается возможность действия резервных защит блоков генератор-трансформатор вначале на отключение шиносоединительных и секционных выключателей (ШСВ и СВ), а затем на отключение блоков (двухступенчатое действие). При этом возможны излишние отключения блоков и даже их повреждения в случаях действия указанных резервных защит при КЗ на землю.

При отделении системы шин, к которой присоединены поврежденный элемент и один блок с разземленной нейтралью трансформатора, этот блок может оказаться выделенным на участок сети с изолированной нейтралью и замыканием на землю одной фразы. Это недопустимо, так как приведет к повреждению изоляции нейтрали трансформатора блока и защищающего ее разрядника.

При отделении системы шин с поврежденным элементом и блоком с заземленной нейтралью обмоток трансформатора могут отключаться все блоки на других системах шин независимо от наличия или отсутствия заземления нейтрали. Это произойдет, если на всех блоках электростанции для их отключения при работе с разземленной нейтралью установлена резервная суммарная токовая защита нулевой последовательности. В этом случае ток нейтрали трансформатора блока, отделившегося вместе с поврежденным участком сети, будет протекать через токовые реле суммарной защиты всех остальных блоков.

При применении защиты напряжения нулевой последовательности вместо суммарной токовой излишних отключений блоков в указанном случае не произойдет.

Учитывая изложенное, предлагается:

1. Не допускать при делении шин резервными защитами отделения блоков с разземленными нейтралями трансформаторов от блоков с заземленными нейтралями во избежание выделения вместе с поврежденным элементом шин, к которым присоединен только один блок с разземленной нейтралью трансформатора.

Если при секционировании двух систем шин к каждой системе шин каждой секции подключено по одному блоку (всего четыре блока) и нейтрали двух из них разземлены, то при разделении шин резервными защитами они должны действовать на отключение только двух ШСВ или двух СВ, а два других выключателя, соединяющих шины с блоками, имеющими заземленную и разземленную нейтрали трансформаторов, должны остаться включенными.

При секционировании одной системы шин, если к каждой из трех систем шин подключено по одному блоку, разземлять нейтраль трансформатора можно только у одного блока, подключенного к одной из систем шин, соединенных через СВ; действие резервных защит на деление шин должно вызвать отключение только шиносоединительных выключателей.

Если к какой-либо системе шин присоединен блок с заземленной нейтралью трансформатора, то эта система шин может при действии резервных защит отделяться от других систем шин, на которых также имеются блоки с заземленной нейтралью, с помощью как ШСВ, так и СВ.

2. При использовании на блоках в случае разземления нейтрали трансформатора суммарной токовой защиты нулевой последовательности для предотвращения излишних отключений блоков необходимо разрешать действие указанной суммарной защиты на каждом блоке только при срабатывании сигнальной части токовой защиты обратной последовательности данного блока. При этом контакт сигнальной части защиты должен включаться в цепь обмотки реле времени суммарной токовой защиты.

При отсутствии свободных контактов в сигнальной части защиты необходимо установить дополнительное промежуточное реле.

3. При использовании на блоках ТЭС суммарной токовой защиты нулевой последовательности и наличии на этой ТЭС трансформаторов связи нейтрали последних должны быть заземлены.

Дифференциальные защиты шин, ошиновок, трансформаторов

В рамках техучебы для диспетчеров подготовил небольшую презентацию по теме дифференциальных защит шин и трансформаторов.
Смотреть презентацию: http://1drv.ms/18lVAM1
Скачать презентацию: https://yadi.sk/d/p1DzO0HOfEzu3

Эта презентация содержит обзорную информацию по устройствам дифференциальной защиты шин и ошиновок, трансформаторов и автотрансформаторов.
Включает логику работы устройств и порядок эксплуатации.

Усовершенствованный алгоритм отстройки от бросков тока намагничивания

В данной статье вы найдете ответы на следующие вопросы:
  • Каковы условия возникновения броска намагничивающего тока (БНТ) в силовых трансформаторах?
  • Почему способы блокировки при БНТ, работающие на основе оценки доли содержания второй гармоники в токе, оказываются малоэффективными в современных условиях?
  • Как обеспечить правильную идентификацию БНТ?

Перевод статьи Богдана Каштенни и Ары Кулиджан из компании «General Electric» (английский), перевод был опубликован в журнале Релейщик №1 за 2009 год.