CC BY
120
УДК 621.316.925
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ 110-220 КВ
И.Ю. ИВАНОВ
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ
Рассматриваются недостатки дифференциальной защиты линий электропередачи. Предлагаются меры для устранения этих недостатков. Описывается алгоритм работы защиты, разработанный для микропроцессорного устройства дифференциальной защиты линий напряжением 110-220 кВ.
Ключевые слова: дифференциальная защита линии, насыщение трансформаторов тока, переходный режим, дифференциально-фазная защита, моделирование энергосистемы.
В настоящее время для реализации быстродействующей защиты линий электропередачи (ЛЭП) 110-220 кВ с абсолютной селективностью всё чаще находит применение дифференциальная защита линии (ДЗЛ).
Несмотря на то, что дифференциальный принцип известен ещё с начала 20-го века, в нашей стране защита на данном принципе получила широкое применение только для защиты сосредоточенных объектов (генераторы, трансформаторы, сборные шины, электродвигатели и так далее). В середине прошлого века дифференциальные защиты кабельных и воздушных линий электропередач начали внедряться в практику, но область их применения была ограничена протяженностью линии электропередачи, так как информацию об измеряемых токах требуется передавать на большие расстояния (на другие концы линии) для возможности их сравнения. При использовании контрольных проводов (витой пары) информация об измеряемых токах может быть передана на расстояние ориентировочно до 25 км [1]. За счёт современных технологий, волоконно-оптических линий связи появилась возможность реализовать защиту протяженных линий, длина которых может превышать сотни километров.
В связи с этим, можно сказать, что в настоящий момент ДЗЛ обрела «второе дыхание». Однако, несмотря на кажущуюся новизну защиты, стоит отметить, что данная защита имеет все те же недостатки, которые присущи всем дифференциальным защитам.
Как известно, в дифференциальных защитах рабочий сигнал образуется посредством выделения дифференциального тока, то есть геометрической суммы векторов тока, замеренных на границах зоны защиты, и сравнения его с постоянной величиной - током срабатывания [2, 3]. Для отстройки от внешних коротких замыканий (КЗ) в ДЗЛ применяется торможение. В этом случае дифференциальный ток сравнивается с током срабатывания, величина которого зависит от комбинации токов плеч (тормозного тока). Принцип торможения использует то обстоятельство, что все компоненты установившегося тока небаланса пропорциональны величине тока внешнего КЗ. Согласно этому обстоятельству торможение придаёт защите свойство увеличивать ток срабатывания при увеличении тока внешнего КЗ [4].
К недостаткам ДЗЛ с торможением следует отнести тот факт, что тормозной сигнал, необходимый при неповреждённом защищаемом объекте, в режимах повреждения последнего всегда существует и может противодействовать © И.Ю. Иванов Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
152
срабатыванию защиты. В режиме внутреннего КЗ с многосторонним питанием токи от различных источников могут не совпадать по фазе. В таких случаях интенсивность рабочего сигнала в ДЗЛ снижается, а тормозной сигнал возрастает, уменьшая чувствительность, что может быть причиной несрабатывания защиты. При внутренних КЗ фазовый сдвиг между токами может быть достаточно большим с учётом разницы углов результирующих сопротивлений источников питания относительно места КЗ, влияния режима нагрузки и переходного сопротивления в месте КЗ [5].
Все существующие способы формирования тормозного сигнала имеют недостаток, заключающийся в снижении величины тормозного сигнала при насыщении трансформаторов тока (ТТ) защит в переходных процессах, то есть тогда, когда возрастает ток небаланса [4]. Физическая причина неудовлетворительных характеристик ДЗЛ с торможением во время переходных процессов заключается в их неприспособленности к работе в условиях резкого уменьшения вторичного тока, которые свойственны ТТ с преимущественно активной нагрузкой при насыщении. При переходном процессе, сопровождающемся большой апериодической слагающей, в периоде максимального намагничивания ТТ с активной нагрузкой, соизмеримой с предельной, его вторичный ток может существовать лишь в начальной части следования продолжительной полуволны первичного тока, когда этот ток весьма мал. Поэтому в большей части периода вторичный ток ТТ очень мал, что при внешнем КЗ приводит к увеличению дифференциального тока до величины тока КЗ и к снижению тормозного сигнала. То есть, при внешнем КЗ торможение оказывается слабым и действует лишь до момента срыва вторичного тока при насыщении, а в большей части периода интенсивность тормозного сигнала не выше, чем при внутреннем КЗ. В дифзащитах с торможением может использоваться усреднение тормозного сигнала за период. Но, так как при срыве вторичного тока он может быть ничтожно малым, этот способ совершенно недостаточен для обеспечения отстроенности. Кроме того, такой способ препятствует использованию быстродействующих реагирующих органов в защите, поскольку усреднение связано либо с применением фильтров (выделением постоянной слагающей, представляющей собой среднее значение сигнала за период), либо с непосредственным вычислением среднего значения по формулам. Практикуется также запоминание максимума тормозного сигнала. Но и этот метод может не дать заметного выигрыша в быстродействии при переходных процессах, так как насыщение ТТ при внешних КЗ может произойти намного раньше наступления максимума тока. Это вынуждает применять повышенные коэффициенты торможения, что приводит к загрублению защиты.
Аналитические исследования переходных процессов в ТТ, выполненные методом вспомогательных функций [6, 7], показали, что в случае чисто активного сопротивления нагрузки и сопротивления вторичной обмотки ТТ, ток в плече дифзащиты после насыщения ТТ снижается практически до нуля, а в последующих периодах (после первого насыщения) ТТ будет насыщаться в начальной части полуволны первичного тока. Интервалы идеальной трансформации при значительных постоянных времени затухания апериодической составляющей тока КЗ (0,2-0,3 с) могут снижаться до 1,5 - 2 мс с начала полуволны. По этой причине ДЗЛ не обеспечивает достаточного быстродействия при внутренних КЗ с большими токами и большой апериодической составляющей, приводящей к глубокому насыщению ТТ.
Таким образом, основная трудность в решении проблемы повышения устойчивости функционирования быстродействующих защит (в частности, ДЗЛ) заключается в противоречивости требований, предъявляемым к этим защитам. В настоящее время эти противоречия обусловлены недостаточным уровнем © Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
153
отстроенности от внешних КЗ в переходных процессах. Зачастую их отстроенность достигается за счёт уменьшения быстродействия и чувствительности.
Подробный анализ устойчивости функционирования быстродействующих защит основных элементов энергосистемы при внешних и внутренних КЗ показал, что во всех режимах, которые сопровождаются насыщением ТТ и существенным сдвигом по фазе токов плеч, более предпочтителен дифференциально-фазный принцип, в котором рабочий сигнал образуется посредством выделения длительности совпадения полуволн одинаковой полярности токов плеч, которая сравнивается с заданным временем, равным углу блокировки, отнесённым к угловой частоте тока [8]. Однако дифференциальный принцип без торможения обеспечивает более высокую чувствительность при малых сквозных токах, а дифференциальный принцип с торможением эффективен при отстройке от установившегося тока небаланса.
Для повышения эффективности функционирования ДЗЛ в данной работе используется сочетание названных принципов при разработке защиты, что позволяет использовать преимущества каждого в определённых диапазонах входных сигналов. Исходя из этого, принята характеристика срабатывания защиты, вид которой показан на рис. 1, где /диф - дифференциальный ток; /скв - сквозной ток КЗ; /од - начальный
порог срабатывания ДЗЛ; кт - коэффициент торможения.
I
диф
^скв1 1скв2
Рис. 1. Характеристика срабатывания предлагаемой ДЗЛ Из сравниваемых токов по концам линии 11...1п формируется
дифференциальных ток 1диф =Х I с абсолютным значением 1диф = 1| и тормозной ток 1торм, равный сумме абсолютных значений сравниваемых токов
1торм = 1|. Согласно виду принятой характеристики срабатывания защиты (рис. 1)
удобно связать тормозной ток со сквозным током.
При малых токах внутреннего КЗ, сопровождающихся фазовым сдвигом, ДЗЛ может отказать вследствие большого значения тормозного сигнала. Поэтому в предлагаемой ДЗЛ торможение начинается только при превышении сквозным током определённого порога /скв1 (наклонная часть характеристики на рисЙ^^
При сверхтоках (при превышении сквозным током определённого порога 1скв2), когда ДЗЛ не в состоянии обеспечить отстроенность от внешних КЗ и одновременно
© Проблемы энергетики, 2012, №1-2
154
од
скв
кт = О
быстродействие и чувствительность - при внутренних, используется принцип, который применяется в дифференциально-фазных защитах (ДФЗ) (вертикальная часть характеристики на рис.1), устойчивость функционирования которого значительно выше, чем ДЗЛ. Физической причиной преимущества принципа ДФЗ в отношении динамических характеристик является некритичность её по отношению к амплитуде тока небаланса. Кроме того, ДФЗ обладает более высоким уровнем отстроенности и в установившихся режимах внешних КЗ, так как способен корректно работать при значительно больших погрешностях ТТ, которые в таких режимах вызывают кратковременные импульсы тока небаланса. При их длительности на уровне формирования сигнала ДФЗ, меньшем времени блокировки, он нечувствителен к такому току небаланса.
В режиме ДФЗ защита контролирует превышение времени совпадения полуволн токов плеч одинаковой полярности (например, положительной) ?СОВП над временем блокировки ?блок. Время блокировки задаётся в зависимости от принятого угла блокирования действия защиты на отключения в, который в современных защитах ДФЗ регулируется в диапазоне ± (40-65)°. При чисто сквозных режимах ?совп =0, если пренебречь током небаланса. При внутренних КЗ и отсутствии фазового сдвига между токами плеч ?совп =10 мс.
Таким образом, условия срабатывания защиты в упрощённом виде описываются следующими соотношениями:
при Л-орм - 4кв1: -диф > -0д ; при ^скв1 < ^торм — -скв2 : ^диф > -0д + ^т ' ^торм ;
при -торм > -скв2 : ^совп > ^блок ;
Предлагаемые меры позволяют защите адаптироваться к особенностям работы ТТ и защищаемого объекта.
Следует отметить, что при реализации ДЗЛ на электромеханической элементной базе с проводным каналом связи уже предпринимались попытки использования сочетания принципов ДЗЛ-ДФЗ. Это достигалось применением промежуточных насыщающихся трансформаторов тока, которые при глубоком насыщении превращали защиту в сравнивающую не мгновенные токи плеч, а их фазы [1].
Однако реализация данных принципов на базе современных микропроцессорных защит с оптоволоконным каналом связи даёт следующие преимущества, по сравнению с указанной защитой на электромеханической элементной базой:
1) более высокая чувствительность защиты, благодаря возможности измерения тока в месте повреждения на каждом конце ВЛ;
2) точное определение повреждённых фаз, благодаря пофазному сравнению токов в современных ДЗЛ [9].
Для повышения устойчивости работы ДЗЛ во время переходных процессов в данной работе в алгоритме функционирования защиты дополнительно предлагается использовать вспомогательные признаки, свойственные режимам внутреннего или внешнего КЗ, в дополнение к традиционному принципу действия, основанному на вычислении дифференциального и тормозного токов. К вспомогательным признакам следует относить такие, которые проявляются в узком интервале периода промышленной частоты в идентифицируемом режиме и отсутствуют в других режимах.
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
155
К самым информативным и довольно простым в реализации вспомогательным признакам относятся следующие:
1) время совпадения полуволн токов одинаковой полярности ?совп при внутренних КЗ превышает время блокировки ?блок (принцип ДФЗ);
2) при внешних КЗ длительность интервала времени от момента появления дифференциального тока !диф до его максимума Аt1 меньше длительности от его
максимума до минимума А^, а при внутренних - наоборот;
3) при внешнем КЗ фронт волны тормозного тока опережает фронт волны дифференциального тока [3].
Второй и третий вспомогательные признаки основаны на различии свойств насыщенного и ненасыщенного ТТ и поэтому проявляются тем интенсивнее, чем больше изменяется магнитное состояние сердечника насыщенного ТТ за период. Следовательно, устойчивость проявления вспомогательных признаков повышается с ростом тока КЗ (при прочих равных условиях), а при малых токах КЗ устойчивость их проявления теряется. Устойчивость проявления также возрастает при том условии, если насыщается ТТ только одного плеча.
Оценка алгоритма действия защиты с контролем указанных вспомогательных признаков производится на основе математической модели электроэнергетической системы (ЭЭС), заданной с помощью программного обеспечения MATLAB. Реализованная модель ЭЭС показана на рис. 2.
Рис. 2. Модель ЭЭС для оценки алгоритма работы защиты
Силовая часть ЭЭС, выполненная с помощью блоков библиотеки SimPowerSystems приложения MATLAB, состоит из источников питания Source, понижающих трансформаторов Transformer, нагрузки Series RLC Load, выключателей Breaker, линии электропередачи Parameters Line, трансформаторов тока CT.
Для реализации алгоритма работы защиты используются стандартные блоки библиотеки Simulink приложения MATLAB, позволяющие реализовать различные математические и логические операции.
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
156
Важной функцией математической модели является возможность осциллографирования различных аналоговых и дискретных сигналов в различных режимах работы защищаемого объекта.
На рис. 3 показаны осциллограммы, необходимые для анализа алгоритма определения внутреннего КЗ по первому вспомогательному признаку, где !1(1), 12{0 -мгновенные значения токов плеч.
Рис. 3. Первый вспомогательный признак при внешних и внутренних КЗ
Алгоритм определения внутреннего КЗ следующий: при возникновении большого тока небаланса в дифференциальной цепи сначала выделяются положительные полуволны токов плеч 11+(1) и 12+(0, затем измеряется время совпадения положительных полуволн токов плеч 11+(1) и 12+(1) и сравнивается указанное время с заданным временем блокировки.
По осциллограммам видно, что при внешнем КЗ время совпадения является близким или равным нулю, при внутреннем же КЗ данное время является достаточно большой величиной (в районе 1о мс).
На рис. 4 представлены осциллограммы, необходимые для анализа алгоритма определения внешнего КЗ по второму вспомогательному признаку. Алгоритм работы данного блока направлен на решение обратной задачи, т.е. выявление внешнего КЗ. Для этого определяется момент наступления экстремумов дифференциального тока и сравниваются два интервала времени.
Осциллограммы, необходимые для анализа алгоритма определения внешнего КЗ по третьему вспомогательному признаку, изображены на рис. 5.
Структурная схема предлагаемой защиты (для одной фазы) показана на рис. 6, где 11,12 - вектора вторичных токов плеч.
Рассмотрим каждый блок в отдельности:
1) блок формирования дифференциального тока горизонтального и наклонного участка характеристики срабатывания:
11 + 12
для реализации
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
157
- используется традиционный способ формирования дифференциального тока посредством вычисления геометрической суммы токов плеч;
2) блок формирования тормозного тока |/[ | +1/21 для реализации наклонного
участка характеристики срабатывания:
- используется способ формирования тормозного тока посредством вычисления
суммы модулей токов плеч;
Рис. 4. Второй вспомогательный признак при внешних и внутренних КЗ
Рис. 5. Третий вспомогательный признак при внешних и внутренних КЗ
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
158
1торм - 1скв1 Для сравнения тормозного тока с заданно
Рис. 6. Структурная схема предлагаемой ДЗЛ
3) компаратор
величиной сквозного тока /скв1:
- в случае выполнения данного условия защита работает по принципу ДЗЛ без торможения;
й
4) компаратор /скв1 < I
торм — ^скв2 :
- в случае выполнения данного условия защита работает по принципу ДЗЛ с торможением;
5) компаратор /диф > + кт • 1торм для реализации принципа ДЗЛ:
- используется традиционный способ сравнения величины дифференциального тока с величиной ¡од + кт • 1торм, где /дд - заданный начальный ток срабатывания
ДЗЛ: кт - заданный коэффициент торможения (регулирует наклон характеристики срабатывания);
6) компаратор 1торм > 1скв2 для сравнения тормозного тока с заданной
величиной сквозного тока 1скв2 :
- в случае выполнения данного условия защита работает по принципу ДФЗ с использованием первого вспомогательного признака;
7) детектор насыщения для определения степени насыщения ТТ:
- в случае насыщения ТТ одного из плеч дополнительно ис^ользуЮ?Ёяй?орой и третий вспомогательные признаки. *
Заключение
Рассматриваемый алгоритм позволяет существенно повысить чувствительность, быстродействие и надёжность функционирования ДЗЛ благодаря применению более совершенного подхода обработки сигналов, учитывающего особенности работы ТТ и
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
159
Дете насьп
3 приз
2 приз
защищаемого объекта. Сочетание различных принципов действия защиты (дифференциальный, дифференциальный с торможением, дифференциально-фазный) позволяет использовать преимущества каждого принципа в различных диапазонах входных токов. Привлечение дополнительной информации в виде вспомогательных отличительных признаков позволяет повысить устойчивость работы защиты во время насыщения ТТ, т.к. традиционные признаки КЗ (дифференциальный, тормозной токи) недостаточно устойчивы именно в условиях экстремальных переходных процессов. Вспомогательные признаки обладают существенными преимуществами перед традиционными, главным образом, в условиях переходного процесса, так как они позволяют идентифицировать режим за несколько миллисекунд.
Summary
This paper describes deficiencies of line differential protection. Made proposals to remove these deficiencies. The paper contains description of protection algorithm designed for microprocessor-based line differential protection voltage of110-220 kV.
Key words: line differential protection, saturation of current transformers, transient conditions, phase-comparison protection, power system simulation tools.
Литература
1. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1984.
2. Атабеков Г.И. Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957.
3. Циглер Г. Цифровая дифференциальная защита. Принципы и область применения. М.: Знак,
2008.
4. Ульяницкий Е.М. и др. К вопросу выполнения торможения дифференциальных реле // Известия вузов. Электромеханика. 1974. № 1. С. 204-210.
5. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007.
6. Багинский Л.В. Взаимодействие трансформаторов тока в трёхфазных группах в переходных процессах при глубоких насыщениях // Электричество. 2000. № 3. С. 24-33.
7. Багинский Л.В. Переходные процессы в однофазной дифференциальной группе трансформаторов тока при глубоких насыщениях // Электричество. 1984. № 12. С. 11-16.
8. Багинский Л.В. К выбору принципа работы быстродействующей защиты основных элементов электрических станций и подстанций // Электрические станции. 1978. № 5. С. 41-45.
9. Дони А.Н., Дони Н.А. Особенности продольной дифференциальной защиты линии с цифровыми каналами связи между полукомплектами / Материалы конференции «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». 2009. С. 192-197.
Поступила в редакцию 18 мая 2011 г.
Иванов Игорь Юрьевич - аспирант кафедры электрооборудования Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ). Тел.: 8-917-2866035. E-mail: [email protected].
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
160
