Новости Электротехники 2(116) 2019





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал 2(86) 2014 год     

Релейная защита

Ответвительные и промежуточные подстанции электрических распределительных сетей напряжением 110 кВ являются одним из самых распространенных источников питания потребителей. Модернизация данных подстанций, связанная с заменой разъединителей и короткозамыкателей на полноценные выключатели и оснащением их современными микропроцессорными защитами, к сожалению, не привела к снятию проблемы их резервирования, что подтверждается рядом публикаций [1–3].
Специалисты из Новочеркасска предлагают алгоритм формирования контролируемых сигналов на основе аварийных составляющих с адаптивным торможением.

РЕЗЕРВНЫЕ ЗАЩИТЫ РАСПРЕДСЕТЕЙ 110 кВ
Пути совершенствования

Иван Нагай, к.т.н.,
Павел Киреев, инженер
Владимир Нагай, д.т.н.,
ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»,
г. Новочеркасск

Актуальность резервирования обусловлена трудностью распознавания аварийных режимов на фоне нормальных нагрузочных режимов, пусковых режимов мощных электродвигателей, режимов включения силовых трансформаторов на холостой ход и т.д. Наличие переходного сопротивления в месте повреждения вызывает снижение тока и приводит к увеличению сопротивления короткозамкнутой цепи, что способствует смещению области аварийного режима в сторону области нагрузочного режима и может вызвать пересечение этих областей.

СХЕМА СЕТИ ПРИ НАЛИЧИИ ПОДПИТКИ

Для схем электрических сетей, представленных на рис. 1, сопротивление короткозамкнутой цепи составляет:

Zкз = = (Rэкв + Rобщ) + j(Xэкв + Xобщ),

а ток КЗ за трансформатором –

Ікз = экв / (Zэкв + Zд),

где Rобщ, Xобщ – активная и реактивная составляющие сопротивления короткозамкнутой цепи (здесь и далее подразумевается, что символы с надсимвольной точкой или подчеркиванием обозначают векторные, комплексные величины; иные – модули соответствующих величин).

Рис. 1. Схема защищаемой сети при наличии подпитки со стороны высшего напряжения (а) и со стороны низшего напряжения (б)

Для схемы на рис. 1а:

Rобщ = Rтр + Rд; Xобщ = XТР; Z1 = ZG1 + ZW1; Z2 = ZG2 + ZW2,

а для схемы на рис. 1б:

Rобщ = Rд; Z1 = ZG1 + ZW1 + ZТР; Z2 = ZG2 + ZW2,

где ZG1, ZG2 – сопротивление систем G1 и G2, ZW1, ZW2 – сопротивление ВЛ W1 и W2.

Междуфазные короткие замыкания (КЗ) на стороне низшего (среднего) напряжения рассматриваемых подстанций (ПС), как правило, сопровождаются горением электрической дуги между токоведущими частями, т.е. наличием переходного сопротивления в месте повреждения. Величина переходного сопротивления [4–8], определяемого параметрами столба высоковольтной электрической дуги: длиной столба дуги д, напряженностью электрического поля Eд и сопротивлением короткозамкнутой цепи (рис. 1), может быть представлена как:

(1)

где UД – падение напряжения на столбе электрической дуги;
Êэкв – эквивалентная ЭДС двух источников Ê1 и Ê2;
Z1, Z2 – сопротивление систем G1 и G2;
Rэкв, Xэкв, φэкв – активная, реактивная составляющие сопротивления Zэкв и его аргумент соответственно;
ZТР – сопротивление трансформатора.

При наличии подпитки со стороны высшего напряжения [9] (рис.1а) принято допущение, что Ê1Ê2. Токи со стороны передающей Î1 и приемной Î2 сторон транзитной ВЛ при междуфазном КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора Т1 и наличии переходного сопротивления:

(2)

а их сопротивления соответственно: Zrel1 = (Ê1Î1ZG1) / Î1 и Zrel2 = (Ê2Î2ZG2) / Î2.

Амплитудно-фазовые портреты рассматриваемого режима для следующих параметров электрической сети:

  • Sтр = (2,5÷16) МВА;
  • ZG1 = (2÷5)ej75° Ом;
  • ZG2 = (2÷10)ej75° Ом;
  • ZW1 = (2÷15)ej(65°÷75°) Ом;
  • ZW2 = (2÷15)ej(65°÷75°) Ом;
  • 0,95Êlej(–5°÷5°)Ê2 ≤ 1,05Êlej(–5°÷5°);
  • 0 ≤ UдUном

приведены на рис. 2.

Рис. 2. Области сопротивлений (а) (1 – Zrel1; 2 – Zrel2) и токов (б) (1 – I1; 2 – I2) со стороны передающей (1) и приемной (2) подстанций транзитной ВЛ при междуфазном КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора и наличии переходного сопротивления

При этом за базу приняты сопротивление защищаемого трансформатора ZТР (его реактивная составляющая XТР) и ток КЗ Ikzt.

Диапазон изменения сопротивлений:

1,05 ≤ Zrel1 / ZТР ≤ 1,8 и 0,9 ≤ Zrel1 / ZТР ≤ 1,75;

их аргументы: 45° ≤ φI1 ≤ 100° и 80° ≤ φI2 ≤ 130°;

модули токов: 0,55 ≤ I1IТР ≤ 1,0 и 0,6 ≤ I2IТР ≤ 1,2.

При подпитке со стороны низшего напряжения трансформатора, что возможно при включении секционного выключателя на стороне НН (рис. 3 а, б) или наличии мощных электродвигателей (рис. 3 в, г), также происходит существенное изменение модулей и аргументов сопротивлений и токов.

Рис. 3. Амплитудно-фазовые портреты сопротивлений и токов со стороны питающей подстанции при междуфазном КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора и наличии подпитки со стороны низшего напряжения и переходного сопротивления:
а) 1 – сопротивление Zk / ZТР, 2 – ток Ik / IТР;
б) 3 – Zk / ZТР для Sтр = 6,3 МВА, 4 – Zk / ZТР для SТР = 25 МВА, 5 – Ik / IТР для SТР = 6,3МВА, 6 – Ik / IТР для SТР = 25 МВА– при наличии подпитки от трансформатора Т2;
в) 1 – сопротивление Zk / ZТР, 2 – ток Ik / IТР;
г) 3 – Zk / ZТР для SТР = 6,3 МВА, 4 – Zk / ZТР для SТР = 25 МВА, 5 – Ik / IТР для SТР = 6,3 МВА, 6 – Ik / IТР для SТР = 25 МВА– при наличии подпитки от ЭД, напряжение на выводах которого равно UЭД = 0,5 Uном

Необходимо отметить, что в первом случае напряжение со стороны источника питания неизменно, а во втором случае при выбеге ЭД происходит снижение напряжения на его выводах, что отражается и на изменении контролируемых параметров со стороны основного источника питания.

Диапазон изменения сопротивлений 1,0 ≤ Zk / ZТР ≤ 1,5 и токов 0,65 ≤ Ik / IТР ≤ 1,0 при наличии подпитки на стороне НН от трансформатора мощностью SТР ≤ 63 МВА и 1,0 ≤ Zk / ZТР ≤ 2,0 (0,5 ≤ Ik / IТР ≤ 1,0) при наличии подпитки от ЭД Рд ≤ 5,0 МВт и снижении напряжения до 50% номинального значения, аргументы: 45° ≤ φz ≤ 85° и 45° ≤ φk ≤ 85°.

Наличие подпитки со стороны НН приводит к снижению токов КЗ (повышению сопротивления на зажимах реле сопротивлений) со стороны основного источника питания. При этом отмечается существенное уменьшение аргументов токов (сопротивлений) в сторону режимов нагрузки, что необходимо учитывать при выборе параметров срабатывания защиты дальнего резервирования.

АЛГОРИТМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Достаточно эффективным способом разделения областей альтернативных режимов является формирование входных сигналов на основе реактивной составляющей с торможением от активной составляющей. Алгоритмы формирования входных сигналов для режимов пуска и КЗ с учетом нагрузочной составляющей приведены ниже.

Пуск ЭД:

ΔI1FAMkp = |ІL1kp|cos(φL1kp) – kt|ІL1нг|cos(φL1нг), (3)
ΔI1FRMkp = |ІL1kp|sin(φL1kp) – kt|ІL1нг|cos(φL1нг), (4)
ΔI1FRAFkp = |ІL1kp – ІL1нг|sin(φL1kp) – kt|ІL1kp – ІL1нг|cos(φL1нг), (5)
ΔI1FRAkp = |ІL1kp – ІL1нг|sin(ΔφL1kp) – kt|ІL1kp – ІL1нг|cos(ΔφL1нг), (6)
ΔI1FRkp = |ІL1kpІL1нг|sin(ΔφL1kp), (7)
ΔI1FAkp = |ІL1kpІL1нг|cos(ΔφL1kp). (8)

Аварийный режим (КЗ):

ΔI1FAMk = |ІL1k|cos(φL1k) – kt|ІL1нг|cos(φL1нг), (9)
ΔI1FRMk = |ІL1k|sin(φL1k) – kt|ІL1нг|cos(φL1нг), (10)
ΔI1FRAFk = |ІL1k – ІL1нг|sin(φL1k) – kt|ІL1k – ІL1нг|cos(φL1нг), (11)
ΔI1FRAk = |ІL1k – ІL1нг|sin(ΔφL1k) – – kt|ІL1k – ІL1нг|cos(ΔφL1нг), (12)
ΔI1FRk = |ІL1kІL1нг|sin(ΔφL1k), (13)
ΔI1FAk = |ІL1kІL1нг|cos(ΔφL1k), (14)

где указаны входные сигналы измерительных органов, контролирующих:

ΔI1FAMkp, ΔI1FAMk – разность активных составляющих токов пускового (аварийного) и нагрузочного режимов;

ΔI1FRMkp, ΔI1FRMk – разность реактивной составляющей токов пускового режима (аварийного режима) и активной составляющей нагрузочного режима;

ΔI1FRAFkp, ΔI1FRAFk – разность приращений (аварийных составляющих) реактивной составляющей и приращений активной составляющей токов пуска (КЗ) и нагрузки;

ΔI1FRAkp, ΔI11FRAk – разность приращений (аварийных составляющих) реактивной составляющей тока и приращений активной составляющей токов пуска (аварийного режима) и нагрузки с учетом приращений аргументов токов;

ΔI1FRkp, ΔI1FRk – приращение реактивной составляющей токов пуска (аварийного режима) и нагрузки с учетом приращений аргументов токов;

ΔI1FAkp, ΔI1FAk – приращение активной составляющей токов пуска (аварийного режима) и нагрузки с учетом приращений аргументов токов;

IL1kp, IL1k, IL1нг, φL1kp, φL1k, φL1нг, ΔφL1kp, ΔφL1k, ΔφL1нг модули, аргументы и их приращения токов в режиме пуcка ЭД, нагрузочных режимах;

kt = 0,5÷2,5 – коэффициент торможения.

Минимальное расстояние между альтернативными режимами для измерительных органов, контролирующих полные составляющие и их аварийные составляющие, можно определить как:

(15)
(16)

Увеличение расстояния GI* и GΔI* между рассматриваемыми режимами может быть достигнуто за счет перехода от формирования модулей входных сигналов к формированию нового вектора тока (рис. 4):

І1L1Tkp = |ІL1kp|sin(φL1kp)ej90° + + kt|ІL1kp|cos(φL1kp)ejφt , (17)
ΔІ1FTp = |ΔІ1Fp|sin(φ1Fp)ej90° + + ktІ1Fp|cos(φ1Fp)ejφt , (18)
І1L1Tk = |ІL1k|sin(φL1k)ej90° + + kt|ІL1k|cos(φL1k)ejφt , (19)
ΔІ1FTk = |ΔІ1Fk|sin(Δφ1Fk)ej90° + + ktІ1Fk|cos(Δφ1Fk)ejφt . (20)

Рис. 4. Области аварийных режимов и пускового режима ЭД за трансформаторами с ответвительными ПС в плоскости «реактивная составляющая – активная составляющая тока» для измерительных органов, контролирующих полные составляющие и их приращения (аварийные составляющие): 1 – I1L1Tkp, 2 – ΔI1FTp, 3 – I1L1Tk, 4 – ΔI1FTk


КОЭФФИЦИЕНТЫ ТОРМОЖЕНИЯ

Необходимо отметить, что изменяется не только коэффициент торможения в зависимости от предшествующего режима, но и аргумент торможения активной составляющей. Расстояние между рассматриваемыми режимами увеличивается с 20% в предыдущем случае с контролем модулей токов до 40–70% с контролем векторов токов с коррекцией активной составляющей (рис. 5).

Рис. 5. Зависимости минимального расстояния между областями режимов пуска и КЗ при φt = 15 град. (а) и φt = 75 град. (б)

Выбор коэффициента торможения в области отрицательных значений более предпочтителен по сравнению с выбором коэффициента торможения в области положительных значений, что особенно проявляется при увеличении аргумента корректирующей составляющей. Это нашло отражение в зависимостях рис. 6.

Рис. 6. Зависимости минимального расстояния между областями режимов пуска и КЗ при kt = –5 (а) и kt = 5 (б) при изменении тока нагрузки Iнг = (0,3–0,5)Ik0

Преимущество использования аварийных составляющих по сравнению с контролем полных величин KGI = GΔI / GI составляет не менее 25–50%.

ВЫВОД

Использование предложенных алгоритмов формирования контролируемых сигналов на основе аварийных составляющих с адаптивным торможением позволяет более эффективно решать проблемы резервирования в электрических распределительных сетях.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Нагай В.И., Маруда И.Ф., Нагай В.В. Резервирование релейной защиты и коммутационных аппаратов электрических распределительных сетей / Под ред. В.И. Нагая. Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2009.
  2. Маруда И.Ф. Релейная защита и автоматика ответвительной однотрансформаторной подстанции 110 кВ // Электрические станции. 2005. № 5.
  3. Маруда И.Ф. О ближнем резервировании на подстанциях с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора // Электрические станции. 2001. № 5.
  4. Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 2002.
  5. Сарры С.В. Повышение надежности функционирования и разработка быстродействующих устройств релейной защиты элементов подстанций, выполненных по упрощенным схемам: Автореф. дис. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1999.
  6. Семенов В.А. Оценка действия дистанционных защит с учетом переходного сопротивления в месте короткого замыкания // Электрические станции. 1962. № 6.
  7. Семенов В.А. Об учете сопротивления электрической дуги при анализе действия дистанционных защит // Электрические станции. 1961. № 8.
  8. Шабад М.А. Защита трансформаторов распределительных сетей.– Л.: Энергоатомиздат, 1981.
  9. Нагай И.В. Учет влияния подпитки на переходное сопротивление в месте повреждения за трансформаторами ответвительных подстанций // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. № 2.




Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2019