Иван Нагай, ведущий инженер НИИ Энергетики Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), г. Новочеркасск

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ
Дальнее резервирование в режимах продольно-поперечной несимметрии

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.

При этом Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) такие повреждения, как разрывы фаз на линиях, рассматриваются как ненормальный, но не аварийный режим, и селективная релейная защита для них не предусматривается [1], что, возможно, вызвано как меньшим термическим воздействием на электроустановки и возможностью их более длительной работы в рассматриваемых режимах, так и дополнительными затратами при оснащении электрических сетей рассматриваемой защитой. Поэтому к защитам линий предъявляются требования, чтобы они были отстроены по принципам действия или параметрам срабатывания от неполнофазного нагрузочного режима.

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 [2–4]. Подобные повреждения не только приводят к потерям энергии в распределительных сетях, но и вызывают повреждения силовых трансформаторов из-за длительного протекания токов, превышающих номинальные для трансформаторов токи в 2–4 раза [2–6], электродвигателей, перенапряжения в незаземленных нейтралях силовых трансформаторов, повреждения измерительных трансформаторов напряжения. Возможно и излишнее действие РЗ на смежной параллельной линии [2–4].

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, т.к. его включение под воздействием защиты трансформатора приводит к повышению тока не более чем на 5–10%, чего явно недостаточно для срабатывания защиты со стороны источника питания [2–6].

СУЩЕСТВУЮЩИЕ РЕШЕНИЯ

В настоящее время в сетях 6–110 кВ отсутствует специальная защита от рассмотренных выше видов повреждения. В сетях с эффективно-заземленной нейтралью, являющихся объектом настоящего рассмотрения, основной является токовая (направленная) защита нулевой последовательности (ТЗНП), чувствительность которой, как правило, недостаточна. Ряд технических решений, предлагаемых в [2, 7, 8] и более совершенных по сравнению с ТЗНП, позволяют решить проблему построения защиты от ППН. Но, к сожалению, они не получили широкого применения в рассматриваемых электрических сетях.

Кроме того, существует проблема оценки тяжести режимов продольно-поперечной несимметрии для конкретных участков сети с учетом нагрузки, мало распространены программы и методики расчета подобных режимов. Соответственно при внедрении устройств защиты будут необходимы специальные программы расчета, например, разработанная в ЮРГТУ(НПИ) программа RTKZ 2.03, обеспечивающая расчет множественной продольно-поперечной несимметрии с учетом нагрузочных режимов. С помощью специальных расчетов возможно определить, будут ли чувствительны токовые защиты нулевой последовательности, и в случае нечувствительности рассмотреть вопрос о применении защит с нетрадиционными алгоритмами.

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 параметрами: Z_G1 = 32e^j850 Ом – сопротивление системы G1; Z_л1 = 5,5e^j550, Z_л2 = 8e^j550 Ом – сопротивления первого и второго участков магистральной ВЛ; Z_Т1 = =225e^j880 Ом и Z_т2, принимающее значение от 556e^j880 Ом до 87e^j880 Ом, – сопротивления трансформаторов ответвительных подстанций Т1 (мощность трансформатора составляла 10 МВА), Т2.

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

Мощность 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 φ_нг = –(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 (табл. 1):

• обрыв (О1 – О3) и КЗ на землю фазы (K_γ) 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 КЗ (двухфазное и трехфазное) на стороне низшего напряжения (K_Δ) трансформатора Т1 с группой соединения обмоток «звезда-треугольник» фаз АВ (режим АВΔ), ВС (режим ВСΔ), СА (режим САΔ), АВС (режим АВСΔ).

Таблица 1. Режимы множественной ППН и соотношение контролируемых токов

Первые три вида сложных повреждений являются развитием одного простого повреждения: падения оборвавшегося провода на землю, схлестывания (или пробоя воздушной изоляции) оборвавшегося фазного провода с другим фазным проводом. Последние четыре режима могут возникать при работе ВЛ в неполнофазном режиме, что практикуется в некоторых энергосистемах, при недовключении одного из полюсов коммутационного аппарата питающей, ответвительной или проходной подстанций, при 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.

Разрывы фаз сопровождаются появлением симметричных составляющих токов и напряжений, величина которых зависит от токов нагрузки. При обрыве на магистральной ВЛ токи обратной последовательности могут составлять более 40% от фазного тока в предшествующем режиме, токи нулевой последовательности – более 50%. При обрыве на ВЛ после ответвления величина тока обратной последовательности определяется соотношением мощности нагрузки ответвительной подстанции S_отв к передаваемой мощности по линии S_Σ, и, например, при S_Σ/ S_отв = 10 величина тока обратной последовательности составляет не более 2% от фазного тока, а ток нулевой последовательности соответственно – не более 20%. При изменении соотношения мощности нагрузки ответвительной подстанции к передаваемой мощности по линии S_Σ/ S_отв = (1÷10) токи обратной и нулевой последовательности изменялись в диапазонах I_2* = I₂ / I₁ = 0,002÷0,04, I_0* = I₀ / I₁ = 0,2÷1,0.

Разрывы фаз с КЗ (сетевые короткие замыкания) сопровождаются появлением симметричных составляющих в токах и напряжениях, величина которых зависит от нагрузки и вида повреждения. При кратности мощностей S_Σ / S_отв = 10 величина тока обратной последовательности составляет не более 4% от фазного тока, а ток нулевой последовательности – не  более 33%. При изменении кратности мощности нагрузки S_Σ/ S_отв = (1÷10) токи симметричных составляющих изменяются в следующих пределах: I_2* = I₂ / I₁ = 0,002÷0,4, I_0* = I₀ / I₁ = 0,33÷1,44.

Расчетным режимом для оценки чувствительности резервной защиты трансформатора ответвительной подстанции является режим обрыва одной фазы и её же КЗ на землю со стороны питаемого трансформатора. В исследовании использовались расчетные выражения [6] с упрощением равенства сопротивлений прямой и обратной последовательностей.

Возникновение несимметричного повреждения в сети вызывает появление симметричных составляющих и изменение фазных токов, а также 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 на стороне низшего напряжения трансформатора Т1. Ток трехфазного КЗ I_КЗ за данным трансформатором примерно в 10 раз превышает номинальный ток (напряжение КЗ трансформатора U_*к = 0,105).

Рис. 2. Соотношение фазных токов и токов симметричных составляющих в различных режимах множественной ППН

Фазные токи во всех случаях превышают номинальный ток защищаемого трансформатора, а ток нулевой последовательности, протекающий через нейтраль трансформатора, в случае сетевого замыкания существенно превышал сумму токов неповрежденных фаз (данное утверждение было проверено опытами на физических моделях). Это еще раз подчеркивает недопустимость длительной работы трансформатора в режиме ППН не только при наличии повреждения на стороне низшего напряжения, но и при ППН в сети высшего напряжения.

В настоящее время существуют специальные защиты от неполнофазного режима (ЗНР), защиты от непереключения фаз (ЗНПФ), но они реализуют алгоритмы выявления неполнофазного режима по информации о состоянии собственного коммутационного оборудования, а ЗНР также с контролем тока нулевой последовательности. При обрыве, который не связан с непереключением фаз, данные защиты не эффективны. Контроль на питающей подстанции отсутствия одного из фазных токов также может быть не эффективен при наличии нескольких ответвлений, существенного перетока мощности и т.д.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕШЕНИЯ

В качестве пусковых органов для предлагаемой защиты могут использоваться органы тока симметричных составляющих: обратной и нулевой последовательностей с током срабатывания I_*ср ≥ k_зk_отсI_*ном. Если же его значение I_*ср ≤ (0,05 ÷ 0,1)I_*сум, где I_*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. 3а) токов симметричных составляющих (I₁ / I₀ и I₂ / I₀) и суммы и разности модулей фазных токов ((I_В + I_С) / |(I_В – I_С)| ), где I_В, I_С – 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 [9], 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 КЗ. 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. 3б.

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

а)

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 N–мерном пространстве информационных признаков (в рассматриваемом случае – токи симметричных составляющих, фазные токи и их аргументы) возможно сформировать вектор I = (I₁, I₂… I_N1, φ₁, φ₂… φ_N2) [10], координаты которого характеризуют свойства защищаемого объекта [11].

Задача распознавания аварийных режимов в многомерном пространстве может быть разбита на ряд подзадач с понижением размерности. Области режимов ППН в двумерном пространстве токов обратной и нулевой последовательности представлены на рис. 4а, из которого следует, что селекция видов повреждения практически невозможна, т.к. расстояние между режимами ВСΔ, АВΔ 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 (двух больших по величине токов из трех фазных токов) позволяет обеспечить селекцию режимов множественной продольно-поперечной несимметрии (рис. 4б). 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.

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

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.

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 требуемую 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.
4. Необходимо внедрение специальных программных комплексов для оценки тяжести режимов продольно-поперечной несимметрии для принятия решений о необходимости применения соответствующих защит.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и допол. М.: Энергоатомиздат, 1987. 640 с.
2. Нагай В.И., Маруда И.Ф., Нагай В.В. Резервирование релейной защиты и коммутационных аппаратов электрических распределительных сетей. Ростов-на-Дону: Изд-во журнала «Известия вузов Северо-Кавказского региона», 2009. 316 с.
3. Маруда И.Ф. Релейная защита понижающих трансформаторов от коротких замыканий на линии при разрывах фаз // Электрические станции. 2003. № 2. С. 44–46.
4. Маруда И.Ф. Релейная защита линий 110–220 кВ при разрывах фаз // Электрические станции. 2002. № 1. С. 40–42.
5. Чернин А.Б. Вычисление электрических величин и поведение релейной защиты при неполнофазных режимах в электрических системах. М.: Госэнергоиздат, 1963. 416 с.
6. Авербух А.М. Примеры расчетов неполнофазных режимов и коротких замыканий. Л.: Энергия, 1979. 184 с.
7. Нагай И.В. Дальнее резервирование в сетях 6–110 кВ. Проблемы и решения // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 6(66). С. 28-30.
8. 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. М.: Науч.-инж. инф. агентство, 2009, С. 134–140.
9. Никитин К.И., Клецель М.Я., Cтинский А.С., Зайцева Н.М. Устройство резервной токовой защиты трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y. Патент РФ на изобретение № 2353039 РФ от 09.01.2008. Бюл. № 11 от 20.04.2009.
10. Нагай В.И., Нагай В.В., Нагай И.В. Обеспечение функций дальнего резервирования релейной защиты трансформаторов в условиях продольно-поперечной несимметрии // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., г. Санкт-Петербург, 30 мая– 3 июня 2011. С. 25.
11. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания. М.: Высш. шк., 1984. 208 с.