CC BY
71
УДК 621.316.925 DOI 10.18635/2071-2219-2016-1-9-13
^ V V V
Разработка интеллектуальном релейной защиты в сочетании с быстродействующим автоматическим вводом резерва
Ю. А. Крюков,
Международный университет природы, общества и человека «Дубна», проректор по информатизации и инновационной деятельности,
кандидат технических наук
Е. Ф. Киров,
Международный университет природы, общества и человека «Дубна», магистр
О. Е. Наумов,
МПОТК «Технокомплект», ведущий инженер специального конструкторско-технического бюро,
кандидат технических наук
В. В. Иванов,
МПОТК «Технокомплект», ведущий инженер специального конструкторско-технического бюро, коммерческий директор, кандидат физико-математических наук
Актуальность работ в рассматриваемом направлении обусловлена некоторыми недостатками традиционных систем релейной защиты и автоматического ввода резерва, такими как проблема распознавания режимов замыкания на землю, неполное использование возможностей современного оборудования и высокая стоимость. Предложено применение в сетях 6-35 кВ дистанционных или дифференциальных защит, синтезированы алгоритмы защит и созданы их математические модели в среде Simulink MAT-LAB. Моделирование аварийных режимов работы подтверждает высокое быстродействие и чувствительность предложенных алгоритмов.
Ключевые слова: релейная защита, электрическая сеть, выключатель, автоматический ввод резерва.
Современная промышленность предъявляет повышенные требования к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения. В первую очередь это относится к предприятиям со сложным непрерывным технологическим процессом - химическим, металлургическим, предприятиям добычи и переработки нефти и газа и т. д. Для минимизации ущерба от таких нарушений, как короткие замыкания и однофазные замыкания на землю в электроустановках, выход из строя электрооборудования, отключение источников питания или линий электропередачи, сети оснащаются системами релейной защиты и автоматики (РЗА), которые распознают аварийные режимы и отключают поврежденное оборудование, а также производят автоматические переключения для восстановления электроснабжения. Традиционные устройства релейной защиты не всегда корректно распознают режимы замыканий на землю [1] и не способны полностью использовать возможности современного оборудования (цифровые датчики, микропроцессорные терминалы, системы сбора и обработки информации). Кроме того, архитектура системы РЗА в виде совокупности микропроцессорных терминалов защиты отдельных объектов, связанных между собой контрольными кабе-
лями, приводит к чрезмерно высокой стоимости системы [2, 3]. Исходя из этого актуальна разработка интеллектуальных устройств релейной защиты, которые имеют высокую чувствительность к аварийным режимам работы электрических сетей и меньшую стоимость за счет использования другой архитектуры системы РЗА.
Необходимым элементом РЗА на подстанциях, питающих двигательную нагрузку, является устройство быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР). Устройства автоматического ввода резерва обычного исполнения на подстанциях, содержащих высоковольтные двигатели, не обеспечивают их надежную и бесперебойную работу при провалах напряжения и перерывах питания из-за существенной выдержки времени. Известны случаи остановки электродвигателей и нарушения технологического процесса, вызванные чрезмерно длительным переключением на резервный источник [4-6]. Решение проблемы состоит во внедрении устройств БАВР на основе вакуумной коммутационной или тиристорной бесконтактной аппаратуры, которые позволяют избежать остановки вращающейся нагрузки, не допускают выпадения синхронных дви-
10
энЕаятБшзшюАшнтвтвшшшхРАНАщрудА
гателеи из синхронизма и снижают величину токов и моментов в течение переходного процесса, что благоприятно влияет на ресурс двигателей.
Существующие разработки БАВР [4, 5, 7-9] характеризуются высокой стоимостью или необходимостью установки значительного количества дополнительного силового оборудования, поэтому актуальной является задача создания относительно малогабаритного, дешевого и надежного устройства БАВР на основе отечественных компонентов.
Разработка интеллектуальной релейной защиты
Распределительные электрические сети, непосредственно питающие промышленных потребителей, как правило, имеют номинальное напряжение 6-35 кВ. В качестве основной защиты от коротких замыканий на таких напряжениях используются максимальные токовые защиты. Однако они имеют некоторые недостатки: необходимость введения дополнительных выдержек времени для обеспечения селективности и трудности настройки в активно-адаптивных электрических сетях, где потоки мощности в нормальном режиме могут изменяться в широких пределах и даже менять свое направление. В связи с этим предлагается вместо максимальной токовой защиты использовать другие виды РЗА, в частности дистанционную или дифференциальную токовую.
Дистанционные и дифференциальные защиты получили широкое распространение в электрических сетях 110-330 кВ, однако на более низких напряжениях их применение практически не рассматривалось из-за относительной сложности и дороговизны выполнения на прежней элементной базе. Использование цифровых датчиков тока и напряжения в совокупности с микропроцессорной платформой для обработки сигналов делает применение таких защит в сетях 6-35 кВ оправданным.
Исследования показывают, что подключение измерительных органов сопротивления, при которых сопротивления на их выходе будут пропорциональны расстояниям до каждого из мест замыканий, позволит выполнить пусковые органы релейной защиты с возможностью определения поврежденных линий, а также расстояний до каждого из мест повреждения [10]. Дифференциальные защиты обеспечивают абсолютную селективность и минимальное время срабатывания, что позволяет снизить объем повреждений оборудования. В рамках проводимых работ были синтезированы алгоритмы защит для основных элементов электрической сети (линии электропередачи, трансформаторы, электродвигатели, сборные шины и т. д.) и созданы математические модели в среде моделирования БтиНпк МАТЬАВ. Для оценки их эффективности производилось имитационное моделирование различных режимов работы электрической сети.
На рис. 1 для примера показан фрагмент БтиНпк-модели участка электрической сети с устройством релейной защиты линии электропередачи, а на рис. 2 - осциллограмма фазных токов
линии при возникновении в момент времени 0,05 с двухфазного короткого замыкания между фазами В и С. Как видно из рис. 2, полное время анализа аварийной ситуации и отключения поврежденной линии от источника питания составило всего 0,02 с, что свидетельствует о высоком быстродействии релейной защиты. Аналогичные исследования других математических моделей показали, что они обеспечивают высокое быстродействие и высокую чувствительность к различным аварийным режимам работы.
Осциллограф
т: 0(к!_0 Д_ои( "1 г
В_-п В-0и( С_п С-Ои п.
^Энергосистема Выключатель I
Выключатель 2 Нагрузка
Рис. 1. Фрагмент Simulink-моделн участка электрической сети с устройством релейной защиты
2000
1500
1000
-1000
-1500
-2000
Рис. 2. Осциллограмма фазных токов линии электропередачи при возникновении двухфазного короткого замыкания
Одним из наиболее распространенных аварийных режимов сетей с изолированной нейтралью является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ). Учитывая, что практически во всех случаях ОЗЗ в спектре тока и напряжения присутствуют высшие гармоники [11-13] (некоторые из них могут усиливаться за счет резонансных свойств линий электропередачи), в разрабатываемой системе РЗА предлагается идентификация ОЗЗ и определение его местонахождения в
КЗ
сети по результатам анализа высших гармоник в зависимостях тока и напряжения. Для подтверждения выводов теоретических исследований были созданы математические модели участков электрической сети с ОЗЗ и на их основе выполнено имитационное моделирование данного аварийного режима.
В качестве примера на рис. 3 представлена модель линии электропередачи с ОЗЗ, а на рис. 4 показан спектр высших гармоник напряжения при данном виде повреждения. Из рис. 4 следует, что ОЗЗ, сопровождающееся перемежающейся дугой, является источником высших гармоник в широком диапазоне (до 200-й включительно), причем гармоники с 15 по 70-ю имеют амплитуду, превышающую 0,5 % от уровня основной гармоники, чего достаточно для запуска алгоритмов защит от ОЗЗ. Результаты моделирования для различных конфигураций сети подтвердили, что анализ уровня высших гармоник позволяет однозначно указать поврежденный элемент электрической сети, а также в большинстве случаев определить расстояние до места повреждения.
A
Система
-f'
Трансформатор 1
и_1——. A a
-1 1— 1-Г* ---_г A*'
Линия 2 N V - с
Vabc iabc
b
° Осциллограф
ш
Таймер 1
Трехфазный Трансформатор 2 измеритель
Таймер 2
1
ш
Таймер 3
1
Рис. 3. Simulink-модель линии электропередачи с ОЗЗ
2,5
1,5
0,5
20
40
60
ыа '■■
100
120
............. . ■
140
Рис. 4. Спектр высших гармоник напряжения при ОЗЗ на линии электропередачи
Архитектура разрабатываемой интеллектуальной системы РЗА и БАВР будет схожа с архитектурой «цифровой подстанции» [14, 15]. Данные о режиме работы сети фиксируются измерительными трансформаторами тока и напряжения, оцифровываются и передаются в центральное устройство РЗА сети для обработки. Туда же передается информация о реальном положении коммутационных аппаратов, что дает возможность анализа топологии и режима электрической сети в реальном времени, а также адаптивной
настройки уставок РЗА в зависимости от текущей конфигурации сети. Совокупность алгоритмов защиты для всех объектов сети обрабатывается центральным процессорным устройством, которое в случае необходимости выдает команды на отключение выключателей поврежденных элементов и включение резервных источников питания. Использование стандартных протоколов обмена данными (МЭК 61850) позволяет использовать в данной системе накопленный опыт разработки других устройств РЗА [3, 8, 16] и при необходимости обеспечить ее взаимодействие с вышестоящими системами РЗА.
Разработка БАВР
Тиристорные БАВР, несмотря на высокое быстродействие и ограничение бросков тока и момента электродвигателей при восстановлении питания путем управления углом открытия тиристоров, имеют существенные недостатки: необходимость при установке на подстанциях двух-трех ячеек распределительного устройства (вместо одной для БАВР на основе вакуумных выключателей), ограниченная перегрузочная способность, высокая цена, необходимость усиленной защиты от коммутационных и грозовых перенапряжений [4, 5, 7, 17-18]. Реализация БАВР на основе серийных вакуумных выключателей не позволяет достичь требуемого быстродействия. Из анализа осциллограмм аварийных режимов установлено, что для гарантированного восстановления нормального режима работы двигательной нагрузки после провала напряжения длительность восстановления не должна превышать 30-40 мс. Между тем собственное время включения серийных вакуумных выключателей составляет минимум 50 мс. Учитывая, что для анализа режима и определения необходимости ввода резерва необходимо 10-20 мс, собственное время включения выключателей должно составлять порядка 20 мс. Следовательно, необходимо использование специальных быстродействующих выключателей. Такие аппараты имеются (например, VM1-T производства АВВ), однако их стоимость довольно высока.
Требуемым быстродействием будет обладать разрабатываемая в настоящее время конструкция БАВР на основе вакуумного выключателя со специальным быстродействующим приводом. Ее более низкая стоимость обеспечит определенные конкурентные преимущества на рынке электрооборудования. Дополнительным преимуществом станут небольшие габаритные размеры, что позволит встроить такой выключатель в любую ячейку распределительного устройства.
Система управления БАВР является частью общей системы РЗА электрической сети. Получение сведений о параметрах режима и их анализ производятся в реальном времени. В случае исчезновения или провала напряжения на рабочем источнике питания система РЗА подает команду на одновременное отключение рабочего источника и включение резервного, что дает дополнительное сокращение времени перерыва питания потребителей.
A
A
Линия 1
Ключ 2
Ключ 3
Ключ 1
2
0
0
юшШэ. иЬкцарзчиглм; ос ма s им РУДА
Конструкция быстродействующего привода представляет собой разновидность магнитного привода с защелкой. Наличие постоянного магнита позволяет надежно удерживать якорь в положениях «включено» и «отключено» без затрат электроэнергии, включение выключателя производится кратковременной подачей тока в соответствующую катушку.
В программе ELCUT была составлена модель привода выключателя, для которой выполнен ряд расчетов, позволивших оптимизировать геометрию привода и основные конструктивные параметры (материал магнитопровода, сечение провода и количество витков обмотки). Критерием оптимизации являлось достижение минимального времени срабатывания привода. Достигнутая на сегодняшний день величина времени срабатывания 15 мс является приемлемой для реализации БАВР. Следующие этапы работы предполагают создание физической модели выключателя с быстродействующим приводом и ее испытание.
Разрабатываемая система интеллектуальной релейной защиты и БАВР призвана обеспечить возможности анализа топологии и режима электрической сети в реальном времени и адаптивной настройки уставок релейной защиты и автоматики в зависимости от текущей конфигурации сети. Математические модели релейной защиты в программе БтиНпк МАТЬАВ подтвердили высокую чувствительность и быстродействие алгоритмов защиты. Моделирование привода БАВР показало, что время срабатывания составляет 15 мс, чего вполне достаточно для реализации эффективного быстродействующего автоматического ввода резерва.
Статья подготовлена в рамках выполнения второго этапа прикладных научных исследований по Соглашению о предоставлении субсидии № 14.607.21.0078 при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор ПНИ (проекта) RFMEFI60714X0078.
Литература
1. Горюнов В. А. Исследования и разработка алгоритмов микропроцессорной защиты от однофазных замыканий на землю с учетом электромагнитной совместимости: Дис. канд. техн. наук. -Новосибирск: НГТУ, 2011.
2. Гуревич В. И. Технический прогресс в релейной защите. Опасные тенденции развития РЗА / / Новости электротехники. - 2011. - № 5 (71). - С. 38-40.
3. Волошин И. М. Проблемы подстанций «нового поколения» / / Релейная защита и автоматизация. -2011. - № 3. - С. 38-40.
4. Никулов И., Жуков В., Пупин В. Комплекс БАВР. Быстродействие повышает надежность электроснабжения / / Новости электротехники. - 2012. - № 4 (76). - С. 2-4.
5. Аптекарь Д. И., Муратбакеев Э. Х. Управление аварийной ситуацией для снижения потерь при добыче нефти / / Нефтяное хозяйство. - 2010. - № 5. - С. 124-126.
6. Парфенов А. В., Чухарева Н. В., Громаков Е. И., Тихонова Т. В. Определение факторов аварийности газоперекачивающих агрегатов на примере эксплуатации компрессорных станций Западно-Сибирского региона / / Нефтегазовое дело. - 2013. - № 3. - С. 374-385.
7. Сивков А. А., Сайгаш А. С., Климова Г. Н. Использование сверхбыстродействующих взрывных коммутационных аппаратов для повышения надежности функционирования систем электроснабжения / / Фундаментальные исследования. - 2013. - № 4. - Ч. 2. - С. 328-334.
8. Nair N. K. C., Jenkins D. L. P. IEC 61850 Enabled automatic bus transfer scheme for primary distribution substations / / IEEE Transactions on Smart Grid. - 2013. - Vol. 4. - Issue 4. - Pp. 1821-1828.
9. Yalla M. V. V. S. Design of a high-speed motor bus transfer system / / IEEE Transactions on Industry Applications. - 2010. - Vol. 46. - Issue 2. - Pp. 612-619.
10. Хакимзянов Э. Ф., Мустафин Р. Г., Исаков Р. Г. Измерительный орган сопротивления, выявляющий двойное замыкание на землю в распределительных сетях 6-35 кВ / / Релейная защита и автоматизация. -2014. - № 3 (16). - С. 29-35.
11. Шалин А. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Влияние электрической дуги на направленные защиты / / Новости электротехники. - 2006. - № 1 (37).
12. Bernardi G. A. F., de Carvalho F. J. M. High-resistance neutral grounding in industrial systems and the ground fault protection / / Proc. of Brazilian Power Electronics Conference (COBEP) 2013. - Pp. 1276-1282.
13. Lehtonen M., Siirto O., Abdel-Fattah M. F. Simple fault path indication techniques for earth faults / / Proc. of Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ) 2014. - P. 371-378.
14. Алексинский С. О. Варианты архитектурных решений системы релейной защиты и автоматики «цифровой подстанции» 110-220 кВ / / Вестник ИГЭУ. - 2011. - Вып. 1. - С. 42-47.
15. Горелик Т. Г., Кириенко О. В. Автоматизация энергообъектов с использованием технологии «цифровая подстанция» / / Энергоэксперт. - 2011. - № 4. - С. 16-18.
16. Ransom D. L., Chelmecki C. Using GOOSE messages in a main-tie-main scheme / / IEEE Transactions on Industry Applications. - 2014. - Vol. 50. - Issue 1. - Pp. 17-24.
17. Баширов М. Г., Кузнецов А. С., Саблин С. А. Анализ параметров и характеристик при выборе устройств быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР) для систем электроснабжения предприятий нефтегазовой отрасли / / Нефтегазовое дело. - 2013. - № 4. - С. 1-10.
18. Cramond J. S., Carreras A., Duong V. G. Protections to consider with automatic bus transfer scheme / / Proc. of 66th Annual Conference for Protective Relay Engineers. - 2013. - Pp. 11-23.
An intelligent power protection relay combined with fast bus transfer
Yu. A. Kryukov,
Dubna International University, vice chancellor for informatization and innovation, PhD
E. F. Kirov,
Dubna International University
O. E. Naumov,
Special engineering and design bureau "Technokomplekt", lead engineer, PhD
V. V. Ivanov,
Special engineering and design bureau "Technokomplekt", CEO, PhD
This research field requires more attention due to some disadvantages of common relay protection and fast bus transfer systems. The mentioned disadvantages include inadequate short circuit detection, a lack of emerging equipment usage, and high price. The authors have suggested distance and differential protection in application to 6-35 kV network and created Simulink MATLAB models for distance and differential protection. Mathematical modeling confirms high speed and efficiency of suggested algorithms' operation.
Keywords: relay protection, electrical network, circuit breaker, fast bus transfer.
