Защита на въздушни линии – Повреждения и защитни устройства

Често срещани дефекти във високонапежните линии

Най-честите причини за дефекти във високонапежните линии включват:

• Външни влияния: Сблъсъци с самолети и инциденти, свързани с превозни средства, които повредяват линиите и опорните конструкции.

• Влияние на дивата природа: Птици и животни, причиняващи прекъсвания, като се кацат по начин, който нарушава електрическите компоненти, или създават коротки замыкания.

• Деградация на изолаторите: Изолаторите се замърсяват, което може да доведе до електрически дефекти.

• Проблеми, свързани с времето: Екстремно натрупване на лед и сняг, което надтоварва линиите, и удари на мълнии, които могат да повредят оборудването.

• Електрически явления: Нерегулирани частични разряди (корона), които могат постепенно да влошат целостта на линията.

• Повреда на изолаторите: Прободени или счупени изолатори, които компрометират електрическата изолация на линиите.

• Нарастане на растителността: Дървета, които растат твърде близо до линиите, потенциално правейки контакт и причинявайки дефекти.

• Стресс, предизвикан от вятъра: Силни ветрове, които могат да разлюлят линиите, причинявайки механична повреда или коротко замыкание.

Свързана статия: Защита на преобразувателите на мощност и дефекти

Устройства за защита на високонапежните линии

• Нисконапежни (LV) високонапежни линии: Извършват се фюзи или автоматични прекъсвачи, за да се гарантира защита срещу прекомерни токове, предоставяйки основен ниво на защита за системи с ниско напрежение.

• Среднонапежни (MV) високонапежни линии: Често се използват реле за прекомерен ток (като 50, 50N, 51, 51N, 67, 67N), свързани с трансформатори на тока (CT). Тези реле наблюдават потока на тока и активират прекъсвачите, когато се засечат аномални прекомерни токове.

Времевата градирана защита от прекомерен ток не е ефективна за високонапежни (HV) високонапежни линии. Това е поради наличието на множество свързани източници на токове при дефект, които може да бъдат ограничени от ограничители на тока при дефект. Ключовите изисквания за схеми за защита в високонапежните високонапежни линии са следните:

• Засичане на дефекта: Системата за електрическа защита трябва да бъде способна да идентифицира всички дефекти, които се появяват на защитената линия навреме.

• Различаване на дефекта: Трябва да може да различи дефектите на защитената линия от тези на съседните линии, шини, преобразуватели и друго свързано оборудване.

• Бързо изчистване на дефекта: Дефектите трябва да бъдат изчистени в рамките на по-малко от 1 секунда, за да се предотврати нестабилността на системата за производство на енергия.

• Надеждност: Системата за защита трябва да е високо надеждна, осигурявайки, че може да изчисти дефекти дори и когато един компонент на оборудването се повреди.

За да се отговорят на тези изисквания, обикновено се използват следните устройства за защита в високонапежните линии:

• Диференциална и фазова сравнителна защита

• Защита на разстояние

Диференциалната защита обикновено се прилага към къси високонапежни линии, докато защитата на разстояние е по-подходяща за дълги високонапежни линии. Класификацията на високонапежните линии като къси или дълги се основава на сравнение на индуктивността, съпротивлението и капацитета на линията. Линията се счита за къса, когато съпротивлението и капацитетът й са пренебрегиви в сравнение с индуктивността. Тази оценка често се извършва с помощта на π - диаграма на високонапежната линия.

Няколко фактора влияят на импеданса на линията, нейната физическа реакция при условия на коротко замыкание и зареждане на линията. Тези фактори включват нивото на напрежението, физическата конструкция на преходната линия, типа и размера на проводниците, както и интервалите между проводниците. Освен това, броят на терминалите на линията влияе на потока на тока при товар и дефект, които системата за защита трябва да вземе предвид. Паралелните линии също влияят на релейната система, тъй като взаимната съприкосновеност може да влияе на тока на земята, измерен от защитните реле. Присъствието на трансформатори с разклонения или устройства за реактивна компенсация, като серийни кондензаторни блокове или паралелни реактори, допълнително влияе на избора на системата за защита и настройките на устройствата за защита. В резултат, детайлно проучване на високонапежната линия е необходимо, за да се определят най-подходящите защитни реле. Обикновено линия с дължина до 80 - 100 км може да се счита за къса, въпреки че това може да варира в зависимост от нивото на напрежението и характеристиките на мрежата.

Приблизително 90% от дефектите в високонапежните линии са преходни по характер. Дефектите могат да бъдат класифицирани по следния начин:

• Фаза-към-земя: Дефект, при който една фаза се свързва със земята.

• Фаза-към-фаза: Дефект, който се случва между две фази.

• Фаза-към-фаза-към-земя: Комбинация от дефектите фаза-към-фаза и фаза-към-земя.

• Три фази: Дефект, който включва всички три фази едновременно.

За такива дефекти може да се изисква еднополюсно прекъсване, позволяващо линията да бъде възстановена веднага след като прекъсвачите се задействат. Следователно, схеми за еднополюсно прекъсване и автоматично включване се използват често в прекъсвачите, свързани с високонапежните преходни линии (обикновено с напрежение от 220 кV или повече). Когато прекъсвачите прекъснат тока на дефект, дъга от пробой се угасва и ионизираната въздух се разсеява. Автоматичното включване обикновено е успешното след забавяне само на няколко цикла. Обаче, когато се извършват работи под напрежение, автоматичните устройства за повторно включване на линиите, върху които се работи, трябва да бъдат настроени в режим без повторно включване. Прекъсвачите, използвани в тези приложения, трябва да бъдат специално проектирани, за да управляват тези операции, и да са невосприимчиви към несъответствие на полюсите, докато не бъде издадена окончателна команда за прекъсване.

Диференциална и фазова сравнителна защита

Диференциалната защита се основава на закона на Кирхоф за тока. В контекста на преходната линия, тя работи, като сравнява тока, влизащ в линията на един край, с тока, излизащ от линията на другия край. Релета за диференциална защита на всяка страна на преходната линия обменят данни за тока на линията чрез волоконнооптичен комуникационен връзка. Тази връзка често се установява с помощта на кабела Optical Power Ground Wire (OPGW), който се използва и за проекта за защита от мълнии на високонапежната линия и съдържа волоконнооптични кабели в своята конструкция. Фигура 1 илюстрира диаграмата на системата за диференциална защита.

Фигура 1 – Диаграма на диференциалната защита на високонапежната линия
Друга система за релейна защита на високонапежните (HV) преходни линии, която се основава на принципа на диференциалната защита и сега се използва дори за линии на дълги разстояния, е фазовата сравнителна защита.
Тази система работи, като сравнява ъгловата разлика между токовете на двете страни на защитената линия. При външни дефекти, токът, влизащ в линията, има същата относителна ъглова разлика като токът, излизащ от линията. Следователно, фазовите сравнителни реле на всеки терминал регистрират малко или никаква ъглова разлика. Следователно, системата за защита остава стабилна и няма да се задейства. Напротив, при вътрешен дефект, токът тече в линията от двете страни, причинявайки ъглова разлика, която фазовите сравнителни реле могат да засекат. При идентификацията на тази разлика, релетата се активират, за да изолират и изчистят дефекта.
В фазовите сравнителни схеми, стартерните реле играят важна роля. Тези реле започват процеса на фазово сравнение веднага след като се засече условие за дефект. Их дизайна гарантира функциониране както за вътрешни, така и за външни дефекти, предоставяйки пълно наблюдение.
За ефективната работа на фазовата сравнителна защита, надеждна комуникационна връзка е незаменима. В съвременните приложения, волоконнооптичните кабели, интегрирани в кабели Optical Ground Wire (OPGW), станали предпочитания избор за установяване на тази комуникационна връзка.
Фигура 2 показва диаграмата на системата Merz Price voltage balance, която се използва за защита на трифазни линии.

Фазова сравнителна защита и защита на разстояние
Фазова сравнителна защита
Фигура 2 – Диаграма на фазовата сравнителна защита

В фазовата сравнителна защита, идентични трансформатори на тока (CTs) се разполагат стратегически във всяка фаза на двете страни на преходната линия. Всяка двойка CTs, една на всяка страна на линията, е свързана в сериен с реле. Под нормални, небезопасни условия, вторичните напрежения, генериращи се от тези CTs, са равни по големина, но противоположни по посока, ефективно балансирайки се взаимно.

По време на здраво функциониране на системата, токът, влизащ в линията на един край, точно съвпада с токът, излизащ от нея на другия край. Следователно, равни и противоположни напрежения се индуцират в вторичните части на CTs на двете страни на линията. Този баланс на напрежението осигурява, че няма ток, който да протече през релетата, поддържайки стабилността на системата за защита.

Обаче, когато се случи дефект в точка като F на линията, както е показано на Фигура 2, разпределението на тока се нарушава. По-конкретно, значително по-голям ток ще протече през CT1 в сравнение с CT2. Тази разлика в тока причинява вторичните напрежения на CTs да станат неравни. Следователно, се установява циркулиращ ток, който протича през пилотните жици и релетата. В отговор на този ток, прекъсвачите на двете страни на линията се задействат, за да се отворят, изолирайки бързо дефектната линия от останалата част на системата за производство на енергия.

Също прочетете: Първична и вторична или резервна защита в системата за производство на енергия

Защита на разстояние

Защитата на разстояние се основава на реле за разстояние, които измерват импеданса на преходната линия, анализирайки сигналите на напрежение и ток, приложени към тях. Когато се случи дефект на линията, две значителни промени се случват: токът се увеличава до много по-високо ниво, а напрежението рязко намалява.

Тъй като импедансът на преходната линия е директно пропорционален на нейната дължина, реле за разстояние са проектирани да измерват импеданса до предварително определена точка, наречена "точка на достигане". Тези реле, често наричани импедансни реле, изчисляват импеданс, използвайки законот на Ом, изразен от формулата Z = U/I, където Z представлява импеданс, U е напрежението, а I е токът.

Реле за разстояние са проектирани да функционират единствено за дефекти, които се случват между местоположението на реле и избраната точка на достигане. Тази функционална характеристика им позволява ефективно да различават дефекти в различни части на линията. Изчислената импеданса от реле се сравнява с предварително зададената импеданса на точката на достигане. Ако измерената импеданса е по-ниска от импедансата на точката на достигане, се предполага, че има дефект на линията между реле и точката на достигане. Когато изчислената импеданса попадне в настройката на достигане на реле, реле се активира, започвайки защитната акция.

За да се осигури пълна защита, системи за защита на разстояние са инсталирани на двете страни на преходната линия, и е установена комуникационна връзка между тези крайни точки, както е показано на Фигура 3. Тази комуникация позволява координирана работа на релетата на всяка страна, подобрявайки общата ефективност на системата за защита.

Производителност и характеристики на реле за разстояние
Фигура 3 – Диаграма на защитата на разстояние на високонапежната линия

Производителността на реле за разстояние се оценява главно по два ключови параметъра: точност на достигане и време на действие.

Точност на достигане

Точността на достигане включва сравнение на действителната омна достигаемост на реле за разстояние в реални, практически условия с неговата предварително зададена омна стойност. Този показател е значително влияет от напрежението, приложено към реле при условия на дефект. Ниско или искажено напрежение може да доведе до неточности в измерената импеданс, влияйки на способността на реле да идентифицира правилно местоположението на дефект в неговата определена достигаемост. Освен това, техниките за измерване на импеданс, използвани в конкретни дизайни на реле, играят важна роля. Различни алгоритми и хардуерни конфигурации могат да дадат различни нива на точност, влияйки на общата точност на достигане на реле.

Време на действие

Времето на действие на реле за разстояние е променливо количество, което зависи от множество фактори. Магнитудата на тока на дефект има пряко влияние; по-високи токове на дефект понякога могат да причинят по-бързо действие, докато по-ниски токове може да доведат до по-дълго време на отговор. Положението на дефекта спрямо настройката на реле също е важно. Дефекти, близки до източника или в определена близост до реле, може да задействат по-бърз отговор в сравнение с тези, които са по-далеч. Освен това, точката на напрежението, в която се случва дефект, може да внесе вариативност във времето на действие.

Определени грешки при измерването на сигнали, които са свързани с конкретните техники за измерване, използвани в дизайна на реле, могат да усложнят положението. Например, грешки, генериращи се от кондензаторни волтметри (CVT) или насыщаващи трансформатори на тока (CT), могат значително да забавят действие на реле, особено за дефекти, които се случват близо до точката на достигане. Тези преходни грешки могат да искажат сигнали на напрежение и ток, водейки до неправилно тълкуване на импедансата и последващо забавяне в активирането на реле.

Характеристики на реле за разстояние

Характеристиките на реле за разстояние, често наричани форма на защитата, се графично представят като функция от съпротивлението (R) и импедансата (X) на линията в R/X или адмитансна диаграма. Две от най-типичните форми са кръговата (характеристика mho) и четириъгълната. Тези характеристични форми са показани съответно на Фигури 10 и 11. Всяка форма има свои преимущества и е проектирана да оптимизира производителността на реле при различни условия на електрическата система, предоставяйки надежден начин за различаване между нормални условия на работа и истински дефекти в защитената секция на линията.