Yläjohdot suojauksessa – Vikoja ja suojauslaitteet
Yleisiä vika-aiheuttajia ilmajohtoissa
Ilmajohtojen vikoihin johtavat yleisimmiten seuraavat syyt:
Liittyvä artikkeli: Voimansiirtotransformatorin suojauksella ja vikoilla
Ilmajohtojen suojalaitteet
Aikapohjainen ylivirtasuojelu ei ole tehokasta korkeajännite (HV) ilmajohtolistoille. Tämä johtuu useista yhtenäistäytyneistä virran lähteistä, jotka voivat rajoittaa virran suuruutta. HV-ilmajohtolistoille asetettavien suojauksen vaatimukset ovat seuraavat:
Näiden vaatimusten täyttämiseksi HV-ilmajohtolistoissa yleisesti käytettyjä suojalaitteita ovat:
Erityissuojelu soveltuu yleensä lyhyempiin ilmajohtolistoille, kun taas etäisyys-suojelu on parempi pitkille ilmajohtolistoille. Ilmajohtolistoja luokitellaan lyhyiksi tai pitkiksi vertailemalla linjan induktanssia, vastusta ja kapasitanssia. Linja on lyhyt, jos sen vastus ja kapasitanssi ovat merkityksettömiä verrattuna induktanssiin. Tämä arviointi tehdään yleensä käyttämällä π-diagrammia ilmajohtolistan kuvaamiseksi.
Useat tekijät vaikuttavat linjan impedanssiin, fysikaaliseen reaktioon lyhytkatkaisutilanteissa ja linjan virtaytimeen. Näihin kuuluvat jännite, siirtolinjan fyysisrakenne, johtojen tyyppi ja koko, sekä johtojen välinen etäisyys. Lisäksi linjan päätepisteiden määrä vaikuttaa kuorman ja vikavirran virtaukseen, mitä suojajärjestelmän tulee huomioida. Rinnakkaiset linjat myös vaikuttavat relaasyyn, sillä keskinäinen kytkentä voi vaikuttaa maavirtaan, jonka suojarelat muodostavat. Tiedostettujen transformaattoreiden tai reaktiivisten kompensointilaiteiden, kuten sarjakerrosten tai shunt-reaktorien, läsnäolo vaikuttaa suojauksen valintaan ja suojalaitteiden asetuksiin. Tämän vuoksi ilmajohtolistan yksityiskohtainen tutkimus on välttämätön määrittääksemme parhaat suojarelat. Yleisesti ottaen linja, jonka pituus on enintään 80-100 km, voidaan pitää lyhyenä, vaikka tämä voi vaihdella jänniteasteen ja verkon ominaisuuksien mukaan.
Noin 90 % ilmajohtolistoissa esiintyvistä vikoista on tilapäisiä. Vikoja voidaan luokitella seuraavasti:
Tällaisissa vikoissa voi olla tarpeen yksipuolinen katkaisu, joka mahdollistaa linjan palauttamisen käyttöön välittömästi virtasuljet katkaisevat vikavirran. Siksi yksipuolisilla katkaisuilla ja automaattisilla uudelleenkäynnistyksillä on yleinen käyttö virtasuljet, jotka liittyvät ilmajohtolistoille (yleensä jännitteellä 220 kV tai enemmän). Kun virtasuljet katkaisevat vikavirran, sähkövirta syttyy pois, ja ionisoitunut ilma hajoaa. Automaattinen uudelleenkäynnistys on yleensä onnistunut vain muutaman kierroksen viiveen jälkeen. Kuitenkin, kun energisoitu työ tehdään, automaattiset uudelleenkäynnistykselaimet linjoilla, joilla työ tehdään, on asetettava uudelleenkäynnistyksen sallimattomaksi. Virtasuljet, jotka käytetään näihin sovelluksiin, on suunniteltu erityisesti käsittelemään näitä toimintoja ja olla alttiina polkujen epävakaudelle, kunnes annetaan määräytyvä katkaisukomento.
Erityissuojelu ja vaihevertailusuojelu
Erityissuojelu perustuu Kirchhoffin virran laatuun. Siirtolinjan kontekstissa se toimii vertailemalla virran, joka tulee linjaan yhdestä päätteestä, virran kanssa, joka poistuu linjasta toisesta päätteestä. Lineaarinen differentiaalirela molemmissa siirtolinjan päissä vaihtavat tiedot linjan virrasta optisella kaapelilla. Tämä linkki on usein luotu käyttämällä Optista Maanjohdinta (OPGW) -kaapelia, jota käytetään myös ilmajohtolistan salaman suojauksessa ja joka sisältää optisia kaapeleita rakenteessaan. Kuva 1 havainnollistaa differentiaalisuojauksen kaaviota.
Kuva 1 – Ilmajohtolistan differentiaalisuojauksen kaavio
Toinen suojarelay-järjestelmä korkeajännite (HV) siirtolinjoille, joka perustuu differentiaalisuojauksen periaatteeseen ja jota käytetään nykyään myös pitkiin linjoihin, on vaihevertailusuojelu.
Tämä järjestelmä toimii vertailemalla virrantasoja siirtolinjan kummassakin päätteessä. Ulkopuolisten vikojen tapauksessa linjaan tuleva virta on samaa vaihesuhdetta kuin linjasta ulos virtaava virta. Tämän vuoksi vaihevertailurelat kummassakin päätteessä rekisteröivät vähän tai ei lainkaan vaihesuhde-eroa. Tämän seurauksena suojajärjestelmä pysyy vakaina, eikä katkaisua tapahdu. Toisaalta sisäisen vian aikana virta virtaa linjaan molemmista päistä, mikä aiheuttaa vaihesuhde-eron, jonka vaihevertailurelat voivat havaita. Tämän ero havaitsemisen jälkeen relaat aktivoidaan eristääkseen ja poistaakseen vian.
Vaihevertailusuojelussa aloitusrelaatit ovat olennaisen tärkeitä. Nämä relaatit aloittavat vaihevertailuprosessin heti, kun vian olosuhteet havaitaan. Niiden suunnittelussa varmistetaan toiminta sekä sisäisille että ulkopuolisille vikoille, tarjoten kattavan valvonnan.
Vaihevertailusuojelun tehokkaalle toiminnalle on välttämätöntä luotettava kommunikaatiokanava. Nykyisissä sovelluksissa optiset kaapelit, jotka on integroitu Optiseen Maanjohdinta (OPGW) -kaapeliin, ovat tulleet suosituimmaksi valinnaksi tämän kommunikaatiolinkin luomiseen.
Kuva 2 esittää Merz Price:n jännitevakauserän yksirivikaavion, jota käytetään kolmivaiheisen linjan suojaukseen.
Vaihevertailusuojelu ja etäisyys-suojelu
Vaihevertailusuojelu
Kuva 2 – Vaihevertailusuojelun kaavio
Vaihevertailusuojelussa identtiset virtamuuntimet (CT) on sijoitettu jokaiseen vaiheeseen molemmissa siirtolinjan päissä. Jokainen CT-pari, yksi kummassakin päätteessä, on yhdistetty relaan. Normaaleissa, vikattomissa olosuhteissa näiden CT:jen toimittamat toissijaiset jännitteet ovat yhtä suuret, mutta vastakkaisia suuntaan, jolloin ne tasapainottavat toisensa.
Normaalissa järjestelmän toiminnassa virta, joka tulee linjaan yhdestä päätteestä, täsmää täsmälleen virtaan, joka poistuu toisesta päätteestä. Tämän seurauksena yhtä suuret ja vastakkaiset jännitteet indusoituvat CT:jen toissijaisissa kummassakin linjan päätteessä. Tämä jännitetasapaino varmistaa, että relaatteihin ei virtaa virtaa, säilyttäen suojajärjestelmän vakauden.
Kun vika tapahtuu kohdassa, kuten F linjalla, kuten kuva 2 havainnollistaa, virtajan jakautuminen häiriintyy. Erityisesti paljon suurempi virta virtaa CT1:sta kuin CT2:sta. Tämä virta-ero aiheuttaa CT:jen toissijaisjännitteiden epätasapainon. Seurauksena on pyöreä virta, joka virtaa pilotti-joissa ja relaatteissa. Tämän virran seurauksena virtasuljet molemmissa linjan päissä avataan, eristäen viallinen linja muusta sähköverkosta.
Lue myös: Perus- ja varasuojauksella sähköverkossa
Etäisyys-suojelu
Etäisyys-suojelu perustuu etäisyysreluihin, jotka mitaavat siirtolinjan impedanssin analysoimalla siihen kohdistettuja jännite- ja virransignaaleja. Kun vika tapahtuu linjalla, kaksi merkittävää muutosta tapahtuu: virta nousee huomattavasti, ja jännite laskee rajusti.
Koska siirtolinjan impedanssi on suoraan verrannollinen sen pituuteen, etäisyysreluat on suunniteltu mitaamaan impedanssin määrättyyn pisteeseen, jota kutsutaan "ulkopisteen". Nämä reluat, joita usein kutsutaan impedanssireluiksi, lasketaan impedanssi Ohmin laissa, joka ilmaistaan kaavalla Z = U/I, missä Z tarkoittaa impedanssia, U on jännite, ja I on virta.
Etäisyysreluat on suunniteltu toimimaan vain vikoille, jotka tapahtuvat relun sijainnin ja valitun ulkopisteen välillä. Tämä suunnitelma mahdollistaa niiden tehokkaan erottamisen eri linjan osista. Relun laskema näennäinen impedanssi verrataan valittuun ulkopisteen impedanssiin. Jos mitattu impedanssi on pienempi kuin ulkopisteen impedanssi, voidaan päätellä, että vika on olemassa linjalla relun ja ulkopisteen välillä. Kun laskettu impedanssi on relun ulottuvuuden asetuksen sisällä, relu aktivoituu, aloittaen suojatoimenpiteen.
Varmistaaksemme kattavan suojauksen, etäisyys-suojelujärjestelmät on asennettu molempiin siirtolinjan päihin, ja kommunikaatiolinkki on luotu näiden päätepisteiden välille, kuten kuva 3 havainnollistaa. Tämä kommunikaatio mahdollistaa reluiden koordinoidun toiminnan molemmissa päissä, parantamalla suojauksen tehokkuutta kokonaisuudessaan.
Etäisyysrelun toiminta ja ominaisuudet
Kuva 3 – Ilmajohtolistan etäisyys-suojauksen kaavio
Etäisyysreluiden toiminnan arviointi perustuu pääasiassa kahden keskeisen parametrin: ulottuvuuden tarkkuuden ja toimintaaikaisuuden.
Ulottuvuuden tarkkuus
Ulottuvuuden tarkkuus tarkoittaa todellisen ohmisen ulottuvuuden vertailua etäisyysrelun kanssa käytännössä sen asetetun ohmisen arvon kanssa. Tämä mittari on huomattavasti vaikutettu relulle vikatilanteissa kohdistettuun jännitteeseen. Alhainen tai vääristynyt jännite voi johtaa epätarkkuuksiin mitatun impedanssin suhteen, vaikuttaen relun kykyyn oikein tunnistaa vian sijaintia sen määritellyn ulottuvuuden sisällä. Lisäksi impedanssin mittaamiseen käytetyt menetelmät tietyissä relusuunnitelmissa ovat merkittäviä. Eri algoritmit ja laiterakenteet voivat tuottaa eri tarkkuuden tasot, vaikuttaen relun yleiseen ulottuvuuden tarkkuuteen.
Toiminta-aika
Etäisyysrelun toiminta-aika on muuttuva määrä, joka riippuu monista tekijöistä. Vikavirta-arvo vaikuttaa suoraan; suuremmat vikavirrat voivat joskus aiheuttaa nopeampaa toimintaa, kun taas pienemmät virtat voivat aiheuttaa pidempia vasta-aikoja. Myös vian sijainti relun asetuksen suhteen on tärkeä. Vikat, jotka ovat lähempänä lähdettä tai tietyssä lähentyvyydessä reluun, voivat aiheuttaa nopeamman vastauksen verrattuna vikoihin, jotka ovat kauempana. Lisäksi vian tapahtumispaikka jänniteaallon pisteessä voi tuoda lisävariaatiota toiminta-aikaan.
Tiettyjä mittaus-signaalien väliaikaisia virheitä, jotka liittyvät tiettyihin mittausmenetelmiin, jotka on käytetty relun suunnittelussa, voi entisestään monimutkaistaa asioita. Esimerkiksi kondensaattorijännite-muuntimien (CVT) tai satuutuvien virtamuuntimien (CT) aiheuttamat virheet voivat huomattavasti viivyttää relun toimintaa, erityisesti vikojen tapahtuessa lähellä ulkopistettä. Nämä väliaikaiset virheet voivat vääristää jännite- ja virransignaalit, johtamalla impedanssin väärään tulkintaan ja siten viivästyvään relun aktivointiin.
Etäisyysreluiden ominaisuudet
Etäisyysreluiden ominaisuudet, joita usein kutsutaan suojakuvioksi, on graafisesti esitetty linjan vastuksen (R) ja impedanssin (X) funktiona R/X- tai admittanssidiagrammissa. Kaksi yleisintä muotoa ovat ympyrä (mho-ominaisuus) ja nelikulmio. Nämä ominaisuusmuodot on havainnollistettu kuvissa 10 ja 11. Jokaisella muodolla on omat edut, ja ne on suunniteltu optimoimaan relun toimintaa eri sähköjärjestelmän olosuhteissa, tarjoten luotettavan keinon erottaa normaali toiminta todellisista vikoista suojattavan linjan osiossa.
Kuva 4 – Mho-ominaisuus
Etäisyysreluiden ominaisuudet, ulottuvuuden asetukset ja uudelleenkäynnistys
Kuva 5 – Nelikulmio-ominaisuus
Mho-impedanssielementti saa nimensä impedanssidiagrammissa havaitusta suoran muodosta. Kuitenkin monikulmiomaiset impedanssiominaisuudet, kuten nelikulmio, ovat saaneet huomattavan suosion. Nämä ominaisuudet tarjoavat huomattavan joustavuuden kattamaan vikaimpedansseja sekä vaihe- että maavikoille. Tämä joustavuus on tehnyt niistä suosittuja useimmissa nykyaikaisissa etäisyysreluissa.
Etäisyysreluita voidaan konfiguroida viidellä eri vyöhykkeellä, joista jotkut on asetettu mitaamaan impedanssia käänteiseen suuntaan. Nämä käänteismittaavat vyöhykkeet toimivat varasuojauksena bussipaikoille. Jokaisella vyöhykkeellä on oma aktivoitusaika relulle, mikä mahdollistaa tarkoituksenmukaisen ja koordinoitun vastauksen vikoihin eri paikoissa suojatun sähköverkon sisällä.
Kun etäisyysreluit on asennettu molempiin siirtolinjan päihin, niiden vastausvaihtelu vikaan riippuu vikapaikan (F) etäisyydestä kummankin linjan päähän. Esimerkiksi, otetaan ilmajohto, joka yhdistää A- ja B-asemat. Etäisyysrelu, joka sijaitsee lähimpänä vikapaikkaa F, havaitsee vian ensin, ja vastaava virtasulku katkaisee ennen toisen aseman virtasulkua.
Estääksemme lyhytkatkaisuvian jatkuvan virran vastaanottoa toiselta linjan päältä, kunnes asianomainen etäisyys-suojelu aktivoituu, on välttämätöntä, että suojarelat välittävät kommunikaatiota. Tämä kommunikaatio toteutetaan yleensä optisilla kaapeleilla, jotka on integroitu Optiseen Maanjohdinta (OPGW) -kaapeliin. Tämä asetus mahdollistaa molempien virtasulkujen samanaikaisen katkaisun, varmistamalla nopean ja tehokkaan viallisen osion eristäm
