СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ТОРМОЖЕНИЯ
I. ВВЕДЕНИЕ
Принцип действия продольной дифференциальной защиты линии электропередачи (ДЗЛ) основан на сравнении векторов токов, измеряемых на концах защищаемого объекта.
При внутреннем коротком замыкании (КЗ) геометрическая сумма всех векторов токов (дифференциальный ток Iдиф) равна току КЗ. Пренебрегая емкостной и активной попе- речной проводимостью линии электропередачи, можно утверждать, что в случае отсутствия КЗ в защищаемой зоне геометрическая сумма всех векторов токов всегда равна нулю. Указанное различие величины дифференци- ального тока при внешних и внутренних повреждениях лежит в основе функционирования ДЗЛ. Измерение токов по концам объекта традиционно осуществляется с помощью измерительных преобразователей – трансформаторов тока (ТТ).
Указанные соотношения в режимах внутреннего и внеш- него КЗ соблюдаются в случае измерений идеализирован- ными ТТ без погрешностей. В реальности существует вероятность насыщения ТТ при протекании значительных токов КЗ. Неодинаковое насыщение ТТ в режиме внешнего КЗ приводит к возникновению значительного ошибочного дифференциального тока (ток небаланса) и – без принятия дополнительных мер – к неселективному срабатыванию ДЗЛ. Одним из способов отстройки измерительных органов (ИО) ДЗЛ от тока небаланса является торможение, суть которого заключается в пропорциональном загрублении уставки срабатывания ИО с увеличением сравниваемых токов [1].
Существующие методы на основе коэффициента чувствительности не позволяют в полной мере оценить распознающую способность ИО. В настоящей работе ста- вится задача поиска методов оценки эффективности изме- рительных органов (ИО) ДЗЛ на основе инструментария информационного анализа [2]. Исследованию подлежит функционирование ДЗЛ, установленной на трехконцевой линии электропередачи.
II. ПРИНЦИПЫ ТОРМОЖЕНИЯ
Торможение обеспечивается величиной, которая в об- щем случае пропорциональна величине тока КЗ. В данной работе рассмотрены распространенные способы формиро- вания тормозной величины Iторм [3]:
сумма модулей токов: Iторм I1I2I3;
полусумма модулей токов: Iторм0,5
I1I2I3
; максимальное торможение: Iтормmax
I1 I2 I3
. Принцип торможения ИО ДЗЛ удобно исследовать на плоскости построения характеристики торможения
диф торм
I f I (рис. 1). Традиционная характеристика торможения состоит из двух участков: горизонтальный (без торможения) и наклонный. Горизонтальный участок обеспечивает работу ИО ДЗЛ в статическом (нагрузочном) режиме, когда торможение не требуется; а наклонный участок – в динамическом режиме, когда есть вероятность насыщения ТТ. Характеристика торможения, представ- ленная на рис. 1, соответствует условию:
диф диф.мин диф торм торм
; .
I I
I K I
Торможение ИО ДЗЛ должно обеспечивать отстройку от небаланса в режиме внешнего КЗ с насыщением ТТ и не должно препятствовать срабатыванию при внутрен- нем КЗ. Эти условия обеспечиваются правильным выбором параметров характеристики торможения, которая одно- значно определяется уставками «Iдиф.мин» и «Kторм».
Уставка «Iдиф.мин» выбирается по условию отстройки от небаланса в нагрузочном режиме независимо от прин- ципа торможения. Также уставка должна быть отстроена от емкостного тока линии, если в устройстве не реализо- вана соответствующая компенсация.
Уставка «Kторм» выбирается по условию отстройки от небаланса в режиме внешнего КЗ. В настоящей работе соответствующие режимы получены при помощи имита- ционной модели и отражены на плоскости
Iдиф торм,I
.Полная погрешность насыщения ТТ принята равной 80 %.
На рис. 2, а показана область альтернативных режимов для максимального торможения – необходимое значение уставки «Kторм» равно 0,86 о.е. На рис. 2, б показана область альтернативных режимов для торможения по сумме модулей – необходимое значение уставки «Kторм» равно 0,4 о.е. Для торможения по полусумме область аль- тернативных режимов, очевидно, соответствует области на рис. 2, б при вдвое меньших значениях Iторм. Необхо- димое значение уставки «Kторм», соответственно, равно 0,8 о.е. Торможение по сумме модулей токов эквивалент- но полусумме токов, поэтому последнее в дальнейшем отдельно не исследовано.
В табл. I приведены выбранные значения уставок для ИО ДЗЛ. Определены коэффициенты чувствительности Kч ИО ДЗЛ при выбранных уставках. Они имеют при- близительно равные значения и не позволяют в полной мере оценить эффективность принципов торможения.
Iторм
Iдиф
Iдиф.мин
Кторм область срабатывания
область торможения
Рис. 1 – Характеристика торможения
ТаблицаI–УСТАВКИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОРМОЖЕНИЯ ИОДЗЛ Измерительный орган Kторм Iдиф.мин Kч Торможение:
максимальное 0,86 0,5 2,0
по сумме модулей 0,4 0,5 2,1
III. МОДЕЛЬ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
Применим модель трехконцевой линии электропере- дачи с трехсторонним питанием (рис. 3). Параметры модели приведены в табл. II. Место КЗ варьируется на участке линии, примыкающем к подстанции М.
Для сравнения принципов торможения варьируется величина статической полной погрешности ТТ. В табл. III приведен пример значений вторичных токов фазы А по концам линии при внутреннем трехфазном КЗ. Видно, как искажается соотношение токов при насыщении ТТ.
ДЗЛ R ДЗЛ M
ДЗЛ S
2000/1 2000/1
2000/1
40км 35км
25км
EM, ZM ER, ZR
ES, ZS
канал связи Xf=0.9 о.е.
Xf=0.1 о.е.
M R
S T
Рис. 3 – Имитационная модель исследуемой линии
Таблица I. ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИ
Параметр Значение
1л, Ом км
Z 0,02 + j0,40
0л, Ом км
Z 0,17 + j1,10
1(0)S 1(0)R, 1(0)M , Ом
Z Z Z 0, 5 10060 90
0S 0R, 0M , кВ
E E E 110 3 30 30
, Ом
Rf 0…500
, о.е.
Xf 0,01…0,99
Вид КЗ К(3)
Таблица II. ТОК ФАЗЫ А ПРИ КЗ Терминал (А, втор.)
M S R
ε = 0 % ε = 50 % ε = 80 %
3652 2781 10122 6,276 1,580
IV.РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
В работе [3], посвященной описанию устройств диффе- ренциальной защиты шин, приведены методы сравнитель- ного анализа принципов торможения. Развитие инструмен- тария имитационного моделирования и теории информа- ционного анализа позволяют дополнить их методом срав- нительного анализа с помощью объектных характеристик.
Метод объектных характеристик дает оценку распознаю- щей способности алгоритма в виде функции:
f f
R f X ,
где Rf – величина переходного сопротивления в месте повреждения; Xf – координата места повреждения [2].
Объектные характеристики показывают величину переходного сопротивления, при которой режим КЗ стано- вится нераспознаваемым, и позволяют выполнить сравни- тельный анализ принципов торможения между собой.
По результатам моделирования получено, что при выбранных уставках при полной погрешности ТТ 50 % область отслеживаемых режимов измерительных органов не пересекает характеристику торможения и полностью находится в зоне срабатывания. При расширении диапа- зона варьирования Rf до 1000 Ом часть области отслежи- ваемых режимов попадает ниже горизонтального участка характеристики торможения, не пересекая наклонный участок (на рис. 4 показана область альтернативных режимов для ИО с торможением по сумме модулей).
В этом случае объектные характеристики зависят только от уставки «Iдиф.мин». Поскольку уставки «Iдиф.мин» для двух ИО равны (табл. I), то и объектные характеристики этих ИО будут совпадать. Выполним анализ работы ИО при повышенной погрешности ТТ и сравним объектные характеристики.
На рис. 5 представлены объектные характеристики ИО ДЗЛ для погрешности ТТ 80 %, которые показывают нечувствительность к КЗ в начале линии. На самом деле область нечувствительности много меньше, и объектные характеристики не отражают всю полноту свойств ИО ДЗЛ.
В этом случае дальнейшее исследование проводится в объ- ектном пространстве параметров Rf и Xf во всем диапа- зоне сопротивлений. Из рис. 6 видно, что зона нечувстви- тельности невелика. Токи, наблюдаемые в нераспознаваемых
а б
Рис. 2 – Область альтернативных режимов: а – максимального торможения; б – торможения по сумме модулей
режимах, имеют существенное расхождение фаз, чем и вызвано попадание области режимов в зону торможения.
Можно предположить, что при расширении диапазона варьирования координаты места повреждения на всю линию (не только на отрезке MT) обнаружатся области нераспозна- ваемых режимов и на участках линии, примыкающих к подстанциям S и R. Сравнение двух областей срабаты- вания на рис. 6 показывает, что один из принципов тор- можения способен распознать больше отслеживаемых режимов. Таким образом, можно отметить некоторые особенности анализа распознавания режимов ИО ДЗЛ.
Высокая чувствительность ИО ДЗЛ трехконцевой линии объясняется тем, что в используемой модели сети подпитка места КЗ осуществляется от трех источников. Для трех- концевой линии с питанием от двух источников чувстви- тельность может быть ниже и требует исследования.
Ограничение чувствительности для этой защиты связано не столько с переходным сопротивлением в месте КЗ, сколько с погрешностью измерения величин вследствие насыщения ТТ. Нераспознаваемые режимы обнаружива- ются при сравнительно низких значениях Rf и малой удаленности точки короткого замыкания от электрического источника. Для полноценной оценки ИО ДЗЛ может быть необходимо оценивать не только объектные характеристики, но и полные области срабатывания на плоскости объектных параметров, что, однако, более трудоемко. Коэффициент чувствительности также показал, что торможение по сумме модулей имеет преимущество перед максимальным тормо- жением, однако эту корреляцию предстоит подтвердить расширенным исследованием.
V. ВЫВОДЫ
Расчета коэффициента чувствительности может быть недостаточно для сравнения принципов торможения. Метод объектных характеристик позволяет расширить понимание распознающей способности принципов торможения ИО ДЗЛ. Для дифференциального принципа имеет смысл дополнительно оценивать области срабатывания ИО ДЗЛ в объектном пространстве.
Другое применение сравнительного анализа – это оценка распознающей способности двух ИО ДЗЛ на оди- наковых принципах торможения, уставки которых выбра- ны по разным методикам. Это позволяет выполнить срав- нение двух методик расчета уставок ДЗЛ. Указанное направление сравнительного анализа применимо и для защит, основанных на других принципах действия [4].
Отстройка уставок ИО ДЗЛ от глубоких насыщений ТТ неизбежно ухудшает распознающую способность к внутренним повреждениям. Эта проблема может быть решена с помощью применения дополнительных алго- ритмов, основанных на выявлении только режимов внеш- них КЗ с насыщением ТТ.
Список литературы
[1] Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.
[2] Распознаваемость повреждений электропередачи / Лямец Ю.Я. [и др.] //
Электричество. 2001. № 2. С. 16–23.
[3] Кужеков С.Л., Синельников В.Я. Защита шин электростанций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1983. 184 с.
[4] Подшивалин А.Н., Подшивалина И.С. Основы методологии расчета уставок релейной защиты // Известия вузов. Электромеханика.
2010. № 3. С. 69–74.
© IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2018»
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 100 200 300 400 500 600
Xf, о.е.
Rf, Ом
0 0.05 0.1 0.15
0 5 10
Xf, о.е.
Rf, Ом
1 2
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 100 200 300 400 500 600
Xf, о.е.
Rf, Ом
1 2
0 0.05 0.1 0.15
0 5 10
Xf, о.е.
Rf, Ом
Рис. 4 – Область альтернативных режимов ИО ДЗЛ с торможением по сумме модулей
Рис. 5 – Объектные характеристики ИО: 1 –ИО с торможением по сумме модулей; 2 – ИО с максимальным торможением)
Рис. 6 – Области срабатывания ИО: 1 – ИО с торможением по сумме модулей; 2 – ИО с максимальным торможением