Overhead Lines Beskyttelse – Fejl og beskyttelsesenheder

Almindelige fejl i overledninger

De mest almindelige årsager til fejl i overledninger inkluderer:

• Eksterne påvirkninger: Kollisioner mellem fly og køretøjer, der skader ledningen og støttekonstruktionerne.

• Wildlife-støj: Fugle og dyr, der forårsager forstyrrelser, f.eks. ved at sidde på en måde, der forstyrrer elektriske komponenter eller skaber kortslutninger.

• Isolatorforringelse: Isolatorer, der bliver forurenet, hvilket kan føre til elektriske fejl.

• Vejrrelaterede problemer: Overmådelig is- og sneakkumulering, der overbelaster ledningerne, samt lynnedslag, der kan skade udstyr.

• Elektriske fænomener: Ukontrollerede partielle udslip (corona), der gradvist kan nedbryde integriteten af ledningen.

• Isolatorskade: Gennemtrukne eller knust isolatorer, der kompromitterer den elektriske isolation af ledningerne.

• Vegetationsindtrængen: Træer, der vokser for tæt på ledningerne, potentielt kommer i kontakt med dem og forårsager fejl.

• Vindinduceret stress: Stærke vind, der kan svinge ledningerne, forårsage mekanisk skade eller kortslutninger.

Relateret artikel: Beskyttelse af strømtransformatorer & fejl

Beskyttelsesenheder for overledninger

• Lavspændings (LV) overledninger: Sikringer eller kredsløbsafbrydere anvendes for at beskytte mod overstrøm, hvilket giver et grundlæggende beskyttelsesniveau for lavspændingssystemer.

• Mellemspændings (MV) overledninger: Overstrøm-relæer (som 50, 50N, 51, 51N, 67, 67N) forbundet til strømtransformatorer (CT) anvendes ofte. Disse relæer overvåger strømforløbet og aktiverer kredsløbsafbryderen, når usædvanlige overstrøm er registreret.

Tidsafgrænset overstrømbeskyttelse er ineffektiv for høvspændings (HV) overføringsledninger. Dette skyldes tilstedeværelsen af flere sammenhængende kilder til fejlstrøm, som kan begrænses af fejlstrømbegrænsere. De nødvendige krav for beskyttelsessystemer i HV-overføringsledninger er som følger:

• Fejldetektering: Det elektriske beskyttelsessystem skal være i stand til hurtigt at identificere alle fejl, der opstår på den beskyttede ledning.

• Fejldiskriminering: Det skal kunne skelne mellem fejl på den beskyttede ledning og de på naboledd, busser, transformatorer og andet tilsluttet udstyr.

• Hurtig fejlrensning: Fejl skal renses inden for mindre end 1 sekund for at undgå, at strømsystemet bliver ustabil.

• Relabilitet: Beskyttelsessystemet skal være højt pålideligt, så det kan rydde fejl, selv når et enkelt stykke udstyr mislykkes.

For at opfylde disse krav anvendes følgende beskyttelsesenhed ofte i HV-overføringsledninger:

• Differential- og faseniveaubeskyttelse

• Afstandsbeskyttelse

Differentialbeskyttelse anvendes typisk på korte overføringsledninger, mens afstandsbeskyttelse er mere egnet til lange overføringsledninger. Klassificeringen af overføringsledninger som korte eller lange baseres på en sammenligning af ledningens induktans, resistans og kapacitans. En ledning betragtes som kort, når dens resistans og kapacitans er ubetydelige i forhold til dens induktans. Denne vurdering udføres ofte ved hjælp af den π-diagram for overføringsledningen.

Flere faktorer påvirker impedansen af ledningen, dens fysiske reaktion på kortslutningsforhold og linjeopladingstrømmen. Dette inkluderer spændingsniveauet, den fysiske konstruktion af overføringsledningen, typen og størrelsen af lederne, og afstanden mellem lederne. Desuden påvirker antallet af linjeudgangs punkter strømforløbet for belastnings- og fejlstrøm, som beskyttelsessystemet skal tage hensyn til. Parallelle ledninger påvirker også relæering, da gensidig kobling kan påvirke jordstrømmen, der måles af beskyttelsesrelæer. Tilstedeværelsen af tappede transformatorer eller reaktive kompensationsenheder, som seriekapacitorkredsløb eller shuntreaktorer, påvirker yderligere valget af beskyttelsessystemet og indstillingerne for beskyttelsesenhed. Derfor er en detaljeret undersøgelse af overføringsledningen nødvendig for at fastlægge de mest passende beskyttelsesrelæer. Generelt kan en ledning med en længde op til 80 - 100 km betragtes som kort, selvom dette kan variere afhængigt af spændingsniveauet og nettets karakteristika.

Ca. 90% af fejl i overføringsledninger er midlertidige. Fejl kan inddeles som følger:

• Fase til jord: En fejl, hvor en fase kommer i kontakt med jorden.

• Fase til fase: En fejl, der opstår mellem to faser.

• Fase til fase til jord: En kombination af fase til fase og fase til jord fejl.

• Tre faser: En fejl, der involverer alle tre faser samtidigt.

For sådanne fejl kan en enkelt pol trip være nødvendig, hvilket tillader, at ledningen genoprettes umiddelbart efter, at kredsløbsafbryderne aktiveres. Derfor anvendes enkeltpol-trip og auto-genstart-skemaer ofte i kredsløbsafbrydere, der er forbundet med overføringsledninger (normalt med en spænding på 220 kV eller højere). Når kredsløbsafbryderne afbryder fejlstrømmen, slukkes overslagbuen, og ioniseret luft dissiperer. Auto-genstart er normalt succesfuld efter en forsinkelse på kun nogle få cyklusser. Dog, når arbejde under strøm udføres, skal de automatiske genstartsenheder på ledningerne, der er under arbejde, sættes til ikke-genstart-tilstand. Kredsløbsafbrydere, der anvendes i disse applikationer, skal være specielt designet til at håndtere disse operationer og være immun mod poleusammenhæng, indtil en definitiv tripordre udstedes.

Differential- og faseniveaubeskyttelse

Differentialbeskyttelse baseres på Kirchhoffs strømlov. I konteksten af en overføringsledning fungerer den ved at sammenligne strømmen, der går ind i ledningen ved en ende, med strømmen, der går ud af ledningen ved den anden ende. Line differential relæer på hver ende af overføringsledningen udveksler data om line strøm gennem en fiber-optisk kommunikationsforbindelse. Denne forbindelse opbygges ofte ved hjælp af Optical Power Ground Wire (OPGW) kabel, der også bruges til lynbeskyttelsesdesign af overføringsledningen og indeholder fiber-optiske kabler inden for dens struktur. Figur 1 viser diagrammet for differentialbeskyttelsessystemet.

Figur 1 – Differentialbeskyttelsediagram for overføringsledning
Et andet beskyttelsessystem for høvspændings (HV) overføringsledninger, der bygger på differentialbeskyttelsesprincippet og nu anvendes endda for langdistans-ledninger, er faseniveaubeskyttelse.
Dette system fungerer ved at sammenligne fasen forskydningen mellem strømme ved begge ender af den beskyttede ledning. Ved eksterne fejl har strømmen, der går ind i ledningen, den samme relative fasen forskydning som strømmen, der går ud af ledningen. Som resultat registrerer faseniveaurelæerne på hver terminal meget lidt eller ingen fasen forskydning. Dermed forbliver beskyttelsessystemet stabil, og der forekommer ingen trip. Omvendt, ved en intern fejl, strømmer strøm ind i ledningen fra begge ender, hvilket forårsager en fasen forskydning, som faseniveaurelæerne kan registrere. Når denne forskel identificeres, aktiveres relæerne for at isolere og rydde fejlen.
I faseniveauskemaer spiller startrelæer en vigtig rolle. Disse relæer starter faseniveauforholdet så snart en fejltilstand er registreret. Deres design sikrer funktion for både interne og eksterne fejl, hvilket giver en omfattende overvågning.
For effektiv funktion af faseniveaubeskyttelse er en pålidelig kommunikationskanal uundværlig. I moderne applikationer er fiber-optiske kabler integreret i Optical Ground Wire (OPGW) kabler blevet den foretrukne valg for at oprette denne kommunikationsforbindelse.
Figur 2 viser en-linje-diagrammet for Merz Price spændingsbalance-systemet, der anvendes til beskyttelse af tre-fase-ledninger.

Faseniveaubeskyttelse og afstandsbeskyttelse
Faseniveaubeskyttelse
Figur 2 – Faseniveaubeskyttelsediagram

I faseniveaubeskyttelse er identiske strømtransformatorer (CTs) strategisk placeret i hver fase ved begge ender af overføringsledningen. Hver par CT, én ved hver ende af ledningen, er forbundet i serie med et relæ. Under normale, ikke-fejl-forhold, er de sekundære spændinger, der genereres af disse CT, lige store, men modsat rettede, hvilket effektivt balancerer hinanden.

Under sund drift præcis matcher strømmen, der går ind i ledningen ved en ende, strømmen, der går ud af den ved den anden ende. Dette resulterer i lige store, men modsatte spændinger, der induceres i sekundære dele af CT'erne ved de to linje-terminaler. Denne spændingsbalance sikrer, at ingen strøm løber gennem relæerne, hvilket fastholder stabiliteten af beskyttelsessystemet.

Men når en fejl opstår ved et punkt som F på ledningen, som illustreret i figur 2, forstyrrer dette strømfordelingen. Specifikt vil en betydeligt større strøm løbe gennem CT1 i forhold til CT2. Denne ulighed i strøm forårsager, at de sekundære spændinger af CT'erne bliver ulige. Dette resulterer i, at en cirkulerende strøm oprettes, der løber gennem pilotledninger og relæerne. I respons til denne strømløbning aktiveres kredsløbsafbryderne ved begge ender af ledningen for at åbne, hvilket hurtigt isolerer den defekte ledning fra resten af strømsystemet.

Læs også: Primær og sekundær eller backup-beskyttelse i et strømsystem

Afstandsbeskyttelse

Afstandsbeskyttelse baserer sig på afstandsrelæer, der måler impedansen af en overføringsledning ved at analysere spændings- og strømsignaler, der anvendes på dem. Når en fejl opstår på en ledning, finder to betydelige ændringer sted: strømmen stiger til en meget højere niveau, og spændingen falder drastisk.

Eftersom impedansen af en overføringsledning er direkte proportional med dens længde, er afstandsrelæer designet til at måle impedansen op til et forudbestemt punkt, kendt som "reach point". Disse relæer, som ofte kaldes impedansrelæer, beregner impedansen ved hjælp af Ohms lov, udtrykt ved formelen Z = U/I, hvor Z repræsenterer impedans, U er spænding, og I er strøm.

Afstandsrelæer er konstrueret til at virke udelukkende for fejl, der opstår mellem relæets placering og det valgte reach point. Dette designtræk tillader dem at effektivt skelne mellem fejl i forskellige ledningssektioner. Den beregnede impedans, der beregnes af relæet, sammenlignes derefter med den forudindstillede reach point impedans. Hvis den målte impedans er lavere end reach point impedansen, infereres det, at der findes en fejl på ledningen mellem relæet og reach point. Når den beregnede impedans falder inden for reach-indstillingen for relæet, aktiveres relæet, og initierer den beskyttende handling.

For at sikre omfattende beskyttelse installeres afstandsbeskyttelsessystemer ved begge ender af overføringsledningen, og en kommunikationsforbindelse oprettes mellem disse slutpunkter, som vist i figur 3. Denne kommunikation gør det muligt for relæerne på hver ende at koordinere deres operation, hvilket øger den samlede effektivitet af beskyttelsesskemaet.

Afstandsrelæs ydeevne og karakteristika
Figur 3 – Afstandsbeskyttelsediagram for overføringsledning

Ydeevnen af afstandsrelæer vurderes primært ud fra to nøgleparametre: rækkevidde-nøjagtighed og driftstid.

Rækkevidde-nøjagtighed

Rækkevidde-nøjagtighed indebærer sammenligningen af den faktiske ohmiske rækkevidde af et afstandsrelæ under reelle, praktiske forhold med dets forudindstillede ohmiske værdi. Denne metrik påvirkes betydeligt af spændingsniveauet, der anvendes på relæet under fejlforhold. En lavere eller forvrænget spænding kan føre til unøjagtigheder i den målte impedans, hvilket påvirker relæets evne til korrekt at identificere fejlens placering inden for dens designerede rækkevidde. Yderligere, de impedansmålingsmetoder, der anvendes i specifikke relædesigner, spiller en afgørende rolle. Forskellige algoritmer og hardwarekonfigurationer kan give varierende niveauer af præcision, hvilket påvirker den samlede rækkevidde-nøjagtighed af relæet.

Driftstid

Driftstiden for et afstandsrelæ er en variabel størrelse, der afhænger af flere faktorer. Størrelsen af fejlstrømmen har en direkte effekt; højere fejlstrømme kan nogle gange forårsage hurtigere operation, mens lavere strømme kan resultere i længere svarstider. Placeringen af fejlen i forhold til relæets indstilling er også vigtig. Fejl, der er tættere på kilden eller inden for en bestemt nærhed af relæet, kan triggere en hurtigere respons sammenlignet med de, der er længere væk. Desuden kan det punkt på spændingsbølgen, hvor fejlen opstår, introducere variabilitet i driftstiden.

Visse måling signaltransientfejl, der er forbundet med de specifikke målingsteknikker, der anvendes i et relæs design, kan yderligere komplicere sagen. For eksempel kan fejl, der genereres af Kapacitance Spændingstransformatorer (CVT) eller saturerende Strømtransformatorer (CT), betydeligt forsinke relæets operation, især for fejl, der opstår nær rækkeviddepunktet. Disse transientfejl kan forvrænge spændings- og strømsignaler, hvilket fører til misforståelse af impedansen og en efterfølgende forsinkelse i relæets aktivering.

Karakteristika for afstandsrelæer

Karakteristikkerne for afstandsrelæer, ofte refereret til som beskyttelsesformen, er grafisk repræsenteret som en funktion af ledningens resistans (R) og impedans (X) på et R/X- eller admittancediagram. To af de mest typiske former er den cirkulære (mho-karakteristik) og kvadratisk. Disse karakteristiske former er illustreret i figurer 10 og 11 henholdsvis. Hver form har sine egne fordele og er designet til at optimere relæets ydeevne under forskellige elektriske systemforhold, hvilket giver en pålidelig måde at skelne mellem normale driftsforhold og reelle fejl inden for den beskyttede ledningssektion.

Figur 4 – Mho-karakteristik

Karakteristikker for afstandsrelæer, rækkevidde-indstillinger og genstart
Figur 5 – Kvadratisk karakteristik

Mho-impedanselementet får sit navn fra sin karakteristiske fremtoning på et admittancediagram, hvor det viser sig som en ret linje. Imidlertid har polygonale impedanskarakteristikker, som kvadratisk form, opnået betydelig popularitet. Disse karakteristikker tilbyder bemærkelsesværdig fleksibilitet i dækning af fejl-impedanser for både fase- og jordfejl. Denne tilpasningsevne har gjort dem til den foretrukne valg for de fleste moderne afstandsrelæer.

Afstandsrelæer kan konfigureres med op til fem distinkte zoner, nogle af dem er indstillet til at måle impedans i den modsatte retning. Disse zoner, der måler i den modsatte retning, fungerer som backup-beskyttelse for busbarer. Hver zone er associeret med en specifik aktiveringstid for relæet, hvilket tillader en nuanceret og koordineret respons til fejl, der opstår på forskellige steder inden for det beskyttede elektriske netværk.

Når afstandsrelæer er installeret på begge ender af en overføringsledning, varierer deres svar tidspunkter til en fejl afhængigt af afstanden fra fejlpunktet (F) til hver ende af ledningen. For eksempel, betragt en overføringsledning, der forbinder Understations A og B. Afstandsrelæet, der er placeret i den understation, der ligger nærmest fejlpunktet F, vil først registrere fejlen, og den tilsvarende kredsløbsafbryder vil trippe, før den i den anden understation.

For at forhindre, at en kortslutningsfejl fortsætter med at modtage strøm fra den anden ende af ledningen, indtil den relevante afstandsbeskyttelse aktiveres, er en kommunikationsforbindelse mellem beskyttelsesrelæerne afgørende. Typisk oprettes denne kommunikation via fiber-optiske kabler, der er integreret i Optical Ground Wire (OPGW) kabler. Denne opsætning gør det muligt at trippe begge kredsløbsafbrydere samtidigt, hvilket sikrer hurtig og effektiv isolation af den defekte sektion.

Det er upraktisk at programmer et impedansrelæ til at præcist måle impedansen af ledningen hele vejen til afbryderen i den fjerneste ende. Dette skyldes inbyggede fejl og unøjagtigheder i komponenter som strømtransformatorer (CTs), spændings-transformatorer (VTs), relæerne selv, samt i beregninger af ledningsimpedans. For at tage hensyn til disse usikkerheder er relæets rækkevidde indstillet til at måle en impedansværdi, der er mindre end den totale impedans, der svarer til den fulde længde af ledningen. For eksempel, at indstille Zone 1 til at dække op til 85% af ledningens impedans, er en almindelig og sikker praksis. De resterende 15-20% fungerer som en sikkerhedsmargen, der effektivt forhindrer, at Zone 1-beskyttelsen overstiger den beskyttede ledning pga. målefejl og unøjagtigheder. Uden denne margen ville der være en risiko for at miste evnen til at skelne mellem fejl på nabo-ledningssektioner, især når man arbejder med hurtigt virkende beskyttelsesskemaer.

Omhyggelig kalibrering af rækkevidde-indstillinger og trippingstider for hver målezones er afgørende for at opnå korrekt koordinering mellem afstandsrelæer i strømsystemet. Denne omhu sikrer, at fejl ryddes i den korrekte rækkefølge, hvilket minimerer forstyrrelser og vedligeholder stabiliteten i det elektriske netværk.

Relateret læsning