Обеспечение функций дальнего резервирования релейной защиты трансформаторов в условиях продольно-поперечной несимметрии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.925

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИЙ ДАЛЬНЕГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ В УСЛОВИЯХ ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОЙ НЕСИММЕТРИИ

© 2011 г. И.В. Нагай

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассматривается проблема распознавания коротких замыканий (КЗ) за маломощными трансформаторами ответвительных подстанций при существовании в сети неполнофазного режима, анализируется работа традиционных и адаптивных устройств релейной защиты.Одним из видов повреждения в электрических сетях и на электростанциях являются неполнофазные режимы, которые могут сопровождаться КЗ фазы на землю с одной или двух сторон обрыва или без КЗ (обрыв фазного провода без касания земли, недовключение фаз выключателя или других коммутационных аппаратов). Приводятся способы повышения чувствительности, в том числе с применением многопараметрического принципа, позволяющего на основании более широкой информационной базы анализировать сложные режимы работы электрической сети.

Ключевые слова: режимы множественной продольно-поперечной несимметрии; неполнофазный режим; информационные признаки; распознавание повреждений; резервные защиты.

The article deals with the problem of recognition of short-circuit (SC) for small transformers tapping substations in existence in the network single-phase regime, examines the work of traditional and adaptive relay protection. One type of damage in electrical networks and power plants are single-phase regimes, which may be accompanied by a short circuit phase to earth one or both sides interruption or without short circuit (phase wire break without touching the ground, -powering of one pole of a switching device of a feeding). This article describes ways to improve the sensitivity, including using the principle of multi-parameter, which allows on the basis of a broad knowledge base to analyze complex regimes of electric networks.

Keywords: regims of the direct and quadrature axis dissymmetry; open-phase regime; information features; fault detection; backup protection.

Актуальность обсуждаемой проблемы. Режимы множественной продольно-поперечной несимметрии (ППН), сопровождаемые разрывом фазных проводов воздушных линий (ВЛ) и одновременным коротким замыканием (КЗ) в сети с эффективно-заземленной нейтралью или замыканием на землю в сети с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью, в сетях с компенсацией емкостных токов, как правило, не сопровождаются возрастанием токов до уровней, сопоставимых с токами КЗ в электрических распределительных сетях напряжением 6 - 110 кВ.

Необходимо отметить, что в большинстве случаев релейные защиты (РЗ) дальнего резервирования ВЛ с ответвительными или проходными подстанциями, а в отдельных случаях и защиты ближнего резервирования не обладают достаточной чувствительностью к рассматриваемым режимам [1 - 3]. Подобные повреждения приводят не только к потерям энергии в электрических распределительных сетях, но и вызывают повреждения силовых трансформаторов из-за дли-

тельного протекания токов, превышающих их номинальные токи в 2 - 4 раза [1 - 5], электродвигателей, перенапряжения в незаземленных нейтралях силовых трансформаторов, повреждения измерительных трансформаторов напряжения, возможное излишнее действие РЗ на смежной параллельной линии [1 - 3]. Неполнофазный режим с разрывом фазы, в которой установлен короткозамыкатель и КЗ со стороны питаемой подстанции (трансформатора) является одним из тяжелых режимов с точки зрения обеспечения надежного отключения повреждения со стороны питающей подстанции, так как его включение под воздействием защиты трансформатора приводит к повышению тока не более чем на 5 - 10 %, что явно недостаточно для срабатывания защиты со стороны источника питания [1 - 5].

Обзор существующих решений. В настоящее время в распределительных электрических сетях 6 - 110 кВ отсутствует специальная защита от данных видов повреждения [1 - 3]. В сетях с эффективно-

заземленной нейтралью, являющихся объектом настоящего рассмотрения, основной защитой от данных видов повреждения является токовая (направленная) защита нулевой последовательности (ТЗНП), чувствительность которой, как правило, недостаточна. Ряд технических решений [1, 6, 7], имеющих более высокое техническое совершенство по сравнению с ТЗНП, позволяет решить проблему построения защиты от ППН, но, к сожалению, не получили широкого применения в рассматриваемых электрических сетях.

Определение области существования режимов ППН. Рассматриваемый подход в построении защиты от ППН показан на примере сети с радиальной ВЛ (рис. 1), питающей ответвительные подстанции, с

/850

параметрами: ZG1 = 32е Ом - сопротивление

.55О .550

системы G1; Z л1 = 5,5в] , Z л2 = 8г] Ом - сопротивления первого и второго участков магистральной

ВЛ; Z т1 = 225е

„о

Ом и Z т2, принимающее значение

от 556e;88 Ом до 87e;SS Ом - сопротивления трансформаторов ответвительных подстанций Т1 (мощность трансформатора составляла 10 МВА), Т2. Мощ-

ность трансформатора Т2 варьировалась от 2,5 до 16 МВА, а мощность нагрузки трансформаторов Т1, Т2 изменялась в диапазоне (10^100) % от их номинальной мощности, аргумент тока нагрузки Фнг =-(20 + 40)°, сопротивления ответвлений на порядок меньше сопротивлений магистральных участков ВЛ, и тем более трансформаторов, и поэтому в расчетах не учитывались. Переходное сопротивление в месте повреждения изменялось в диапазоне (0 - 20) % от сопротивления трансформатора.

Наихудшими с позиции чувствительности резервных защит являются следующие виды множественной продольно-поперечной несимметрии (таблица): обрыв (О1 - О3) и короткое замыкание на землю фазы (KY) А первого и второго участков ВЛ W1 и W2 с КЗ со стороны трансформатора Т1 (режим AY), обрыв фазы А и КЗ фаз AB (режим ABY), CA (режим CAY), обрыв фазы А и короткое замыкание (двухфазное и трехфазное) на стороне низшего напряжения (Кд) трансформатора Т1 с группой соединения обмоток «звезда-треугольник» фаз АВ (режим АВД), ВС (режим ВСА), СА (режим САД), АВС (режим АВСД).

Рис. 1. Поясняющая схема сети 110 кВ с ответвительными подстанциями

Режимы множественной ППН и соотношение контролируемых токов

Вид повреждения Контролируемые токи

О1 О2 О3 Ky Кд ^ay, i by, Icy, i2, Iq

+ - - - - Iay =0, 0,Икз< Iq< 0,3!кз

- + - - - Iay < Iby, Iay < Icy, 0,Икз< Iq< 0,34,

- - + - - IAY < IBY, IAY < ICY

й и - - + KAY - Iay < Iby, Icy > Iby, 0Д4< Iq< 0,34

- - + КABY - IAY < ICY, IBY > ICY, I0 > 0,34з

а й см - - + КАCY - IAY < ICY, IBY < ICY, I0 > 0,34з

- - + - KABA Iay < Iby, Iby > Icy, 0Д4< Iq< Q,3Iкз

- - + - KBCA Iay < Icy, Iby < Icy, 0Д4з< Iq< Q,3Iкз

- - + - KCAA Iay < Icy, Iby < Icy, 0Д4< Iq < 0,3IKi, I2 < 0Д4

- - + - KABCA Iay < Icy, Iby < Icy, 0Д4< Iq< 0,3IKi, I2 < 0,14=

I,

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

A Y

A B Y

CAY

A Вт

В С т

С А т

А В С т

Вид короткого замыкания при обрыве фазы А на стороне ВН

Рис. 2. Соотношение фазных токов и токов симметричных составляющих в различных

режимах множественной ППН

Первые три вида сложных повреждений являются развитием одного простого повреждения: падение оборвавшегося провода на землю, схлестывание (или пробой воздушной изоляции) оборвавшегося фазного провода с другим фазным проводом. Последние четыре режима могут возникать при работе ВЛ в неполно-фазном режиме, что практикуется в некоторых энергосистемах, недовключении одного из полюсов коммутационного аппарата питающей, ответвительной или проходной подстанций, обрыве фазного провода, например шлейфа на анкерной опоре и т.д. Короткие замыкания фаз В и С с одновременным разрывом фазы А, а также междуфазное КЗ исключены из этого списка ввиду значительных уровней токов и чувствительности РЗ питающей подстанции.

Расчетным режимом для оценки чувствительности резервной защиты трансформатора ответвительной подстанции является режим обрыва одной фазы и ее же короткое замыкание на землю со стороны питаемого трансформатора. Расчетные выражения для данного режима [5] с их упрощением для 2_ 1Ь = 72Ь приведены ниже. Токи соответствующих последовательностей слева от разрыва, в месте КЗ и справа от него соответственно Iау, 1ак, IаЬ могут быть определены

(а = 1, 2, 0 - номер симметричной составляющей, а именно прямой, обратной и нулевой последовательности):

1 А1к = Ес

^ Z1L ß j Z2L + Z1L P j Z0L ^

Z 2 Wj

Z 0 Wj

1 А1к = I А2к ; 1 А2к = I A0k ,

где 7 1 = 7 + 7 1Ь ; 7 2 = 7 2F + 7 2Ь ; 7 0 = 7 0F + 70Ь '

] - номер фазы А, В, С соответственно и Р1 = р1 = 1,

ß 2 = а 2 = ej 240°

P 2 = « = e j120°

ß3 =P2> P3 =ß2

7 = 7 + 7 + 7 7 = 7 + 7 + 7

—аF ^ —аDM ~-аМк' ¿^аЬ ¿^аКК ^ ±1ат1 ^ ±^аН '

7ас - сопротивление системы; 7аоМ , 7амк - сопротивления участков ВЛ слева и справа (до места КЗ) от места разрыва; 7аКК - сопротивление участка ВЛ от места КЗ до шин питаемой подстанции; 7ат1, 7ан -сопротивления трансформатора Т 1 и его нагрузки;

W1 = ÖZa-

(Z1L Z 0L )_ + (Z2L Z0L ) Z1

Z 0

ZZ

Q = 2 + I1; P =(Z2L — Z0L )2;

Z 0

W 2 = W 3 = QZa-

3Z + Zl2L + Zl Z0L + ZIl +(Z2L + Z2L Z0L + Z^ ) Z

) Z

Z 0

ZZ

p = p = Z 2 + Znr + Z ПГ

1 А1у = Ес

1 1

—+ —

Za

W,. ^ ^ W ,

Pj

1 А2 у =

V^2 —0 У Ii- j j

(p j Z2L — ß j Z0L ) 1 А1к — Z0 1 А1у

Z + Z

_2 —0

7А = 71Ь + 72Ь + 7 0Ь + 3Кп ,

где Кп - переходное сопротивление.

Возникновение несимметричного повреждения в сети вызывает появление симметричных составляющих и изменение фазных токов, их аргументов, что

получило отражение на рис. 2 (мощность трансформатора Т2 равна мощности трансформатора Т1, нейтраль трансформатора Т2 разземлена). При этом за базовый ток принят ток трехфазного КЗ /кз на стороне низшего напряжения трансформатора Т1. При этом ток трехфазного КЗ за данным трансформатором примерно в 10 раз превышает номинальный ток (напряжение короткого замыкания трансформатора равно и*к = 0,105 ). Фазные токи во всех случаях превышают номинальный ток защищаемого трансформатора, что еще раз подчеркивает недопустимость его длительной работы в режиме ППН не только при наличии повреждения на стороне низшего напряжения, но и при ППН в сети высшего напряжения.

Решение задачи исследования. В качестве пусковых органов для предлагаемой защиты могут использоваться органы тока симметричных составляющих: обратной и нулевой последовательностей с током срабатывания ¡*ср > kзkотс ¡*ном, если же его значение

1*ср < (0,05 + 0,1)1*сум, где 1*сум - максимальный ток

нагрузки питающей линии, то возможно использование измерительных органов приращения токов симметричных составляющих или фазных токов. Эффективным средством может быть использование измерительных органов относительного замера (рис. 3, а) токов симметричных составляющих (11/10 и 12 /10) и суммы и разности модулей фазных токов ((1В + 1С)/|(1В - 1С )|), где 1В, 1С - токи двух фаз с

наибольшими величинами (при обрыве фазы А данными фазами являются фазы В и С); за базовый ток в данном случае принят номинальный ток трансформатора. Данный вариант относительного замера подобен используемому в работе [8], но имеет свои отличия по определению областей аварийных режимов. При этом среднеквадратичное расстояние между областями токов симметричных составляющих и фазных токов превышает значение номинального тока защищаемого трансформатора, что позволяет обеспечить распознавание режимов множественной ППН и простых коротких замыканий. Задачей построения пусковых измерительных органов относительного замера является максимальное удаление областей 1 и 2 при одновременном уменьшении их площадей. Это может быть достигнуто за счет коррекции входных сигналов, как это показано на рис. 3, б.

Для оценки эффективности защиты дальнего резервирования важным является возможность распознавания ею режимов ППН с селекцией вида повреждения. При этом требуется использование минимального набора таких информационных признаков, которые позволят получить непересекающиеся области режимов множественной ППН. В Ж-мерном пространстве информационных признаков (в рассматриваемом случае токи симметричных составляющих, фазные токи и их аргументы) возможно сформировать вектор I = (11, 12,..., ¡Ж1, ф1, ф2.. .фЖ2), координаты которого характеризуют свойства защищаемого объекта [9].

ABY ABCA CAA

Область 2

BCa

AY

¿1=1.03

ABa BCa -

—AY-И-

ABCa _

CAY

Область 1

ABY CAa CAY

I1I0 SIbIc

-ABa-

1 2 I2/I0, Abs(Ib-Ic)/I0

ABY

ABCa CAa

Область 2

AY

BCa

¿1=1.27

Область 1

ABY

CAY

I1I0 SIbIcI1

ABa

BCa

AY | "aBa ' ■ BCAA ■ CAY

ABCa

0,0

0,5 1,0 1,5

I2+k4(Ib+Ic)/I0, Abs(Ib-Ic)/(I1+k2*I2+k3*I0)

б

2,0

Рис. 3. Области режимов множественной ППН для пусковых органов относительного замера токов симметричных составляющих и суммы и разности модулей фазных токов: а - без коррекции входных сигналов; б - с коррекцией входных сигналов

Для оценки меры близости или подобия между режимами в Ж-мерном пространстве информационных признаков правомерным будет использование

2 ж 2

евклидовой метрики С (у pk , V ql) = £ С. - ¡ф),

.=1

р, д = 1,2,..., п ; k = 1,2,..., kp ; I = 1,2,..., kq , где ¡^ -значения . -го признака k-го подрежима р -го класса, т.е режима V ^; I. - значения . -го признака

I -го подрежима д -го класса, т.е. режима уд1. Требуемый для распознавания результат может быть получен, если значение меры близости между режимами одного класса Т р стремится к минимальному

значению

SCFр)=

2 1 kp kp 2

гг^г5D (vpk' vpi)^™n

Kv Ko 1 к=11=1

4

3

= 2

0

0

3

а

5

4

3

2

0

а мера близости между режимами разных классов Т и Тд стремится к максимальному значению

1*2

RC* p, ^q) =

1 kp kq

kpkq к=1l =1

ЕЕD (vpk, vpi)^max

превышающему критическое значение, т.е. значение уставки применительно к релейной защите. Величина меры близости между распознаваемым режимом у и классом Т ,g = 1,2,..., п, заданными своими режи-

мами

{v,}: Z(v,{vg }) =

1 kg 2 — Е D (v, v g) определяет

kg g=1 g

среднеквадратичное расстояние между режимом v и режимом класса Тq. Повышение эффективности

системы распознавания, в данном случае релейной защиты, будет определяться получением экстремума

{vg } ).

Задача распознавания аварийных режимов в многомерном пространстве N может быть разбита на ряд подзадач с понижением размерности и в предельном случае распознаваемые области могут быть представлены рядом областей в двумерном пространстве, как это показано на рис. 4.

Области режимов ППН в двумерном пространстве токов обратной и нулевой последовательности представлена на рис. 4, а, из которого следует, что селекция видов повреждения практически невозможна, так как расстояние между режимами ВС А, ДВА и CAY, ABY соответственно не превышает 15 % от номинального тока защищаемого трансформатора. Среднеквадратичное расстояние между режимом трехфазного КЗ при обрыве фазы на стороне высшего напряжения и режимами двухфазного КЗ на стороне низшего напряжения не превышает 33 %, что также делает затруднительным распознавание рассматриваемых режимов. Особенно это проявляется при снижении мощности защищаемого трансформатора.

Использование двумерного пространства фазных токов (по величине двух больших токов из трех фазных токов) позволяет обеспечить селекцию режимов множественной продольно-поперечной несимметрии. При этом среднеквадратичные расстояния между любыми распознаваемыми режимами превышают значение 100 % от номинального тока защищаемого трансформатора. Выбор особой фазы в режиме ППН можно обеспечить с помощью избирателя поврежденной фазы, контролирующего фазные токи и напряжения, например при обрыве рассматриваемой фазы А происходит снижение тока данной фазы и повышение напряжения по отношению к другим фазам.

Полученные результаты могут быть также использованы при построении защит ближнего резервирования (ЗБР) трансформатора. При этом предлагается выполнение максимально-токовых защит с контролем фазных токов, а не их разности, что позволяет реализовать ЗБР с требуемой чувствительностью.

АБСА L7=0.33

БСА L8=0.13

k

AY

«

АБ а

L9=0.92

CAY

L10=0.13

CA А

• I

ABY

б

Рис. 4. Портреты режима продольно-поперечной несимметрии в плоскости «модуль - модуль» для симметричных составляющих (а) и для фазных токов (б)

Выводы

1. Для минимизации объема повреждений электрооборудования и его неселективного отключения в режимах множественной продольно-поперечной несимметрии на воздушных линиях с ответвительными подстанциями необходима установка специальной релейной защиты с повышенной распознаваемостью.

2. Максимальную токовую защиту трансформаторов ответвительных и проходных подстанций необходимо дополнить токовой защитой нулевой последовательности или выполнить ее в трехфазном исполнении с включением на фазные токи, что обеспечит требуе-

3

2

0

2

3

а

о

2

4

6

В

мую чувствительность к режимам множественной продольно-поперечной несимметрии.

3. Выполнение селекции режимов множественной продольно-поперечной несимметрии на радиальных линиях с ответвительными подстанциями на основе контроля модулей и аргументов фазных токов и токов симметричных составляющих (аварийных составляющих), их соотношений с формированием областей возможных аварийных режимов с учетом предшествующего нагрузочного режима позволяет реализовать адаптивную релейную защиту, параметры срабатывания которой (токи срабатывания и выдержки времени) зависят от параметров текущего и предшествующего режимов работы линии.

Литература

1. Нагай В.И., Маруда И.Ф., Нагай В.В. Резервирование релейной защиты и коммутационных аппаратов электрических распределительных сетей. Ростов н/Д, 2009. 316 с.

2. Маруда И.Ф. Релейная защита понижающих трансформаторов от коротких замыканий на линии при разрывах фаз // Электрические станции. 2003. № 2. С. 44 - 46.

3. Маруда И.Ф. Релейная защита линий 110-220 кВ при разрывах фаз // Электрические станции. 2002. № 1. С. 40 - 42.

4. Чернин А.Б. Вычисление электрических величин и поведение релейной защиты при неполнофазных режимах в электрических системах. М., 1963. 416 с.

5. Авербух А.М. Примеры расчетов неполнофазных режимов

и коротких замыканий. Л., 1979. 184 с.

6. Нагай И.В. Дальнее резервирование в сетях 6 - 110 кВ. Проблемы и решения // Новости электротехники. 2010. № 6(66). С. 28 - 30.

7. Нагай В.И., Нагай В.В., Нагай И.В. Адаптивные измерительные органы аварийных составляющих резервных защит электрических распределительных сетей // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., г. Москва, 7 - 10 сентября 2009/ Науч.-инж. инф. агентство. М., 2009, С. 134 - 140.

8. Устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y / К.И. Никитин [и др.]. Патент РФ на изобретение №2353039 РФ от 09.01.2008. Бюл. № 11 от 20.04.2009.

9. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания. М.: Высш. шк., 1984. 208 с.

Поступила в редакцию 8 июня 2011 г.

Нагай Иван Владимирович - аспирант, кафедра «Электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-91. E-mail: nagayiv@mail.ru

Nagay Ivan Vladimirovich - post-graduate student, department «Electrical Station», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-91. E-mail: nagayiv@mail.ru