В России традиционно в качестве основной быстродействующей защиты ЛЭП при всех видах коротких замыканий, в том числе и при неполнофазном режиме в цикле автоматического повторного включения, используется дифференциально-фазная защита (ДФЗ).
Средний коэффициент правильной работы ДФЗ составляет 0,985. Однако, несмотря на известный и десятилетиями опробованный принцип, дифференциально-фазная защита еще не достигла предела своего совершенства и может быть улучшена. Останавливаться на достигнутом не следует, считает Михаил Геннадьевич Пирогов, начальник отдела системотехники ООО «НТЦ «Механотроника», г. Санкт-Петербург.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ 110–220 кВ
Способы повышения избирательности работы

Многолетний опыт эксплуатации в ряде энергосистем [1] показывает, что панели ДФЗ имели случаи излишней работы при отключении внешних КЗ защитами смежных линий. Во времена СССР такие случаи исследовались в Иркутской и Свердловской энергосистемах – была установлена связь между излишними действиями защит ДФЗ и изменением направления тока, протекающего по линии. Также было выявлено, что неправильное действие защит происходит из-за появления одиночного импульса тока в цепи органа сравнения фаз (ОСФ) ДФЗ, достаточного для срабатывания защиты. Поскольку явление связано с изменением направления тока, оно получило название «переворот фазы» (или «реверс мощности»).

Из практики эксплуатации известно, что случаи излишней работы ДФЗ, связанные с переворотом фазы, редки. Одна и та же защита при большей части внешних коротких замыканий (КЗ) отрабатывает избирательно и лишь иногда может сработать излишне. Ввиду редкости таких случаев их объясняют «некоторыми различиями характеристик блоков манипуляции, а также трансформаторов тока по концам линии, что в условиях переходного процесса в сети при отключениях КЗ вызывает в совокупности кратковременную неидентичность переходного процесса на выходе блоков манипуляции».

Для предотвращения излишних действий защиты предлагалось вводить замедление защиты либо с помощью блока автоматического замедления БФКЦ, разработанного ВНИИЭ, либо просто увеличением времени срабатывания выходного реле ДФЗ. Из этого можно сделать предварительный вывод, что для срабатывания защиты достаточно различий в настройке органов манипуляции в пределах допусков, указанных в инструкции по наладке. Поэтому считается, что устранить причину появления импульса тока приема нельзя, можно лишь предотвратить излишнее срабатывание при появлении одиночного импульса ценой снижения быстродействия защиты. Аналогичные меры производители применяют и в современных цифровых устройствах ДФЗ.

Однако ввод замедления ухудшает параметры ДФЗ, что может привести к невыполнению п. 3.2.108 ПУЭ [2]. Поэтому целесообразным способом улучшения работы ДФЗ при всех видах КЗ является не ее замедление, а совершенствование работы алгоритмов и ключевых узлов: органа манипуляции и ОСФ, каналов измерения и передачи.

Хотя статья и посвящена ДФЗ, перечень вопросов, требующих рассмотрения для совершенствования известного принципа очень широк, поэтому далее будут кратко рассмотрены лишь некоторые из них.

ТОЧНОСТЬ СРАБАТЫВАНИЯ

Рассмотрим доступные способы повышения точности работы ДФЗ. В цифровых ДФЗ ЛЭП 110–220 кВ мгновенное значение тока манипуляции на текущем шаге дискретизации может быть выражено следующим универсальным выражением:

После преобразования с учетом перехода к мгновенным отсчетам фазных токов качественный результат работы органа манипуляции (без задержки) дает выражение:

(1)

где I_M(j) – значение тока манипуляции на текущем шаге дискретизации j, А;
k – коэффициент цифрового фильтра (обеспечивает надежное формирование тока манипуляции при всех видах КЗ);
n – параметр, задающий интервал определения достоверных расчетных значений симметричных составляющих (максимальное значение n ограничено числом отсчетов N на периоде выражением );
I₁(j) – мгновенное значение тока прямой последовательности, А;
I₂(j) – мгновенное значение тока обратной последовательности, А.

Из выражений (1) видно, что применяемые в настоящее время частоты дискретизации (ЧД) (N = 24, 48) в цифровых устройствах РЗА будут формировать значение фазы тока манипуляции в момент его перехода через ноль с дополнительной задержкой по времени. Например, при частоте 48 отсчетов на периоде максимально возможная задержка изменения фазы тока манипуляции будет составлять 7,5 электрических градусов (360/48). С учетом асинхронной работы полукомплектов эта дополнительная погрешность относительно уставки ОСФ, равной 30÷55 электрическим градусам, очень существенна. Разница в один дискретный отсчет приводит к искажению фазы тока манипуляции, в том числе и при переходных процессах в энергосистеме. Таким образом, одним из качественных способов повышения точности формирования фазы I_M(j) в момент перехода через ноль и, как дальнейшее условие, возможности повышения точности работы ОСФ является увеличение частоты дискретизации органа манипуляции и самого органа сравнения фаз.

УСЛОВИЯ СРАБАТЫВАНИЯ

Рассмотрим индивидуальные условия, обеспечивающие срабатывание ОСФ по углу блокировки Ф_бл каждого полукомплекта с относительной погрешностью не более δ ± 2,5% (в настоящий момент δ ОСФ отечественных цифровых ДФЗ составляет ±20% и более).

• Оценку суммарной паузы (ВЧ-прием) на периоде необходимо выполнять со следующей частотой дискретизации (не менее):
  . (2)
• Формирование тока манипуляции I_M(j) соответственно должно производиться при частоте дискретизации не менее fd.
• Разнотипные характеристики измерительных аналоговых трактов обоих полукомплектов (применение разных устройств РЗА, разных типов трансформаторов тока) повышают погрешность формирования фазы тока I_M(j), органа манипуляции (ОМ). В этом случае в цифровом устройстве РЗА должен быть предусмотрен дополнительный механизм компенсации этой погрешности с шагом 0,75 эл. град, что соответствует fd. Отметим, что данная возможность необходима и для решения других задач, например, применения полукомплектов разных производителей.

Частота дискретизации современных цифровых устройств РЗА при измерении I_а(j), I_b(j), I_c(j) составляет 1200, 2400, 4800 Гц, что значительно ниже 24000 Гц. Данный фактор не позволяет осуществлять качественное формирование I_M(j) и, как следствие, делает невозможным выполнение высокоточного качественного интегрального ОСФ.

ТОК МАНИПУЛЯЦИИ

На аппаратную точность формирования тока манипуляции влияет погрешность измерения аналоговых сигналов самим устройством. Необходимо отметить, что системы, имеющие меньшую погрешность измерения фазных токов, конечно же, формируют ток манипуляции точнее.

Динамический диапазон измерения органа формирования I_M(j) также имеет большое значение. Под динамическим диапазоном аналогового тракта понимают отношение верхнего предела измерения к нижнему. В цифровой защите – это всегда компромиссный параметр. С одной стороны, существуют задачи, в которых необходимо измерять низкий уровень тока (например, реле минимального тока УРОВ или сторона ВН силовых трансформаторов при реализации дифференциальной защиты), а с другой стороны – увеличение верхнего предела для выполнения корректной цифровой обработки сигналов при КЗ. Применительно к ДФЗ для повышения точности формирования фазы тока манипуляции необходимо как снижение нижнего предела измерения каналов токов, так и повышение верхнего предела измерения. Среди отечественных устройств РЗА наилучшим динамическим диапазоном является 1000 (например, 0,25÷250 А или 0,5÷500 А).

Применительно к ДФЗ нижний предел измерения 0,25 А означает, что, например, при снижении мгновенного значения тока фазы А ниже 0,25 А, величина I_a(j), участвующая в расчетах I_M(j), отклоняется (или вообще не измеряется, а приравнивается к нулю) от нормированных для конкретного цифрового устройства РЗА погрешностей, находится в области S1, что вносит отрицательный вклад в формирование фазы тока манипуляции (рис. 1). Устройство с более низким пределом измерений имеет меньшую площадь неопределенности S2 и вносит меньший отрицательный вклад в I_M(j). Таким образом, еще одной дополнительной мерой повышения качества работы ДФЗ является увеличение динамического диапазона измерения каналов тока для органа формирования тока манипуляции.

Рис. 1. Повышение точности формирования фазы I_M(j) за счет снижения нижнего предела измерений РЗА

ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗЫ ТОКА МАНИПУЛЯЦИИ

Помимо точного формирования фазы тока манипуляции должен быть рассмотрен вопрос точности и качества ее измерения. ОСФ должен иметь механизм корректной работы в условиях наличия помех. На основании [4, 5] помехи при коммутационных операциях имеют значительный уровень и обуславливаются переходными процессами, возникающими при пробое промежутка между контактами выключателя и разъединителя, при восстановлении изоляционных свойств этого промежутка. При горении дуги может произойти образование помех, при этом следует выделять три фазы:

• Первая характеризуется пиковым напряжением помех на ВЧ-кабеле до 100 В, а на выходе полосового фильтра с полосой пропускания около 4 кГц – до 15÷30 дБ.
• Вторая характеризуется резким уменьшением уровня помех относительно первой фазы. Помехи носят характер резких всплесков с пиковым уровнем в полосе 4 кГц, не более 0,5 дБ.
• Третья обусловлена отключением места КЗ выключателем и гашением дуги. Интенсивность помех в этой фазе аналогична первой.
  Уровень возможных помех сопоставим с уровнем сигнала приема, и этим пренебрегать нельзя. Длительность единичной помехи, вносящей искажение во входной сигнал ОСФ, в каждом из приведенных режимов не превышает 2–3 мс (≈ 30°).

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАБОТЫ ОСФ

Рассмотрим некоторые способы повышения качества работы ОСФ.

1. Повышение частоты дискретизации входного сигнала ОСФ. Для срабатывания ОСФ по углу блокировки Ф_бл каждого полукомплекта с относительной погрешностью не более δ ± 2,5% частота дискретизации ОСФ должна быть не менее 24 кГц (2).
2. Выполнение ОСФ на интегральном принципе позволит правильно работать защите при всех видах КЗ, как в зоне действия, так и вне ее. Интегральный ОСФ может быть выражен как:
   , (3)
   где N – число отсчетов дискретизации входного сигнала на период основной частоты;
   B – сигнал быстродействующего входа «ПРИЕМ ВЧ» (1 = есть сигнал, 0 = нет сигнала) длиной, равной шагу дискретизации, эл. град;
   Ф_j – расчетная пауза на входе ОСФ, эл. град.

Из выражения (3) видно, что чем выше частота дискретизации, тем точнее определяется Ф_j.

Особенностью принципа интегрального ОСФ, выполненного на высокой частоте дискретизации, является минимизация влияния кратковременных помех как аддитивного, так и субтрактивного характера, что представлено на рис. 2. Дополнительным плюсом является то, что высокоточное интегрирование не приводит к замедлению действия защиты (на время интегрирования).

Рис. 2. Особенности работы интегрального ОСФ в условиях единичной помехи на входе



Необходимо отметить, что косвенным ограничением ЧД цифровой ДФЗ является время задержки и погрешность задержки приемопередатчика (время реакции). Для современных цифровых устройств этот параметр составляет порядка 100 мкс. Это является стимулом к совершенствованию существующих приемопередатчиков, составляющих неотъемлемую часть ДФЗ.

3. Отсутствие дополнительных источников питания в цепи приемопередатчика и ДФЗ, применение экранированного кабеля с заземленным с обеих сторон экраном.
4. Повышение качества функционирования аппаратной части входов/выходов РЗА, предназначенных для взаимодействия с приемопередатчиком (уменьшение времени реакции, улучшение ЭМС, применение универсальных входов/выходов, работающих с разными типами передатчиков).
5. Применение системы цифровой передачи информации по оптическому каналу между устройством РЗА и приемопередатчиком (в настоящее время данная идея обсуждается очень активно).

Несмотря на известный и десятилетиями опробованный принцип, дифференциально-фазная защита еще не достигла предела своего совершенства и в цифровых устройствах РЗА ДФЗ может быть улучшена. Останавливаться на достигнутом не следует.

Конечно, выполнение вышеописанных требований является сложной инженерной задачей и для некоторых производителей может оказаться недосягаемой, так как потребует смены применяемой элементной базы, аппаратной архитектуры, программного обеспечения.

Однако предпосылки для следующего шага отечественных производителей уже созданы: ООО «НТЦ "Механотроника"» разработало новый серийно выпускаемый блок БМРЗ-ДФЗ, в котором реализованы вышеописанные принципы: частота дискретизации ОМ и интегрального ОСФ N = 768 отсчетов на период промышленной частоты с динамическим диапазоном измерений 4000 с, допускаемой относительной основной погрешностью измерения фазного тока ±2,5% и абсолютной погрешностью срабатывания по угловым величинам ОСФ δ±0,5, ОМ±3. Для цифровых РЗА совокупность этих параметров является первым мировым серийным прецедентом, а особенности устройства заслуживают рассмотрения в отдельной статье.

ВЫВОДЫ

• При применении ДФЗ необходимо обращать внимание на точность функционирования органа сравнения фаз и органа формирования тока манипуляции.
• Замедление ДФЗ с целью компенсации кратковременной неидентичности переходного процесса на выходе блоков манипуляции для цифровых РЗА является не оптимальной мерой.
• Задачу повышения качества принципиального функционирования ДФЗ целесообразно решать за счет повышения точности измерений, а также через совершенствование работы органа манипуляции и органа сравнения фаз.
• Применение более высоких частот дискретизации для органа манипуляции и интегрального ОСФ, увеличение динамического диапазона измерений, снижение погрешности измерений фазных токов повышают избирательность действия ДФЗ в сложных переходных режимах и без ущерба для быстродействия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Циркуляр № Ц-04-94(Э) от 30.12.1994 / Департамент науки и техники РАО «ЕЭС России».
2. Правила устройства электроустановок, 7-е изд.
3. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 9. М.: Энергия, 1972.
4. Шкарин Ю. П. Высокочастотные тракты каналов связи по линиям электропередачи. Ч. 2. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001.
5. Бобров С. Е. Разработка и исследование органа сравнения фаз дифференциально-фазной защиты линии напряжением 110–220 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 2, 2009.