CC BY
51
Энергетика и электротехника
УДК 621.316.925
М.Г. Попов
СИСТЕМА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ УПРАВЛЯЕМОЙ МЕЖСИСТЕМНОЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Особенности повреждений управляемой электропередачи с фазоповоротным трансформатором
Конструктивно фазоповоротный трансформатор (ФПТ) или комплекс состоит из автотрансформатора (AT) и вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) с электромеханическими переключателями для регулирования коэффициентов трансформации. Регулируемая вторичная обмотка (Р02) ВДТ, а также регулируемая (Р01) и общая (00) обмотки AT образуют последовательную схему суммирования (рис. 1). Номинальная мощность ФПТ составляет 5ном = = 400 МВА При этом номинальная мощность AT ^ном = 3*167 МВА. Номинальная мощность ВДТ составляет ^номвдт = 400 МВА, а его типовая мощность 5типцдТ = 146 МВА. Диапазон регулирования коэффициентов трансформации AT А;вс, кси равен ±8*1,5 % (число ступеней регулирования равно 16). Диапазон регулирования коэффициента трансформации ВДТ А;вдт: 0—2, 17 (число ступеней регулирования равно 16).
Первичная схема соединения фазоповорот-ного трансформатора, приведенная на рис. 1, позволяет исследовать следующие особенности повреждений фазоповоротного трансформатора. Кроме широко известных повреждений, характерных для автономно работающих автотрансформатора и вольтодобавочного трансформатора, при их совместной работе опасными становятся замыкания, возникающие в дополнительных (компенсационных) обмотках. При решении общих вопросов построения системы релейной защиты ФПТ приходится считаться также с повреждениями их соединительных элементов (ошиновки AT и ВДТ).
В связи с особенностями конструкции и повреждений фазоповоротного комплекса возникла необходимость тщательного исследования его переходных режимов с целью научно-обоснованного формулирования требований к создаваемой оригинальной («нетиповой») системе контроля и защиты. Следует подчеркнуть актуальность разработки принципиально новых методов расчета основных дифференциальных защит отдельных трансформаторов фазо-поворотной группы.
Исследование различных повреждений обмоток фазоповоротного комплекса и его ошиновки осуществлялось с помощью специализированного программного обеспечения для расчета электромагнитных переходных процессов, разработанного в ГОУСПбГПУ'.При этом наиболее характерными повреждениями (с точки зрения формулирования особых требований к РЗА) являются замыкания на землю в цепи ВО вольтодобавочного трансформатора (см. осциллограммы и комплексные величины сигналов тока, напряжения на рис. 2,3).
Необходимо подчеркнуть, что при имеющемся подключении ВДТ (питание обмотки возбуждения со стороны НН автотрансформатора) его дифференциальная защита нечувствительна к замыканиям на землю со стороны возбуждающей обмотки при нулевом положении избирателя отпаек регулировочной обмотки.
Однако при ненулевом положении переключателя витков РО ВДТ этот вид повреждения воспринимается как короткое замыкание (см. рис. 2).
1 Автор разработки — аспирант кафедры «Электрические системы и сети» Р.Н. Николаев (научный руководитель — профессор ГА. Евдокунин).
Рис. 1. Схема электрических соединений обмоток фазоповоротного трансформатора
ПО — последовательная обмотка АТ; 00 — обшая обмотка АТ; Р01, Р02 — регулировочные обмотки соответственно АТ и ВДТ; К01, К02 — компенсационные обмотки соответственно АТ и ВДТ; ВО — возбуждающая обмотка ВДТ
'Ф во Ф111 • ° 1 20000 -
ил
■¿4
■ Ц-
■ч,
•Ц-
Вектор Модуль Фаза Вектор Модуль Фаза
и 19011.479 90.569396 113 4566,938 -53,95742
иь 20930.928 -63.94255 иь 11256,15 -71,25718
и: 1244.7752 113.49117 9116,843 -66,81492
и,+иь+ и> 8615,4966 9,0067717 и,+иь+ и> 24792,03 -66,48113
Рис. 2. Режим установившегося однофазного замыкания на землю в цепи 38,5 кВ ФПТ
/ в
20000 -15000 10000 -5000 0
-5000 -10000 -15000 --20000 -25000 л
ил
■"ь тЦ-
г/,
'¿4
■ Ц-
Вектор Модуль Фаза Вектор Модуль Фаза
113 1700,482 64,963515 113 8650,055 -134,6067
¿4 14033,771 -60,15553 иь 12974,67 -97,43861
и 1705,8775 65,039282 и 13477,51 -119,0753
и,+иь+ Ц, 12389,393 -47,16524 и+иь+ и: 33961,96 -114,9083
Рис. 3. Режим установившегося двухфазного замыкания на землю в цепи 38,5 кВ ФПТ
Не вдаваясь в особенности расчета параметров срабатывания защит от отмеченных видов повреждений (основы изложены далее), здесь лишь укажем, что для устранения этого недостатка система защиты фазоповоротного трансформатора дополняется защитой от замыканий на землю в цепи низшего напряжения 38,5 кВ с контролем напряжения и тока нулевой последовательности.
Отметим одну из особенностей схемы ФПТ: при появлении многофазных коротких замыканий на участке между АТ и регулируемой вторичной обмоткой ВДТ к последней прикладывается напряжение 220 кВ со стороны сети среднего напряжения, что утяжеляет последствия таких повреждений. В частности, это вызывает значительные перенапряжения со стороны 38,5 кВ. Поэтому целесообразна дополнительная установка на стороне 38,5 кВ защиты от повышения напряжения, действующей на отключение ФПТ.
Общие требования к системе релейной защиты управляемой электропередачи с фазоповоротным трансформатором
Ввиду оригинальности конструкции фазоповоротного трансформатора необходимо по-новому оценить возникающие повреждения электроэнергетического оборудования и режимные особенности их протекания. В свете уже сказанного каждый элемент этого комплекса должен иметь собственные быстродействующие защиты от внутренних повреждений и резервные защиты, которые в основном являются общими.
При организации системы РЗ фазоповоротного комплекса должна быть предусмотрены быстродействующие защиты следующих видов: продольные дифференциальные защиты ошиновки (ДЗО) высшего напряжения (ВН) 500 кВ, среднего напряжения (СН) 220 кВ и низшего напряжения (НН) 38,5 кВ;
продольная дифференциальная защита воль-тодобавочного трансформатора от повреждений его обмоток и на выводах;
газовая защита вольтодобавочного трансформатора от внутренних повреждений и от понижения уровня масла;
продольная дифференциальная защита автотрансформатора от повреждений его обмоток и на выводах;
газовая защита автотрансформатора от повреждений внутри кожуха и от понижения уровня масла.
Перечень резервных защит фазоповоротного комплекса включает в себя:
дистанционную защиту от междуфазных КЗ в сети 500 кВ, осуществляющую к тому же частичное резервирование основных защит автотрансформатора;
дистанционную защиту от междуфазных КЗ в сети 220 кВ, реализующую частичное резервирование основных защит автотрансформатора и вольтодобавочного трансформатора;
токовую защиту АТ с комбинированным пуском по напряжению от междуфазных КЗ, включенную со стороны ВН АТ;
токовую защиту от перегрузки АТ; токовую направленную защиту нулевой последовательности от КЗ на землю в сети 500 кВ, охватывающую ошиновку ВН АТ;
токовую направленную защиту нулевой последовательности от КЗ на землю в сети 220 кВ, охватывающую ошиновку СН АТ;
защиту с контролем напряжения и тока нулевой последовательности от замыканий на землю в цепях 38,5 кВ автотрансформатора, вольтодобавочного трансформатора и трансформатора собственных нужд.
В целом общая система релейной защиты фазоповоротного трансформатора представляет объединение указанных подсистем РЗА ошиновки, автотрансформатора и вольтодобавочного трансформатора. При этом наибольший интерес представляет методика расчета дифференциальной защиты [2] вольтодобавочного трансформатора в силу последовательного подключения в сеть среднего напряжения его регулировочной обмотки (рис. 4).
Более того, ввиду наличия шунтирующей вольтодобавочный трансформатор перемычки (см. рис. 4), входящей в ошиновку 220 кВ фазоповоротного трансформатора, выбор параметров срабатывания его защит и проверка чувствительности последних имеют особенности, поскольку должны распространяться на два характерных случая: автономную работу АТ при введении шунтирующей ВДТ перемычки и совместную работу АТ и ВДТ при разомкнутом положении разъединителя 0812 перемычки.
Естественно, что во втором случае может проявляться недостаточная чувствительность ряда защит электроустановок (автотрансформатор, ВДТ, ошиновка) фазоповоротного комплекса из-за некоторого снижения уровня токов внешних
Рис. 4. Подключение дифференциальной защиты ВДТ к трансформаторам тока
КЗ вследствие последовательно включенного сопротивления ВДТ. Для повышения их чувствительности в указанных схемно-режимных условиях предлагается использовать независимые группы уставок (такие возможности имеются практически у всех современных микропроцессорных защит).
Методика расчета дифференциальной защиты вольтодобавочного трансформатора управляемой электропередачи
Чувствительная дифференциальная токовая защита ВДТ (с торможением и блокировками по гармоническим составляющим тока включения) (ДЗТ-РТ) подключается к токовым цепям трансформаторов тока ТА 16, ТА 17 и ТА 18 (см. рис. 4), охватывая все обмотки вольтодобавочного трансформатора. Напомним, что методика выбора уставок дифференциальной защиты ВДТ [2] заключается в расчете значений начального тока срабатывания, коэффициентов торможения участков характеристики первой ступени и уставок блокировок по второй и пятой гармоническим составляющим, а также в определении тока срабатывания дифференциальной отсечки. Расчет коэффициентов торможения характеристики срабатывания дифференциальной защиты осуществляется применительно кусловиям отстройки от внешних коротких замыканий. Оценка чув-
ствительности ступеней дифференциальной защиты ВДТ выполняется для режима двухфазного короткого замыкания при минимальной загрузке электроэнергетической системы.
В целом методика расчета дифференциальной защиты ВДТ идентична методическим указаниям по выбору уставок дифференциальной защиты трехобмоточного трансформатора. Тем не менее в связи с неоднократно отмечавшейся особенностью последовательного включения регулировочной обмотки линейного регулировочного трансформатора в сеть 220 кВ расчетные выражения для определения тока небаланса (как будет показано далее) несколько видоизменены в соответствии с физическими представлениями.
Как известно, величина тока небаланса, контролируемая дифференциальной защитой, определяется неуравновешенностью токов отдельных ее плеч (стороны ВДТ):
^нб т =1нб во + ^нб ро >
где ^„бво < ^нбро — составляющие тока небаланса, обусловленные соответственно током ВО и РО, А.
Естественно, что значение отдельно взятой составляющей тока небаланса обусловлено погрешностью соответствующих трансформаторов тока и регулированием напряжений вольтодобавочного трансформатора и автотрансформатора.
Ввиду некоторой неопределенности учета знака отдельно взятых регулирующих эффектов по напряжению при несогласованном регулировании устройствами РПН указанных трансформаторов в разработанной автором методике используется понятие среднеквадратичного эквивалентного регулирующего эффекта напряжения:
где AtfB0, АUP0 — эквивалентные регулирующие эффекты по напряжению токов РО и ВО, о. е.;
9^вдт =0,5—^^--диапазон регулирования
^номРО
напряжения относительно среднего положения переключающих устройства ВДТ, приведенный А
вания напряжения AT относительно среднего положения его переключающего устройства, о. е.
Такой подход позволяет применить традиционный расчет составляющих тока небаланса с учетом изменения положения переключающих устройств фазоповоротного комплекса (АТ+ВДТ) в случаях регулирования напряжения при некотором загрублении чувствительного измерительного органа дифференциальной защиты. Составляющие тока небаланса, обусловленные током возбуждающей и регулировочной обмоток ВДТ, определяются по уравнениям
Ai6 ВО 2 (^nepr + 9 ^ВО ) ^ВО' ^нб РО 2 ( ^пер^одн r + 9 ^РО ) ^РО'
где кпср — коэффициент, учитывающий переходный процесс, о. е; е — относительное значение полной погрешности трансформаторов тока, o.e.; кот — коэффициент однотипности трансформаторов тока, о. е.
Учитывая, что в большинстве устройств микропроцессорных защит осуществляется программная компенсация фазового сдвига, обусловленного группой соединения обмоток ВДТ, величина суммарного тока небаланса находится как результат алгебраического сложения его составляющих:
Ai6£ = ^нбВО + ^нбРО' Применяя вышеописанную методику расчета параметров срабатывания дифференциальной
защиты ВДТ, можно определить величины дифференциального и тормозного токов [2]. Важно также отметить, что при крайних (1-м и 17-м) положениях переключающего ответвления Р02 устройства эквивалентные регулирующие эффекты по напряжению А^в0 и А£/Р0 определяются только внешним (по отношению к ВДТ) регулированием напряжения на автотрансформаторе. Как следствие этого в указанных схем-но-режимных условиях работы ФПТ дифференциальная защита с торможением обладает лучшей (большей) чувствительностью, поскольку ее параметры срабатывания 1*сзтт- ^горм! и &РОРМ2 имеют меньшие значения (по сравнению с расчетом для среднего положения РПН).
Особенности защиты от замыканий на землю управляемой электропередачи с фазоповоротным трансформатором
Ранее отмечалось, что данная защита относится к основным и предназначена действовать при повреждении изоляции относительно земли. В зону ее действия входят обмотка низкого напряжения АТ, компенсационная обмотка (КО), возбуждающая обмотка ВО ВДТ, соединенная в треугольник обмотка 38 кВ трансформатора собственных нужд (ТСН), соединительная ошиновка перечисленных элементов с коммутационными аппаратами (разъединители 089, 0809, 0813, 08013 и выключатель ТСН).
Важность защиты связана с тем, что практически все повреждения сопровождаются замыканиями на землю. Поэтому защита частично резервирует другие основные (дифференциальные) защиты ФПТ, предупреждая развитие аварий.
Защита контролирует напряжение нулевой последовательности, подаваемое с выводов разомкнутого треугольника первичного преобразователя напряжения ТУ1 (рис. 5). Как уже указывалось, особенностью схемы подключения ВДТ является то, что повреждения относительно земли в цепях с изолированной нейтралью воспринимаются со стороны Р02 ВДТ как однофазные короткие замыкания в зависимости от положения переключателя. Поэтому защита дополнительно должна осуществлять контроль тока нулевой последовательности в цепи с помощью включенного в нейтраль ВО ВДТ трансформатора тока ТА 22 (см. рис. 5).
Рис. 5. Схема подключения защиты от замыканий на землю ФПТ
Защита имеет два параметра срабатывания: Ц)сз, /0сз. Их расчет заключается в следующем. Ц)сз отстраивается от напряжения небаланса на выходе фильтра 31/0 ТУ1, что обусловлено возможным появлением напряжения нулевой последовательности с высокой и средней стороны АТ при однофазных и двухфазных с землей КЗ и наличием в напряжении ¿7НН составляющей тройной частоты 1/у:
где 3£/* 0 иб — величина напряжения небаланса, о. е.
Учитывая малые значения межобмоточной емкости АТ и составляющей бу, отстройка обеспечивается при 3¿7*0сз = 0,05—0,12. Однако напряжение нулевой последовательности 31/0 на выходе фильтра (с выводов обмотки "разомкнутого" треугольника) трансформатора напряжения обусловлено еще и путем его трансформации со стороны регулировочной обмотки (Р02) ВДТ при названных КЗ относительно земли на стороне ВН и СН автотрансформатора и ненулевом положении переключателя Р02 ВДТ
Для согласования действия защит от замыканий относительно земли необходимо отстроить их по времени срабатывания друг от друга, а также ввести взаимные блокировки по логическому входу Так, первые ступени токовой направленной защиты нулевой последовательнос-
ти (ТНЗ Н П) автотрансформатора блокируют по логическому (дискретному) входу описанную выше защиту от замыканий на землю со стороны НН АТ (контроль 3 Ц3), реализуя тем самым логическую селективность. В последней необходимо также предусмотреть выдержку времени Дгсз = 0,5—1,0 с. Кроме того, ток срабатывания /0сз отстраивается от тока небаланса в нейтрали ВО при внешних КЗ со стороны ВН и СН автотрансформатора:
где ЛМпб — относительное значение тока небаланса, контролируемое от трансформатора тока ТА 22 в нейтрали ВО ВДТ, о. е.
Междуфазные КЗ со стороны НН автотрансформатора (включая сюда ВДТ и трансформатор собственных нужд) устраняются дифференциальными защитами АТ и ошиновки низшего напряжения.
Опытно-промышленные испытания управляемой электропередачи
Опытно-промышленные испытания по включению первой на территории СНГ управляемой электропередачи 500 кВ Северный Казахстан — Актюбинская область с ФПТ (ПС 500 кВ Ульке) проводились в период с 26.01.2009 по 02.02.2009.
Включение фазоповоротного комплекса осуществлялось в два этапа: включение АТ в режиме холостого хода со стороны ВН 500 кВ (рис. 6, 7) и последующее включение ВДТ под нагрузку около 20 % со стороны СН 220 кВ (рис. 8). В процессе включения АТ в режиме холостого хода осциллографировался бросок тока намагничивания (см. рис. 6) и контролировался пуск этим током дифференциальной защиты (Усз тт = = 0,2 /ном).
Для подтверждения корректности выбора уставки органа блокировки дифференциальной защиты выполнен расчет тока торможения
(рис. 7) при броске намагничивающего тока автотрансформатора с интервалом усреднения 20 мс. Анализ полученных результатов показал достаточную чувствительность органа блокировки к броску тока намагничивания по второй гармонике с уставкой, равной 15 % (по отношению к основной гармонике). При этом уставка дифференциальной отсечки принималась 6,0 /ном.
В результате анализа осциллограмм установлено, что пиковое значение токов включения АТ составляет 2,263 кА (см. рис. 6), это отвечает кратности 3,91 (/ном = 578,51 А). Спектральный анализ сигналов фазных токов включения
-0.04 -0 02 000 0.02 0 04 0.06 0 08 0 10 0.12 0.14 0.16 0.18 ^с
Рис. 6. Осциллограмма включения AJ в режиме холостого хода - ТаTAI5 (500 кВ);--7¿TA15 (500 кВ);--ГДА15 (500 кВ)
-0,04 0 02 ООО 0 02 0.04 0 06 0 08 0.10 0 12 0 14 0 16 0 18 0 20 / ^
Рис. 7. Изменение токов торможения дифференциальной защиты АТ при его включении в режиме холостого хода
Т
Т,
b rest,"
т
о)
/, кЛ
-0-04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 1, С
-0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 Т, С
Рис. 8. Осциллограммы токов при включении ВДТ под нагрузку
(а — на стороне 500 кВ, б — на стороне 220 кВ) - ТаTAI5 (220 кВ);--7¿TA15 (220 кВ);--ГДА15 (220 кВ)
показал наличие второй гармонической составляющей (22—24 %), а также незначительный уровень (около 2 %) пятой и высших гармонических составляющих.
К основным результатам работы можно отнести следующее:
1. Выявлены особенности повреждений управляемой межсистемной электропередачи с фазоповоротным трансформатором в цепях его низшего напряжения 38,5 кВ.
2. Установлено, что дифференциальная защита нечувствительна к замыканиям на землю со стороны возбуждающей обмотки при нулевом
положении избирателя отпаек регулировочной обмотки. Для устранения этого недостатка система защиты фазоповоротного трансформатора должна быть дополнена защитой от замыканий на землю в цепи низшего напряжения 38,5 кВ с контролем напряжения и тока нулевой последовательности.
3. Предложена концепция создания системы релейной защиты фазоповоротного комплекса управляемой межсистемной электропередачи. Предложенный принцип построения системы защиты позволяет обеспечить необходимую чувствительность и селективность с учетом схемно-режимныхусловий ее работы.
4. Разработана качественно новая методика расчета параметров срабатывания дифференциальной защиты линейного регулировочного
трансформатора, подключаемого по схеме последовательного суммирования для управления мощностью межсистемной электропередачи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евдокунин, Г.А. и др. Фазоповоротный трансформатор. Впервые в СНГ применен в Казахстане [Текст] / Г.А. Евдокунин и др. // Новости электротехники. — 2008. — N96(48).
2. Ванин, В.К. Фазоповоротный трансформатор. Особенности релейной защиты [Текст] / В.К. Ванин, М.Г. Попов // Новости электротехники,- 2009. - № 2(56).
УДК 621.311.4
Н.В. Силин, Н.В. Коровкин, И.С. Шамкин
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ОРГАНИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Проводимая в России реорганизация системы диагностики состояния электротехнического оборудования подстанций и линий электропередачи предполагает совершенствование применяемых для этого технических средств, методологии, а также организационной структуры этой системы [1]. Действующие директивные документы не только разрешают, но и рекомендуют руководителям электроэнергетических предприятий организовать собственную систему эксплуатации электротехнического оборудования исходя из его состава, сроков и опыта эксплуатации с учетом условий работы в данном регионе и других индивидуальных факторов, присущих конкретному предприятию.
Организация эффективной эксплуатации электрооборудования должна базироваться на достоверной информации о причинах повреждений. Не выяснив действительную причину аварийных ситуаций оборудования, невозможно принять меры по их исключению в дальнейшем. В решении второго научно-практического семинара специалистов Сибири и Дальнего Востока по диагностике электрических установок (г. Красноярск, 2007) всем заинтересованным организациям рекомендовано продолжать как поиск эффективных форм организации диагностирования силового электрооборудования
с большим сроком службы, так и работы по совершенствованию методов анализа и оценки эффективности систем, методов и средств технического диагностирования.
Опыт эксплуатации и технического обслуживания высоковольтного электроэнергетического оборудования (ВВЭО) позволяет сделать вывод, что общей причиной повреждений служат нерасчетные эксплуатационные воздействия на оборудование, т. е. такие, на которые электрооборудование не было рассчитано при разработке и проектировании, либо такие воздействия, которые возникают в процессе изготовления, монтажа или эксплуатации оборудования и приводят к изменению расчетных характеристик [2].
Эффективная система диагностики ВВЭО должна [1]:
обеспечивать выявление дефектов на ранней стадии их появления, что предполагает получение информации о начале развития опасного дефекта за время, достаточное для принятия персоналом мер по его устранению (путем ремонта или замены);
выдавать информацию о степени опасности и месте нахождения дефекта;
проводить оценку технического состояния оборудования на основе критериев, имеющих детерминированную ценность;
