Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задач научного исследования 9
2. Анализ схем электроснабжения объектов, имеющих собственные электростанции, и режимов их работы 13
2.1. Общие положения 13
2.2. Анализ схем электроснабжения объектов с ЭСН 16
2.3. Анализ режимов работы объектов с ЭСН 22
2.4. Анализ автоматики режимного управления объектов С ЭСН 41
2.5. Исследование вопросов применения различного электротехнического оборудования на объектах с ЭСН 46
2.6. Итоги исследования 68
3. Анализ существующих комплексов защит и автоматики, устанавливаемых на эсн и линиях связи эсн с энергосистемой 73
3.1. Общие положения 73
3.2. Дифференциальная защита 74
3.3. Токовая отсечка ". 79
3.4. Максимальная токовая защита 94
3.5. Делительная автоматика 103
3.6. АПВ линий связи ЭСН с энергосистемой 113
3.7. Автоматическое включение резервного питания 115
3.8. Защита от феррорезонанса 116
3.9. Защита и автоматика ТЗН 119
3.10. Защита генераторов ЭСН и АДЭС, предлагаемая производителем... 121
3.11. Защита САУ агрегатов 123
3.12. Итоги исследования 123
4. Разработка быстродействующей защиты линий 6(10) KB, связывающих ЭСН с энергосистемой 129
4.1. Постановка задачи 129
4.2. Требования, предъявляемые к защите 129
4.3. Разработка принципа действия быстродействующей защиты линии 130
4.4. Размещение устройств РЗА и приемопередатчиков для реализации ЛЗЛ 131
4.5. Разработка логики для задания на программирование терминала ЦРЗА линии с ЛЗЛ 133
4.6. Реализация лзл на электромеханической элементной базе 135
4.7. Разработка методики по выбору уставок ЛЗЛ 138
4.8. Итоги исследования 139
5. Разработка устройства приемопередачи дискретных команд 142
5.1. Постановка задачи 142
5.2. Требования, предъявляемые к устройству приемопередачи 142
5.3. Разработка принципа действия приемопередатчика дискретных команд 143
5.4. Технические характеристики ППДК 150
5.5. Сравнительный анализ характеристик ППДК и существующих приемопередатчиков 151
5.6. Итоги исследованиЯ 153
Заключение 155
Список литературы 157
Перечень допустимых сокращений 163
Приложение 166
- Анализ схем электроснабжения объектов с ЭСН
- Дифференциальная защита
- Требования, предъявляемые к защите
- Требования, предъявляемые к устройству приемопередачи
Введение к работе
Актуальность работы. Нефтяная и газовая промышленность России бурно развивается. Мировая экономика требует все больше энергии. Растет спрос на все виды энергоносителей и особенно на газ.
В России создана единая газотранспортная система, содержащая большое количество протяженных магистральных газопроводов, транспортирующих газ из труднодоступных районов Крайнего Севера и Западной Сибири к потребителю. Увеличиваются объемы перекачиваемого газа, протяженности магистральных газопроводов, растет количество компрессорных станций (КС), дожимных компрессорных станций (ДКС), газораспределительных станций (ГРС), подземных хранилищ газа (ПХГ).
В планах ОАО «Газпром» предусматривается увеличение уровня добычи газа к 2010 г. до 550-560 млрд. куб.м, к 2020 г. до 580-590 млрд.куб.м газа, а к 2030 г. до 610-630 млрд. куб.м.1'2 Энергетическая стратегия Российской Федерации [78, 80] до 2020 г. предусматривает развитие нефтегазового комплекса Восточной Сибири и Якутии, приоритетное направление отдается освоению месторождений полуострова Ямал, одновременно делается акцент на освоение месторождений для снабжения газом Дальнего Востока и экспорта газа в страны Азиатско-Тихоокеанского региона.
Помимо газоснабжения потребителей внутри страны, Российский газ обеспечивает более четверти потребности европейских потребителей в природном газе. С этим связано строительство таких крупных газопроводов как «Ямал-Европа», «Голубой поток», а также Северо-Европейский газопровод, который является крупнейшим международным газотранспортным проектом.
В этих условиях все более актуальное значение приобретает обеспечение надежной работы объектов добычи, хранения и транспорта газа. Например, на компрессорных станциях каждая вынужденная остановка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) приводит к нарушениям технологического процесса по перекачке газа, потерям газа при остановке и пуске ГПА, сокращению срока службы и
1 Годовой отчет за 2006 г. Стратегия в области добычи газа.
//URL:
2 Добыча. Каковы планы Газпрома по добыче газа?
//URL:
периода между ремонтами оборудования, возможному недоотпуску газа потребителям как внутри страны, так и за ее пределами.
Для обеспечения надежной работы газотранспортных систем особое значение имеет бесперебойное электроснабжение КС, ПХГ и промыслов.
В центральных районах КС и ПХГ обычно получали питание от энергосистемы, которая обеспечивала высокую надежность электроснабжения [2]. Однако, в настоящее время ситуация изменилась. Надежность электроснабжения от энергосистемы снижается [16, 32, 43, 53, 58]. Подтверждением этому является кризис мая 2005 г. в Мосэнерго. Кроме того, в предъявляемых технических условиях на подключение к энергосистеме на потребителя возлагается неоправданно большая финансовая нагрузка. В связи с этим ОАО «Газпром» приняло решение о строительстве электростанций собственных нужд (ЭСН) даже в ранее благополучных районах для обеспечения электроснабжения собственных технологических объектов.
ЭСН являются основным источником электроснабжения в районах Крайнего Севера, где связь с энергосистемой отсутствует или является ненадежной. В этих условиях надежная работа ЭСН имеет особо важное значение. Длительное исчезновение электроснабжения создает в условиях низких температур экстремальную ситуацию, связанную с опасностью для жизни людей, а иногда приводит к необходимости эвакуации целых поселков обслуживающего персонала, поскольку электростанции используются для электроснабжения не только технологических объектов, но и жилых поселков обслуживающего объекты персонала.
Опыт эксплуатации ЭСН показал, что существуют проблемы, связанные не только с недостаточным качеством поставляемого первичного оборудования, но и с нехваткой научной базы, с несовершенством конкретных проектных решений, особенно в области релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА), режимного управления. Такое положение вполне объяснимо, поскольку малая энергетика в России не имеет такого опыта, как большая, и только начинает развиваться.
Данная работа посвящена анализу режимов работы ЭСН, средств релейной защиты и разработке рекомендаций, способствующих повышению надежности
работы электростанций, что является актуальной исследовательской и технической задачей.
Целью работы является повышение надежности электротехнических комплексов объектов газовой промышленности на основе совершенствования режимов работы и средств релейной защиты и автоматики систем электроснабжения с автономными источниками питания (электростанциями собственных нужд).
Для достижения поставленной цели было необходимо решить сформулированные ниже задачи.
Выполнить анализ схем электроснабжения технологических объектов с ЭСН, наиболее часто применяемых в настоящее время.
Выполнить анализ режимов работы ЭСН.
Исследовать проблемы, возникающие при параллельной работе генераторов ЭСН с энергосистемой.
Выполнить анализ защит ЭСН и линий связи ЭСН с энергосистемой с целью выбора или разработки оптимальных средств защиты, обеспечивающих сохранение динамической устойчивости после отключения повреждений.
На основе проведенного анализа разработать рекомендации, способствующие повышению надежности систем автономного электроснабжения.
Объекты и іиетодьі исследования. Объектами исследования явились системы автономного электроснабжения предприятий ОАО «Газпром». В работе использовались положения теории электрических цепей, методы расчета рабочих и аварийных режимов электрических сетей, методы и программные средства математического моделирования установившихся режимов и переходных электромеханических процессов электротехнических систем.
Научная новизна результатов исследований.
Разработан комплекс рекомендаций для проектирования систем электроснабжения с автономными источниками питания по схемным решениям, режимам работы, выбору оборудования, защит и автоматики.
Предложена методика оценки допустимой области режимов работы ЭСН по активной и реактивной мощности при параллельной работе с энергосистемой с
применением различного станционного силового оборудования, доказана техническая эффективность применения асинхронизированных генераторов.
Обоснована необходимость оптимального сочетания первичного и вторичного регулирования частоты и мощности при параллельной работе с энергосистемой электростанций малой мощности, предложен закон регулирования.
Установлены требования и разработаны принципы действия новой релейной защиты линий 6(10) кВ, связывающих ЭСН с энергосистемой, отличающейся быстродействием и абсолютной селективностью и обеспечивающей повышение надежности и устойчивости работы ЭСН.
Предложены методы оценки зон действия быстродействующих защит и противоаварийной автоматики для систем автономного электроснабжения.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
Разработанный комплекс рекомендаций по повышению надежности и устойчивости работы систем автономного электроснабжения.
Методика оценки допустимой области режимов работы ЭСН по активной и реактивной мощности при параллельной работе с энергосистемой с применением различного станционного силового оборудования.
Рекомендации по регулированию обменной мощности при параллельной работе ЭСН с энергосистемой.
Принципы действия быстродействующей логической защиты линии (ЛЗЛ) и приемопередатчика, созданного специально для этой защиты.
Методы оценки зон действия быстродействующих защит и противоаварийной автоматики.
Практическая ценность работы и ее реализация. Результаты исследований доведены до инженерных методик оценки допустимой области режимов работы и оценки зоны действия наиболее ответственных релейных защит систем автономного электроснабжения. Установленные требования и разработанные принципы реализованы в созданной логической защите линий и в приемопередатчике дискретных команд, доведенных до промышленного выпуска. Разработана инженерная методика выбора уставок ЛЗЛ.
Указанные инженерные методики и устройства релейной защиты и автоматики внедрены в автономных системах электроснабжения на объектах ООО
«Газпром трансгаз Санкт-Петербург», ООО «Газпром трансгаз Кубань», ООО «Газпром трансгаз Ставрополь», ОАО «Белтрансгаз», ООО «Новатэк-Юрхаровнефтегаз».
Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались на научно-техническом совете ОАО «Газпром» «Обеспечение надежности работы энергетического оборудования» (Нижний Новгород, октябрь-ноябрь 2006 г.). Отдельные результаты докладывались на научно-техническом совете ДОАО «Оргэнергогаз», научно-технических совещаниях СУ «Леноргэнергогаз», ЗАО «Шнейдер Электрик», на научном семинаре кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ [10, 25, 26, 27, 68], в том числе три в реферируемых журналах ВАКа и одна в материалах научно-технического совета ОАО «Газпром».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 80 наименований, перечня допустимых сокращений и приложения. Общий объем работы составляет 168 стр., в том числе 45 рисунков, 12 таблиц и приложения.
Анализ схем электроснабжения объектов с ЭСН
Сеть 6(10) кВ. Объекты с ЭСН. В схемах электроснабжения объектов с ЭСН главное распределительное устройство генераторного напряжения 6(10) кВ, как правило, состоит не менее чем из двух секций рис. 1, объединенных секционным выключателем [40, 61, 63, 76]. Если ЭСН имеет более трех секций шин, то рекомендуется применение кольцевой схемы [50]. При наличии связи с энергосистемой возможен вариант подключения генераторов ЭСН на одну секцию, а энергосистемы на другую (рис. 1 г)). Основным недостатком данной схемы является то, что надежность электроснабжения зависит как от энергосистемы, так и от исправности линии связи. Например, при ремонтных работах на линии или в ячейках выключателей воздушной линии (ВЛ) питающей подстанции или ЭСН, а также при долгосрочной аварии в энергосистеме невозможно обеспечить 1 категорию электроснабжения, так как все генераторы подключены только к одной секции. Также данная схема является неполноценной с точки зрения режимных вопросов см. гл. 2.3. В настоящее время линии связи чаще всего подключаются к одной из секций с генераторами одиночным присоединением или к обеим секциям с помощью отпаек (рис 1 б)). Наиболее надежной [40] является схема с двумя ВЛ связи, подключаемыми к каждой секции (рис. 1 в)). Причем, линии, питающие ЭСН от энергосистемы, следует выполнять на разных опорах, что обеспечивает надежность на порядок выше, чем при выполнении их на одной опоре [40].
Практика показывает, что с развитием энергосистем электрическая схема технологического объекта с ЭСН может меняться. Например, вначале объект питается только от собственной электростанции (рис. 1 а)), затем появляются один (рис. 1 б)) и второй (рис. 1 в)) ввода от энергосистемы. Поэтому схема должна быть достаточно гибкой, чтобы предусматривать все запланированные режимы работы, обеспечивать возможность перехода от одной электрической схемы к другой при реконструкции объекта, позволять выполнить эффективные комплексы релейной защиты и автоматики. троснабжения объектоб с ЭСН. Сеть 6(10) кВ. Объекты, имеющие отдельно выделенный центральный распределительный пункт (ЦРП) и ЭСН. В настоящее время существуют технологические объекты, в ведении которых может иметься как собственная электростанция, так и отдельно выделенное закрытое распределительное устройство (ЗРУ) для распределения электроэнергии потребителям, так называемый центральный распределительный пункт (ЦРП). ЦРП может возникать вследствие следующих причин: объект изначально имел собственное ЗРУ для питания потребителей от энергосистемы. Вследствие ряда причин (см. введение) возникла необходимость строительства ЭСН, а существующее ЗРУ не может быть расширено в габаритах здания или не имеет достаточно резервных ячеек для подключения генераторов ЭСН; объект изначально имел собственную электростанцию. В связи с перспективным расширением возникла необходимость подключения дополнительных потребителей, а существующее распределительное устройство ЭСН не может быть расширено в габаритах здания или не имеет достаточно резервных ячеек для подключения всех новых потребителей. Кроме того, установленной мощности ЭСН может не хватать для покрытия дополнительной нагрузки, а недостаток генерации будет компенсироваться за счет энергосистемы; объект изначально проектировался из соображения разделения нагрузок ЭСН и части нагрузки для отдельного обслуживания. Это может быть технологическое ЗРУ, непроизводственная нагрузка (жилпоселок), тупиковые фидера, выделенные для продажи электроэнергии. Такие объекты чаще всего имеют линии связи с энергосистемой, которые могут подключаться к ЦРП рис. 2 а) (например, КС «Ухтинская», «Юрхаровское» ГКМ и т.п.), при этом ЭСН подключается к фидерам ЦРП, или к ЭСН рис. 2 б) (например, КС «Микунь»), при этом ЦРП питается от фидеров ЭСН и является тупиковой подстанцией. Энергосистема — Быстродействующая защита линии — Токобая отсечка — Максимальная токоВая защита — Напробленная максимальная токобая защита Вгі — Максимальная токобая защита с дбумя выдержками бремени — Дифференциальная защита шин - Логическая защита шин - Делительная автоматика — Устройство синхронизации ЭСН и ЦРП расположены рядом ЭСН значительно удалена от ЦРП жения объектоб с ЦРП и с ЭСН Для объектов рис. 2 а) место расположения регулировочного трансформатора определяется удаленностью ЭСН от ЦРП. При незначительной удаленности (например, «Юрхаровское» ГКМ), когда для компенсации потерь в линии при выдаче мощности не требуется существенно увеличивать напряжение на шинах ЭСН, регулировочный трансформатор устанавливается на линии связи ЦРП - энергосистема. При значительной удаленности ЭСН от ЦРП (например, ЭСН КС «Ухтинская») -регулировочный трансформатор устанавливается на линии связи ЭСН - ЦРП. Схема рис. 2 а) обладает существенными недостатками по сравнению со схемой рис. 2 б), а именно: существенно усложняется реализация режима параллельной работы с энергосистемой (необходимо контролировать мощности и напряжения на вводах ЦРП от энергосистемы, а при синхронизации или при поддержании заданного перетока мощности через ввод воздействовать на регуляторы частоты вращения и возбуждения ЭСН, расстояние до которой может достигать 5 км и более); невозможно выполнить защиту всего объекта с помощью характерных для сетей 6(10) кВ устройств РЗА; существенно усложняется комплекс РЗА и управления ЦРП (применение дифзащиты шин вместо простой логической, направленных защит, двухступенчатой МТЗ (см. гл. 3), АВР с контролем встречного напряжения, АПВ линии связи с ЭСН с контролем отсутствия встречного напряжения, дистанционной синхронизации); необходима установка на ЦРП дополнительных устройств (трансформаторы тока для ДЗШ, трансформаторы напряжения на вводах для синхронизации и линиях связи для направленных защит и АПВ, и т.д.). Очевидно, что защита, противоаварийная автоматика и управление ЦРП становятся сложнее, чем на самой электростанции. Поэтому для подобных объектов рациональнее использовать схему рис. 2 б) - располагать вводы от энергосистемы и генераторы ЭСН в одном узле, от которого будет получать питание ЦРП. Сеть 0,4 кВ. Вся электрическая схема объекта с ЭСН разделяется на независимые подсистемы, в результате чего повышается надежность электроснабжения.
Дифференциальная защита
Релейная защита должна удовлетворять требованиям [12, 46, 66. 71], предъявляемым к релейной защите, к которым относятся: селективность, быстродействие, чувствительность, надежность. Селективность действия защиты является высшим свойством релейной защиты. Для защит, действующих на отключение, селективность - это способность избирать поврежденный участок и отключать только его. Для защит, действующих на сигнал, селективность - это способность однозначно указывать место возникновения ненормального режима и конкретно элемент энергосистемы, требующий вмешательства персонала. Если по принципу своего действия защита срабатывает только при КЗ на защищаемом элементе, то ее относят к защитам, обладающим абсолютной селективностью. Если защита действует при повреждении защищаемого элемента и в то же время выступает как резервная защита при повреждении на смежном элементе, то ее относят к защитам, обладающим относительной селективностью. Правилами [46] в ряде случаев для упрощения защиты или для ускорения времени ликвидации повреждения (например, для сохранения устойчивости) допускается неселективное действие защиты. Селективность ликвидации повреждения в этом случае обеспечивается последующим действием автоматики (АПВ или АВР). Быстродействие защиты подразумевает наименьшее возможное время отключения КЗ. Быстродействие защиты способствует: сохранению устойчивости параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом; ограничению размеров разрушения оборудования; повышает эффективность АПВ и АВР; уменьшает влияние понижения напряжения на работу потрсбигелей. Чувствительность защиты характеризует способность защиты устойчиво срабатывать при КЗ в основной защищаемой зоне и зоне резервирования. Оценка чувствительности защиты производится при помощи коэффициентов чувствительности кч, значения которых оговорены в [46]. Для защит, реагирующих на максимальные параметры, определение коэффициентов чувствительности производится при минимальных режимах электроснабжения, когда изменение воздействующей величины (величина, на которую реагирует защита) будет минимальным.
Надежность применительно к релейной защите и автоматике подразумевает свойство выполнять заданные функции с заданным техническим совершенством, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность обусловливается безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и сохраняемостью. Для повышения надежности устройства следует стремиться к его упрощению. Главное требование к защитам ЭСН - быстрое (без выдержки времени) отключение повреждений в зоне, КЗ в которой сопровождается снижением напряжения на шинах ЭСН ниже критического U Kp, при котором генераторы выпадают из синхронизма. Значение U KP зависит от кратности форсировки возбуждения, параметров генераторов, электрической удаленности точки КЗ. В качестве упрощенного критерия значения этого напряжения принимают согласно ПУЭ и Кр = 0,5-0,6. (3 Для быстрого отключения КЗ на ЭСН применяются дифференциальные защиты и токовые отсечки. В данном исследовании будет проводиться анализ существующих комплексов защит и противоаварийнои автоматики, устанавливаемых на ЭСН и линиях связи ЭСН с энергосистемой. Кроме того, будут рассматриваться особенности выполнения ряда защит различных элементов ЭСН, которые способствуют повышению надежности работы ЭСН. Дифференциальные защиты применяются для защиты линий связи ЭСН с энергосистемой, регулировочных трансформаторов, генераторов, шин. Дифзащиты обладают абсолютной селективностью и быстродействием. Остановимся более подробно на дифференциальных защитах линии связи и шин. Дифференциальные защиты линии связи. Основные достоинства и недостатки. Иногда для защиты линии связи применяют комплекты дифференциальных защит линии. На одиночных линиях используется продольная дифференциальная защита линии (ДЗЛ), для защиты линий, работающих в параллель, применяется направленная поперечная дифференциальная защита (ПНДЗ).
ДЗЛ и ПНДЗ используются на линиях связи крайне редко, комплекты не характерны для сетей 6(10) кВ, сложны по исполнению и в эксплуатации. В данной работе выделены основные достоинства и недостатки данных защит. Более подробно ДЗЛ и ПНДЗ рассмотрены в [33, 44]. Основными достоинствами данных защит являются абсолютная селективность и быстрое выявление и отключение КЗ на всей линии связи. К основным недостаткам относятся: ДЗЛ выполнена на морально устаревшей электромеханической элементной базе, вследствие чего возникают трудности при обслуживании разнотипной техники, исключается полноценное включение ДЗЛ в АСУ; определенные трудности возникают с размещением отдельно стоящих больших по габаритам шкафов ДЗЛ в помещениях ЗРУ ЭСН и на подстанциях энергосистемы; ПНДЗ является дополнительной защитой и предназначена для защиты параллельных линий, то есть схема сети должна быть закольцована; ПНДЗ имеет «мертвую» зону; ПНДЗ имеет эффект каскадного действия, что замедляет отключение КЗ. Дифференциальная защита шин ЭСН. На ЭСН для быстродействующей защиты шин применяется дифференциальная [5, 37] защита шин. Логическая защита шин (ЛЗШ) на ЭСН не применяется, так как для ее организации требуется использование органов направления мощности, которые при близких КЗ, которыми являются КЗ на шинах, либо отказывают функционировать, либо «запоминают» последнее направление протекания мощности. Такое поведение органа может привести либо к отказу ЛЗШ, либо к ложному срабатыванию с погашением секции.
При небольшом количестве присоединений выполняется полная дифференциальная защита шин (ДЗШ). Для ее выполнения во всех ячейках КРУ устанавливают дополнительные трансформаторы тока с одинаковым коэффициентом трансформации. Современные терминалы защит позволяют для (ДЗШ) применять трансформаторы тока с разными коэффициентами трансформации, что соответствующим образом должно отражаться при рабочем программировании терминала.
Для защиты шин ЭСН не удается применить классические полную дифференциальную защиту (из-за большого количества присоединений) или неполную дифференциальную защиту (из-за отсутствия реакторов на отходящих линиях и небольших значений токов КЗ). Поэтому, на ЭСН предлагается выполнять разработанную неполную ДЗШ (рис. 20) с блокировкой от мгновенных защит отходящих присоединений. Трансформаторы тока для неполной ДЗШ устанавливаются только в ячейках питающих элементов [3] (ввода от энергосистемы, секционный выключатель, ячейки генераторов). Несрабатывание ДЗШ при КЗ на отходящих присоединениях обеспечивается блокировкой ДЗШ от мгновенных защит этих присоединений, при этом ДЗШ выполняют с задержкой срабатывания примерно 0,1 -=- 0,15 с. ДЗШ действует на отключение выключателя ввода от энергосистемы, секционного выключателя и выключателей всех синхронных генераторов секции.
На рис. 20 б) представлена упрощенная логикограмма задания на программирование терминала неполной ДЗШ (данная схема выполнена в терминалах Sepam 2000 внедрена на объектах ОАО «Газпром»). Для того чтобы в зону действия неполной ДЗШ входили секционный выключатель (СВ), шинная перемычка или шинный мост между СВ и секционным разъединителем (СР), ДЗШ разных секций подключаются «вперехлест» к обмоткам трансформаторов тока, установленных в ячейке секционного выключателя или секционного разъединителя (рис. 20 а)). Из рис. 20 а) видно, что при отключенном секционном выключателе КЗ на участке от СВ до трансформаторов тока ДЗШ входит в зону действия ДЗШ секции 1 и не входит в зону действия ДЗШ секции 2. При этом «здоровая» секция 1 будет ложно отключаться своей ДЗШ, а поврежденная секция будет отключаться с выдержкой времени (порядка 1,5 с) максимальными токовыми защитами ввода 2 от энергосистемы и генераторов ГЗ и Г4.
Требования, предъявляемые к защите
Защита разрабатывается для установки на линиях связи ЭСН с энергосистемой, а также может использоваться на линиях 6(10) кВ с двухсторонним питанием городских и сельских распределительных сетей и объектов промышленности. Защита разрабатывается для выполнения как на микропроцессорной (преимущественно) так и на электромеханической элементной базе. Разрабатываемая защита линии должна отвечать следующим требованиям: 1. Быстродействие. Суммарное время действия защиты с учетом времени работы выключателя должно составлять порядка 0,2 с [45]; 2. Абсолютная селективность. Защита должна реагировать только при КЗ на линии и не реагировать при внешних КЗ, токах нагрузки, качаниях, несимметричных режимах; 3. Чувствительность. Защита должна обладать высокой чувствительностью к КЗ на линии (коэффициент чувствительности в минимальном режиме питания при КЗ в конце линии должен быть не менее 2); 4. Простота. Защита должна быть сравнительно простой; 5. Универсальность. Защита должна выполняться на базе типовых защитных функций (код ANSI), что позволит реализовать ее в микропроцессорных терминалах любых производителей, а также на электромеханической элементной базе; 6. Защита должна состоять из двух полукомплектов, устанавливаемых по концам защищаемой линии; 129 7. Связь между полу комплектами должна осуществляться с помощью приемопередатчиков (см. гл. 5); 8. Защита не должна ложно функционировать при одностороннем выводе одного из полукомплектов; 9. Защита должна иметь возможность реализации, как в типовых, установленных в ячейках ЗРУ, цифровых терминалах защит линий, так и в специально выделенных цифровых комплектах, применяемых в качестве основной защиты линии, при этом комплекты, установленные в ячейках, будут являться резервной защитой; 10. Защита не должна ложно функционировать при обрыве или КЗ на линии связи полукомплектов (см. гл. 5); 11. Защита не должна ложно функционировать при неисправности приемопередатчиков (см. гл. 5); 12. Защита должна иметь возможность включения в АСУ. 4.3. Разработка принципа действия быстродействующей защиты линии При КЗ на линии связи мощность КЗ направлена от шин ЭСН и шин подстанции энергосистемы в линию (рис. 39). Разрабатываемая защита должна иметь возможность вводиться в работу и выводиться от внешнего переключателя ввода/вывода. Разрабатываемая защита будет контролировать величину и направления токов по концам линии. Команда на отключение выключателей будет даваться при одновременном срабатывании направленных токовых органов, установленных по концам линии, при протекании тока от шин в линию.
Пусковым органом полукомплекта защиты, установленного на одном конце линии, является дискретная команда переданная с помощью приемопередатчиков от полукомплекта защиты, установленного на противоположном конце линии, сигнализирующая о пуске собственной направленной в линию МТЗ.
По принципу действия разрабатываемая быстродействующая защита будет являться логической (далее по тексту логическая защита линии (ЛЗЛ)) и обладать абсолютной селективностью. Защита по принципу действия не будет реагировать при внешних КЗ, токах нагрузки, качаниях, несимметричных режимах, и как следствие обладать высокой чувствительностью.
Особенность ЛЗЛ - использование для пуска защиты «разрешающих команд». По сравнению с защитами, использующими «блокирующие команды», снижается вероятность ложной работы ЛЗЛ из-за неисправности приемопередатчиков при КЗ вне защищаемой зоны. Кроме того, односторонний вывод одного из полукомплектов защиты не требует обязательного вывода полукомплекта с противоположного конца линии. Таким образом, снижается вероятность ложной работы при ошибочных действиях персонала.
В цепях ЛЗЛ должна быть предусмотрена небольшая выдержка времени (порядка 100 мс). Это необходимо для предотвращения излишнего срабатывания защиты при отключении КЗ на соседней параллельной линии, когда на «здоровой» линии происходит смена направления мощности (реверс мощности).
В тупиковом режиме работы, когда один из выключателей линии отключен, от полукомплекта защиты отключенного конца линии должна поступать команда пуска ЛЗЛ к противоположному полукомплекту. При ремонте выключателя с одной стороны линии должна предусматриваться возможность длительного пуска разрешающей команды ЛЗЛ от терминала ремонтируемого конца. При этом терминал ЛЗЛ противоположного конца линии будет выполнять функции направленной в линию максимальной токовой защиты. Разработанный принцип действия отвечает требованиям, предъявленным к защите (см. гл.4.2.), а выполнение защиты на микропроцессорной элементной базе позволит упростить включение ЛЗЛ в АСУ. Размещение устройств РЗА и приемопередатчиков для реализации ЛЗЛ Для реализации разработанного принципа по концам линии устанавливаются комплекты цифровой релейной защиты (ЦРЗА) с функцией максимальной токовой направленной защиты, ориентированной на срабатывание при КЗ на линии (рис. 39). Для организации связи между полукомплектами защиты разработано устройство приемопередачи дискретных команд, которое рассмотрено в гл. 5. Обмениваясь информацией с помощью приемопередатчиков, оба полукомплекта при КЗ на линии с помощью разработанной и реализованной в терминалах логики (см. гл. 4.5.) дают команду на отключение линии. 131 Приемопередатчик дискретных команд ППДК позволяет передавать и принимать до четырех дискретных команд, что позволит помимо команд, пускающих защиту, управлять выключателем противоположного конца линии или, например, реализовать функцию резервирования отказа выключателя с действием на отключение выключателя противоположного конца линии. На линиях связи ЭСН с энергосистемой ЛЗЛ может включать в свою зону действия регулировочный трансформатор. В данном случае осуществляется резервирование собственных защит трансформатора (например, отключение выключателя линии со стороны подстанции энергосистемы при работе дифзащиты трансформатора и отказе выключателя, установленного со стороны линии связи). Для ЭСН, имеющих одну линию связи с энергосистемой, размещение устройств защиты и приемопередатчиков представлено на рис. 39 а), для ЭСН с двумя линиями связи с энергосистемой - на рис. 39 б). На рис. 39 б) приемопередатчики линий Л1 и Л2 имеют дублирующие каналы связи: канал связи линии Л1 служит для дублирования двух команд (пуск ЛЗЛ, УРОВ ВН) линии Л2 и наоборот. Таким образом, защиты линий будут функционировать при обрыве одного из каналов связи.
Требования, предъявляемые к устройству приемопередачи
В главе 4 была разработана быстродействующая защита линий связи ЭСН с энергосистемой, которая представляет собой комплекс из двух полукомплектов, устанавливаемых по концам линии, и двух приемопередатчиков, обеспечивающих обмен командами между этими полукомплектами. В настоящее время многие производители предлагают приемопередатчики собственного изготовления. Данные устройства (например, АКА «Кедр», ТриТон, АКАП, «АВАНТ» и т.п.), чаще всего, разрабатываются для сетей 35 кВ, имеют широкую область применения (ВЧ защиты, команды РЗ и ПА, данные телемеханики), могут принимать и передавать до 32 команд, используют частотную модуляцию сигналов, обладают большими габаритами и высокой стоимостью. Существующие же более простые и дешевые приемопередатчики (например, БСП-Л и т.п.) рассчитаны на малые длины линии связи (до 5 км), передают и (или) принимают не более двух команд.
Таким образом, для ЛЗЛ существующие приемопередатчики нельзя применять либо вследствие плохих характеристик, либо из-за высокой стоимости, сложности и избыточности функций самого устройства.
Задачей данного исследования будет разработка устройства приемопередачи позволяющего выполнить быстродействующую логическую защиту линии 6(10) кВ длиной более 10 км, а также дающего возможность передавать более двух команд по телефонной линии или оптоволокну.
Разработанное устройство приемопередачи дискретных команд ППДК (внешний вид на рис. 43) прошло сертификацию [П]. Данное устройство использует в качестве линии связи выделенную телефонную линию (или оптоволокно), обычно идущую параллельно с воздушной линией связи, позволяет передавать и принимать до четырех сигналов на расстояние до 14 км при применении телефонной линии и до 50 км при применении оптоволокна с суммарной задержкой от момента появления команды на входе передатчика до замыкания выходных контактов реле приемника не более 20 мс, имеет защиту от импульсных помех на телефонной линии, выполненную на варисторах, защитных диодах и других элементах схемы, обладает габаритами, позволяющими разместить его в релейном шкафу.
Принципиальная электрическая схема устройства не рассматривается, так как является собственностью разработчика (СУ «Леноргэнергогаз» - филиал ДОАО «Оргэнергогаз»). В работе будет рассматриваться только упрощенная функциональная схема ППДК. На рис. 44 представлена упрощенная функциональная схема приемопередатчика дискретных команд ППДК. В состав ППДК входят: 4-х канальный преобразователь входных команд; контроллер передающее устройство; приёмное устройство; устройство индикации и контроля. Рис. 43. ППДК. Внешний вид. Передающее устройство состоит из 4-х преобразователей входных команд. Преобразователи состоят из компараторов напряжения, оптронов и RS - триггеров. Компаратор определяет наличие команды, если постоянное напряжение на входе находится в пределах от 176 В до 264 В. Компараторы осуществляют преобразование входных команд в логический уровень (логический нуль). При отсутствии команды (входное напряжение от О В до 143 В) компараторы формируют логическую единицу. Оптроны обеспечивают гальваническую развязку между цепями входных команд и контроллером. Электропрочность изоляции гальваноразвязки - 5 кВ. С выхода фототранзисторов оптронов преобразованные команды подаются через 2 инвертора на входы порта контроллера для преобразования в последовательный код. Триггеры преобразователей обеспечивают запоминание поступивших команд длительность которых превышает 5 мс.
Сформированный контроллером последовательный код с выхода TxD контроллера подается на вход передатчика через опторазвязку на оптроне. Электропрочность изоляции - 5 кВ. С выхода фототранзистора оптрона информация подаётся через инверторы на передатчик, выполненный по мостовой схеме на транзисторах. Телефонная линия подключается в диагональ моста передатчика. Питание передатчика осуществляется от источника напряжением 48 В через стабилизатор тока, что обеспечивает независимость тока в телефонной линии от её длины. Приёмное устройство, подключённое к входу телефонной линии, обеспечивает приём команд в виде последовательного кода, поступающих от передатчика, и преобразование их в логический уровень. Уровни сигналов на выходе телефонной линии, соответствующие логическим единице и нулю относительно нулевого уровня находятся в пределах +(10- 15)В и минус (10 - 15)В - соответственно.
В состав приёмного устройства входит входное устройство защиты от импульсных помех телефонной линии, компаратор, выполняющий преобразование информации в TTL-уровень и оптрон, обеспечивающий гальваническую развязку ППДК с телефонной линией. Электропрочность изоляции - 5 кВ. Выходной сигнал с оптрона подаётся на вход последовательного порта (RxD) контроллера. Контроллер преобразует информацию последовательного кода в параллельный и выдаёт её на выходы параллельного порта.
