На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2017     2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.11.2015 Исследование двухступенчатой токовой защиты линий электропередачи распределительных сетей

 

Исследование двухступенчатой токовой защиты линий электропередачи распределительных сетей

 

В Республике Беларусь для организации защиты линий электропередачи (ЛЭП) распределительных сетей с односторонним питанием от междуфазных коротких замыканий (КЗ) используются токовые защиты со ступенчатыми характеристиками выдержек времени. Традиционно у таких защит три ступени, а в некоторых случаях – четыре.

 

В статье рассмотрено исследование с помощью вычислительного эксперимента различных вариантов исполнения токовых защит линий электропередачи распределительных сетей. В качестве базового варианта для сравнения автором предложена трехступенчатая токовая защита. Альтернативными вариантами стали односистемная токовая защита с комбинированной характеристикой и двухступенчатая токовая защита, не использовавшиеся ранее на реальных объектах электроэнергетики. При сравнении различных вариантов исполнения токовых защит линий электропередачи оценивались параметры их технического совершенства, такие как селективность действия для всех ступеней, быстродействие и защищаемая зона для быстродействующих ступеней и чувствительность для медленнодействующих ступеней.

В процессе исследования выявлено, что у токовой защиты с комбинированной характеристикой выдержки времени и двухступенчатой токовой защитой имеются одинаковые показатели технического совершенства, а также то, что указанные варианты исполнения токовых защит линий электропередачи обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными трехступенчатыми токовыми защитами. В то же время отмечено, что двухступенчатая токовая защита обеспечивает полноценное ближнее резервирование и имеет более простой алгоритм работы по сравнению с токовой защитой с комбинированной характеристикой выдержки времени.

Полученные результаты исследования показали, что двухступенчатая токовая защита с зависимой характеристикой выдержки времени правильно функционирует в режимах как внутренних, так и внешних КЗ, в том числе с учетом влияния переходного сопротивления в месте короткого замыкания, а также обеспечивает селективное действие всех ступеней.

 

The article deals with the research of computational experiment with different options of the current relay protection of power lines in distribution network. The author proposed a three-stage overcurrent protection as a base case for comparison. Single-system overcurrent relay protection with dependent time characteristic and overcurrent relay protection with two stages have been chosen as the alternative options. Parameters of their technical excellence, such as the selectivity of the operation for all stages, performance and protected area of high-speed stages and sensitivity for slow-speed stages, were evaluated during comparison of the different options of the current relay protection of power lines.

The research revealed that the overcurrent relay protection with a combined time characteristic and a two-stage overcurrent relay protection have the same indicators of technical excellence, as well, that these embodiments of the current relay protection of power lines have a number of advantages over the traditional three-stage overcurrent relay protection. At the same time it was noted that the two-stage overcurrent protection provides full redundancy and has a simple operational algorithm in comparison with overcurrent relay protection with a combined time characteristic.

The results of the research have shown that the two-stage overcurrent relay protection with dependent time characteristic functions correctly in the both modes of internal and external faults, including taking into account the impact of the transition resistance in a short circuit and it provides a selective operation for all stages.

 

Первая ступень токовой защиты A1 – мгновенная токовая отсечка (ТО), обеспечивающая отключение КЗ на участках ЛЭП L1 с небольшой выдержкой времени tIСЗ1, представляющей ее собственное время действия. Вторая ступень – токовая отсечка с выдержкой времени (ТОВ), имеющая время действия tIIСЗ1, обычно одинаковое для защит всех ЛЭП в защищаемой распределительной электрической сети. Третья ступень – максимальная токовая защита (МТЗ), которая имеет наибольшую выдержку времени tIIIСЗ1, выбираемую по ступенчатому принципу тем большей, чем ближе расположена защита к источнику питания [6–8, 10].

Из-за особенностей выбора уставок по ступенчатому принципу третьих ступеней они имеют существенные выдержки времени, достигающие нескольких секунд. Еще одним минусом традиционных токовых защит со ступенчатыми характеристиками срабатывания является их недостаточная чувствительность в некоторых режимах работы энергосистемы.

Различными исследователями показаны способы снижения влияния указанных недостатков, предложены новые алгоритмы работы токовых защит ЛЭП распределительных сетей [1, 3–4]. Однако предложенные варианты защит существенно усложняли устройства релейной защиты для одного из самых распространенных элементов распределительной сети – линий электропередачи.

Данные недостатки не являются характерными для более простой, по сравнению с упоминаемыми ранее, двухступенчатой токовой защиты с зависимой характеристикой выдержки времени. Принцип работы такой защиты основан на использовании информации о виде и месте повреждения.

Инструментарий исследования

При сравнении традиционной трехступенчатой токовой защиты, защиты с комбинированной характеристикой и двухступенчатой токовой защиты оценивались параметры технического совершенства защит, такие как селективность действия для всех ступеней, быстродействие и защищаемая зона для быстродействующих ступеней и чувствительность для медленнодействующих ступеней.

Для исследования работоспособности и эффективности токовых защит на стадии их разработки наиболее целесообразен метод вычислительного эксперимента. Он базируется на программно-вычислительном комплексе, воспроизводящем математическую модель узла распределительной электрической сети, в которую включены защищаемая и резервируемая ЛЭП, а также математическую модель токовой защиты [2].

Программа математической модели защиты обеспечивает воспроизведение ее функционирования в режиме работы ЛЭП. Она включает программы воспроизведения моделей аналоговой части (АЧ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифровой части (ЦЧ) защиты. В основе указанного воспроизведения лежит асинхронный принцип моделирования. Он предполагает моделирование на интервале дискретизации контролируемых токов вначале АЧ при постоянстве воздействия ЦЧ, а затем наоборот.

Полученные в процессе воспроизведения модели защиты величины записываются в отдельный файл результатов расчета. По этим величинам определяются показатели технического совершенства токовой защиты и оценивается ее поведение в различных режимах работы ЛЭП.

Предварительное исследование трех вариантов исполнения токовых защит

Расчеты выполнялись при работе ЛЭП L1 и L2 (рис. 1) на холостом ходу, а также при максимально допустимом рабочем токе для данных ЛЭП. В качестве базового варианта для сравнения использовалась трехступенчатая токовая защита указанных ЛЭП, построенная по традиционному принципу. В качестве альтернативных вариантов – двухступенчатая токовая защита и односистемная токовая защита с комбинированной характеристикой, не использовавшиеся ранее на реальных объектах электроэнергетики [5, 9].

 

 

На рис. 2 показаны зоны действия первой ступени при двухфазном и трехфазном КЗ для различных вариантов токовой защиты ЛЭП.

 

 

Для базового варианта при трехфазных КЗ зона мгновенного отключения составляет lImax = 0,76, а при двухфазных – lImin = 0,63. Зависимость указанной зоны от вида повреждения является одним из недостатков указанной защиты.

Следует отметить, что третьи ступени базового варианта токовой защиты зачастую имеют и недостаточную чувствительность K(2)ч рез < 1,2 к двухфазным КЗ в зоне дальнего резервирования. При этом указанные ступени могут иметь недопустимо большие выдержки времени.

Для варианта с комбинированной характеристикой, как и для варианта с двухступенчатой токовой защитой, при трехфазных и двухфазных КЗ зона мгновенного отключения находится в диапазоне 0,97–0,972, то есть практически не зависит от вида повреждения, что является несомненным достоинством защиты.

Чувствительность рассматриваемых вариантов защиты к различным видам повреждений для основной зоны и зоны дальнего резервирования находится в допустимых пределах.

На рис. 3 приведены характеристики выдержки времени для токовой защиты с комбинированной характеристикой и двухступенчатой токовой защиты. Из рис. 3 следует, что время срабатывания в независимой части характеристики tсзн для защиты с комбинированной характеристикой и первой ступени защиты tсраб1 двухступенчатой токовой защитой составляет 0,032 с.

 

 

При ступени селективности Dt = 0,3 с повреждения в конце ЛЭП L1 будут отключаться защитами, выполненными по обоим вариантам, с выдержкой времени 0,332 с независимо от вида КЗ, а в конце L2 – со временем 0,632 с. При правильном согласовании выдержек времени это будет соблюдаться для защит всех ЛЭП рассматриваемой распределительной электрической сети.

Сравнительная оценка вариантов исполнения токовой защиты ЛЭП

Исходя из вышеизложенного, токовая защита с комбинированной характеристикой выдержки времени и двухступенчатая токовая защиты имеют одинаковые показатели технического совершенства.

По сравнению с базовым вариантом токовой защиты они обладают следующими основными преимуществами:

• фиксированная зона мгновенного отключения, не зависящая от вида повреждения и составляющая 0,9–0,97 длины ЛЭП;

• в 1,2 раза большая зона мгновенного отключения трехфазных КЗ и в 1,46 раза – двухфазных КЗ;

• повышение в 2,5 раза и более чувствительности к несимметричным повреждениям для основной зоны и зоны дальнего резервирования;

• более высокое быстродействие ступеней, работающих с выдержкой времени, которая находится на уровне Dt для защищаемой ЛЭП и 2Dt для смежных ЛЭП.

Токовая защита с комбинированной характеристикой выдержки времени в сравнении с двухступенчатой токовой защитой имеет только один измерительный орган, что является ее достоинством. Вместе с тем алгоритм его функционирования более сложный, особенно в области перехода от независимой к зависимой части характеристики. Кроме того, защита такого исполнения не обеспечивает ближнее резервирование.

В силу отмеченного более предпочтительной для дальнейшего исследования представляется двухступенчатая токовая защита.

Углубленное исследование двухступенчатой токовой защиты

Такие показатели технического совершенства токовой защиты, как селективность действия и быстродействие ступеней, определяются на основе анализа их поведения в переходных и установившихся режимах различных видов КЗ. С этой целью методом вычислительного эксперимента выполнено исследование функционирования двухступенчатой токовой защиты А1 при КЗ в соответствующих точках (K1 – K4) распределительной электрической сети, представленной на рис. 4.

 

 

Расчеты выполнялись при металлическом трехфазном и двухфазном КЗ, а также повреждениях через переходное сопротивление в точках К1 и К2 на защищаемой ЛЭП L1. При этом точка К1 расположена на расстоянии не более 0,1lL1 от места установки защиты, а К2 – в конце зоны мгновенного отключения ее первой ступени.

Расчеты также производились при КЗ в точках К3 и К4 на смежной ЛЭП L2. Точка К3 расположена в начале ЛЭП L2, а К4 – в конце.

Наиболее опасными являются короткие замыкания в начале ЛЭП L1 в точке К1. При этом первичные токи имеют наибольшие значения. В результате их действия трансформаторы тока (ТТ) обычно переходят в режим насыщения и имеют большие погрешности. При наличии в точке максимальной апериодической составляющей может наступить режим глубокого насыщения ТТ. Это является причиной искажения формы вторичных токов и уменьшения их величин. На представленных рис. 5 и 6 эти искажения выражены неявно, поскольку вторичные токи показаны в том виде, как они воспринимаются защитой с учетом дискретного характера измерения отсчетов их мгновенных значений.

 

 

 

 

По мере затухания переходного процесса погрешности ТТ снижаются, а токи поврежденных фаз возрастают. В результате аналоговой и цифровой фильтраций формы токов синусной и косинусной составляющих приближаются к синусоидальной, а их значения возрастают медленней, чем вторичных токов фаз. Это объясняется имеющей место инерционностью аналоговой и цифровой фильтраций.

Отличительным для режима двухфазного КЗ в начале защищаемой ЛЭП (рис. 6) является то, что токи поврежденных фаз равны по величине и сдвинуты по фазе на угол p. Это обусловливает различия во временных диаграммах соответствующих токов для режимов трехфазного и двухфазного КЗ, но не влияет на значение Imax, на величину которого реагируют ступени защиты.

Следует также отметить, что в переходных режимах КЗ, когда ТТ работают с глубоким насыщением или близким к нему, вторичные токи фаз сильно искажены и существенно отличаются от синусоидальной формы. Определение по мгновенным отсчетам указанных токов величины Imax даже при наличии аналоговой и цифровой фильтраций сопровождается единичными выбросами получаемых значений. Это может приводить к излишнему срабатыванию измерительного органа второй ступени, который выполняет функцию пускового органа всей защиты.

С целью предотвращения необоснованных пусков защиты в работе измерительного органа второй ступени создается замедление, составляющее 1–1,5 периода частоты 50 Гц. Действие указанного органа разрешается, если на интервале замедления условие его срабатывания выполняется не менее трех раз подряд.

С учетом отмеченного металлические как трехфазные, так и двухфазные КЗ в начале ЛЭП в точке К1 отключаются первой ступенью защиты (SR1 = 1) с выдержкой времени tсраб защ1 = 0,0323 с. В случае отказа первой ступени отключение указанных повреждений осуществляется второй ступенью защиты (SR2 = 1) с временем действия tсраб защ2 =

= 0,067 с. После отключения КЗ в точке К1 первая и вторая ступени защиты возвращаются в исходное состояние.

Анализ аналогичных диаграмм при различных видах КЗ в конце зоны мгновенного отключения первой ступени защищаемой ЛЭП (точка K2) и после их отключения позволяет сделать вывод об устойчивом срабатывании первой ступени защиты как при симметричных, так и при несимметричных КЗ с временем действия tсраб защ1 = 0,0323 с. В случае отказа первой ступени указанные повреждения отключаются второй ступенью защиты с выдержкой времени tсраб защ2 = 0,282 с при ступени селективности ∆t = 0,3 с. После отключения рассматриваемых видов повреждений первая и вторая ступени защиты возвращаются в исходное состояние.

Рассмотрены также зависимости, аналогичные показанным на рис. 5–6, соответственно для режимов трехфазного и двухфазного КЗ при повреждениях в начале (точка К3) и в конце (точка К4) смежной ЛЭП L2, а также после их отключения. Их анализ показывает, что повреждения на смежной ЛЭП L2 не вводят ТТ защищаемой ЛЭП L1 в режимы глубоких насыщений. Благодаря этому вторичные токи поврежденных фаз и их ортогональные составляющие возрастают быстрее, чем при КЗ на защищаемой ЛЭП.

При всех видах повреждений, как в начале, так и в конце смежной ЛЭП L2, первая ступень защиты не срабатывает. Выдержка времени второй ступени защиты как при трехфазных, так и при двухфазных КЗ в точке К3 составляет порядка 0,33 с. При этом трехфазные повреждения в точке К4 отключаются с выдержкой времени tсраб защ2 = 0,621 с, а двухфазные – tсраб защ2 = 0,616 с. Имеющие место различия во времени срабатывания второй ступени защиты объясняются погрешностями определения местоположения точки повреждения при различных видах КЗ. После отключения КЗ на смежной ЛЭП L2 при всех видах повреждений вторая ступень защиты возвращается в исходное состояние.

Анализ временных диаграмм, аналогичных представленным на рис. 5–6, для трехфазного и двухфазного КЗ через переходное сопротивление при повреждениях в точке К2 на защищаемой ЛЭП L1 и точке К4 на смежной ЛЭП, а также после их отключения показывает, что переходное сопротивление снижает уровни токов повреждения, а степень этого снижения определяется величиной указанного сопротивления. Если переходное сопротивление не выходит за пределы допустимых значений, то обеспечивается устойчивое срабатывание первой ступени защиты как при трехфазных, так и при двухфазных КЗ в точке К2 на ЛЭП L1 со временем действия tсраб защ1 = 0,0323 с. При отказе первой ступени указанные повреждения отключаются второй ступенью защиты с выдержкой времени tсраб защ2 = 0,3 с.

В процессе проведения исследований установлено, что КЗ на защищаемой ЛЭП L1 с переходным сопротивлением 10 Ом и более не могут быть отключены первой ступенью защиты. Вместе с тем они надежно отключаются второй ступенью.

При всех видах КЗ через переходное сопротивление в точке К4 на смежной ЛЭП L2 первая ступень защиты не срабатывает. Указанные повреждения отключаются второй ступенью с выдержкой времени 0,63–0,64 с.

Следует отметить, что КЗ через переходное сопротивление, измеряемое 50–70 Ом и более, второй ступенью воспринимается как повреждения за пределами зоны дальнего резервирования и команда на отключение выключателей ЛЭП не вырабатывается.

Результаты выполненных исследований дают основания утверждать о селективном действии всех ступеней защиты в режимах как внутренних, так и внешних КЗ.

 

Михаил ШЕВАЛДИН,
магистр технических наук, аспирант БНТУ, начальник отдела релейной защиты и автоматики ГПО «Белэнерго»

 

(Статья поступила в редакцию 11.11.2015 г.)

 

ВЫВОДЫ

 

1. Токовая защита с комбинированной характеристикой выдержки времени и двухступенчатая токовая защита имеют одинаковые показатели технического совершенства и обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными трехступенчатыми токовыми защитами ЛЭП.

2. Двухступенчатая токовая защита обеспечивает ближнее резервирование и имеет более простой алгоритм работы по сравнению с токовой защитой с комбинированной характеристикой выдержки времени.

3. Двухступенчатая токовая защита с зависимой характеристикой выдержки времени правильно функционирует в режимах как внутренних, так и внешних КЗ, а также обеспечивает селективное действие всех ступеней.

4. Первая ступень защиты имеет быстродействие порядка 0,032 с при всех видах КЗ. Быстродействие второй ступени при повреждениях в конце зоны дальнего резервирования при ∆t = 0,3 с составляет 0,64 с.

5. Переходные сопротивления при всех видах КЗ не оказывают существенного влияния на селективность и быстродействие ступеней защиты.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Булойчик Е. В. Исследование микропроцессорной токовой защиты линий с улучшенными показателями технического совершенства // Наука и техника. – 2014. – № 3.

2. Романюк Ф. А. Информационное обеспечение микропроцессорных защит электроустановок: учеб. пособие. – Минск: УП «Технопринт», 2001. – 133 с.

3. Романюк Ф. А. и др. Исследование адаптивной микропроцессорной токовой защиты линий 6–35 кВ // Вестник Белорусского национального технического университета. – 2007. – № 4.

4. Романюк Ф. А. и др. О выборе характеристик срабатывания токовых защит линий в распределительных сетях с односторонним питанием // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2008. – № 6.

5. Романюк Ф. А., Шевалдин М. А. Принципы выполнения токовой защиты линий с односторонним питанием от междуфазных коротких замыканий // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2015. – № 1.

6. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 520 с.

7. Чернобровов Н. В., Семенов В. А. Релейная защита энергетических систем. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 798 с.

8. Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей: монография. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: ПЭИПК, 2003. – 350 с.

9. Шевалдин М. А. Пути совершенствования токовых защит линий с односторонним питанием в распределительных сетях // Энергетическая стратегия. – 2015. – № 3.

10. Шнеерсон Э. М. Цифровая релейная защита. – М.: Энергоатомиздат, 2007. – 549 с.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком