Разработка резервных централизованных защит линий напряжением 330-750 кВ

Актуальность темы

В последние десятилетия в нескольких странах произошли крупные техногенные аварии, одной из причин некоторых из которых оказалась недостаточная надёжность релейной защиты электрооборудования открытых распределительных устройств (ОРУ) напряжением 330−750кВ, особенно линий электропередач (ЛЭП). Для её обеспечения в настоящее время применяется простое дублирование, но оно, увеличивая надёжность срабатывания, уменьшает надёжность несрабатывания. Известно [1], что при микропроцессорном выполнении защит (которое в ближайшем будущем должно заменить традиционное) во многих случаях лучше использовать мажорирование (число защит утраивается, а сигнал на отключение подается, если сработали любые две). При этом в соответствии с положениями теории надёжности наиболее целесообразно использовать устройства с разными принципами действия. Однако для упомянутых ЛЭП полноценное мажорирование затрудняется из-за недостаточного количества апробированных резервных защит. Так, от междуфазных и однофазных замыканий на землю используются только дистанционные и нулевой последовательности, соответственно.

В связи с изложенным, разработка новых резервных защит актуальна. Она может идти в направлении создания как автономных, так и централизованных защит. Нами выбраны централизованные, поскольку они могут получать значительно больше информации, чем автономные, и это открывает более широкие возможности для построения новых защит. Большой вклад в построение централизованных защит внесли ученые Уральского политехнического института (УГТУ-УПИ) под руководством и непосредственном участии доктора технических наук, профессора Полякова В. Е. Их построением занимались также доктора технических наук Клецель М. Я., Кужеков С. Л., Фигурнов Е. П., Шуин В. А. и другие специалисты.

Предлагаемая диссертация является продолжением этих работ.

Объектом исследования являются резервные защиты электроэнергетических систем от коротких замыканий.

Предмет исследования — резервные централизованные защиты ЛЭП и другого основного оборудования открытых распределительных устройств напряжением 330−750кВ.

Цель работы — разработка алгоритмов функционирования и моделей резервных централизованных защит от коротких замыканий для линий напряжением 330−750кВ.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

— Анализ известных резервных защит и выбор направления работ.

— Разработка алгоритма функционирования резервной централизованной защиты линий от коротких замыканий на землю, отличающейся по принципу действия от традиционных и не уступающей им по чувствительности.

— Синтез алгоритмов централизованных защит присоединений ОРУ 330 750кВ: 1) на основе использования первого закона Кирхгофа- 2) на сравнении знака мощности и контроле тока в фазах присоединений.

— Разработка схем контроля исправности реле централизованных направленных защит.

— Сравнение по чувствительности предложенных и применяемых в настоящее время защит.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, релейной защиты, теории надёжности, электрических машин, алгебры логики и теории релейных устройств. Проводилось математическое моделирование, все вычисления выполнены в среде MS Excel, Mathematica 5,0.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: выбранными методами исследований, общепринятыми уровнями допущений при математическом описании явленийобоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наукдостаточным объёмом выполненных исследованийиспытанием моделей разработанных устройствполучением 6 патентов (2 — Российской Федерации, 4 — Республики Казахстан).

Научная новизна.

1 Предложен и запатентован принцип построения резервных централизованных защит от коротких замыканий на землю линий электропередач 330−750кВ кольцевых схемоткрытого распределительного устройства, в отличие от известных, основанный на контроле отношений токов фаз на стороне низшего напряжения повышающего трансформатора блока электростанции. Разработаны алгоритмы функционирования, методика выбора уставок, оценка чувствительности, учитывающая токи в неповреждённых фазах, и модель защиты.

2 За счёт контроля сумм токов неповреждённых присоединений и величин токов в повреждённых, развит метод построения централизованных защит от междуфазных замыканий, основанный на использовании первого закона Кирхгофа. По этому методу впервые разработано и защищено патентом устройство резервной централизованной защиты для схемы шестиугольника.

3 Разработаны алгоритмы резервных централизованных защит упомянутых присоединений от междуфазных замыканий на сравнении знака мощности на них. Эти алгоритмы отличаются от известных учётом значительно большего количества режимов работы оборудования. По ним созданы устройства, защищенные патентами, для контроля исправности которых (и реле положения выключателей) предложены простые схемы.

Практическая ценность работы.

Разработанные алгоритмы, благодаря применению алгебры логики, могут быть реализованы на микропроцессорных терминалах и логических элементах любой природы. Они позволяют создать резервные защиты ОРУ напряжением 330−750кВ от междуфазных замыканий, пригодные для использования при мажорировании. Адаптация к неполнофазным режимам и изменениям главных схем, как и алгоритмы контроля исправности, повышают надёжность несрабатывания этих защит, что особенно важно при их микропроцессорном исполнении. Защита, основанная на использовании первого закона Кирхгофа, в отличие от применяемых, не реагирует на повреждения в цепях напряжения, что повышает надёжность всей системы релейной защиты при мажорировании. Централизованная защита от коротких замыканий на землю, сопоставляющая токи в фазах повышающих трансформаторов, способна выявлять токи (0,Зч-0,4)-/ялжс, где 1Н ШС — максимальный ток нагрузки на ЛЭП. Она решает задачу создания защиты, отличающейся по принципу действия от традиционной защиты нулевой последовательности, и в большинстве случаев не уступает ей по чувствительности.

К защите представляются:

— методика построения централизованной защиты присоединений от коротких замыканий на землю;

— алгоритм резервной защиты присоединений схем ОРУ кольцевого типа, использующей первый закон Кирхгофа;

— алгоритмы централизованных направленных защит присоединений ОРУ 330−750кВ;

— методика выбора уставок разработанных защит и оценка их чувствительности.

Реализация результатов работы. Предполагается внедрение резервной централизованной защиты от замыканий на землю в ТОО «КагСтройПроект-ПВ» (Казахстан), производящее проектно-изыскательные работы в области электроэнергетики.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Энергоресурсосберегающие технологии — основа индустриально-инновационного развития» (Казахстан, г. Павлодар, 2008 г.), XIII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Крым, г. Алушта, 2010 г.), XX международной научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем» (г. Москва, 2010), международной научно-практической конференции «Энергоэффективность» (г.Омск, 2010 г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (Казахстан, г. Павлодар, 2011 г.) и кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ГОУ ВПО Омского государственного технического университета (г.Омск, 2011 г.).

Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 17 научных трудах в том числе: 2 статьи по перечню ВАК, 2 патента Российской Федерации, 4 патента Республики Казахстан, 10 статей в' периодических научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методы их решения разработаны автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения, изложенных на 121 странице. Содержит 79 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 1 таблицу, список использованных источников из 82 наименований и 8 приложений.

3.5 Выводы.

1) Анализ токов в фазах присоединений ОРУ 330−750кВ в различных режимах показал возможность построения резервных защит, основанных на известном (а) и предлагаемом (б) принципах действия: а) сравнение тока в каждом из присоединений с суммой токов в других при контроле его величиныб) сравнение отношения^ максимального 11%шс и минимального 11%шн токов со стороны треугольника повышающего трансформатора с заданной величиной.

2) Построенные по 1, а централизованные резервные защиты присоединений ОРУ 330−750кВ могут в зависимости от параметров энергосистемы служить для выявления всех видов КЗ или, только междуфазных. Защита по 1, б — для выявления однофазных КЗ. Они способны г выявлять следующие минимальные токи КЗ: по 1, а — 1,7 -1НШС (1НМКС максимальный ток нагрузки), по 1, б — (0,3^-0,4)-1Нмкс. Защита по 1, а-не I нуждается в информации о напряжении на шинах и присоединениях, последнее существенно отличает её от большинства традиционных № позволяет надеятьсячто она будет обладать большей надёжностью, но только в случаях, если использовать преобразователи тока-с погрешностями 8 < 5%. Защита по. 1, б имеет высокую чувствительность, выявляет наиболее распространённый вид КЗ и при дальнейших исследованиях в условиях эксплуатации, она могла бы стать альтернативой защите нулевой последовательности.

3) Алгоритм действия защиты по 1, а, построенный с помощью алгебры логикицелесообразно автоматически изменять в зависимости от состояния тех или иных выключателей. Это исключает возможность ложных отключений из-за разделения схем ОРУ.

В диссертации решена научно-техническая задача создания новых резервных защит присоединений открытых распределительных устройств (ОРУ) напряжением 330−750кВ для повышения: надёжности релейной защиты путём мажорирования. Проведённые исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1 Предложено два способа построения централизованных резервных защит присоединений ОРУ 330−750кВ от междуфазных замыканий. Первый? основан на сравнении знака-, мощности и< использовании информации о поведении традиционных защит на всех присоединениях. Второй — на использовании первого закона КирхгофаРазработанные: алгоритмы функционирования этих защит учитывают различные режимы работы энергосистемы, в том числе разделение схемы ОРУ и передачу электроэнергии по двум фазам. Использование алгебры логики при построенииалгоритмовпозволяет реализовать их на микропроцессорных терминалах и логических Элементах любой природы.

2 Разработаны и запатентованы устройства защиты по этим? способам? для схем ОРУ четырёхи шестиугольника, а по первому ещё и для схем З/2, 4/3. Последние, способны отключать и КЗ на шинах. Все эти устройства могут выявить минимальный ток КЗ 1ЮМИН = 1,7 • 1И К1КС (/я дш: — максимальный ток нагрузки присоединения).

3 Защиты, использующие закон Кирхгофа, в плане надёжностиобладают преимуществом перед другими резервными — не имеют цепей: напряженияОднакообласть, их использования ограничивается погрешностями преобразователей токакоторые не должны превышать 5%, и такой же чувствительностью, как у максимальных токовых защит спуском по напряжению.

4 Предложены принцип построения, алгоритмы и методика: выбора уставок резервных централизованных защит от коротких замыканий на землю.

Принцип основан на контроле отношений токов фаз на стороне низшего напряжения повышающего трансформатора в схеме ОРУ. Защиты способны выявлять минимальный ток КЗ равный (0,3^-0,4) — 1н мкс. Они дают возможность решить задачу полноценного мажорирования резервных защит от замыканий на землю.

5 Разработаны алгоритмы для контроля исправности основных реле предложенных защит и реле положения выключателей. Устройства, реализующие эти алгоритмы, могут повысить надёжность и традиционных защит.

6 Рекомендуется применять следующие результаты работы: а) централизованную резервную защиту от замыканий на землю — в сетях с заземлённой нейтралью (для обеспечения полноценного мажорирования) — б) централизованные резервные защиты, сравнивающие знаки мощности или использующие закон Кирхгофа, — в кольцевых схемах ОРУ напряжением 330−750кВ, но после положительного опыта эксплуатациив) алгоритм контроля исправности реле — в разработанных и традиционных защитах.