Přenosy elektrické energie – Příčiny poruch a ochranná zařízení

Běžné poruchy v povrchových elektrických vedeních

Nejčastější příčiny poruch v povrchových elektrických vedeních zahrnují:

• Externí vlivy: Nárazy letadel a vozidel, které poškozují vedení a nosné konstrukce.

• Zásahy zvířat: Ptáci a zvířata, kteří způsobují rušení, jako je hnízdění na způsob, který ruší elektrické součásti nebo způsobuje krátké spojení.

• Znečištění izolátorů: Izolátory se mohou znečistit, což může vést k elektrickým selháním.

• Počasí: Přílišná akumulace ledu a sněhu, která přetíží vedení, a blesky, které mohou poškodit zařízení.

• Elektrická jevy: Nekontrolované částečné výboje (korona), které mohou postupně degradovat integritu vedení.

• Poškození izolátorů: Prorazivé nebo rozbité izolátory, které kompromitují elektrickou izolaci vedení.

• Růst vegetace: Stromy, které rostou příliš blízko vedení, což může způsobit kontakt a vyvolat poruchy.

• Větrné stresy: Silné větry, které mohou pohybovat vedení, což může způsobit mechanické poškození nebo krátké spojení.

Související článek: Ochrana transformátorů a jejich poruchy

Zařízení pro ochranu povrchových elektrických vedení

• Povrchová elektrická vedení nízkého napětí (LV): Používají se pojistky nebo spínače k ochraně proti přetoku proudu, což poskytuje základní úroveň ochrany pro systémy s nízkým napětím.

• Povrchová elektrická vedení středního napětí (MV): Běžně se používají relé přetoku (např. 50, 50N, 51, 51N, 67, 67N) spojené s proudovými transformátory (CT). Tyto relé monitorují tok proudu a otevírají spínače, pokud jsou detekovány neobvyklé přetoky proudu.

Časově gradovaná ochrana přetokem proudu není efektivní pro vysokonapěťová (HV) povrchová elektrická vedení. To je způsobeno přítomností více vzájemně propojených zdrojů chybového proudu, které mohou být omezovány omezovači chybového proudu. Klíčové požadavky na ochranné schémata vysokonapěťových povrchových elektrických vedení jsou následující:

• Detekce poruch: Elektrický ochranný systém musí být schopen rychle identifikovat všechny poruchy, které se odehrávají na chráněném vedení.

• Rozlišení poruch: Měl by být schopen rozlišit mezi poruchami na chráněném vedení a poruchami na sousedních vedeních, sběrnících, transformátorech a jiném připojeném zařízení.

• Rychlé odstranění poruch: Poruchy musí být odstraněny do jednoho sekundy, aby se zabránilo nestabilitě elektrického systému.

• Spolehlivost: Ochranný systém by měl být velmi spolehlivý, aby zajistil, že dokáže odstranit poruchy i tehdy, když selže jedno zařízení.

Pro splnění těchto požadavků se obvykle používají následující ochranná zařízení v vysokonapěťových povrchových vedeních:

• Diferenciální a fázové porovnání ochrany

• Ochrana vzdálenosti

Diferenciální ochrana se obvykle používá pro krátká povrchová vedení, zatímco ochrana vzdálenosti je vhodnější pro dlouhá povrchová vedení. Klasifikace povrchových vedení jako krátká nebo dlouhá se provádí na základě srovnání induktivity, odporu a kapacity vedení. Vedení se považuje za krátké, pokud je jeho odpor a kapacita zanedbatelné ve srovnání s induktivitou. Tato hodnocení se často provádějí pomocí π - diagramu povrchového vedení.

Několik faktorů ovlivňuje impedanci vedení, jeho fyzickou reakci na podmínky krátkého spojení a nabíjecí proud vedení. Patří mezi ně napěťová úroveň, fyzická konstrukce přenosového vedení, typ a velikost vodičů a vzdálenost mezi vodiči. Kromě toho počet terminálů vedení ovlivňuje proud zatížení a chybového proudu, který musí brát v úvahu ochranný systém. Paralelní vedení také ovlivňují relaying, protože vzájemné spojení může ovlivnit měřený proud k zemi ochrannými relémi. Přítomnost zapojených transformátorů nebo reaktivních kompenzačních zařízení, jako jsou sériové kondenzátorové banky nebo paralelní reaktory, dále ovlivňuje výběr ochranného systému a nastavení ochranných zařízení. Jako důsledek je potřeba podrobné studie povrchového vedení pro určení nejvhodnějších ochranných relé. Obecně lze vedení délky až 80 - 100 km považovat za krátké, i když to může záviset na napěťové úrovni a charakteristikách sítě.

Přibližně 90 % poruch v povrchových vedeních je tranzientní povahy. Poruchy lze kategorizovat následovně:

• Fáze na zem: Porucha, kdy jedna fáze navazuje kontakt s zemí.

• Fáze na fázi: Porucha mezi dvěma fázemi.

• Fáze na fázi na zem: Kombinace poruchy fáze na fázi a fáze na zem.

• Tři fáze: Porucha, která zahrnuje současně všechny tři fáze.

Pro takové poruchy může být nutný jednopólový trip, což umožňuje okamžité obnovení vedení po otevření spínačů. Proto se jednopólové tripy a automatické znovu-zavírání často používají v spínačích spojených s povrchovými přenosovými vedeními (obvykle s napětím 220 kV nebo vyšším). Když spínače přeruší chybový proud, oblouk se uhasí a ionizovaný vzduch se rozptýlí. Automatické znovu-zavírání je obvykle úspěšné po zpoždění pouhých několika cyklů. Nicméně, když se provádí práce pod napětím, automatická znovu-zavírací zařízení na pracujících vedeních musí být nastavena do režimu bez znovu-zavírání. Spínače používané v těchto aplikacích musí být speciálně navrženy pro tyto operace a být imunní k nepřesnosti pólu, dokud není vydán definitivní příkaz k otevření.

Diferenciální a fázové porovnání ochrany

Diferenciální ochrana je založena na Kirchhoffově zákonu o proudech. V kontextu přenosového vedení funguje tak, že porovnává proud, který vstupuje do vedení na jednom konci, s proudem, který opouští vedení na druhém konci. Relé diferenciální ochrany na každém konci přenosového vedení si vyměňují data o proudu vedení prostřednictvím optického vláknového komunikačního spojení. Toto spojení je často zajištěno pomocí Optical Power Ground Wire (OPGW) kabelu, který se také používá pro návrh ochrany před blesky povrchového vedení a obsahuje optické vlákno v jeho struktuře. Obrázek 1 znázorňuje diagram diferenciální ochrany.

Obrázek 1 – Diagram diferenciální ochrany povrchového vedení
Jiným ochranným relaying systémem pro vysokonapěťová (HV) přenosová vedení, který je založen na principu diferenciální ochrany a který se teď používá i pro vzdálená vedení, je fázové porovnání ochrany.
Tento systém funguje tak, že porovnává fázový úhel mezi proudy na obou koncích chráněného vedení. V případě externích poruch má proud, který vstupuje do vedení, stejný relativní fázový úhel jako proud, který opouští vedení. V důsledku toho fázové porovnávací relé na každém terminálu registrová malou nebo žádnou rozdílnost v fázovém úhlu. V důsledku toho zůstává ochranný systém stabilní a nedochází k otevření. Naopak, při interní poruce proud proudí do vedení z obou konců, což způsobuje rozdíl v fázovém úhlu, který fázové porovnávací relé mohou detekovat. Po identifikaci tohoto rozdílu se relé aktivují k izolaci a odstranění poruchy.
V fázových porovnávacích schématech hrají klíčovou roli startovací relé. Tyto relé iniciují fázové porovnávací proces hned, jakmile je detekována stav poruchy. Jejich návrh zajišťuje funkci pro obě interní a externí poruchy, což poskytuje komplexní sledování.
Pro efektivní fungování fázové porovnávací ochrany je nezbytný spolehlivý komunikační kanál. V moderních aplikacích se optické vlákno integrované do Optical Ground Wire (OPGW) kabelů stalo preferovanou volbou pro zajištění tohoto komunikačního spojení.
Obrázek 2 znázorňuje jednolinkový diagram systému Merz Price voltage balance, který se používá pro ochranu třífázových vedení.

Fázové porovnání ochrany a ochrana vzdálenosti
Fázové porovnání ochrany
Obrázek 2 – Diagram fázové porovnávací ochrany

V fázové porovnávací ochraně jsou identické proudové transformátory (CT) strategicky umístěny v každé fázi na obou koncích přenosového vedení. Každý pár CT, jeden na každém konci vedení, je spojen v řadu s relé. Za normálních, nechybných podmínek jsou sekundární napětí generovaná těmito CT rovna v amplitudě, ale opačná v směru, což je efektivně vyvažuje.

Během správného fungování systému je proud, který vstupuje do vedení na jednom konci, přesně shodný s proudem, který opouští vedení na druhém konci. V důsledku toho jsou v sekundárních částech CT na obou koncích vedení vyvolány rovnocenné a opačné napětí. Toto vyvážení napětí zajišťuje, že žádný proud nepramení skrz relé, což udržuje stabilitu ochranného systému.

Pokud však dojde k poruchě v bodu, jako je F na vedení, jak je znázorněno na obrázku 2, dojde k narušení distribuce proudu. Konkrétně bude skrze CT1 proudit výrazně větší proud než skrze CT2. Tento rozdíl v proudu způsobí, že sekundární napětí CT se stanou nerovná. V důsledku toho se ustaví cirkulační proud, který pramení skrz pilotní dráty a relé. V reakci na tento proud proudí spínače na obou koncích vedení, aby rychle izolovali vadné vedení od zbytku elektrického systému.

Také přečtěte: Primární a sekundární nebo záložní ochrana v elektrickém systému

Ochrana vzdálenosti

Ochrana vzdálenosti se spoléhá na relé vzdálenosti, které měří impedanci přenosového vedení analyzováním napěťových a proudových signálů, které na ně působí. Když dojde na vedení k poruše, dojde k dvěma zásadním změnám: proud naroste na mnohem vyšší úroveň a napětí dramaticky klesne.

Protože impedancia přenosového vedení je přímo úměrná jeho délce, jsou relé vzdálenosti navržena tak, aby měřila impedanci až do předem stanoveného bodu, nazývaného "dosahový bod". Tato relé, často označovaná jako impedanční relé, vypočítávají impedanci pomocí Ohmovyho zákona, vyjádřeného formulí Z = U/I, kde Z znamená impedanci, U je napětí a I je proud.

Relé vzdálenosti jsou navržena tak, aby fungovala výhradně pro poruchy, které se vyskytnou mezi místem, kde se relé nachází, a vybraným dosahovým bodem. Tato konstrukční vlastnost jim umožňuje efektivně rozlišovat mezi poruchami v různých částech vedení. Zjištěná impedancia je pak porovnána s předem nastavenou impedancí dosahového bodu. Pokud je změřená impedancia nižší než impedancia dosahového bodu, lze usoudit, že existuje porucha na vedení mezi relé a dosahovým bodem. Pokud vypočítaná impedancia padá do dosahového nastavení relé, relé se aktivuje a inicioje ochrannou akci.

Pro zajištění komplexní ochrany jsou systémy ochrany vzdálenosti nainstalovány na obou koncích přenosového vedení a mezi těmito konci je zavedeno komunikační spojení, jak je znázorněno na obrázku 3. Toto komunikace umožňuje koordinované fungování relé na každém konci, což zlepšuje celkovou efektivitu ochranného schématu.

Výkon a charakteristiky relé vzdálenosti
Obrázek 3 – Diagram ochrany vzdálenosti povrchového vedení

Výkon relé vzdálenosti je primárně hodnocen na základě dvou klíčových parametrů: přesnost dosahu a doba fungování.

Přesnost dosahu

Přesnost dosahu zahrnuje porovnání skutečné ohmickej dosah relé vzdálenosti v reálných, praktických podmínkách s jeho předem nastavenou ohmickej hodnotou. Tento ukazatel je významně ovlivněn napětím, které je aplikováno na relé během stavu poruchy. Nižší nebo zkreslené napětí může vést k nepřesnostem v změřené impedanci, což ovlivňuje schopnost relé správně identifikovat místo poruchy v jeho určeném dosahu. Kromě toho techniky měření impedancí používané v konkrétních návrzích relé hrají klíčovou roli. Různé algoritmy a hardwarové konfigurace mohou poskytovat různé úrovně přesnosti, což ovlivňuje celkovou přesnost dosahu relé.

Doba fungování

Doba fungování relé vzdálenosti je proměnná veličina, která závisí na mnoha faktorech. Magnituda chybového proudu má přímý vliv; vyšší chybové proudy mohou někdy způsobit rychlejší fungování, zatímco nižší proudy mohou vést k delším odpovědním časům. Poloha poruchy vzhledem k nastavení relé také hraje roli. Poruchy blíže ke zdroji nebo v určité blízkosti relé mohou vyvolat rychlejší reakci než ty, které jsou dál. Navíc bod na vlně napětí, kde dojde k poruše, může zavést variabilitu do doby fungování.

Určité přechodné chyby měřicích signálů, které jsou spojené s konkrétními měřicími technikami používanými v návrhu relé, mohou situaci dále komplikovat. Například chyby generované kondenzátorovými napěťovými transformátory (CVT) nebo nasycením proudových transformátorů (CT) mohou výrazně zpomalit fungování relé, zejména u poruch v blízkosti dosahového bodu. Tyto přechodné chyby mohou zkreslit napěťové a proudové signály, což vede k nesprávné interpretaci impedancí a následně k zpoždění aktivace relé.

Charakteristiky relé vzdálenosti

Charakteristiky relé vzdálenosti, často označované jako tvar ochrany, jsou graficky znázorněny jako funkce odporu (R) a impedancí (X) vodiče na R/X nebo admittance diagramu. Dvě z nejtypičtějších tvarů jsou kruhový (mho charakteristika) a čtyřúhelníkový. Tyto charakteristické tvary jsou znázorněny na obrázcích 10 a 11, respektive. Každý tvar má své vlastní výhody a je navržen tak, aby optimalizoval výkon relé v různých elektrických systémových podmínkách, poskytováním spolehlivého prostředku pro rozlišení mezi normálními provozními podmínkami a skutečnými poruchami v chráněném úseku vedení.

Obrázek 4 – Mho charakteristika

Charakteristiky relé vzdálenosti, nastavení dosahu a znovu-zavírání
Obrázek 5 – Čtyřúhelníková charakteristika

Mho impedance element získal své jméno díky svému charakteristickému vzhledu na admittance diagramu, kde se projevuje jako přímá čára. Nicméně, polygonální impedance charakteristiky, jako je čtyřúhelníkový tvar, získaly významnou popularitu. Tyto charakteristiky nabízejí vynikající flexibilitu v pokrytí chybových impedancí jak pro fázové, tak pro zemní poruchy. Tato adaptabilita je udělala preferovanou volbou pro většinu moderních relé vzdálenosti.