Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технических решений релейной защиты электрических распределительных сетей энергосистем 13
1.1. Характеристика защищаемого объекта 13
1.2. Режимы в электрической распределительной сети 17
1.3. Анализ технических решений защиты и пути ее совершенствования 20
1.4. Выводы 39
Глава 2. Токовые защиты нулевой последовательности линий 110-220 кВ 41
2.1. Способ обеспечения селективности токовых защит нулевой последовательности 41
2.2. Релейная защита линий 110-220 кВ при разрывах фаз 59
2.3. Токовая защита нулевой последовательности радиальных линий 110-220 кВ с взаимоиндукцией 75
2.4. Выводы 82
Глава 3. Способ выполнения селективных защит нулевой последовательности при наличии трансформаторов и автотрансформаторов 84
3.1. Токовая защита нулевой последовательности линий проходных подстанций распределительной сети 110 кВ 84
3.2. Релейная защита понижающих трансформаторов в режимах продольно-поперечной несимметрии 97
3.3. Токовые защиты нулевой последовательности автотрансформаторов с селективным органом 101
3.4. Выводы 115
Глава 4. Совершенствование релейной защиты от междуфазных коротких замыканий распределительной сети 110 кВ 118
4.1. Дистанционная защита линий проходных подстанций 110 кВ 118
4.2. Резервирование отказа выключателя в цепи трансформатора 131
4.3. Релейная защита и автоматика ответвительной однотрансформаторной подстанции 110 кВ 132
4.4. Выводы 140
Заключение 142
Список литературы 144
Приложение 1 152
- Анализ технических решений защиты и пути ее совершенствования
- Токовая защита нулевой последовательности радиальных линий 110-220 кВ с взаимоиндукцией
- Релейная защита понижающих трансформаторов в режимах продольно-поперечной несимметрии
- Релейная защита и автоматика ответвительной однотрансформаторной подстанции 110 кВ
Введение к работе
Электроэнергетика является одной из базовых отраслей экономики любой страны, в том числе и Российской Федерации. Каждому этапу развития энергетики соответствует адекватная ей идеология построения систем релейной защиты (РЗ) и автоматики (РЗА), в том числе и противоаварийной автоматики (ПА), обеспечивающие надежную работу энергообъектов и снабжение электроэнергией потребителей.
В период широкого сетевого строительства (с начала 60-х годов прошлого столетия) создавались как сети сверхвысокого напряжения 500 - 750 -1150 кВ, позволившие объединить отдельно работающие энергосистемы в единую энергосистему "ЕЭС СССР" ("ЕЭС России") и способные передавать большие потоки мощности на значительные расстояния, так и распределительные сети более низкого напряжения 110 - 220 кВ.
Это был период стремительного развития РЗА и ПА больших
энергосистем и их объединений, как с точки зрения теории построения
релейной защиты, так и создания новых более совершенных устройств. В их
создании участвовали многие ученые: A.M. Федосеев, В.М. Ермоленко, С.Я.
Петров, А.Б. Чернин, Е.Д. Сапир, Г.В. Микуцкий, М.И. Царев, А.В. Барзан,
М.А. Беркович,
А.Д. Дроздов, М.И. Сирота, В.Л. Фабрикант, А.И. Левиуш, В.К. Ванин и в дальнейшем представители школы релейной защиты профессора А.Д. Дроздова: В.В. Платонов, А.С. Засыпкин, Э.В. Подгорный, С.Л.Кужеков, Г.В. Бердов, М.М. Середин; представители Чебоксарской школы релейной защиты: Ю.Я. Лямец, Г.С. Нудельман, Н.А. Дони, Ю.Н. Алимов, а также учебные, научно-исследовательские институты и производственные объединения: Энергосетьпроект, ВНИИЭ, ВНИИР, ЮРГТУ (НПИ), МЭИ, ЧЭАЗ и в последние годы НПП «Экра», НПП «Бреслер» и другие организации.
В настоящее время все оборудование распределительных устройств подстанций, линий электропередачи имеют основную и резервную защиты. Последние, кроме защиты своего участка, осуществляют резервирование защит
дальнего резервирования разработаны устройства ближнего резервирования, позволяющие локализовать повреждение в пределах одного объекта. Например, устройство резервирования отказа выключателя при срабатывании защиты и отказе выключателя присоединения производит отключение всех присоединений на этом объекте, исключая отключения на смежных объектах. Электрификация больших территорий осуществлялась как развитием распределительных сетей низшего уровня напряжений 6-10-35 кВ, так и более высокого напряжения 110-220 кВ. Распределительные электрические сети напряжением 110-220 кВ являются одними из главных в электроснабжении потребителей и от их надежности зависит устойчивое, бесперебойное их функционирование. Поэтому повышению надежности работы сетей, упрощению схем подстанций, уделяется постоянное внимание. Институтом "Энергосетьпроект" разработаны отвечающие этим требованиям и нашедшие широкое применение в энергосистемах проходные подстанции 110-220 кВ с упрощенными схемами первичных соединений. Проходные подстанции содержат минимальное число выключателей для линий, отделители и короткозамыкатели в цепях трансформаторов. Разработки источников переменного оперативного тока и использование их вместо аккумуляторных батарей на подстанциях распределительной сети 110 кВ значительно снизили затраты на строительство подстанций. Комплексный подход в построении РЗА распределительных сетей напряжением 6-110 кВ содержится в работах Я.С. Гельфанда, М.Л. Голубева, М.И. Царева, М.А. Шабада, В.А. Ру-бинчика, А.В. Богдана, М.Я.Клецеля В.И. Нагая и др.
Схемы проходных подстанций содержат также высоковольтные трансформаторы тока и трансформаторы напряжения для защит линий. Существующие принципы построения релейной защиты линий не позволяют произвести упрощение схемы в этом звене подстанции. Разработка токовых защит нулевой последовательности (НП) линий, использующих токовый принцип обеспечения селективности без информации о напряжении сети, позволяет исключить трансформаторы напряжения высшей стороны и упростить схемы подстанций распределительной сети 110 кВ.
7 В эксплуатации обозначились проблемы с релейной защитой при разрывах фаз линий, что обусловлено:
неселективным отключением линий 110-220 кВ; отсутствием защит от сверхтоков нулевой последовательности у трансформаторов распределительной сети 110 кВ, работающих с заземленной нейтралью, в режимах продольно-поперечной несимметрии - при разрывах фаз и замыканием их на землю (чаще одной фазы и падением провода на землю). По фазам трансформаторов в этих режимах протекают токи нулевой последовательности в несколько раз превышающие номинальные. Защиты трансформаторов этих токов не выявляют и на них не реагируют, поэтому они могут протекать длительно и составлять угрозу целости трансформаторов и другого оборудования подстанции.
Теоретические основы неполнофазных режимов и режимов продольно-поперечной несимметрии, поведение защит в них глубоко разработаны и изучены в работах С.А.Ульянова, А.Б.Чернина, Н.Н.Щедрина, С.Б.Лосева, А.М.Авербуха и других авторов. Разработаны вопросы построения защит в электрических сетях высокого напряжения 330-500-750 кВ в режимах однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ), перевода линии на работу двумя фазами. Но в распределительных сетях 110-220 кВ этим знаниям следует уделить большее внимание. Распознавание этих режимов защитами линий в них затруднено. Использование чувствительных ступеней токовых защит нулевой последовательности, в том числе и дополнительно устанавливаемых, не всегда эффективны, т.к. их диапазоны и чувствительность ограничиваются. Вопросам построения релейной защиты элементов распределительных сетей при различных видах неполнофазных режимов уделяется внимание в ЮРГТУ (НПИ) и им посвящены работы В.И. Нагая.
В последние годы в распределительной сети 110 кВ наметилась тенденция замены отделителей и короткозамыкателей в цепях трансформаторов на выключатели ПО кВ. Надежность электроснабжения потребителей от этого повышается. Но в схемах этих подстанций проявился недостаток - не обеспечива-
8 ется ликвидация коротких замыканий на низшей стороне в случаях отказа в отключении выключателя (его привода) со стороны высшего напряжения трансформатора. Такая замена должна сопровождаться совершенствованием ближнего и дальнего резервирования при возможном отказе в отключении выключателя 110 кВ трансформатора.
Таким образом, решение актуальных проблем совершенствования релейной защиты распределительных сетей 110-220 кВ представляет собой важную научно-техническую задачу.
Цель работы: разработка способов, алгоритмов и устройств релейной защиты для их реализации, позволяющих обеспечить селективное действие при более высокой чувствительности, упростить схемы соединения подстанций ПО кВ; совершенствование технических решений по релейной защите линий 110-220 кВ и трансформаторов (автотрансформаторов); разработка эффективного ближнего резервирования на подстанциях с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора распределительной сети 110 кВ.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
- разработка способов обеспечения селективности токовых защит ну
левой последовательности повышенной чувствительности в распределительной
сети без использования информации о напряжении сети, оценка области их
применяемости;
разработка алгоритмов функционирования и техническая реализация селективного органа токовых защит;
обоснование необходимости выполнения и разработка способов построения релейной защиты линий 110-220 кВ при разрывах фаз;
разработка защит понижающих трансформаторов распределительной сети 110 кВ от коротких замыканий на линиях при разрывах фаз;
обоснование принципов построения и практической реализации схем дистанционных защит линий проходных подстанций 110 кВ при питании их от трансформаторов напряжения низшей стороны трансформатора;
разработка мероприятий ближнего резервирования защит трансфор-
9 маторов подстанций с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора распределительной сети 110 кВ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы физического моделирования, теоретической электротехники, алгебры логики, лабораторные исследования и натурные испытания.
Научная новизна выполненных исследований и разработок состоит в следующем:
предложен способ обеспечения селективности токовых защит нулевой последовательности на основе контроля токов присоединений, обеспечивающий ее повышенную чувствительность без использования информации о напряжении сети;
определена область применения токовых избирателей поврежденного присоединения предложенного способа и способа на основе контроля направления мощности построения токовых защит нулевой последовательности трансформаторов, автотрансформаторов, радиальных линий при наличии взаимоиндукции между цепями, линий 110-220 кВ кольцевых сетей;
разработаны алгоритмы функционирования специальной защиты от неполнофазных режимов на линиях 110-220 кВ и понижающих трансформаторах распределительной сети 110 кВ;
определено влияние регулирования напряжения под нагрузкой трансформаторов проходных подстанций 110 кВ на зоны действия дистанционных защит линий при включении защит на трансформаторы напряжения стороны низшего напряжения.
Практическая ценность работы.
1. Разработаны устройства, обеспечивающие селективность токовых защит нулевой последовательности, устройства применены в защитах следующих объектов: автотрансформаторов; линий 110-220 кВ при разрывах фаз; радиальных линий 110-220 кВ с взаимоиндукцией; линий проходных подстанций распределительной сети 110 кВ, что позволило упростить первичные схемы соединений подстанций.
Обоснована необходимость дополнения Правил устройства электроустановок и Руководящих указаний по релейной защите положениями о выполнении на линиях 110-220 кВ специальной селективной релейной защиты при разрывах фаз. Предложены и разработаны защиты: линий 110-220 кВ при разрывах фаз; радиальных линий с взаимоиндукцией при недостаточной чувствительности токовых защит нулевой последовательности; понижающих трансформаторов распределительной сети 110 кВ от сверхтоков нулевой последовательности в режимах продольно-поперечной несимметрии.
Разработаны мероприятия по модернизации и алгоритмы функционирования дистанционных защит линий проходных подстанций 110 кВ с использованием трансформаторов напряжения стороны низшего напряжения.
Разработаны схемо-технические решения устройств ближнего резервирования ПС с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора распределительной сети 110 кВ.
Предложена схема питания цепей напряжения дистанционной защиты линии с минимальным количеством реле-повторителей положения разъединителей и малой потребляемой мощностью.
Реализация результатов работы. На основе разработанных автором и реализованных АО «РЕОН» (г.Чебоксары) токовые селективные органы включены в проект защит линий 110 кВ ПС «Клетская», в проект защит радиальных линий 110 кВ ПС 500 кВ Балашовская - ПС Бубновская (Волгоградэнерго). Проект реализован на ПС Бубновская, в защите при разрывах фаз линий связи 110 кВ Камышинской ТЭЦ с системой ОАО Волгоградэнерго.
Автором или при его участии для ОАО Волгоградэнерго:
разработаны и внедрены технические решения выполнения схемы организации выпрямленного оперативного тока защит трансформаторов 10 MB-А ПС ПО кВ Заводская и Деминская с использованием одной фазы трансформатора напряжения 110 кВ;
при проектировании подстанций ПО кВ предложено институтам «Энергосетьпроект» и «Тяжпромэлектропроект» (г.Волгоград) использовать
10 MB-А ПС ПО кВ Заводская и Деминская с использованием одной фазы трансформатора напряжения 110 кВ;
при проектировании подстанций 110 кВ предложено институтам «Энергосетьпроект» и «Тяжпромэлектропроект» (г.Волгоград) использовать схему ПС с отделителем и выключателем в цепи трансформатора и УРОВ ПОкВ;
совместно с институтом «Энергосетьпроект» (г.Волгоград) разработаны для дистанционных защит линий схемы панелей реле-повторителей положения разъединителей присоединений двойной системы шин ПО кВ в проекте ПС 220 кВ Иловля 2. Проект реализован и панели включены в работу.
Апробация работы: основные результаты работы докладывались на Первой научно-технической конференции Чебоксарского центра РЗА "Релейная защита и автоматическое управление электроэнергетическими системами" (г. Чебоксары, 1997 г.), на научно-технической конференции "Релейная защита и автоматика энергосистем-2000" (г. Москва, 2000 г.), на XXII сессии Всероссийского семинара РАН "Кибернетика электрических систем" (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2000 г.), на научно-технической конференции "Релейная защита и автоматика энергосистем-2002" (г. Москва, 2002 г.), на технических советах ОАО Волгоградэнерго (г. Волгоград 1995-2000 гг.).
Публикации. По результатам работ опубликовано без соавторов 22 печатные работы, из них статей - 10, свидетельств на полезные модели - 7, патентов РФ — 2.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы и изложена на 183 с. и содержит: 97 с. текста, 46 с. рисунков, 32 с. приложений, 8 с. списка литературы из 80 названий.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель и приведена структура, отмечен вклад ученых и специалистов в развитие
12 рателей по большему току поврежденного присоединения из нескольких кон-
тролиреумых для обеспечения селективности токовых защит нулевой последовательности; выявлены и исследованы причины неселективной работы токовых защит нулевой последовательности на линиях 110-220 кВ при разрывах фаз и предложены использования принципов токовых защит нулевой последовательности и токовых защит с использованием селективного органа для построения селективных защит линий при разрывах фаз; на параллельных радиальных линиях с взаимоиндукцией при использовании типовых токовых защит нулевой последовательности выявлены зоны, при КЗ на землю в которых защиты линий работают неселективно. Предложены селективные защиты.
В третьей главе разработаны: способы обеспечения селективности и схемы включения токовых защит нулевой последовательности линий проходных подстанций 110 кВ с селективным органом; использование селективного органа в защитах автотрансформаторов; обоснована необходимость выполнения защиты от сверхтоков нулевой последовательности в режимах продольно-поперечной несимметрии для понижающих трансформаторов, работающих с заземленной нейтралью, и предложены схемы выполнения защиты.
В четвертой главе разработаны: для дистанционных защит линий проходных подстанций ПО кВ схемы включения к трансформатору напряжения стороны низшего напряжения, методика расчета и согласование уставок; схе-мо-технические решения для ответвительной однотрансформаторной подстанции ПО кВ с выключателем ПО кВ в цепи трансформатора, обеспечивающие упрощение ее схемы и повышение надежности защиты оборудования путем установки отделителя 110 кВ вместо разъединителя в цепи трансформатора, выполнения автоматики резервирования отказа выключателя - УРОВ-110 кВ, использования для максимальных токовых защит трансформатора (основной и резервной) собственного оперативного тока.
Автор выражает благодарность доктору технических наук В.И.Нагаю за методическую помощь и научные консультации при подготовке диссертации.
Анализ технических решений защиты и пути ее совершенствования
Способы обеспечения селективности токовых защит нулевой последовательности. Известны способы обеспечения селективности токовых защит в радиальной сети с односторонним питанием и в кольцевой сети. В радиальной сети селективность защиты обеспечивается выдержкой времени, нарастающей от потребителя к источнику питания [1,2]. Недостаток способа защиты заключается в ограниченной области использования. Он не может обеспечивать селективность защит в кольцевых сетях.
Известен способ обеспечения селективности защит в кольцевых сетях, описанный в литературе [l-s-5] и основанный на сравнении сдвига фазы тока присоединения относительно напряжения сети с заданным. Реализуется способ с помощью устройства-реле направления мощности. Реле направления мощности, реагируя на сдвиг фаз между подводимыми к нему током короткого замы кания Ікз присоединения и напряжением сети Uc и реагирует на направление потока мощности короткого замыкания, протекающей через защиту. Направленность действия, определяющая возможность срабатывания только защит, через которые мощность короткого замыкания направляется от шин в сторону защищаемой линии, дает возможность на них вводить защиты в действие и тем самым обеспечивать селективное отключение повреждений. Напряжение сети используется в качестве поляризующего вектора и способ поэтому именуется как способ с поляризацией по напряжению. Он используется в междуфазных токовых защитах линий с двухсторонним питанием напряжений 6-10-35 кВ, в токовых защитах нулевой последовательности линий и автотрансформаторов электрических сетей, работающих с глухозаземленной нейтралью.
Однако способ имеет следующие недостатки: схемы подстанций должны содержать измерительные трансформаторы напряжения, что приводит к их усложнению; реле направления мощности обеспечивает селективность защит не во всех случаях, т.к. его чувствительность имеет ограничения. Нечувствительность реле по напряжению ограничивает область его использования.
Известен способ токовой поляризации, в котором используются трансформаторы тока для получения поляризующего вектора. В качестве поляризующего способ использует ток нулевой последовательности включаемых в нейтрали трансформаторов (автотрансформаторов) трансформаторов тока или включаемых в фильтр токов нулевой последовательности трансформаторов тока на сторонах трансформаторов (автотрансформаторов). Правильное поведение реле направления мощности обеспечивается в схемах подстанции с двух- обмоточными трансформаторами, а в случаях с автотрансформаторами или трехобмоточными трансформаторами с заземленными нейтралями высшего (ВН) и среднего (СН) напряжений, например, 220 и 110 кВ для правильного поведения и получения необходимой чувствительности реле требуется соблюдение определенных условий, осложняющих его использование. Поэтому он используется редко и в основном в защитах линий подстанций с двухобмоточны-ми трансформаторами [6].
Известен способ определения повреждений электрической линии при однофазных замыканиях на землю в радиальных электрических сетях с изолированной или компенсированной нейтралью [7], основанный на сравнении между собой величин максимальных амплитуд напряжений на конденсаторах, заряжаемых токами нулевой последовательности всех линий данной подстанции в момент замыкания. Поскольку амплитуда броска тока нулевой последовательности в линии с замыканием на землю является наибольшей, то по ней определяют поврежденную линию. Устройством, реализующим способ, является устройство центральной сигнализации земли типа УЦСЗ-20 (или УЦСЗ-60) [8]. С помощью диодного максиселектора выделяется присоединение с наибольшим током замыкания на землю. Ток разряда конденсатора поврежденного присоединения при наличии сигнала пускового органа, реагирующего на напряжение нулевой последовательности, усиливается и от него загорается лампа накаливания, сигнализирующая замыкание на землю соответствующего присоединения. К недостаткам способа и устройства следует отнести: для работоспособности максиселектора требуется значительная разность в сравниваемых напряжениях на конденсаторах (до 60 % в указанных устройствах), что сужает область его использования; наличие трансформатора напряжения нулевой последовательности, на который включается пусковой орган по напряжению нулевой последовательности.
Известно устройство для защиты от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью [9], которое описывает способ выбора повре-жденного присоединения по наибольшему сигналу. Устройство содержит: преобразователи тока в выпрямленное напряжение в виде промежуточных трансформаторов тока и выпрямительных мостов, включаемые на трансформаторы тока нулевой последовательности присоединений; пусковой орган по току; блок выбора наибольшего сигнала; исполнительные органы и пусковой орган по напряжению, включаемый на трансформатор напряжения нулевой последовательности.
При возникновении однофазного замыкания на землю в поврежденном присоединении протекает ток замыкания на землю всей сети, в присоединениях - собственные емкостные токи. Ток замыкания на землю сети больше токов собственных емкостных токов неповрежденных присоединений. Сигналы преобразователей, пропорциональные емкостным токам присоединений, в блоке выбора наибольшего сигнала сравниваются с опорным напряжением пускового органа по току. Если уровень сигнала поврежденного присоединения окажется больше порога срабатывания пускового органа по току, срабатывает исполнительный орган и производит его отключение. Сигналы неповрежденных присоединений меньше порога срабатывания токового пускового органа и их исполнительные органы не работают. Уровень опорного напряжения пускового органа по току устанавливается исходя из величины емкостного тока сети. Недостатки способа и устройства применительно к электрическим сетям с большими токами замыкания на землю состоят в том, что оно может использоваться для одной ступени токовой защиты нулевой последовательности и в многоступенчатых защитах их количество равно числу ступеней защиты, устройство содержит пусковой орган по напряжению нулевой последовательности, требующий установки трансформатора напряжения нулевой последовательности. Имеются и другие способы определения поврежденной линии в сетях с изолированной нейтралью, описываемые конкретными устройствами, но все они или используют напряжение нулевой последовательности, или имеют недостатки, несовместимые с использованием их в сетях с большими токами замыкания наземлю, например, с использованием высших гармоник тока и напряжения.
Приведенные недостатки способов указывают на их сложность. Избранное направление разработки способа, упрощающего решение актуальной задачи, приведено в гл. 2. Способ обеспечения селективности токовых защит нулевой последовательности использует токи присоединений. Это позволяет отказаться от использования трансформаторов напряжения в защитах линий проходных подстанций распределительной сети 110 кВ. Модернизация дистанционных защит линий позволит включить их на питание от трансформаторов напряжения стороны низшего напряжения, что также способствует исключению трансформаторов напряжения высшей стороны в схемах подстанций. Релейная защита линий 110-220 кВ при разрывах фаз. Теоретические основы неполнофазных режимов хорошо изучены, но на практике эти знания используются недостаточно [104-14].
Токовая защита нулевой последовательности радиальных линий 110-220 кВ с взаимоиндукцией
При включении защит линий на ПС Е с селективным органом и том же разрыве фазы на линии Wt ток нулевой последовательности 60 А в линии W2 на ПС Е меньше тока 130 А линии с разрывом W/ и селективным органом будет выведена защита линии W2 и введена защита поврежденной линии Wt с уставкой 60 А - 5,4 с. Отношение токов линий п — lwx IIW2 = \30А/ 60А — 2,15 обеспечивает работоспособность селективного органа с отношением токов при надежной работе, например, пт = 1,25 . Первой на этой линии при токе нагрузки ПС Е, равном 70 А, может сработать IV ступень защиты па ПС К, как имеющая меньшую выдержку времени — 3,6 с и отключит выключатель Q2. в результате отключение происходит с минимальным числом отключений и без обесточения ПС Е.
Сигнализация разрывов фаз на линиях. В гл. 1 отмечается, что разрывы фаз на линиях связи электростанции с системой могут приводить к отделению станции, приведен пример отделения Камышинской ТЭЦ в системе «Волго-градэнерго». При разрыве фазы на одной линии связи и отключении второй линии связи срабатывает чувствительная ступень токовой защиты нулевой последовательности линии с разрывом от токов нагрузки и производит ее отключение. ТЭЦ таким образом отделяется от системы.
Релейную защиту при разрывах фаз на таких линиях предлагается выполнять в виде отдельного устройства, содержащего токовые реле и селективный орган с чувствительной уставкой срабатывания и действием защиты на сигнал. Устройство включается на токи нулевой последовательности линий. Сигнализация появления разрыва позволяет в плановом порядке выполнить мероприятия по созданию режима неотключения линии, работающей двумя фазами, от токов нагрузки, например, повышением уставок срабатывания ее токовых защит НП при отключении второй линии и возникновении утяжеленного нагрузочного режима. Параллельная работа станции сохраняется.
Уставку по току срабатывания токового органа защиты следует принимать как можно более чувствительной, чтобы охватывался больший диапазон изменений токов при колебаниях нагрузки. Минимальное значение ее определяет условие отстройки от токов небаланса трансформаторов тока защиты [18] по выражению: І=(0,05-0,1)ІІІОЛІ, где 1„ом - номинальный (первичный, вторичный) ток трансформаторов тока. Пример выполнения селективных защит линий 110-220 кВ при разрывах фаз.
В качестве примера для «Волгоградэнерго» автором разработана сигнализация разрывов фаз на линиях связи 110 кВ Камышинской ТЭЦ с системой с использованием отдельного устройства, рис. 2.15. На рис. 2.15 обозначены: W1, W2 - линии связи Камышинской ТЭЦ с системой; m п - разрыв фаз; ТА 1, ТА2 — трансформаторы тока защит линий; ЭПЗ-1636 - типовая панель защиты линий; УС - устройство сигнализации при разрывах фаз. Устройство содержит токовые реле 1КА, 2КА и двухплечевой селективный орган КАА. Устройство включено на токи нулевой последовательности в токовые цепи панелей ЭПЗ-1636 защит линий. Для токовых реле принята минимальная уставка срабатывания по руководящим указаниям по релейной защите [19], отстроенная от токов небаланса трансформаторов тока. В распределительных сетях электроснабжение радиальными линиями с односторонним питанием имеет широкое распространение. Оно позволяет выполнить ПС с упрощенными схемами, использовать на линиях простые устройства релейной защиты. Руководящими указаниями по релейной защите и типовыми проектами института «Энергосетьпроект» [40] в качестве релейной защиты от КЗ на землю на радиальных линиях предусматривается двухступенчатая токовая за щита нулевой последовательности: ненаправленная первая ступень без выдержки времени и направленная вторая ступень с выдержкой времени. Направленность позволяет выполнить защиту быстродействующей.
Проблема нечувствительности реле направления мощности, встречающаяся на длинных линиях, обеспечивается включением реле направления мощности по схеме с блокирующим сигналом. Оно обеспечивает срабатывание защиты при КЗ на линии и несрабатывание, выводя защиту из действия, при внешних КЗ.
Однако, имеются радиальные линии, связанные взаимоиндукцией, на которых эти защиты не могут обеспечить селективные отключения КЗ на землю. На линиях, вторая ступень которых включена с блокирующим реле направления мощности, как отмечено в гл. 1, при КЗ в конце линии в зоне действия второй ступени на неповрежденной линии также создаются условия для срабатывания ее второй ступени. Ток, наведенный через взаимоиндукцию, обеспечивает срабатывание реле тока, а реле направления мощности из-за нечувствительности не выводит ступень из действия и она неселективно срабатывает. В результате неповрежденная линия отключается одновременно с поврежденной.
Обеспечить селективность защит простыми средствами, например, увеличением уставки тока срабатывания второй ступени, принимая ее выше наводимого тока в линии через взаимоиндукцию, не представляется возможной, т.к. это приводит к потере чувствительности защиты при КЗ на линии.
Поэтому возникла необходимость провести анализ и определить: на каких радиальных линиях с взаимоиндукцией реле направления мощности обеспечивает селективность защит и оно может использоваться в защитах, и каким способом обеспечивать селективность защит линий, на которых реле направления мощности не обеспечивает селективность.
Для проведения анализа чувствительности реле направления мощности проведены расчеты [41]. В них изменялись параметры элементов схемы замещения нулевой последовательности сети, изображенной на рис. 1.5 гл. 1, влияющие на ток и напряжение нулевой последовательности: длины линий, величины их взаимоиндукции, мощности трансформаторов приемной ПС.
Длины линий изменялись в пределах от 30 км до 80 км; величина взаимоиндукции - принималась максимальной при двухцепных линиях и величине, равной при расстоянии между линиями 70 м; мощности трансформаторов — от 80 МВ-А до 10 МВ-А; количество синхронных двигателей нагрузки типа СТД-12500 мощностью по 12,5 МВт - с четырьмя двигателями на трансформаторах 80 МВ-А и уменьшением количества при уменьшении мощности трансформаторов. По результатам расчетов построены зависимости вторичных напряжений нулевой последовательности на шинах питающей ПС А (рис. 2.16):
Релейная защита понижающих трансформаторов в режимах продольно-поперечной несимметрии
Режимы с разрывами фаз - одной или двух, на линии и короткими замыканиями этих фаз на землю в сторону трансформатора (режимы продольно-поперечной несимметрии ППН) являются аварийными для понижающих трансформаторов, работающих с заземленными нейтралями. Несмотря на изученность теоретических вопросов неполнофазных режимов и вопросов продольно-поперечной несимметрии, применение их для построения релейной защиты трансформаторов в них не было уделено должного внимания. Впервые о них отмечается в [46].
Режимы продольно-поперечной несимметрии возникают, например, при недовключении фазы выключателя и КЗ на землю на этой фазе линии, при разрывах шлейфов и падении провода на землю, а также искусственно создаваемые при включении короткозамыкателя трансформатора на фазе с разрывом.
В режимах продольно-поперечной несимметрии, как показано в гл. 1 диссертации, по фазам понижающих трансформаторов, работающих с глухоза-земленной нейтралью, протекают сверхтоки нулевой последовательности, подвергая их значительным перегрузкам. Они могут в 2-4 раза превышать номинальные токи и приводить к их повреждениям. Имеющиеся защиты трансформаторов этих токов не выявляют и на них не реагируют. Ситуация для них является неконтролируемой. В режиме с разрывом одной фазы и замыканием ее на землю условия для несения нагрузки трансформатором не нарушаются и при трехфазной нагрузке, не превышающей номинальной по приборам на стороне НН, трансформатор на самом деле обтекается опасными для него токами нулевой последовательности. При опасных перегревах в этих случаях имелись случаи отключения трансформаторов вручную оперативным персоналом.
Оценку возможности защиты трансформатора защитами питающей линии выполним, используя данные примера линии 110 кВ, приведенные в гл.1, рис. 1.4, и величины токов нулевой последовательности в ней, рис. 1.5. Они составляют: при разрыве одной фазы: 3 10 = 78А; при разрыве двух фаз: 3 In = 40А. При коэффициенте чувствительности защиты k4 = 1,5, как для основной защиты согласно ПУЭ, защита должна будет иметь уставки срабатывания соответственно: для разрыва и КЗ одной фазы: где 60А - минимальная уставка токовой защиты нулевой последовательности, допускаемая руководящими указаниями по релейной защите [18].
В обоих случаях защита линии не осуществляет защиту трансформатора.Поэтому для защиты от сверхтоков нулевой последовательности в режимах продольно-поперечной несимметрии автором предложено на понижающих трансформаторах выполнять отдельную защиту. Наиболее простое решение дает использование для нее тока нулевой последовательности нейтрали трансформатора [47].
На рис. 3.6 приведена структурная схема защиты нулевой последовательности понижающего трансформатора. Обозначения на схеме: W, Т — линия и трансформатор; ТАЇ, ТА2 - трансформаторы тока на стороне высшего напряжения и в нейтрали трансформатора; КА, КТ - токовый орган и орган выдержки времени защиты; QN (Q) — короткозамыкатель или выключатель; QR - отделитель 110 кВ. Токовый орган защиты может включаться в трансформаторы тока высшей стороны или трансформатор тока нейтрали трансформатора. Защита может выполняться с двумя уставками по времени срабатывания с первой уставкой t] защита действует на включение короткозамыкателя или отключение выключателя 110 кВ в цепи трансформатора, со второй tj - на отключение отделителя 110 кВ в цепи трансформатора при отказе во включении короткозамыкателя или при отказе в отключении выключателя для подстанций с отделителем и выключателем в цепи трансформатора.
Предложенная защита нулевой последовательности на трансформаторе является основной для режима продольно-поперечной несимметрии. Функции дальнего резервирования может выполнять токовая защита нулевой последовательности питающей линии, если она обладает достаточной чувствительностью. При коэффициенте чувствительности защиты кч = 1,2, как для защиты в зоне резервирования согласно ПУЭ, используя данные того же примера, рис. 1.4, 1.5, защита будет иметь уставки срабатывания соответственно:
Таким образом, выполнить полноценное дальнее резервирование защитами линии не представляется возможным.
Радиальные линии. С позиций продольно-поперечной несимметрии следует обратить внимание на токовые защиты нулевой последовательности радиальных линий. Согласно руководящим указаниям [18] они могут быть одноступенчатыми. Уставка тока срабатывания защиты при наличии заземленных нейтралей трансформаторов отстраивается от бросков токов намагничивания этих трансформаторов и может оказаться нечувствительной к КЗ в режимах продольно-поперечной несимметрии. Поэтому, по условиям резервирования токовых защит нулевой последовательности трансформаторов в режимах продольно-поперечной несимметрии токовые защиты нулевой последовательности радиальных линий необходимо выполнять двухступенчатыми.
Основным назначением токовых защит нулевой последовательности автотрансформаторов (AT) является ликвидация опасных аварийных режимов при сквозных КЗ на землю в случаях отказа защит или выключателей смежных элементов. Здесь защиты выполняют функции резервирования защит элементов смежной сети. Функции основной защиты они выполняют в случае, когда осуществляют, например, защиту шин при отключении ее защит для проверки. В соответствии с руководящими указаниями по релейной защите понижающих трансформаторов и автотрансформаторов [20] защиты выполняются многоступенчатыми (в основном трехступенчатые), первая ступень которых содержит цепи ускорения по времени действия на случай выполнения ею функций защиты шин.
Токовая защита нулевой последовательности сторон высшего и среднего напряжений автотрансформаторов. Автотрансформаторы своей обмоткой электрически соединяют системы высшего и среднего напряжений и, поэтому защиты на этих сторонах AT, как в кольцевой сети, выполняются с органами направления мощности. . Реле направления мощности, по одному реле в защите каждой стороны, обеспечивают срабатывание защит стороны AT с коротким замыканием и несрабатывание защит стороны без КЗ. Такой же результат в действиях защит, но с меньшим количеством устройств - одним, достигается в предложении автора при включении защит с селективным органом. По принципу действия селективный орган вводит защиты стороны AT с коротким замыканием и блокирует защиты стороны AT без короткого замыкания.
Релейная защита и автоматика ответвительной однотрансформаторной подстанции 110 кВ
Принцип предложенной схемы состоит в том, что реле-повторители в рабочих положениях находятся в обесточенном состоянии, в качестве которых используются промежуточные двухстабильные реле типа РП8. На рис. 4.5 (а) приведена схема включения реле-повторителей. В схеме переключений, рис. 4.5 (б), замыкающие контакты обоих положений реле подают напряжение на защиту от трансформаторов напряжения I или II системы шин. В результате, использование двухстабильного реле обеспечивает подачу напряжения на защиту от трансформаторов напряжения двух систем шин. Кроме того, контакты двухстабильного реле включены в цепь оперативного тока дистанционной защиты. Одновременно со снятием и переключением цепей переменного напряжения при переводе линии с одной на другую систему шин двухстабильное реле снимает оперативный ток с защиты. Восстановление оперативного тока на защите происходит с задержкой после срабатывания промежуточного реле, имеющего задержку на срабатывание типа РП-18 или РП-251. Этим при переводе линии с одной на другую систему шин соблюдается требующаяся последовательность: сначала подается переменное напряжение, а затем оперативный ток для исключения ложной работы защиты во время переключения цепей напряжения.
Разработанная схема использована Волгоградским институтом «Энерго-сетьпроект» в проектах ПС 220 кВ Иловля-2 для систем шин 110 кВ и ПС 110 кВ Зензеватка системы «Волгоградэнерго» (приложение 4).
Использование отделителей и короткозамыкателеи (ОД-КЗ) и переменного оперативного тока в схемах упрощенных подстанций 110 кВ [58-г63] в период широкого сетевого строительства в стране в 60-тые годы получили распространение по экономическим соображениям (ОД-КЗ дешевле выключателя), но вызвали ряд проблем при эксплуатации:
Включение короткозамыкателя в непосредственной близости от мощных источников создает тяжелые условия для работы выключателя, т.к. ему приходится отключать большие токи КЗ; Протекающие по линиям токи КЗ при включении короткозамыкателеи часто приводят к перегреву контактов и нарушениям шлейфов проводов и, в результате, к разрыву фаз линий; снижение надежности электроснабжения потребителей по сравнению с подстанциями, выполненными по схеме с выключателем. Из-за низкой надежности аппаратов (ОД-КЗ) при их отказах имеют место отключения линий на длительное время. При этом происходит погашение потребителей других подстанций.
По этим причинам в настоящее время в эксплуатации наметилась тенденция замены отделителей и короткозамыкателеи на выключатели, а вновь включаемые подстанции выполняются с выключателями ПО кВ в цепях трансформаторов.
Но при этом на подстанциях с выключателем не решается вопрос куда действовать защитам трансформатора при отказе в отключении выключателя. Какой-либо другой аппарат для этого отсутствует и на подстанциях, не обеспеченных дальним резервированием, разрушения оборудования могут быть значительными.
Для устранения указанного недостатка схемы подстанции с выключателем 110 кВ предложено в цепи трансформатора включить отделитель ПО кВ вместо разъединителя и выполнить его отключение при отказе в отключении выключателя (привода выключателя) автоматикой устройства резервирования отказа выключателя - УРОВ 110 кВ [64]. Функционально отделитель 110 кВ заменяет разъединитель. Отделитель и автоматика УРОВ являются средствами ближнего резервирования и вместе они повышают надежность защиты трансформатора и другого оборудования подстанции [64]. Аналогичные отключения отделителей ПО кВ выполняются в схемах подстанций с отделителями и ко-роткозамыкателями, чтобы ценой возможного повреждения отделителя сохранить более дорогостоящий трансформатор и другое оборудование. Практика свидетельствует об эффективности отключений отделителями коротких замыканий на низшей стороне трансформатора. На практике на трансформаторах мощностью 2,5 МВ-А - 16 MB-А в распределительной сети ПО кВ разрушений отделителей не происходило и после небольших зачисток следов дуги на ножах они включались в работу.
На рис. 4.6 приведена схема подстанции с отделителем и включателем в цепи трансформатора, где обозначены: W - линия, QR - отделитель, Q - выключатель, Т - трансформатор. Можно привести примеры использования предложения в системе «Волгоградэнерго». В проекте ПС ПО кВ «КС Жирнов-ская», «Волгоградэнерго» предлагает заказчику АО «Гипрогазцентр» использовать полезную модель автора [65] об установке отделителей 110 кВ вместо разъединителей в цепях трансформа торов с выключателями и выполнении автоматики УРОВ-110 кВ (приложение 5).
В системе «Волгоградэнерго» принято решение о разработке проекта упрощенной подстанции ПО кВ с заменой отделителя и короткозамыкателя на выключатель, в котором предусматривается замена разъединителя на отдели тель ПО кВ в цепи трансформатора и выполнение УРОВ-110 кВ (приложение 6).
Подстанций, транзитных одиночных линий с проходными и ответвительными подстанциями и радиальных линий с ответвительными подстанциями. Ответви-тельные подстанции имеют широкое распространение из-за их экономичности: упрощенные схемы подстанций, переменный оперативный ток значительно снижают затраты на их строительство. Но чем больше их подключено к линии, тем ниже надежность электроснабжения потребителей. Поэтому нормами технологического проектирования института "Энергосетьпроект" допускается на линии не более пяти ответвительных подстанций. На однотрансформаторных подстанциях надежность релейной защиты и автоматики трансформаторов обеспечивается имеющимся источником резервного питания собственных нужд в виде резервного трансформатора собственных нужд и линии 6-Ю кВ с другой подстанции. Резервное питание во время обесточения подстанции при отключении линии или трансформатора обеспечивает постоянный подзаряд накопительных конденсаторов в схемах релейной защиты и автоматики трансформатора и их готовность к действию при включении его под напряжение.
На рис. 4.7 приведена схема ответвительной однотрансформаторной подстанции ПО кВ с источником резервного питания собственных нужд. Она содержит отделитель и короткозамыкатель 110 кВ в цепи трансформатора, линию 6-10 кВ и трансформатор резервного питания собственных нужд. На схеме обозначены: QS — разъединитель, QR и QN — отделитель и короткозамыкатель, ТІ и Т2 — трансформатор и трансформатор собственных нужд; W/ - линия ПО кВ, W2 и ТЗ - линия и трансформатор резервного питания собственных нужд; AVG - устройство автоматического включения резервного питания (АВР); ТА1 — выносные трансформаторы тока 110 кВ резервной максимальной токовой защиты на стороне 110 кВ трансформатора; ТА2 - встроенные трансформаторы тока защит трансформатора. Линии 6-10 кВ и трансформатор резервного питания собственных нужд усложняют схему однотрансформаторной подстанции.
