Резервная токовая направленная защита с памятью для линий с ответвлениями

Никитин Константин Иванович; Клецель Марк Яковлевич; Таронов Константин Сергеевич

УДК 621.316.925

К. И. НИКИТИН М. Я. КЛЕЦЕЛЬ К. С. ТАРОНОВ

Омский государственный технический университет

Научный исследовательский Томский политехнический университет

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, Республика Казахстан

РЕЗЕРВНАЯ ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА С ПАМЯТЬЮ ДЛЯ ЛИНИЙ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ_

Рассматривается усовершенствованный вариант резервной защиты линий, способной отключать короткие замыкания (КЗ) за трансформаторами ответвлений при самых малых токах КЗ и не работать излишне благодаря введенным блокировкам. Ключевые слова: линия с ответвлениями, короткие замыкания, защита, чувствительность, разность токов.

Введение. Задача выявления удаленных коротких замыканий (КЗ) за трансформаторами малой мощности, питающихся от линии воздушных ( ВЛ) напряжением 110 кВ большой длины или кабелей 6—10 кВ со значительной нагрузкой, стоит очень давно [1]. Трудности при ее решении обусловлены тем, что при таком КЗ токи IКЗ, протекающие по линии ( без учета токов нагрузки), могут составлять (0Д...0,5)1рдбмдкс (где I рдб мдкс — максимальный рабочий ток линии), а напряжение на шинах, от которых питается линия (0,95...0,85)UH. Для случаев, когда I кз=(0,3.0,5)1рдбмдкс предложены решения [2 — 4], а для I =(0,1.0,2) х х1рдбмдкс — [5]. Однако последнее, хотя и охватывает весь диапазон возможных токов КЗ, не может быть применено на линиях с двусторонним питаниям в силу недостатков, попытка устранить которые сделана в данной работе. Напомним, что измерительный орган (ИО) защиты [5] должен функционировать в соответствии со следующим алгоритмом действия: Постоянно определяются разности токов всех фаз защищаемой ВЛ, которые запоминаются на время tn = 0,1 с (tn должно быть минимальным, но обеспечивающим все операции при реализации алгоритма). Из трех разностей, полученных в данный момент времени, вычитаются соответствующие предыдущие. Затем из первого результата вычитается третий, из второго первый, из третьего второй. Рис. 1 иллюстрирует вычисления при двухфазных КЗ за трансформаторами с соединением Y/Д и Y/Y.

На рис. 1 ^ ^ Ihc и Isa , Isb , Iнс вектора токов

фаз А, В, С в данный момент времени и в предыдущий (за 0,1с до данного момента). Iнав = Iна -Iнв , 1-1

Как показал анализ, реализацию защиты следует осуществлять на микропроцессорах, так как опытный образец защиты [5], выполненный на статических реле, оказался весьма громоздким ( в основном из-за внушительных размеров линий задержки, требующих большого количества цепочек L, C ( линии задержки необходимы дал запоминания разностей векторов токов фаз на время tn = 0,1 с, а также на t4 (см. далее).

Выбор тока срабатывания предлагаемого усовершенствованного варианта защиты по [5] и ее чувствительность не изменились, благодаря вводу нескольких блокировок, предотвращающих излишнюю работу при появлении значительных токов в ИО в некоторых не рассмотренных ранее режимах.

Токи в ИО и их учет. Анализ поведения в различных режимах защиты, выполненной в соответствии с представленным алгоритмом, показывает необходимость ввода блокировок, предотвращающих излишнее ее срабатывание не только на линиях с двусторонним питанием, но и тупиковых. Рассмотрим токи в ИО при этих режимах. Сразу после включения защищаемой ВЛ возникает несимметрия токов, вызванная неодновременным включением выключателей ее фаз. Излишнее срабатывание ИО предотвращается реле РПВ положения выключателей, которое задерживает запуск защиты на время t, =0,15 с после их включения.

I =I I I =I I тПР тПР тПР 7 пр

I нвс =I нв -I нс , I нса =I нс -I на , I нав =I на -I нв , I нвс :

- пр - пр Inp Iпр Inp I =i Iпр I =i

= I нв -1 нс , I нса =I нс -1 на , I ав = I нав -I нав , I вс = I нвс "

- пр I = I Iпр

-I нвс , I са = I нса -I нса .

При двухфазном КЗ за трансформатором ответвления ВЛ любой из токов |1р1|, |1р2|, |1рз| больше 1СР только в течении 0,1 с (то есть до тех пор, пока токи повреждения на текущий момент и токи предшествующего режима отличаются). Затем этот ток обра-

Рис. 1. Иллюстрация операций с токами в ИО

при двухфазном КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/A (ÏP2) и Y/Y (ÎP)

тится в ток небаланса (который меньше 1СР), поскольку моментам времени с интервалом в 0,1 с станут соответствовать одинаковые токи. Таким образом, длительность существования тока, например 1Р1>1СР не может превысить 0,1 с, и выдержка времени 1 сз резервной защиты никогда не будет набрана. Обычно 1СЗ >1 с. Чтобы защита сработала, нужно на время 12 = 1СЗ + 1ОТК +А1 (где 1ОТК — время отключения выключателя ВЛ, А1 — время запаса) запоминать сигнал о срабатывании ИО, но (из-за возможного появления кратковременных помех во вторичных цепях трансформаторов тока) предварительно задержать сигнал о срабатывании на 13 = 0,05 с и после задержки на 13 вместе с запоминанием начинать отсчет времени 1СЗ — 13, по истечении которого подается сигнал на отключение ВЛ. Неравенство IР 1>>1СР может выполняться при самозапуске электродвигателей, питающихся от трансформаторов на ответвлениях ВЛ, при подключении и отключении нагрузки, при коммутациях в сети, связанных с отключением параллельных связей, и при качаниях на транзитных линиях (при коротких периодах качаний векторы токов на текущий момент и на 1П = 0,1 с ранее, как и при самозапуске, могут существенно отличаться). Чтобы исключить отключение ВЛ, во всех этих случаях используем блокировку (РМ) по направлению мощности обратной последовательности, которая остановит набор выдержки времени 1СЗ. Она предотвращает отключение и при внешних двухфазных КЗ и от несимметрии, кратковременно возникающей в переходном режиме включения и отключения нагрузки. Все сказанное учтено в структурной схеме алгоритма защиты, представленной на рис. 2, где ветвь с АПВ и другие блокировки будут пояснены ниже. Поскольку 1СЗ >1 с, то токи, которые могли бы вызвать неправильное действие РМ при переходных процессах, затухают еще до истечения 1СЗ. Запуск и останов реле времени (после возврата РМ) обычно показываются с помощью меток. На рис. 2, чтобы не загромождать чертеж, эта его часть упрощена.

Если произошло КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора на ответвлении ВЛ, то срабатывает его защита. Еще до отключения трансформа-

тора, в соответствии со своим предназначением, от КЗ запускается ИО рассматриваемой резервной защиты ВЛ. Из-за запоминания запуска ИО и срабатывания РМ продолжается отсчет времени 1СЗ — 1Т. По требованиям селективности 1 СЗ>1Т, где 1Т — наибольшее из времен действия резервных зашит трансформаторов, подключенных к ВЛ. Как правило, ступень селективности А12 = 0,5 с, то есть 1СЗ — 1Т = 0,5 с. После отключения ВЛ прекращается отсчет времени 1СЗ — 1Т. Если при КЗ в трансформаторе откажет его защита, то защита ВЛ доработает (РМ разрешает) и отключит ВЛ. Если при удаленном КЗ на линии, отходящей от шин низшего напряжения трансформатора, ИО сработает, то после ее отключения от ее защиты к моменту, когда 1СЗ — 13 могло бы быть набрано, РМ уже разомкнет цепь набора, так как симметрия восстановится (1 с для этого вполне достаточно). Кроме блокировки с РМ, вводится еще блокировка по наличию второй гармоники (как в дифференциальных защитах), которая появляется при бросках тока намагничивания силового трансформатора, когда он включается. Это предотвращает срабатывание ИО, когда ток в одной из фаз оказывается значительно больше, чем в других. Времени

13 = 0,05 с (рис. 2), после которого происходит запоминание действия ИО, вполне достаточно для распознавания броска.

Обеспечение правильной работы защиты при АПВ. Чтобы обеспечить срабатывание ИО при включении защищаемой ВЛ от УАПВ на устойчивое двухфазное КЗ за трансформатором, нельзя после АПВ сохранить интервал вычисления разности 1П = 0,1 с, в связи с тем, что защита начинает работать через 11 = 0,15 с после включения выключателей, ток КЗ уже устанавливается и близок или равен току КЗ через 1П = 0,1 с. Необходимо сравнивать значение тока через время ^ + 1ВКЛ после сигнала о срабатывании АПВ с током, протекающим в фазах за время

14 = 11 + 1ВКЛ+1АПВ+1П + 12 до этого момента, т.е. нужна память на 14. Сигнал о срабатывании устройства АПВ необходимо запомнить на время 15 = 1ВКЛ+11+13 +А1, чтобы обеспечить ввод данных о токах в фазах после АПВ и дальнейшую работу защиты (на рис. 2 —

Рис. 2. Структурная схема алгоритма функционирования защиты

«память на 15»). Если КЗ за трансформатором неустойчивое, то после действия АПВ через 14, составляющее несколько секунд, и вдобавок после КЗ, ток 1Р1 или 1Р2, 1Р3, вычисляемый по ветви с АПВ (рис. 2), так же как и по ветви «память на 1П», может превысить уставку. Но РМ блокирует защиту (оно отстроено от несимметрии в рабочих режимах). РМ запрещает действие и при успешном трехфазном и однофазном АПВ (ОАПВ) линии, когда после АПВ несимметричное КЗ на ней устранилось. Ветви алгоритма (рис. 2) от «память на 1П» и «память на 15» разделены, так как их объединение могло бы привести после АПВ к наложению токов, которые запоминались до АПВ и после АПВ и за 1П до окончания отчета времени 15.

При неуспешном ОАПВ рассматриваемой линии при КЗ на ней, когда основная защита отключает

поврежденную фазу во второй раз, она (как и в первый раз) возвращается в исходное положение по факту отключения выключателя этой фазы. Линия переходит на работу двумя фазами, а предлагаемая защита выводится из работы с помощью РПВ до тех пор, пока не будет включен отключенный выключатель. Если линия транзитная, то после неуспешного ОАПВ и работы двумя фазами при включении третьей оперативным персоналом возможно запаздывание включения выключателей с ее противоположной стороны более чем на 1СЗ, и защита срабатывает (РМ разрешает). То же самое может произойти и при неуспешных ОАПВ линий, отходящих от шин противоположной ВЛ подстанции, и смежных с ними, так как РМ предотвращает отключение ВЛ только при их трехфазном АПВ или успешном ОАПВ. Чтобы предотвратить эти ложные срабатывания необ-

ходимо блокировать действие защиты по сигналам Б1, Б2, Б3 и Б4, сформированным из сигналов ПА, ПВ, ПС от реле РПВА, РПВВ, РПВС выключателей фаз А, В, С соответствующих линий по формуле, записанной в символах алгебры логики, например для защищаемой линии сигнал

Б1 = ПаПвПс + ПвПаПс + ПсПаПв ,

где сигналы ПА, ПВ, ПС принимают значение логической 1 (0), если фазы А, В, С включены (отключены); сигнал Б1 принимает значение 1, если один из выключателей противоположной стороны ВЛ отключен, и значение 0, если все выключатели там включены или отключены. Защита срабатывает, если нет запрещающих сигналов Б1, или Б2, или Б3, или Б4 от РПВ выключателей линий отходящих от шин с противоположной стороны ВЛ. Б1 препятствует ложному отключению ВЛ и при включении ее в транзит, когда возникает несимметрия из-за неодновременного включения выключателей с противоположной стороны. После исчезновения несимметрии это делает РМ. Заметим, что сигналы Б2, Б3, Б4 должны быть получены с обоих концов соответствующих линий, как и сигналы с параллельной транзитной линии.

Выводы. Рассмотренные блокировки обеспечивают правильную работу резервной защиты линии с измерительным органом, способным выявлять любые двухфазные КЗ за трансформаторами ее ответвлений. Однако применение ее на линиях с двухсторонним питанием напряжением 220 кВ и выше затрудняется из-за необходимости передачи сигналов от линий, отходящих от шин противоположной подстанции при их ОАПВ. Реализацию защиты следует осуществлять на микропроцессорах.

Библиографический список

1. Рубинчик, В. А. Резервирование отключения коротких замыканий в электрических сетях / В. А. Рубинчик. — М. : Энергоатомиздат, 1985. — 120 с.

2. Богдан, А. В. Адаптивная резервная токовая защита тупиковых линий с ответвлениями / А. В. Богдан, М. Я. Клецель, К. И. Никитин // Электричество. - 1991. - № 2. - С. 61-64.

3. Клецель, М. Я. Резервная защита линий, реагирующая на разность модулей токов фаз и их приращения / М. Я. Кле-цель, К. И. Никитин // Электричество. - 1993. - № 10. -С. 23-26.

4. Нагай, В. И. Релейная защита дальнего резервирования трансформаторов на ответвлениях ВЛ / В. И. Нагай // Энергетик. - 2001. № 3. С. 28-29.

5. Никитин, К. И. Защита линий, выявляющая короткие замыкания за маломощными трансформаторами ее ответвлений / К. И. Никитин, Н. М Зайцева, М. Я. Клецель, О. А. Сидоров // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины итехнологии. - 2012. - № 2 (110). С. 209-211.

НИКИТИН Константин Иванович, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой теоретической и общей электротехники Омского государственного технического университета. КЛЕЦЕЛЬ Марк Яковлевич, доктор технических наук, профессор (Казахстан, Россия), профессор кафедры электроэнергетических систем Научного исследовательского Томского политехнического университета.

ТАРОНОВ Константин Сергеевич, аспирант кафедры электроэнергетики Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова. Адрес для переписки: nki@ngs.ru

Книжная полка

Андреева, Е. Г. Машины постоянного тока : учеб. пособие / Е. Г. Андреева, Н. С. Морозова. -Омск : ОмГТУ, 2015. - 78 c. - ISBN 978-5-8149-1939-7.

Рассмотрены вопросы, связанные с назначением, конструкцией, принципами работы, основными характеристиками и эксплуатационными свойствами машин постоянного тока как общего, так и специального назначения. Материал пособия относится к одному из разделов дисциплины «Электрические машины». Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140400 «Электроэнергетика и электротехника», а также может быть полезно специалистам энергетических специальностей.

Андреева, Е. Г. Синхронные машины : учеб. пособие / Е. Г. Андреева, Н. С. Морозова. - Омск : ОмГТУ, 2015. - 58 с. - ISBN 978-5-8149-1936-6.

Рассмотрены вопросы, связанные с назначением, конструкцией, принципами работы и основными характеристиками синхронных машин как общего, так и специального назначения. Материал пособия относится к одному из разделов дисциплины «Электрические машины». Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140400 «Электроэнергетика и электротехника», а также может быть полезно специалистам энергетических специальностей.

Белоглазов, В. П. Автоматизация теплоэнергетических установок : конспект лекций / В. П. Бе-логлазов. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).

В конспекте лекций кратко рассмотрены вопросы, связанные с автоматическим регулированием объектов теплоэнергетики. Предназначен для студентов дневной, дистанционной и заочной форм обучения по специальностям 140101 «Тепловые электрические станции», 140104 «Промышленная теплоэнергетика», а также для магистрантов направления 140100.65 «Теплоэнергетика».

Текст научной работы на тему «Резервная токовая направленная защита с памятью для линий с ответвлениями»