РАЗРАБОТКА СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Conclusions: It was developed the automation product for definition operation parameters of a transmission lines distance protection with influence of load transfer, direction of power flow, the fault resistances, the intermediate infeeds. The algorithm of for correcting the characteristic of operation impedance relay of the directional distance protection to increase the selectivity was suggested.
Key words: distance protection, characteristic of operation, load transfer modethe fault resistances, the intermediate infeeds.
I. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ДЗ широко применяется во всем мире для защиты ответственных высоковольтных линий электропередачи. Однако случаи неселективного срабаты- вания ДЗ воздушных линий 220, 500, 750 кВ были неодно- кратно зафиксированы [1]. Согласно проведенным анали- зам аварийных событий, одна из причин неправильной работы ДЗ заключается во влиянии нагрузочного режима, предшествующего короткому замыканию (КЗ), на значение и угол измеренного сопротивления. Как отмечено в [2], это влияние тем больше, чем сильнее нагружена линия.
Проблема наиболее актуальна для протяженных линий магистральных сетей, нагруженных до максимально допу- стимого значения по условиям САУ – 80 % [3].
Задача, поставленная перед автором данной работы, заключается в разработке локального средства автомати- зации, позволяющего выполнять расчеты параметров срабатывания ДЗ линий электропередачи с учетом нагру- зочных режимов работы энергосистемы.
II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Для выполнения данной работы использовались спе- циализированные ПК «RastrWin» и «АРМ СРЗА», приме- няемые в Филиалах АО «СО ЕЭС», для расчета устано- вившихся режимов электроэнергетических систем и пара- метров срабатывания устройств релейной защиты. База данных для ПК «RastrWin», предоставленная филиалом АО «СО ЕЭС» ОДУ Сибири, позволяет достоверно опре- делить для любой линии ОЭС Сибири исходные данные к разрабатываемому средству автоматизации, а именно: ток линии, напряжение на шинах подстанций UБej1 и UВej2, величину и направление потока активной и реактивной мощностей P1jQ1, угол загрузки линии 1 2, предшествующие КЗ.
На рис. 1 представлена электрическая схема сети рай- она 500 кВ, включающая в себя: защищаемую линию Б–В, на которой установлены комплекты ДЗ и 1 ДЗ , а также 2 смежные линии А–Б и В–Г, с защитами которых согласу- ются параметры срабатывания защит линии Б–В. Защища- емая линия Б–В имеет двухстороннее питание от систем
С и 1 С . Также в схеме учтена возможность промежуточ-4 ной подпитки от систем С и 2 С , подключенных соответ-3 ственно к шинам подстанций Б и В, при согласовании па- раметров срабатывания защит ДЗ с 1 ДЗ и 3 ДЗ с 2 ДЗ . 4
Пользователь задает длины линий, напряжения на ши- нах подстанций А–Г в комплексной форме и величину потока активной мощности. Направление передачи потока мощности определяют углы напряжений на шинах под- станций. Марка провода, тип опоры линии и количество заземляющих тросов выбираются из библиотеки, предло- женной пользователю. Место КЗ на линиях А–Б, Б–В, В–Г задается путем изменения значений расстояний X1X3, отсчитываемых от шин подстанций А–В.
На рис. 2 представлена схема замещения прямой по- следовательности для заданного района. Эквивалентные сопротивления систем ZC1, ZC2, ZC3, ZC4 рассчиты- ваются для каждой конкретной линии с помощью ПК
«RastrWin» и «АРМ СРЗА» по базам данных для операци- онной зоны ОДУ Сибири. Необходимо отметить, что ПК
«АРМ СРЗА» позволяет рассчитывать токи и напряжения фаз при всех видах КЗ, при этом предполагается, что до КЗ имел место режим холостого хода. Угол передачи δ, полученный в результате расчета, не превышает 2. Следова- тельно, нагрузочный режим не учитывается.
Расчет токов и напряжений при несимметричных КЗ осуществляется с помощью метода симметричных состав- ляющих. Сопротивления линий для схемы нулевой после- довательности рассчитываются автоматически на основа- нии заданных пользователем параметров. Сопротивления для схемы обратной последовательности приняты равны- ми сопротивлениям схемы прямой последовательности.
Как известно, КЗ в сетях высокого напряжения как правило сопровождаются возникновением дуги, поэтому одной из составляющих переходного сопротивления Rп является сопротивление дуги Rд, которое может изменяться в довольно широких пределах. На основании исследований, результаты которых приведены в [2], есть два варианта расчета Rд:
1-й вариант – напряжение на дуге не зависит от значения тока и равно 2500 В м дуги. Тогда Rд постоянно и определяется по формуле:
д д д
2500l , R I
где lд – исходная длина дуги, которая определяется по длине изоляторов с запасом в 50 %, м; Iд – ток дуги, А.
2-й вариант – учитываются зависимость напряжения от тока дуги, расширение дуги под воздействием ветра и его динамики. В этом случае Rд определяется в соответствии с уравнением «Warrington» [2]:
д д
д 1,4д д
28700 5
1 ,
l t
R I l
где tд – время существования дуги, с; ν – скорость ветра, м с.
При проведении вычислительных экспериментов при- нятый диапазон Rд составляет от 0,5 до 10 Ом.
При КЗ на землю в модели предусмотрена возможность учета сопротивления заземления опоры Zоп, так как большинство КЗ на высоковольтных линиях происходит вследствие перекрытия гирлянд изоляторов. В этом случае
ток КЗ течет от фазного проводника по дуге, потом по металлической арматуре опоры и далее стекает на землю.
Это означает, что в месте КЗ на землю активное сопро- тивление дуги и сопротивление опоры соединены после- довательно.
К настоящему времени модель реализована в ПК
«Mathcad». Результаты расчета представляются в виде зависимостей измеренных сопротивлений от переходного сопротивления и параметров нагрузочных режимов. Зави- симости могут быть представлены в виде таблиц или кри- вых на комплексной плоскости. Следующий этап работы предусматривает реализацию модели на языке програм- мирования «C#».
III. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Вычислительные эксперименты проводились в соответст- вии с указаниями и рекомендациями, изложенными в [4].
На рис. 3–5 приведены результаты расчетов для одной из наиболее нагруженных линий 500 кВ операционной зоны ОДУ Сибири протяженностью 356 км, выполненной проводом АС 400/27.7, на металлических опорах с двумя грозозащитными тросами.
Для данной линии в ПК «RastrWin» были рассчитаны режимы:
с максимальным перетоком активной мощности, соответствующим предельному по САУ (при отсут- ствии контролируемого сечения);
с минимальным перетоком активной мощности, соот- ветствующим минимальному прогнозируемому уровню потребления электроэнергии.
При проведении экспериментов изменялся состав и ре- жим работы устройств регулирования напряжения и реак- тивной мощности с целью получения максимальных и минимальных значений напряжений на шинах подстан- ций Б и В.
Результаты получены для комплектов ДЗ и 1 ДЗ , рас-2 положенных соответственно на передающем и приемном концах линии.
Отечественные и зарубежные производители ДЗ на мик- ропроцессорной базе обеспечивают ряд специальных наст- роечных параметров для отстройки ДЗ от нагрузочных режимов энергосистемы. Такими параметрами, в частности, являются: наклон верхней стороны четырехугольной характеристики срабатывания, обеспечение «выреза от нагрузки» в первом квадранте комплексной плоскости,
«вырез» в нижней части второго квадранта, смещение характеристики в четвертый квадрант [5]. Задача экспе- риментов состояла в том, чтобы найти подходящие углы наклона сторон прямоугольных характеристик первой, второй и третьей, резервной, ступеней ДЗ.
Важно отметить, что применение перечисленных настро- ечных параметров по требованиям, изложенным в [4], не должно уменьшать границы характеристики защиты, выбранные по условиям чувствительности и селективности.
На рис. 3 показаны зависимости изменения сопротив- ления, измеренного комплектом ДЗ , при однофазном КЗ 1 на линии В–Г вблизи шин подстанции В.
Рис. 3 – Зависимость сопротивления, измеренного ДЗ , от δ и 1 Rп при однофазном КЗ: кривая 1 – δ = 2; кривая 2 – δ = 50
RП1
ДЗ1 ДЗ2
RП2 RП3
X1 X2 X3
C1
C2 C3
C4 A
Б В
Г
ДЗ4 ДЗ3
Рис. 1 – Электрическая схема района энергосистемы: С– система; Rп – переходное сопротивление; X – расстояние до места КЗ; ДЗ – комплект дистанционной защиты
1 ZC
UA
UБ
LАБ
Z
2 ZC
4 ZC 3
ZC
1 EC
2
EC UВ
3 EC
UГ
4 EC
RП1 RП2 RП3
ДЗ1 ДЗ2
ДЗ4 ДЗ3
LАБ
Z ZLБВ
LБВ
Z ZLВГ
LВГ
Z
Рис. 2 – Схема замещения прямой последовательности: EС – ЭДС системы; ZC – эквивалентное сопротивление системы; ZL – сопротивление воздушной линии
Как видно, при увеличении угла передачи сопротивление уменьшается. Отстройка от режима 2 может быть обеспе- чена за счет наклона верхней части характеристики сраба- тывания на – 23.
На рис. 4 показаны зависимости величин сопротивлений, измеренных ДЗ при трехфазном КЗ через 2 Rп на шинах подстанции Б (кривые 1, 2), вблизи шин В и «за спиной»
защиты ДЗ2(кривые 3, 4).
На рис. 5 приведены зависимости величин сопротив- лений, измеренных ДЗ при трехфазном КЗ на линии А–Б. 2 Первая точка соответствует КЗ на шинах Б, последняя удалена от шин Б на 30 % длины линии А–Б.
IV. ВЫВОДЫ
Разработанное средство автоматизации позволяет выпол- нять расчеты параметров срабатывания ДЗ линий электро- передачи с учетом нагрузочных режимов работы энерго- системы, направления потока мощности, переходного сопротивления и промежуточной подпитки.
Результаты расчета позволяют обоснованно корректиро- вать формы характеристик срабатывания реле сопротив- ления направленных ступеней ДЗ, используя настроечные
параметры, предусмотренные производителями, и в боль- шинстве случаев существует возможность обеспечения селективной работы ДЗ линий при наиболее тяжелых нагрузочных режимах без уменьшения границ характери- стик срабатывания защиты, выбранных по условиям чувствительности и селективности.
Описанные выше алгоритмы будут использованы для создания программного продукта на языке «C#».
Список литературы
[1] Ле Тхи Хоа, Чан Хоанг Куанг Минь, Шмойлов А.В. Анализ дистанционных защит линий и разработка рекомендаций для их настройки // Известия высших учебных заведений. Электромеха- ника. Южно-Российский государственный политехнический универ- ситет имени М.И. Платова. 2011. № 6. С. 92–97.
[2] Gerhard Ziegler Numerical Distance Protection. Principles and Applications.
Berlin: Publicis Erlangen. 2008. 396 p.
[3] Методические указания по устойчивости энергосистем. Приказ Минэнерго России от 30 июня 2003 г. № 277. М.: АО «СО ЕЭС».
2003. URL: http://www.so-ups.ru (дата обращения: 05.04.2018).
[4] Методические указания по обеспечению отстройки дистанционных защит от нагрузочных режимов работы энергосистем. М.: АО «СО ЕЭС», 2017.
[5] Каталог продукции ООО НПП «ЭКРА». Компакт диск 1.05 ГБ.
2015.
© IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2018»
Рис. 4 – Зависимость сопротивления, измеренного ДЗ от от δ и 2 Rп при трехфазном КЗ: кривые 1, 3 – δ = 50; кривые 2, 4 – δ = 2
Рис. 5 – Зависимость измеренного сопротивления ДЗ от δ и места замыкания 2 на линии А-Б при трехфазном КЗ: кривая 1 – δ = 2; кривая 2 – δ = 50