Разработка дистанционных защит от коротких замыканий на землю на микропроцессорной базе применительно к сетям НР Болгарии

ВЛ. Постановка задачи.

Быстрый рост электропотребления в Народной Республике Болгарии (НРБ) в последние годы, строительство новых электростанций и линии электропередач (ЛЭП), а также общий рост мощностей энергосистемы определяют необходимость повышения технического совершенства и надежности релейной защиты ее сетей высокого напряжения.

В свете этого необходимо рассмотрение вопросов совершенствования защит находящихся на воздушных линиях НРБ, выполняемых в основном со ступенчатыми характеристиками вццержки времени: особое внимание заслуживают вопросы улучшения защит от коротких замыканиях на землю, являющимися основным видом повреждений в сетях высокого напряжения (110−220 кВ) работающих с глухозазем-ленными нейтралями.

Воздушные ЛЭП 110−220 кВ, энергетической системы НРБ выполняют функции как передачи (в основном ЛЭП 220 кВ) так и распределения электрической энергии. Линии 220 кВ часто выполняются двухцепными на одной опоре, а линии, НО кВ работают в сетях иногда имеющих сложную конфигурацию, несколько источников питания. Возможно резкое изменение режимов работы энергосистемы и ее электрических сетей 110−220 кВ.

На отмеченных линиях применены тросызначение переходного сопротивления (£п) в месте к.з. на землю, происходящего у опоры, определяется в основном сопротивлением заземления опор. Ряд ЛЭП проходит полностью или частично через горные местности, в которых осуществление заземления опор вызывает затруднение.

Указанные особенности электрических сетей НРБ усложняют требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты от к.з. на землю, как одному из важнейших средств обеспечения надежной безаварийной работы энергосистемы.

Для выполнения защит на рассматриваемых НЭП применены дистанционные защиты (ДЗ) от всех видов к.з. В некоторых случаях дополнительно используются токовые направленные защиты нулевой последовательности для защиты от однофазных (К^) и двухфазных (К*1'1*) к.з. на землю.

С точки зрения быстроты действия ДЗ, как защиты с относительной селективностью могут обеспечивать быстрое отключение поврежденной ЛЭП с обеих сторон при к.з., расположенных в пределах только 60−70 $ длины защищаемой линии. Поэтому предусматривается охват первой ступенью ДЗ с небольшим запасом всей длины защищаемой линии. Для устранения последствий излишнего срабатывания защиты при к.з. в начале сменных элементов используются устройства АПВ. Такое решение на параллельных линиях допустимо в случаях, когда используется токовая поперечная направленная защита нулевой последовательности [ЛЛЛ .

Как выше отмечено для защиты ЛЭП, от всех видов к.з., использованы ступенчатые дистанционные защиты заводов ЕАи7″ (ГДР) типов: К ВНО, предназначена для ЛЭП, НО кВ, которая имеет односиетемное исполнениезащита -310 для ЛЭП 220 кВ — трех-системное исполнение [Л.2]. Эти защиты имеют одинаковое выполнение: пусковые, органы, орган блокировки при качаниях, орган направления мощности и измерительный (дистанционный) орган.

В комплекте защиты ЯП -310 имеется еще устройство для компенсации взаимной индукции.

Измерительные органы, обеих защит, имеют нормально три ступени, переключение которых производится контактными реле времени.

В случае работы защиты совместно с АПВ, охватывающей первой ступенью всю длину участка, используется также четвертая ступень, установка сопротивления срабатывания которой находится между второй и первой, а время срабатывания минимально, как и для первой ступени.

Пусковые органы защиты представляют три токовых фазных реле и одно реле в нулевом проводе. Они обычно не удовлетворяют требованиям чувствительности и поэтому ДЗ работает с дополнительным пусковым органом. Он представляет три реле смешанного сопротивления. Пусковой орган защиты ТО-ЗЮ состоит из трек фазных элементов, каждый из которых содержит два реле смешанного сопротивления, включенных на фазный ток и фазное или междуфазное напряжение и реле тока нулевой последовательности с стабилизацией от фазного тока. Необходимо отметить, что пусковые органы в ряде случаев не обеспечивают необходимой чувствительности, поэтому в последние годы к этим защитам добавляются пусковые органы с четырехугольной характеристикой.

Орган блокировки при качаниях использует следующие критерии отличия режима качаний от коротких замыканий: наличие токов в трех фазах, отсутствие тока нулевой последовательности и более плавное сравнительно с режимом короткого замыкания изменение сопротивления на зажимах измерительного органа. При наличии этих условий, блокировка выводит из действия быстродействующую ступень защиты. Этот принцип имеет существенный недостаток, заключающийся в непредотвращении излишнего срабатывания защиты при внешних к.з., сопровождающихся развивающимися качаниями.

Орган направления мощности у обеих защит выполнен на принципе сравнения абсолютных значений выпрямленных величин. Он с нормально замкнутым контактом и разрешает срабатывание измерительного органа. Это решение не является целесообразным, ухудшает работу защиты при к.з. «за спиной» и может вызывать затруднения в согласовании по чувствительности реле сопротивления и реле направления мощности.

Защиты используют в качестве измерительного органа однофазное ненаправленное реле сопротивления, общее для междуфазных: к.з. и к.з. на землю (К^ и К^'^Ь. Для первых, как входные используются междуфазные напряжения и разности токов поврежденных фаз, а для вторых — фазное напряжение и фазный ток компенсированной с током нулевой последовательности.

Использование общего ИО для всех видов к.з. имеет недостатки с точки зрения снижения чувствительности защиты при многофазных к.з. Последнее имеет место в связи с необходимостью учитывать при выборе параметров срабатывания неблагоприятное влияние величин нулевой последовательности (например, при учетах различных режимов параллельных линий). Измерительный орган при двухфазных замыканиях на землю целесообразнее работать как при междуфазных к.з., поскольку при этом исключается влияния сопротивления заземления опор. Такое решение принято и в Советском Союзе, где ДЗ предлагается в виде двух отдельных комплектов — от всех многофазных к.з. и от однофазных к.з. на землю. В этом случае действие защиты при К (1Л) — являющимся достаточно вероятным и наиболее теэ! седмм из несимметричных к.з., возложена на первый комплект. Это создает возможность исключить неблагоприятное влияние токов нулевой последовательности и общего переходного сопротивления не только на параметры срабатывания защиты, но и на ее чувствительности.

Реле сопротивления (ЙО) реализовано на принципе сравнения абсолютных значений величин и срабатывает при /и^.Гр I -" ¦ • * / * • - Мг Ур — ¿-э 1р I? 0. Здесь I р и 1/р — токи и напряжения подведены к схеме формирования сравниваемых (по амплитуде) электрических величин. Таким образом характеристика реле оказывается смещенной вдоль оси действительных величин для охвата, при к.з. в конце зоны переходных соцротивлений с величиной до 60% сопротивления уставки. Реле с такой характеристикой не является целесообразным для выполнения ДЗ на линиях с двухсторонним питанием [Л.З]. Следует учитывать возможностью подверженность защиты излишнему срабатыванию при внешнем замыкании на землю через переходное сопротивление при наличии сдвига по фазе э.д.с. питающих систем.

В защите 310, для обеспечения правильного определения места к.з. на землю, при ее работе на линиях с взаимной индукцией, применена дополнительная компенсация током нулевой последовательности соседней цепи. Применение компенсации взаимоиндукции принципиально позволяет повысить чувствительность защиты при параллельной работе линии, но не является эффективным и универсальным мероприятием ГЛ.4 ]. Компенсация не может уменьшить влияние взаимоиндукции, например в режимах, когда одна из цепей отключена и заземлена с обеих сторон. Она приводит к снижению чувствительности и селективности защиты при разном направлении токов нулевой последовательности в обеих линиях.

Изложенное выше подчеркивает актуальность и необходимость улучшения защиты ЛЭП от к.з. на землю. С учетом развития системы НРБ и усложнения требовании к защите необходимо рассмотрение вопроса о применении других более совершенных дистанционных защит от однофазных к.з.

Ниже рассматриваются более совершенные принципы И0 для ДЗЗ ивозможности их реализации на новой элементной базе, используя микропроцессорные средства, а также мероприятия по более эффективному использованию токовой направленной защиты нулевой последовательности.

В.2. Краткое содержание работы.

Существующие И0 сопротивления применяемых в ДЗ линиях Болгарии имеют существенные недостатки, с точки зрения, их правильное функционирование на линиях с двухсторонним литдаием при КЗ на землю через большое переходное сопротивление. Поэтому рассмотрены лучшие из существующих в мире, в том числе и предложенных в последние годы в Советском Союзе, принципы И0 сопротивления для КЗ на землю. В первой главе сделана их классификация, анализ и выбор целесообразного принципа И0 сопротивления, обладающий эффективностью функционирования при КЗ на землю. Цель анализа являлась и возможностью перехода на принципиально новую элементную базу — микропроцессорные системы (МПС).

Во второй главе рассматривается вопрос о более полном исключении влияния переходного сопротивления в месте КЗ на землю на И0 сопротивления. Показана методика выбора оптимального настроечного параметра с точки зрения, улучшения качества алгоритма И0 сопротивления, определяющий реактивное сопротивление до места КЗ на землю. Сделана оценка поведения этого алгоритма при двухфазных КЗ на землю через переходное сопротивление. Целями анализа являлись нахождение возможности улучшения качества алгоритма и проверка его поведения при К^'-^.

В третьей главе рассматриваются варианты выполнения ИО сопротивления на МПС. В частности показана реализация пофазного и многофазного ИО сопротивления. Отмечено, что для рассматриваемых вариантов, целесообразнее использовать интегральные значения входных величин. Отмечена влияние апериодической слагающей тока на их формировании.

Результатом анализа являлись обоснованные возможности реализации ИО сопротивления на МПС.

Сеть 220 В системы НР Болгарии характеризуется наличием ответственных двухцепных ЛЭП. Они защищаются дистанционными защитами, тогда возникает необходимость учитывания влияния взаимоиндукции между параллельными цепями в схеме замещения нулевой последовательности при КЗ на землю.

В четвертой главе рассматривается этот вопрос и даются некоторые рекомендации по реализации защит в различных режимах работы обеих цепей. В этой главе рассматриваются вопросы принципов реализации устройства блокировки при качаниях (УШ) и дается целесообразный принцип выполнения его пускового органа блокировки (ПОБ) с применением полных аварийных слагающих фазных величин.

Предложенные мероприятия, применены к защитам ЛЭП повысят ее эффективность функционирования.

В конце даны общие выводы по всей диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основании проведенного анализа установленных в сетях 110−220 кВ НР Болгарии ДЗ выявлено, что они, с точки зрения современного состояния техники релейной защиты, обладают рядом существенных недостатков.

2. Рассмотрены и оценены измерительные органы (ИО) сопротивления, как имеющиеся в существующих защитах, так и лучшие из вариантов, предложенных в последние годы в разных странах, в том числе и в Советском Союзе для дистанционных защит от к.з. на землю. На основании этого сделана классификация принципов и сформулированы общие требования к ИО сопротивления от однофазных к.з. на землю.

С учетом выполнения этого органа на микропроцессорных системах, в частности, необходимо выбрать алгоритм реализации ИО сопротивления таким образом, чтобы:

— обеспечивалось его функционирование в условиях первичного электромагнитного переходного процесса;

— более полно исключалось влияние на его работу переходного сопротивления при однофазных к.з. на землю.

3. В результате анализа существующих принципов для осуществления ИО сопротивления в работе получена сравнительная характеристика этих принципов по: эффективности функционирования, с точки зрения чувствительности и возможности более полного исключения влияния переходного сопротивления при однофазных к.з. на землю на его работу, целесообразности реализации на новой микропроцессорной элементной базе этих принципов.

4. Предлагается для реализации на МП системах пофазный измерительный орган, определяющий реактивное сопротивление прямой последовательности до места повреждения на линиях 220 кВ, где имеются избиратели поврежденной фазы для однофазного повторного ЖВ. Алгоритм реализации этого ИО более полно (из существующих) исключает влияния переходного сопротивления и его реализация на МП системах является целесообразной.

5. Сделан вывод о целесообразности использования многофазного ИО сопротивления от однофазных замыканий на землю для защиты линии, НО кВ. Основные из его преимуществ заключаются в простоте чувствительности к переходному сопротивлению (при малых углах между э.д.с. питающих систем) и меньшей возможности излишнего его срабатывания при внешних замыканиях на землю через переходное сопротивление в режимах, характеризующихся расхождением э.д.с. по фазе (т.е. при качаниях).

6. В диссертации показан способ более полного исключения влияния переходного сопротивления на работу пофазного измерительного органа сопротивления при изменении параметров нулевой последовательности двух эквивалентных систем в заранее известных границах и изменении остальных влияющих факторов (нагрузки, переходное сопротивление) в довольно широких границах.

7. Проанализирован вопрос поведения пофазного ИО сопротивления при двухфазных к.з. на землю. Сделан вывод о необходимости выведения из действия этого ИО сопротивления при двухфазных к.з. на землю. Для этого выведения из действия целесообразно использовать избиратели поврежденных фаз для пофазного АПВ в сетях 220 кВ.

8. Рассмотрены варианты использования входных величин с учетом их реализации на цифровой микропроцессорной базе. Показано, что ИО сопротивления можно реализовать на этой элементной базе, так, чтобы совмещать функции фильтрации и определения ортогональных слагающих входных величин.

9. Показано, что для получения ортогональных слагающих входных величин целесообразно использование алгоритмов фильтрации, которые основаны на расчете текущей спектральной плотности на промышленной частоте.

10. Разработан алгоритм и предложена программа реализации пофаз-ного ИО сопротивления на МП системах (микро-ЭВМ) для дистанционной защиты от однофазных к.з. на землю.

11. В результате анализа поведения ДЗ, применяемых в сетях 220 бВ системы НР Болгарии, с учетом влияния взаимоиндукции в схеме замещения нулевой последовательности на их работу, необходимо подчеркнуть, что использование компенсации влияния взаимоиндукции током второй цепи является нецелесообразным. Предлагается в режиме работы двух цепей использовать поперечные токовые направленные защиты нулевой последовательности в сочетании с дистанционными защитами. При этом уставки дистанционных защит рекомендуется выбирать по режиму работы на одиночной цепи. В самом тяжелом режиме — одна цепь в работе, а вторая отключена и заземлена с двух сторон, рекомендуется использовать одно из двух рассмотренных мероприятий (автоматическое переключение коэффициента компенсации либо использование дополнительной компенсации током заземления второй цепи). В нормальном режиме обеих цепей возможное увеличение времени срабатывания дистанционной защиты будет компенсироваться работающей без выдержки времени (в каскаде) поперечной токовой направленной защиты нулевой последовательности.

Указанные мероприятия повышают чувствительность защит, обеспечивают быстрое отключение к.з. на землю, а также увеличивают эффективность используемых в НР Болгарии защит.

12. Показано, что используемые в сетях НР Болгарии блокировки ДЗ при качаниях могут не предотвращать их неправильного срабатывания при внешних несимметричных КЗ, сопровождающихся развивающимися до отключения повреждения качаниями.

Рекомендуется использовать более совершенные УБК, разработанные в последние годы в СССР, в которых защита выводится из действия на заданное время. Пусковые органы УБК предлагается осуществлять с использованием полных аварийных слагающих тока, что обеспечивает более высокую чувствительность (по сравнению с ранее применяемыми) ПО и более простое выполнение УБК на микропроцессорной элементной базе. Действие таких ПО обеспечивается при возникновении любых КЗ, в том числе и полностью симметричных трехфазных КЗ.

13. Целесообразно постепенно реконструировать существующие в НР Болгарии дистанционные защиты на базе предложений, сделанных в диссертации, а на вновь вводимых линиях предусматривать более совершенные выполнения.