CC BY
134
Оригинальная статья / Original article УДК 621.316.925
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-139-145
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ, ВЫПОЛНЕННОЙ НА РАЗНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ
© Ю.Н. Зацаринная1, Р.Р. Рахматуллин2, М.Н. Хабибуллин3, А.Г. Логачева4
1,2,3,4Казанский государственный энергетический университет им. В.К. Шибанова, Российская Федерация, 420066, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Красносельская, 51. 1Казанский национальный исследовательский технологический университет, Российская Федерация, 420015, Республика Татарстан, г. Казань, ул. К. Маркса, 68.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Правильная настройка релейной защиты и противоаварийной автоматики играет ответственную роль в обеспечении надежной работы электрических сетей. В последние годы большое распространение получили микропроцессорные устройства релейной защиты. Так, на многих подстанциях электроэнергетической системы России вследствие реконструкции электромеханические реле были заменены на микропроцессорные. При этом в случае с дифференциально-фазными защитами линий напряжением 110 кВ и выше сложилась ситуация, когда по концам линии установлены полукомплекты, выполненные на разной элементной базе. Целью данной работы являлось определение мер, обеспечивающих успешную совместную работу таких полукомплектов. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ. В ходе исследований был проведен анализ опыта эксплуатации высокочастотной дифференциально-фазной защиты воздушной линии 110 кВ, имеющей с одного конца линии установленный микропроцессорный полукомплект защиты, а с другого конца линии - электромеханический полукомплект. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. В результате проведенного анализа выявлен ряд мер, позволяющий провести успешную интеграцию микропроцессорных защит в существующие системы релейной защиты воздушных линий 110 кВ и выше с обеспечением их надежной работы и исключения излишнего срабатывания дифференциально-фазной защиты, выполненной на разной элементной базе, при повреждениях вне защищаемой зоны. ВЫВОДЫ. При определенных подстройках, возможна успешная совместная эксплуатация микропроцессорных и электромеханических полукомплектов дифференциально-фазной защиты по разным концам линии без нарушения надежности работы защиты и защищаемой линии электропередачи.
Ключевые слова: автоматизация, релейная защита, воздушные линии, интеграция средств управления, дифференциальная защита, микропроцессорная защита.
Формат цитирования: Зацаринная Ю.Н., Рахматуллин Р.Р., Хабибуллин М.Н., Логачева А.Г. Особенности эксплуатации релейной защиты воздушных линий, выполненной на разной элементной базе // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 9. С. 139-145. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-139145
OPERATION FEATURES OF OVERHEAD LINE RELAY PROTECTION WITH DIFFERENT ELEMENT BASE I.N. Zatsarinnaya, R.R. Rakhmatullin, M.N. Khabibullin, A.G. Logacheva
Kazan State Power Engineering University named after V.K. Shibanov,
51 Krasnoselskaya St., Kazan 420066, Republic of Tatarstan, Russian Federation.
Kazan National Research Technological University,
68, K. Marx St., Kazan, 420015, Republic of Tatarstan, Russian Federation.
1
Зацаринная Юлия Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, доцент кафедры автоматизированных систем сбора и обработки информации, e-mail: waysubbota@gmail.com
Iulia N. Zatsarinnaya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Plants,
Associate Professor of the Department of Automated Systems for Data Acquisition
and Processing, e-mail: waysubbota@gmail.com
2Рахматуллин Руслан Ринатович, студент, e-mail: Ruslan964@yandex.ru
Ruslan R. Rakhmatullin, Student, e-mail: Ruslan964@yandex.ru
3Хабибуллин Марат Назипович, студент, e-mail: khabibmn@gmail.com
Marat N. Khabibullin, Student, e-mail: khabibmn@gmail.com
4Логачева Алла Григорьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, e-mail: logacheva.alla@yandex.ru
Alla G. Logacheva, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply of Industrial Enterprises, e-mail: logacheva.alla@yandex.ru
ABSTRACT. PURPOSE. Correct setting of relay protection and emergency automatics is crucial for electrical network reliable operation provision. In recent years microprocessor-based relay protection devices have become very popular. They replaced electromechanical relays at many substations of the Russian electric power system during the reconstruction. In the case with differential phase protection of 110 kV and higher voltage lines this resulted in the situation when sub-sets with different element bases are installed at the ends of the line. The purpose of this work is to formulate the measures that would ensure the successful joint operation of such sub-sets. MATERIALS AND METHODS. The study involves the analysis of the operation experience of a high-frequency differential phase protection of a 110 kV overhead line with microprocessor-based protection relay at one end and an electromechanical protection relay at the other end of the line. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The conducted analysis resulted in the identification of a number of measures enabling successful integration of microprocessor-based protection relays into existing relay protection systems of 110 kV and higher voltage overhead lines ensuring their reliable operation and avoiding unnecessary operation of the differential phase protection with different element bases in case of the faults outside the protected area. CONCLUSIONS. Introduction of certain adjustments provide the opportunity for successful joint operation of microprocessor-based and electromechanical sub-sets of differential phase protection installed at the different ends of the line with no loss in the operation reliability of the protection and the protected power line.
Keywords: automation, relay protection, overhead lines, integration of controls, differential protection, microprocessor protection
For citation: Zatsarinnaya I.N., Rakhmatullin R.R., Khabibullin M.N., Logacheva A.G. Operation features of overhead line relay protection with different element base. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 9, pp. 139-145. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-139-145
Введение
Электроэнергетика России сегодня -единая энергетическая система (ЕЭС), которая представляет собой постоянно развивающийся, высоко автоматизированный комплекс, объединенный общим режимом и централизованным диспетчерским и автоматическим управлением. По своим масштабам ЕЭС России является крупнейшей в мире, а по мощности сопоставима с западноевропейским энергетическим объединением.
Для повышения эффективности управления энергетической системой используются современные измерительные системы, каналы связи, средства передачи, обработки и отображения информации, объединенные в автоматизированную систему диспетчерского управления (АСДУ) [1].
Электрические сети (ЭС) являются важным звеном в системе производства и потребления электроэнергии. Устройства автоматизации и релейной защиты с каждым годом все больше внедряются в различных отраслях промышленности, в том числе в энергетике. Автоматизация помогает ускорить и удешевить процесс производства, а релейная защита - сделать его безопасным. Автоматизация энергетических систем, выполняющая информацион-
ное, алгоритмическое и машинное обеспечение создания автоматизированных технологических процессов и систем управления ими, включает такую область, как релейная защита. Релейная защита - это основной вид электрической автоматики, поддерживающей процесс контроля состояния всех элементов электроэнергетической системы. Правильная настройка релейной защиты и противоаварийной автоматики играет важную роль в обеспечении надежной работы электрических сетей.
В прошлом столетии релейная защита строилась на базе электромеханических реле [2].Современные же системы автоматизации и средства защиты могут основываться на использовании программируемых микроконтроллеров. Обычно микроконтроллер строится на базе выбранного микропроцессора. В общем, нельзя сказать, что устройства защиты на электромеханических реле не выполняют технических требований, которые предъявляются к релейной защите, но существование электроэнергетики сейчас и в будущем невозможно без микропроцессорных устройств релейной защиты. Действительно, никаких новых функций защита на базе микропроцессоров не принесли, не изменилась логика работы защиты и принципы передачи электроэнер-
гии. Однако развитие электромеханических реле было остановлено около тридцати лет назад, и все усилия разработчиков были сосредоточены на создании электронных, а позднее и микропроцессорных защит. Это объяснялось меньшими затратами на производство микропроцессорных защит благодаря возможности автоматизации их производства (по сравнению с ручной сборкой электромеханических реле), учитывая то, что стоимость продажи микропроцессорных защит не стала ниже [3]. Тем не менее, каково бы ни было исполнение релейной защиты линий электропередачи
(ЛЭП) с напряжением 110-750 кВ, к ней предъявляются следующие требования:
• она должна быть быстродействующей, так как во время коротких замыканий (КЗ) интенсивны переходные процессы на длинных линиях высокого напряжения;
• все виды повреждений на защищаемой высоковольтной линии, как в полнофазном режиме ее работы, так и в режиме работы двух фаз в цикле однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ) должны быть отключены максимально быстро [4].
Основные виды защит воздушных линий электропередачи
Особенность воздушных линий (ВЛ) электропередачи заключается в том, что они имеют огромную протяженность, поэтому в большей степени подвержены повреждениям, чем другое электрическое оборудование. Более того, ВЛ подвержены внешним повреждениям от грозовых ударов, образования гололеда, сильного ветра, налипания грязи на изоляторах и т.п. [5].
Для защиты линий с односторонним питанием могут быть применены: токовая
отсечка; максимальная токовая защита; направленная токовая поперечная дифференциальная защита параллельных линий; токовая поперечная дифференциальная защита параллельных линий. Для линий с двусторонним питанием, кроме уже перечисленных, применяются следующие защиты: направленная отсечка; максимальная направленная защита; продольная дифференциальная защита; дистанционная защита; высокочастотная защита.
Проблема интеграции микропроцессорных защит воздушных линий
В настоящее время на территории Российской Федерации интенсивно реконструируются энергетические объекты. В ходе реконструкции благодаря прогрессу усовершенствовались дифференциально-фазные защиты (ДФЗ) линий напряжением 110 кВ и выше. Во многих областях электромеханические реле защищают ответственные линии напряжением 110 кВ, иногда и параллельно с микропроцессорными реле [6].
В Республике Татарстан также имеется практика совместного использования электромеханического (ЭМ) и микропроцессорного (МП) полукомплектов защиты по разным сторонам защищаемой линии. В Республике Татарстан имеется ряд ВЛ напряжением 110 кВ, на которых установлены полукомплеты разных исполнений.
На линиях высокого и сверхвысокого классов напряжения в качестве основной используется дифференциально-фазная защита (ДФЗ). На рис. 1 схематично представлена ВЛ, по концам которой установлены полукомплекты дифференциально-фазной защиты - ДФЗ-1 и ДФЗ-2. Работа ДФЗ основана на принципе сравнения фаз токов, проходящих по концам защищаемой линии. Общепринято считать положительным направление токов от шин в линию (на рис. 1 положительное направление токов полукомплектов соответствует направлению оси 1+). При внешнем КЗ в точке К1 токи на концах защищаемой линии Iк1_^ и 1к1_2
имеют разные фазы (сдвинуты на угол, близкий к 180°) [7]. При КЗ в защищаемой линии (точка К2) токи на концах защищаемой линии 1к2_1 и 1к2_2 практически синфазны.
Рис. 1. Принцип работы дифференциально-фазной защиты воздушных линий (ДФЗ ВЛ) Fig. 1. Operation principle of overhead line differential phase protection (OLDPP)
Фазы токов сравниваются косвенным путем - с помощью сигналов высокой частоты (ВЧ), передаваемых по каналу связи, в качестве которого используется сама защищаемая линия. На каждом конце линии имеются органы (полукомплекты), предназначенные для пуска защиты и отключения выключателей.
Все полукомплекты ДФЗ (как электромеханические, так и микропроцессорные) имеют следующие основные органы:
- пусковой орган (ПО) - состоит из группы быстродействующих реле, выполняющих пуск высокочастотного передатчика (ВЧП) - генератора частоты, пуск органа сравнения фаз (ОСФ) при всех видах повреждений, находящихся в зоне чувствительности, а также подготавливающих цепь отключения;
- орган манипуляции (ОМ) - предназначен для управления работой передатчи-
ка, для генерации импульсов токов высокой частоты только при положительной полуволне тока КЗ, проходящего по линии. При отрицательной полуволне передатчик не работает (на рис. 1 моменты генерации импульсов высокой частоты изображены заштрихованными полуволнами токов);
- орган сравнения фаз (ОСФ) -предназначен для сравнения сигналов высокой частоты (ВЧ), получаемых приемником от передатчиков обоих полукомплектов. Если на приемник подается сплошной сигнал ВЧ, то ток в выходной цепи приемника отсутствует и реле ОСФ не подает сигнал на отключение выключателей. Если на приемник подается прерывистый сигнал, то на выходе появляется ток и реле ОСФ подает сигнал на отключение выключателей линии [8].
При внешнем КЗ передатчики работают в разные полупериоды, их импульсы
ВЧ складываются, образуя суммарный непрерывный импульс (график суммарного ВЧ сигнала для случая КЗ в точке К2, рис. 1), выходной ток приемника равен нулю и защита не срабатывает.
При КЗ на защищаемой линии происходит одновременное срабатывание передатчиков. Их ВЧ импульсы накладываются (график суммарного ВЧ сигнала на рис. 1 для случая КЗ в точке К2), образуя суммарный прерывистый импульс, что в свою очередь образует ток на выходном реле (ВР) защиты и подается сигнал на отключение выключателя (В).
При идентичной конструкции ЭМ и МП полукомплектов при их совместном использовании на ВЛ 110 кВ «КТЭЦ1 - Юж-
ная» возникли некоторые проблемы, в частности, проблема излишнего срабатывания ЭМ ДФЗ-201 при повреждениях вне защищаемой зоны. В связи с этим были проведены исследования совместной эксплуатации высокочастотных ДФЗ, выполненных на разной элементной базе, и определен ряд мероприятий по решению возникшей проблемы. Так, основными причинами излишнего действия ЭМ ДФЗ являются:
- различие в зависимостях выходного напряжения ОМ от частоты Щ0 для ЭМ и МП полукомплектов;
- различие во времени срабатывания ОМ и ПО двух полукомплектов.
Пути решения проблемы излишнего действия дифференциально-фазной защиты с электромеханическими и микропроцессорными полукомплектами
Из опыта эксплуатации ВЛ 110 кВ «КТЭЦ1 - Южная», возможно выделить следующие основные особенности, определяющие успешную совместную работу разных полукомплектов ДФЗ.
1. В ЭМ ДФЗ необходимо не использовать ПО, реагирующий на составляющие тока нулевой последовательности (/о), а в МП ДФЗ необходимо отключить ПО, реагирующие на приращение векторов токов прямой и обратной последовательности (/1; /2).
2. Для ЭМ полукомплекта необходимо увеличить задержку сигнала на выходе ОСФ с 0,01 до 0,02 с (в соответствие с циркуляром РАО «ЕЭС России» № Ц-04-94 (Э) от 30.12.1994 г.), если такое замедле-
».» 5
ние допустимо по условиям устойчивости5.
3. Необходимо задать равные уставки МП и ЭМ ДФЗ по току (первичных величин) обратной последовательности.
4. Необходимо ввести фазовый сдвиг сигнала манипуляции на ЭМ полукомплекте в сторону опережения (угол сдвига зависит от конкретных полукомплек-
тов по разным сторонам линии и лежит в интервале 8,5-15,5°) [9].
Для наглядности вышеперечисленный ряд мероприятий представлен в виде блок-схемы на рис. 2. На схеме выделены органы электромеханической дифференциально-фазной защиты (ЭМ ДФЗ) и микропроцессорной (МП ДФЗ), которых касаются мероприятия по подстройке. Буквой «Л» обозначена логическая часть защиты (Л).
Последний пункт мероприятий рассмотрим подробнее. Иными словами, необходимо согласовать моменты посылки пакетов ВЧ сигналов по отношению к току повреждения. Орган манипуляции как ЭМ полукомплекта, так и МП состоит из комбинированного фильтра токов I1+KI2 и устройства формирования ВЧ пакетов из его выходного сигнала. При этом пакеты ВЧ сигнала на разных концах ВЛ формируются с разными задержками [10].
В МП ДФЗ при подаче фазного тока (IAN) формируемый ВЧ пакет запаздывает на угол 57,5° по отношению к указанному
5
О предотвращении излишних действий защит ДФЗ линий кВ при внешних КЗ: циркуляр Ц-04-94(Э). М., 30.12.1994 г. / On the prevention of unnecessary actions of overhead line differential phase protection at external faults: circular order Ц-04-94(Э). Moscow, December 30, 1994
току. Для ЭМ ДФЗ-201 угол запаздывания составляет 66-73° в зависимости от коэффициента К [11]. С учетом этого для согласования моментов формирования ВЧ сиг-
налов в МП ДФЗ имеется плавная подстройка дополнительного сдвига выходного сигнала ОМ в диапазоне углов ±45° [12].
Рис. 2. Перечень мероприятий по исключению излишнего действия ДФЗ, выполненной на разной элементной базе Fig. 2. List of measures eliminating unnecessary actions of the differential phase protection
with different element base
Выводы
Таким образом, учитывая опыт эксплуатации, можно сделать вывод, что при определенных подстройках возможна успешная совместная эксплуатация микропроцессорных и электромеханических по-
лукомплектов дифференциально-фазной защиты по разным концам линии без нарушения процесса автоматизации и надежности работы линии электропередач.
Библиографический список
1. Гуревич В.И. Еще раз о надежности микропроцессорных устройств релейной защиты // Электротехнический рынок. 2009. № 3 (29). С. 40-45.
2. Закиров Д.Г. Автоматизация учета и управления энергопотреблением. Настольная книга энергетика. Пермь, 1998. 514 с.
3. Зацаринная Ю.Н., Рахматуллин Р.Р., Ризванова Г.И. Информационная транспортная шина предприятий (ESB) в распределенных энергетических ком-
паниях // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 5. С. 278-280.
4. Дони Н.А., Галеев Э.Г., Лопухов В.М. Модернизация Микропроцессорных ДФЗ ВЛ 110-220 кВ // Релейная защита и автоматизация. 2012. № 4. С 48-50.
5. Гайфутдинова Э.Р., Куксов С.В., Зацаринная Ю.Н., Староверова Н.А. Реализация алгоритмов выявления замыканий на землю в распределитель-
ных сетях // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 21. С. 121-122.
6. Щедриков Б.Д. Электромеханические устройства релейной защиты и автоматики в энергетике: настоящее и будущее // Релейная защита и автоматизация. 2010. № 1. С. 61-63.
7. Гуревич В. И. Микропроцессорные реле защиты: новые перспективы или новые проблемы? // Новости электротехники. 2005. № 6 (36). С. 57-60.
8. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р., Штайн К. Алгоритмы. Построение и анализ. 3-е изд. СПб.: ИД «Вильямс», 2013. 1324 с.
9. Салихов 3.Г., Арунянц Г.Г., Рутковский А.Л. Системы оптимального управления сложными технологическими объектами. М.: Теплоэнергетик, 2004. 496 с.
10. Зарипов Д.К., Балобанов Р.Н. Индикатор дефекта высоковольтной изолирующей конструкции // Электротехника. 2016. № 6. С. 16-21.
11. Дьяков А. Ф. Энергетика России и мира в 21-ом веке // Энергетик. 2000. № 11. С. 2-9.
12. Егоров В. А. АСКУЭ современного предприятия // Энергетик. 2001. № 12. С. 7-12.
References
1. Gurevich V.I. Once again on the reliability of microprocessor relay protection devices. Electrotechnical market [Electrical Engineering Market], 2009, no. 3 (29), pp. 40-45. (In Russian)
2. Zakirov D.G. Avtomatizacija ucheta i upravlenija jenergopotrebleniem. Nastol'naja kniga jenergetika [Automation of accounting and energy consumption control. Power engineer handbook]. Permian, 1998. 514 р. (In Russian)
3. Zatsarinnaya J.N., Rakhmatullin R.R, Rizvanova G.I. Enterprise information transport bus (ESB) in distributed energy companies. Vestnik Kazanskogo tehnolog-icheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University]. 2013, vol. 16, no. 5, pp. 278-280. (In Russian)
4. Doni N.A., Galeev E.G., Lopukhov V.M. Modernization of microprocessing phase differential protection of 110-220 kV overhead lines. Relejnaja zashhita i avtomatizacija [Relay Protection and Automation]. 2012, no. 4, pp. 48-50. (In Russian)
5. Gayfutdinova E.R., Kuksov S.V., Zatsarinnaya N.A., Staroverova J.N. Implementation of ground fault detecting algorithms in distribution networks. Vestnik Ka-zanskogo tehnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University]. 2015, vol. 18, no. 21, pp. 121-122. (In Russian)
Критерии авторства
Зацаринная Ю.Н., Рахматуллин Р.Р., Хабибуллин М.Н., Логачева А.Г. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 30.06.2017 г.
6. Shchedrikov B.D. Electromechanical devices of relay protection and automation in power engineering: present and future. Relejnaja zashhita i avtomatizacija [Relay protection and automation] 2010, no.1, pp. 61-63. (In Russian)
7. Gurevich V.I. Microprocessor protection relays: new prospects or new problems? Novosti jelektrotehniki [News of Electrical Engineering]. 2005, no. 6 (36), pp. 57-60. (In Russian)
8. Corman T., Leisserson C., Rivest R., Stein C. Algo-ritmy. Postroenie i analiz. [Algorithms. Construction and analysis]. St. Petersburg: Williams Publ., 2013, 1324 р. (In Russian)
9. Salikhov Z.G., Arunajnts G.G., Rutkovskiy A.L. Sis-temy optimal'nogo upravlenija slozhnymi tehnolog-icheskimi objektami [Systems of optimal control of complex technological objects]. Moscow: Teploenergetik Publ., 2004. 496 p. (In Russian)
10. Zaripov D.K., Balabanov R.N. Fault indicator of a high-voltage insulating structure. Jelektrotehnika [Electrical Engineering]. 2016, no. 6, pp. 16-21. (In Russian)
11. Dyakov A.F. Power engineering in Russia and in the world in the 21st century. Jenergetik [Energetik]. 2000, no. 11, рр. 2-9. (In Russian)
12. Egorov V.A. Automated system of energy commercial accounting of the modern enterprise. Jenergetik [Energetik]. 2001, no. 12, рр. 7-12. (In Russian)
Authorship criteria
Zatsarinnaya I.N., Rakhmatullin R.R., Khabibullin M.N., Logacheva A.G. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 30 June 2017
