Повышение стабильности зоны действия дистанционной защиты линий электропередачи с промежуточными присоединениями

Актуальность темы

* В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года», принятых ХХУ1 съездом КПСС,' предусмотрено продолжение работы по повышению надежности и качества электроснабжения народного хозяйства, совершенствованию систем сбора, передачи и обработки информации. Решение поставленных задач связано с развитием автоматики энергосистем.

Релейная защита, являющаяся одним из видов автоматики энергосистем, обеспечивает бесперебойность работы электроэнергетических установок за счет автоматического отключения поврежденного элемента [ I ] • По мере развития электрических систем к релейной защите пред" являются все возрастающие требования к обеспечению селективности, быстродействия, чувствительности и надежности. Для защиты линий электропередач во многих отношениях этим требованиям отвечает дистанционная защита, требующая, кроме того, сравнительно низких капитальных затрат.

Выполнение релейной защитой заданных функций в значительной степени определяется техническим совершенством измерительной части защиты, являющейся наиболее важной и ответственной частью защиты и предназначенной для «восприятия и переработки программной и рабочей информации о состоянии процесса производства и формирования сигналов, необходимых для формирования управляющих воздействий или отображения информации» [ 2 ] .

Среди широкого класса задач, выполняемых с помощью дистанционной защиты, можно выделить задачи, решение которых пред" являет повышенные требования к измерительной части защиты.

Например, дальнее резервирование является одним из способов повышения надежности функционирования релейной защиты наряду с ближним резервированием, причем дистанционная защита является наиболее эффективным средством обеспечения дальнего резервирования.

Кроме того, развитие энергосистем связано не только с ростом мощностей, но и с усложнением структуры, следовательно, увеличением числа линий с ответвлениями, для защиты которых может быть использована дистанционная защита.

Наиболее общим признаком для приведенных. защищаемых об" ек-тов является наличие промежуточных присоединений внутри требуемой зоны действия защиты. Как показывает анализ опубликованной литературы по этому вопросу, существующие разработки далеко не полностью удовлетворяют требованиям, пред" являемым в указанных случаях к измерительным органам (ИО) защиты. В существующих устройствах влияние режима нагрузки на зону действия защиты не позволяет во всех случаях обеспечить селективность и необходимый уровень чувствительности.

Эффективным средством отстройки РЗА от влияния режима нагрузки является выполнение измерительной части устройства как адаптивной самонастраивающейся системы на основе уточненной математической модели защищаемого об" екта. Однако вопросы, связанные с исследованием и разработкой адаптивных измерительных органов дистанционных защит линий с промежуточными присоединениями недостаточно освещены в опубликованной литературе и требуют дальнейшей разработки. Актуальность указанной задачи подтвервдается тем, что аналогичные вопросы возникают при исследовании и разработке ИО устройств противоаварийной автоматики, например АПАХ. Следовательно, полученные результаты с успехом могут быть использованы для противоаварийной автоматики.

Создание измерительных органов защит с лучшими по сравнению с существующими ЙО техническими характеристиками, удовлетворяющими предъявляемым требованиям, связано с усложнением алгоритма функционирования, поэтому актуальной задачей является разработка алгоритма функционирования, обеспечивающего не только селективность и высокую чувствительность защиты, но также простоту реализации, следовательно, надежность устройства".

Техническое решение поставленной задачи возможно при использовании современной элементной базы, методов и средств аналоговой и цифровой вычислительной техники.

Тема работы является составной частью исследований, проводимых в Омском политехническом институте в соответствии с программой «Энергетическое оборудование и энергосистемы» -" Энергетика" Головного совета по энергетике на 1982;1985 г. г. по решению научно-технической прблемы 5.5.1.

Цель работы. Основной целью работы является повышение чувствительности и обеспечение селективности дистанционной защиты линий с промежуточными присоединениями за счет повышения стабильности зоны действия путем использования принципа адаптации на основе уточненной модели защищаемой линии, разработка алгоритмов функционирования ЙО и устройств, реализующих эти алгоритмы.

Метод исследования. При исследовании линий с промежуточными присоединениями использованы методы математического моделирования, теории линейных цепей, в частности метод наложения, методы теории функций комплёксного переменного, в частности конформное преобразование комплексных плоскостей, метод геометрических мест (метод сопротивлений). При исследовании алгоритмов функционирования ЙО использованы метод численного моделирования на ЦВМ и метод статистических испытаний. При разработке и исследовании устройств, реализующих полученные алгоритмы, использованы метод аналогового моделирования и экспериментальная проверка результатов.

Научную новизну работы представляют следующие результаты:

1. Теоретически исследовано сопротивление сети, приведенное ко входу ИО при к.з. в зоне дальнего резервирования для линий с однои многосторонним питанием.

2. Разработан алгоритм идентификации параметров доаварий-ного нагрузочного режима защищаемой линии с промежуточным присоединением для однои многостороннего питания.

3. Разработан алгоритм функционирования адаптивного ИО дистанционной защиты линии с промежуточным присоединением и многосторонним питанием.

4. Разработан алгоритм функционирования адаптивного ИО дистанционной защиты линии с промежуточным присоединением и односторонним питанием.

5. Разработана методика оценки погрешности зоны действия дистанционной защиты ВЛ с промежуточным присоединением.

6. Исследована погрешность зоны действия дистанционной защиты линий с промежуточным присоединением при одно-и многостороннем питании для различных вариантов алгоритма функционирования ИО.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Результаты исследования сопротивления сети, приведенного ко входу ИО, при междуфазном к.з. в зоне дальнего резервирования при однои многостороннем питании сети.

2. Алгоритм идентификации параметров доаварийного нагрузочного режима защищаемой линии с промежуточным присоединением.

3. Алгоритм функционирования адаптивного ИО дистанционной защиты линий с промежуточными присоединениями для одно-! и многостороннего питания".

4. Методика оценки погрешности зоны действия дистанционной защиты.

5. Результаты исследования погрешности зоны действия дистанционной защиты линий с промежуточными присоединениями при однои многостороннем питании для известных и вновь разработанных алгоритмов функционирования ИО.

6. Результаты экспериментального исследования разработанных ИО.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы функционирования ИО обеспечивают повышение стабильности зоны действия дистанционной защиты линий с промежуточными присоединениями за счет эффективной отстройки от влияния доаварийного нагрузочного режима.

Разработанная методика оценки погрешности зоны действия дистанционной защиты может быть использована для уточнения параметров срабатывания применяемых в настоящее время ИО, например, коэффициента сжатия характеристики срабатывания реле типа KFC-I, либо выбора вершин четырехугольной характеристики срабатывания.

Разработаны устройства на уровне изобретения (подтверждено двумя авторскими свидетельствами), использование которых в качестве ИО дистанционных защит линий с промежуточными присоединениями повышает чувствительность и обеспечивает селективность защиты, что в частности, позволяет повысить эффективность дальнего резервирования.

Принципы построения и алгоритмы функционирования ИО, развитые в диссертации, могут быть использованы при разработке ИО устройств противоаварийной автоматики, например МАХ.

Предложенная методика экспериментального исследования разработанного ИО также может быть использована при исследовании других вновь разрабатываемых адаптивных ИО.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы при выполнении хоздоговорной научно-исследовательской работы «Исследование и разработка дистанционной защиты для дальнего резервирования в сетях 110−220 кВ «Делинэнерго» (Госрегистрация № 78 048 325) и внедрена в ПЭО «Делинэнерго» .

Апробация работы. Основные теоретические выводы и практические результаты докладывались и обсуждались на республиканской научно-технической конференции «Устройства для преобразования информации для контроля и управления в энергетике», Харьков (ноябрь, 1982 г.), региональной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедр «Электрические станции», «Электрические сети и системы» и «Электроснабжение промышленных предприятий» • Томского политехнического института, Томск (ноябрь, 1981 г.), научно-производственной конференции «Новые устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики», Челябинск (май, 1980 г.), научном семинаре кафедры «Электрические станции» Новосибирскрго электротехнического института, Новосибирск (май, 1983 г.), объединенном научном семинаре кафедр «Электрические системы» и «Электрические станции» Белорусского политехнического института, Минск (октябрь, 1983 г.), объединенном научно-техническом семинаре кафедры «Автоматизированные электрические системы» и Проблемной лаборатории по применению полупроводников в релейной защите и автоматике энергосистем Рижского политехнического института, Рига (октябрь, 1983 г.), на научных семинарах Электротехнического факультета и кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского политехнического института, Омск (1978;1984 гг.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 7 статей и два авторских свидетельства. Материалы диссертации отражены в отчете по научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 126 страниц текстовой части, 53 страницы рисунков и таблиц, II страниц приложения и списка литературы из 86 наименований.

4.6. ВЫВОДЫ.

1. Разработаны принципиальные схемы двух вариантов ИО, предназначенных для использования в комплектах. дистанционной защиты ВЛ соответственно с односторонним и многосторонним питанием сети, а также разработана конструкция и изготовлены опытные образцы ИО.

2. Испытания опытных образцов ИО на релейном стенде показали следующее:

— экспериментально полученные точки срабатывания и возврата ИО.

Vr-1. w WWWWVWVWWXf 'хллллдлллллаЛЛ^ЛЛ' л к v v v v v WWVVVWVV Л Л ЛААЛАААА/ЛААААА^.

I 4 ЕгX*, — - Л/м — Х^ - VVVVVVVVVvVvvvvv / / / / / / /Л / / / / / / / / /Л у t, А г j f j y y y y / s y s, А А, А А, А A A A A A A Ay, А А, А А у? v V r y J у y y j/ jS / у у у у у у L.

1 г t tf.

Рис. 4.27. К исследованию работы устройства при моделировании к.з. в зоне действия при отрицательной полярности апериодической составляющей тока к.з. близки соответствующим теоретическим характеристикам срабатывания и возврата ИО, что, как показано в главе 3, обеспечивает повышение стабильности зоны действия защиты и отстройку от нагрузочных режимов;

— область срабатывания ИО автоматически изменяется в широком диапазоне при изменении параметров доаварийного режима;

— разработанное устройство, соответствующее второму варианту ИО, срабатывает при к.з. в защищаемой зоне при различных крат-ностях тока к.з. и не срабатывает при обратном направлении тока к.з.;

— время срабатывания ИО в рассматриваемых случаях не превышало IbmC, а время возврата — 8тС% что свидетельствует о высоком быстродействии разработанного ИО;

— испытываемое устройство работает устойчиво в течение всего цикла возникновения и отключения к.з.;

— правильное функционирование логической части устройства, что обеспечивает соответствующее изменение структуры схемы ИО и связанное с ним изменение результирующей области срабатывания за счет как непрерывного, так и дискретного регулирования.

3. Испытания опытного образца ИО на электродинамической модели показали правильное функционирование ИО при к.з. в защищаемой зоне действия при наличии апериодической составляющей различных полярностей в первичном токе к.з.

4. Разработанная методика испытания ИО позволяет экспериментально исследовать адаптивные ИО и может быть использована при разработке новых адаптивных ИО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Электрификация всех отраслей народного хозяйства, включая сельское хозяйство, предусматривает значительное увеличение протяженности, пропускной способности, усложнение структуры электрических сетей, повышение требований к надежности и бесперебойности электроснабжения, что обуславливает необходимость совершенствования техники релейной защиты и автоматики, поскольку существующие устройства РЗА не всегда удовлетворяют предъявленным требованиям. В этих случаях при использовании существующих устройств РЗА приходится использовать более дорогостоящие типы защит, что не всегда оправдано экономически. Усложнение структуры сетей приводит к росту числа линий с ответвлениями, а необходимость повышения надежности функционирования РЗА требует, наряду с ближним, обеспечение дальнего резервирования. В указанных случаях защищаемый объект имеет усложненную структуру, обусловленную промежуточными присоединениями, что необходимо учитывать при разработке РЗА указанных объектов.

2. Существующие устройства РЗА недостаточно полно учитывают влияние факторов, искажающих зону действия защит линий с промежуточными присоединениями, что приводит к зависимости зоны действия от влияния доаварийного режима, особенно при дуговых к.з., что не позволяет полностью реализовать достоинства защит с относительной селективностью, и в частности дистанционной защиты, в указанных случаях.

3. Существенное расширение функциональных возможностей необходимое для решения указанных выше задач и связанное с усложнением алгоритма функционирования ИО защит линий с промежуточными присоединениями, возможно при построении ИО как программного вычислительного устройства на основе аналоговой или цифровой техники с применением принципа адаптации.

4. Для построения математической модели обобщенного защищаемого объекта для ИО защит линий с промежуточными присоединениями приведен анализ возможных областей применения указанного ИО, выбрана и обоснована схема обобщенного защищаемого объекта. Проведенный анализ режима к.з., доаварийного и послеаварийного режимов защищаемого объекта позволил построить схему замещения в указанных режимах. На основании принятых допущений показана возможность упрощения математической модели защищаемого объекта.

5. С помощью метода геометрических мест и свойств конформного преобразования исследованы области существования точек, характеризующих приведенное ко входу ИО сопротивление сети в комплексной плоскости этого сопротивления, и изменение этих областей при изменении параметров защищаемого объекта в режиме к.з., доаварийном и послеаварийном режимах. Показано, что области существования приведенных сопротивлений в рассматриваемых режимах являются пересекающимися, что затрудняет идентификацию режима защищаемого объекта.

Предложена структурная схема и построен алгоритм функционирования ИО защит линий с промежуточными присоединениями, обеспечивающий повышение стабильности зоны действия защиты и высокую чувствительность к дуговым междуфазным к.з. благодаря учету влияния доаварийного нагрузочного режима с помощью модели этого режима, а также учету влияния промежуточных присоединений с помощью модели режима к.з. с подстраиваемыми параметрами.

7. Обоснованы и приняты допущения, позволившие построить и исследовать ряд упрощенных вариантов алгоритма функционирования ИО.

8. Разработана методика оценки погрешности зоны действия дистанционной защиты.

9* На основе анализа результатов исследования погрешности зоны действия дистанционной защиты с использованием известных и предлагаемых алгоритмов функционирования ИО выбраны два варианта алгоритма функционирования, применение которых для защиты линий с промежуточными присоединениями с однои многосторонним питанием обеспечивает повышение стабильности зоны действия при сравнительно простой схеме реализации.

10. Разработаны функциональные и принципиальные схемы, реализующие выбранные алгоритмы функционирования, и описана работа схем в различных режимах. Схемы выполнены на аналоговых и цифровых интегральных микросхемах.

11. Разработаны и изготовлены опытные образцы ИО дистанционной защиты линий с промежуточными присоединениями, результаты экспериментального исследования которых на релейном стенде и на электродинамической модели в виде характеристик срабатывания и возврата, осциллограмм, показывают правильное поведение устройства во всех исследовавшихся режимах его работы, в том числе в нагрузочных режимах, при к.з. в зоне действия и t при направлении мощности от линии к шинам. Время срабатывания и возврата ИО не превышает 20тС.

12. Опытные образцы ИО защиты линий с промежуточными присоединениями внедрены в опытную эксплуатацию в ГГЭО «Целинэнер-го» в качестве ИО дистанционной защиты для дальнего резервирования.