А. Samuylova, Р. Kireev
The South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov Novocherkassk, Russian Federation
Abstract
The state of the question. The peculiarities of the historical development of the Russian electric power industry resulted in a large number of branching and intermediate substations in electrical networks of 6-110 kV, made using simplified schemes.
For these power facilities, the problem of eliminating emergency conditions is extremely acute, due to the low reliability and high degree of wear of installed equipment, as well as the similarity of the parameters of normal modes and damage modes of these substations in the location of protection of long-range redundancy.
Materials and methods: in the development of this method, mathematical modeling and optimization methods were used.
Results. The analysis and comparison of existing approaches to the implementation of long-range and short-range protection of the protection of branch stations are performed.
Conclusions. Reliability of liquidation of damages at branch and intermediate substations can be improved by complex improvement of long-range and short-range backup systems using multiparameter relay protection devices with improved technical perfection.
Keywords: branch and intermediate substations, long-range and short-range redundancy, multiparameter protection.
I. ВВЕДЕНИЕ
Особенности исторического развития российской электроэнергетики обусловили наличие в сетях 6–110 кВ электроэнергетической системы (ЭЭС) большого числа ответвительных и промежуточных подстанций, выпол- ненных по упрощенным схемам первичных и вторичных соединений. Для указанных энергообъектов крайне остро
стоит проблема дальнего резервирования (ДР) устройств релейной защиты (РЗ). Она заключается в схожести параметров режимов симметричных коротких замыканий (КЗ) на шинах низшего напряжения данных подстанций и нормальных нагрузочных режимов в месте установки защит ДР. Дополнительные трудности в разделении указанных режимов могут быть связаны с наличием значительной двигательной нагрузки защищаемого
участка сети, переходного сопротивления электрической дуги в месте повреждения, нескольких источников питания и пр.
Иллюстрацией актуальности проблемы распознавания повреждений за трансформаторами являются области допустимых и аварийных режимов рассматриваемых подстанций, подключённых к транзитной ВЛ, построен- ные на основании проведенных в работе исследований и представленные на рис. 1.
1 2
3
4 5
6
-90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 φ ,град.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 I*
Рис. 1 – Области токов нагрузочных (1,3) и аварийных (2, 4–6) режимов транзитной воздушной линии с ответвительными подстанциями
для передающей (1, 2, 5) и приемной (3, 4, 6) ее сторон
При этом отмечено пересечение областей токов нагру- зочных и аварийных режимов при трехфазном коротком замыкании за трансформатором мощностью менее 10 МВА ответвительной подстанции как со стороны питающей подстанции (области 1 и 2) на рис. 1, так и со стороны приемной подстанции (области 3 и 4). За базовый ток принят ток металлического КЗ за упомянутым трансформа- тором. Данные области построены с учетом влияния пере- ходного сопротивления в месте повреждения, не превы- шающего 30 % от полного сопротивления защищаемого трансформатора [1]. Использование аварийных состав- ляющих (области 5 и 6) позволяет обеспечить разделение областей допустимых и аварийных режимов, по крайней мере для питающей стороны ВЛ. Во многих случаях для приемной подстанции использование данного способа не позволяет выполнить разделения указанных областей, что требует разработки новых алгоритмов построения релейной защиты.
II. Актуальность
В настоящее время существует большое количество технических решений, обладающих повышенной чувстви- тельностью к удаленным КЗ на шинах ответвительных подстанций и промежуточных подстанций. Одним из наи- более перспективных способов решения проблемы дальнего резервирования защит рассматриваемых энергообъектов является построение многопараметрических РЗ. Основная идея построения данных защит – расширение информа- ционной базы устройств с целью реализации максимально эффективных алгоритмов их работы [4]. Обычно подобные устройства комбинируют ряд различных алгоритмов, позво- ляющих с максимальной чувствительностью выявлять удаленные КЗ при наличии всевозможных особенностей аварийного режима (наличия переходного сопротивления в месте повреждения, наличия или отсутствия оставшейся
в работе нагрузки и т. д.). Примерами многопараметри- ческих защит являются устройства «КЕДР-07» и устройство Бреслер 0107.030 [5]. За счет расширенной информационной базы указанные устройства действительно обладают боль- шей чувствительностью к удаленным КЗ по сравнению с аналогами, однако, как показывает практика, все же не всегда способны решить рассматриваемую проблему, особенно при наличии указанных выше утяжеляющих факторов.
III. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ КЗ
НА ОТВЕТВИТЕЛЬНЫХ И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПОДСТАНЦИЯХ
С целью выявления перечня информационных призна- ков, контроль которых может быть эффективен при реше- нии задачи распознавания аварийных режимов ответви- тельных подстанций, авторами был выполнен расчет коэффициентов чувствительности различных РЗ ДР к рас- сматриваемым повреждениям в радиальной сети (рис. 2).
Для токовых защит справедливо:
з з с з с
уст нг max
в в min в ном
0, 7 0, 7
;
3 0, 9 3
S S
k k k S k k S
I I
k k U k U
КЗ ном2
к ном к ном
1, 05 105
;
3 3
3100
Т
Т
U S
Е Т
I x U U U U
S
КЗ з c в
ч уст к ном в ном к з с
135
105 0,7
,
3 0,9 3
Т
I SТ k k S k S
k I U U k U U k k S
где kз, kc, kв – соответственно коэффициенты запаса, самозапуска электродвигателей и возврата реле; Iнг max – максимальный ток нагрузочного режима; S – суммарная мощность трансформаторов питаемых подстанций; Umin – минимальное эксплуатационное напряжение; Uном – номинальное напряжение; E – ЭДС источника энергии;
, к,
T T
x U S – соответственно сопротивление, напряжение короткого замыкания и номинальная мощность трансформатора поврежденной подстанций.
Аналогичные выкладки были выполнены и для других видов защит. Результаты расчетов для некоторых видов защит приведены на гистограмме (рис. 3). Величина требуе- мого kч при построении данной гистограммы считалась равной 1,2. Гистограмма построена для максимально токо- вых защит (МТЗ), максимально токовых защит с узкой угловой характеристикой (МТЗφ), дистанционных защит (ДЗ), защит с контролем ортогональных составляющих тока прямой последовательности (ОСТ) и реализующих принципы алгоритмических моделей объекта (АМО).
T1 Tn-1 Tn Tn+1 TN
SN
Sn+1 Sn
K Sn-1
S1
G AK1
Рис. 2 – Схема радиальной сети с ответвительными подстанциями
0 5 10 15 20 25 SƩ/ST
МТЗ МТЗφ ДЗ ОСТ АМО Защита
При малой доле двигательной нагрузки При значительной доле двигательной нагрузки
Рис. 3 – Гистограмма предельной кратности суммарной мощности трансформаторов питаемых подстанций к мощности трансформатора поврежденной подстанции, при которой различные РЗ ДР обладают достаточной чувствительностью к удаленным КЗ
Результаты расчетов показали, что защиты, контроли- рующие ортогональные составляющие тока прямой последовательности (ОСТ), а также защиты, функциони- рующие на основе алгоритмических моделей объекта (АМО), способны выявлять удаленные симметричные КЗ на шинах низшего напряжения ответвительных подстан- ций радиальных сетей при больших значениях S ST по сравнению с прочими рассматриваемыми РЗ дальнего резервирования.
Также на основе анализа режимов работы электри- ческих сетей с одним и несколькими источниками пита- ния составлена таблица, позволяющая обеспечить выбор наиболее значимых в информационном плане признаков, характеризующих аварийные и альтернативные им режимы.
В таблице перечислены информационные признаки, хара- ктеризующие рассматриваемые выше режимы, и дана возможная реакция релейной защиты, обеспечивающей его контроль параметров входных сигналов.
Таким образом, анализ режимов рассматриваемых электрических распределительных сетей показывает, что распознавание аварийных и альтернативных им режимов на основе контроля одного или двух параметров, например, токов или сопротивлений, токов и их аргументов практически невозможно, так как существует пересечения их областей [2]. Поэтому для повышения распознаваемости аварийных режимов и, как следствие, повышения чувствительности резервных защит предлагается совместный контроль нескольких параметров информа- ционных признаков, т.е. построение так называемых много- параметрических защит.
IV. БЛИЖНЕЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ
Помимо совершенствования защит дальнего резерви- рования, повысить надежность ликвидации повреждений на ответвительных и промежуточных подстанциях реали- зации и совершенствования средств ближнего резерви- рования. Защита ближнего резервирования может исполь- зовать по сравнению с защитой дальнего резервирования информацию о напряжении не только со стороны высшего, но и низшего напряжения силового трансформатора, а также от трансформаторов токов стороны низшего напря- жения, нейтрали и ТТ, установленных в цепи коротко- замыкателя. Это расширяет информационную базу защиты и повышает эффективность распознавания аварийных режимов, в том числе и режимов продольно-поперечной несимметрии и режимов развивающихся повреждений.
Важным для защиты ближнего резервирования так же является наличие независимого источника питания и устройства предварительно заряженного конденсатора
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ РЕЖИМЫ
Информационный признак
Режим
альтернативный аварийный НГ ПР ВНГ БНТ ТКЗ ДКЗ НПФР
Фазный ток Iфi + + + + + + +
Аргумент фазного тока фi – + –/+ +/– + + + Аварийные составляющие
тока Iфi – –/+ +/– +/– + + +
Аварийные составляющие
аргумента фi – –/+ – +/– + + +
Ток прямой
последовательности (ПП) I1 + + + + + + + Ток обратной
последовательности (ОП) I2 – – – +/– +/– + +/–
Ток нулевой
последовательности (НП) I0 – – – +/– – – + Аварийные составляющие
тока ПП I1 – –/+ –/+ +/– + + +
Аргумент токов ПП и ОП 12 arg(I1I2)
– – – –/+ + + +
Реактивная составляющая
тока Ip – –/+ –/+ –/+ + + +
Аварийная составляющая Iр – – – –/+ + + + Вторая гармоническая
составляющая тока I2г – – – + – – –
Сопротивление Zфф + + + + + + +
Аварийная составляющая
сопротивления Zфф – –/+ –/+ +/– + + + Примечание. НГ – нагрузочный режим; ПР – пусковой режим;
ВНГ – включение нагрузки; БНТ – бросок намагничивающего тока;
ДКЗ и ТКЗ – соответственно двух- и трехфазное КЗ; НПФР – неполно- фазный режим; «+» и «–» – соответственно срабатывание и несрабаты- вание защиты; «+/–» и «–/+» – возможное срабатывание или несраба- тывание защиты.
для обеспечения работоспособности и выдачи управ- ляющих воздействий в условиях потери оперативного тока рассматриваемых подстанций [3].
Эффективность комплексного использования многопа- раметрических устройств РЗ дальнего и ближнего резер- вирования подтверждается успешными испытаниями и эксплуатацией устройств МСРЗ-01ДР и МСРЗ-01БР, разработанных на кафедре ЭСиЭЭС ЮРГПУ(НПИ), а также системы АПК РРЗ (рис. 4.)
Рис. 4. Аппаратно-программный комплекс резервной релейной защиты
V. ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований авторами выполнен анализ информационных признаков доступных РЗ ДР для распознавания режимов удаленных КЗ на шинах ответвительных и промежуточных подстанций. Установ- лено, что в радиальных электрических сетях наиболее эффективным при решении проблемы дальнего резерви- рования является контроль ортогональных составляющих тока прямой последовательности, а также алгоритмических моделей объектов. Также составлена таблица оценки воз- можности использования информационных признаков, хара- ктеризующих альтернативные режимы, которая может быть полезна при разработке новых устройств РЗ. Отмечена также перспективность разработки многопараметрических защит и комбинирования защит дальнего и ближнего резер- вирования для повышения надежности отключения КЗ на рассматриваемых объектах.
Список литературы
[1] Кузник Ю.С. Возможности дальнейшего резервирования защит транс- форматоров // Электрические станции. 1994. № 10. С. 49–53.
[2] Нагай И.В., Нагай В.И. Проблемы и решения дальнего резервиро- вания трансформаторов ответвительных и промежуточных подстан- ций // Релейщик. 2009. № 4. С. 30–35.
[3] Харун Г.В., Литаш Б.С. Инновационная защита ближнего и дальнего резервирования трансформаторов // Электроэнергия. Передача и распределение. 2015. № 2(29). С. 88–92.
[4] Павлов А.О., Васильев Д.С. Высокочувствительная защита даль- него резервирования линий электропередачи // Энергетик. 2008.
№ 12. С. 5–7.
[5] Инструкция по эксплуатации устройства дальнего резервирования типа КЕДР-07 // Устройства релейной защиты, автоматики и диаг- ностики энергосистем. Новочеркасск: Научно-производственный центр энергетики ЮРГПУ(НПИ), 2014. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
© IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2018»