ДАЛЬНЕЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ В РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ
Проблемы осуществления

Согласно отечественным нормативным документам, комплексы защит элементов сети должны обеспечивать полноценное ближнее резервирование, используя системы питания переменным током и напряжением, оперативным постоянным током, отключения выключателей поврежденного элемента и, при отказе хотя бы одного из них, смежных выключателей, обесточивающих места КЗ.
Наряду с этим, согласно ПУЭ, к защитам также предъявляется требование обеспечения дальнего резервирования, если его возможно осуществить. То есть наряду с выполнением полноценного ближнего резервирования, обладающего высоким быстродействием, необходимо рассмотреть и реализовать возможности обеспечения дальнего резервирования, которое, в силу рассредоточенности резервирующих объектов, обладает большей надежностью, чем система ближнего резервирования, и эффективно в экстремальных условиях.
Предлагаемая к обсуждению статья подготовлена старейшим и авторитетнейшим в России релейщиком – Сергеем Яковлевичем Петровым.

Сергей Петров, ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары

Владимир Нагай, д.т.н., профессор Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института):

– Статья одного из патриархов релейной защи- ты в России – Сергея Яковлевича Петрова посвя- щена достаточно актуальной проблеме дальнего резервирования в электрических сетях. Данная тема своевременна и рассматривается с позиции общего подхода к проблеме. Автор аргументированно доказывает, что решение гло- бальной задачи резервирования не может быть достигнуто только средствами ближнего или дальнего резервирования, а может быть получено в результате их сочетания.
При этом показано, что полностью отказаться от применения системы дальнего резервирования нерационально. В пользу этого свидетельствуют новые технические возможности современных микропроцессорных релейных защит, а также возможности реализации с их помощью новых алгоритмов функционирования. Автором, наряду с обсуждением и уточнением философии дальнего резервирования, предлагаются конкретные технические решения.
Статья может вызвать дискуссию по рассматриваемой проблеме и привлечь к ней внимание электротехнической общественности, что будет способствовать развитию теории и практики релейной защиты.
Дальнее резервирование в настоящее время обычно рассматривается как отдельная самостоятельная проблема. При этом ее решение органически связано с выбором как принципов, так и параметров срабатывания резервных защит, которые, согласно отечественной практике, определяются для всех ступеней резервных защит, в том числе и последних, по условию обеспечения абсолютного (по времени и чувствительности) согласования со ступенями защит смежных элементов.
Такое согласование обеспечивает селективное действие при отказе ступени по чувствительности, благодаря переходу КЗ в область действия следующей ступени, согласованной с соответствующей ступенью предыдущего элемента. Указанный способ при отказе по чувствительности ступени поврежденной линии заведомо исключает срабатывание ступени защиты смежной линии, что противоречит требованию дальнего резервирования. Вместе с тем он нашел широкое использование, чему способствуют имеющиеся компьютерные программы расчета защит.
Таким образом, использование способа абсолютного согласования, обеспечивая селективность, чувствительность и максимальное быстродействие резервных защит в режимах нормального функционирования системы ближнего резервирования, часто не позволяет удовлетворить требования дальнего резервирования, необходимого в экстремальных условиях. В результате реализация возможностей дальнего резервирования в работающей сети, как правило, обуславливает необходимость пересмотра существующих уставок и принципов согласования большого числа защит зачастую не только данного класса напряжения, что представляет большие трудности.
Сегодня следует учитывать, что невыполнение требований дальнего резервирования защитами конкретной подстанции требует усиления ближнего резервирования на других, возможно не соподчиненных, подстанциях.
Необходимо отметить, что критерии надежности, регламентирующие необходимую степень усиления ближнего резервирования, не разработаны и оно обычно сводится к установке дополнительных комплектов защит на смежных линиях, что заметно увеличивает затраты на аппаратуру и ее эксплуатацию.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

Эффективность функционирования дальнего резервирования оценивается при КЗ на удаленном конце смежного элемента, его отключении от защиты и отказе системы ближнего резервирования другого его конца. В рассматриваемом режиме допускается, согласно отечественным нормам, каскадное отключение ветвей. Если к поврежденному элементу подключено более одного присоединения, то возникает мешающий эффект присоединений (МЭП) – снижение токов и повышение напряжений всех ветвей (без учета нагрузки) при увеличении их числа.
Это обуславливает нежелательное снижение чувствительности токовых и особенно дистанционных защит и является основной причиной, препятствующей осуществлению дальнего резервирования. Следует отметить, что действие защиты и отключение ветви, снижая МЭП, способствует каскадному отключению остальных присоединений.
Если данный МЭП исключает действие защит всех ветвей, то представляется целесообразным в некоторых ветвях параметры срабатывания резервирующих ступеней выбрать по условию обеспечения чувствительности, образуя таким образом чувствительные звенья дальнего резервирования, отключение которых снижает МЭП до уровня, обеспечивающего каскадное отключение всех ветвей. Выбор чувствительных звеньев дальнего резервирования должен производиться с учетом необходимого снижения МЭП, и ими могут быть любые элементы объектов энергетики, в том числе секционные и шиносоединительные выключатели.
Изложенное показывает, что эффективное решение проблемы дальнего резервирования требует включения в систему дальнего резервирования защит всех элементов энергосистемы. Указанное уже отмечалось в работах института «Энергосетьпроект», выполненных под руководством Д.Д. Левковича. Однако этому вопросу не уделяется необходимое внимание, хотя обеспечение живучести энергетики является задачей всех её звеньев.
«Энергосетьпроект» выполнил анализ состояния дальнего резервирования существующей системы защит сети ОЭС Северного Кавказа при всех видах КЗ с использованием программы расчетного комплекса «ТКЗ 3000», которая моделирует:

• топологию и параметры сети;
• электрические величины при различных видах КЗ;
• параметры защит и их функционирование, в том числе отключение элементов сети.

При этом фиксируется время действия отдельных ступеней, а также полное время отключения повреждения.
Согласно расчетам, наиболее неблагоприятное положение имеет место при междуфазных КЗ. Так, при КЗ на ВЛ и за автотрансформаторами сетей 330 и 500 кВ дальнее резервирование не обеспечивается примерно в 60% случаев, а при КЗ на землю аналогичные показатели составляют около 20%. При этом в достаточно большом числе случаев отключение производилось каскадно в течение значительного времени.
Обобщение результатов указанного анализа, а также дополнительных исследований, позволяет сделать вывод, что при КЗ на землю дальнее резервирование, как правило, может быть обеспечено, если предусматривать специальные ступени токовых зашит нулевой последовательности (ТЗНП) и при необходимости чувствительные звенья дальнего резервирования.
Представляется перспективным для токовых органов резервирующих ступеней использовать арифметическую сумму токов нулевой и обратной последовательностей. Это должно существенно повысить чувствительность ступеней и будет полезно для резервирования при двухфазных КЗ. Такие органы, насколько известно, до настоящего времени для указанных целей не применялись, однако их использование не представляет сложности.
Обеспечить дальнее резервирование при междуфазных КЗ, которое, как правило, осуществляется дистанционными органами, значительно сложнее, поскольку обычно требуется обеспечение взаимодействия существенно большего числа зашит.
В частности, для оптимального решения проблемы дальнего резервирования, помимо защит линий и подстанций, следует привлекать также защиты элементов станций и особенно трансформаторов связи.

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ И МП-ТЕРМИНАЛЫ

Проблему резервирования сегодня следует решать с учетом использования микропроцессорных терминалов, которые обладают существенно большим техническим совершенством по сравнению с традиционными устройствами защит и в настоящее время достаточно широко внедряются. На отечественном рынке имеется достаточно большой ассортимент микропроцессорных защит различных фирм.
Терминалы всех компаний содержат не менее пяти ступеней дистанционных органов от всех видов КЗ, имеющих четырехугольную характеристику, широкий диапазон независимого регулирования сопротивлений срабатывания по реактивной и активной осям и возможность отстройки от сопротивлений нагрузки путем «вырезания» соответствующей области.
Указанное существенно расширяет возможности осуществления дальнего резервирования, поскольку выбор уставок, необходимых для срабатывания дистанционных органов в области удаленных КЗ, практически не зависит от нагрузки защищаемого элемента.
Терминалы, помимо дистанционной защиты от КЗ на землю, содержат четыре направленные/ненаправленные ступени ТЗНП с независимыми выдержками времени. При этом, используя при необходимости имеющиеся в терминалах дополнительные функции, можно выполнить пятую ступень. Одновременно в терминалах имеется возможность осуществлять некоторые ступени с зависимой характеристикой выдержки времени, вид которой устанавливается пользователем согласно приведенным алгоритмам.
Представляется перспективным выполнение резервирующих ступеней с использованием логарифмически зависимой характеристики, алгоритм которой в терминалах фирмы АВВ, например, имеет вид:

Если принять IN_m = IN_n, то ступень селективности Dt не менее 0,4 с будет иметь место, когда соотношение токов удовлетворяет неравенству:

Указанное соотношение для поврежденной (n) и неповрежденной (m) линий практически всегда удовлетворяется.
Согласно отечественной практике, на линиях 110 кВ и выше используются трехступенчатые дистанционные защиты от междуфазных КЗ и четырехступенчатые ТЗНП. Микропроцессорные защиты, имеющие большее число ступеней, позволяют осуществлять полноценную замену традиционных защит, обеспечивая сохранение существующей системы их согласования, а также дальнее резервирование с помощью дополнительных ступеней.
Следует особо отметить, что проблемы резервирования, как и многие другие проблемы в энергетике в условиях рыночных отношений, являются не только техническими, но и организационными, поскольку так и не создана структура, способная решить их. В настоящее время идет техперевооружение отрасли с использованием оптоволоконной и микропроцессорной техники, однако новая аппаратура укладывается на Прокрустово ложе старых инструкций и нормативных документов, что существенно снижает ее эффективность. До настоящего времени так и не определено, кто будет выполнять и финансировать эту работу. Образно выражаясь, энергетика является общей крышей нашего дома, и все должны быть заинтересованы в том, чтобы поддерживать ее на должном уровне.

Изложенное показывает наличие достаточно широких возможностей осуществления дальнего резервирования, которое является важным элементом обеспечения живучести ЕЭС. Однако решение проблемы требует разработки методики расчетов, а также руководящих указаний по её использованию, следование которым было бы обязательным для всех звеньев энергетического комплекса.