Zaštita nadzemnih linija – greške i uređaji za zaštitu
Najčešći kvarovi na površinskim vodovodima
Najčešći uzroci kvarova na površinskim vodovodima uključuju:
Povezani članak: Zaštita transformatora snage & Kvarovi
Uređaji za zaštitu površinskih vodovoda
Vremenski stupnjevita zaštita od previsoke struje nije učinkovita za visokonaponske (HV) površinske vodovode. To je zbog prisutnosti više međusobno povezanih izvora struje kvara, koji bi mogli biti ograničeni ograničiteljima struje kvara. Ključni zahtjevi za shemama zaštite u visokonaponskim površinskim vodovodima su sljedeći:
Za ispunjenje tih zahtjeva, u visokonaponskim površinskim vodovodima se uobičajeno koriste sljedeći uređaji za zaštitu:
Diferencijalna zaštita se tipično primjenjuje na kratke površinske vodove, dok je zaštita udaljenosti prikladnija za dugačke površinske vodove. Klasifikacija površinskih vodova kao kratkih ili dugačkih temelji se na usporedbi induktivnosti, otpora i kapacitance voda. Vod se smatra kratkim kada je njegov otpor i kapacitancija zanemarljivi u usporedbi s induktivnošću. Ova procjena obično se provodi koristeći π - dijagram površinskog voda.
Brojni faktori utječu na impedanciju voda, njegovu fizičku reakciju na uvjete kraćeg spoja i struju opterećenja voda. To uključuje nivo napetosti, fizičko konstruiranje prenosnog voda, vrstu i veličinu vodnika, te razmak između vodnika. Također, broj terminala voda utječe na protok opterećenja i struje kvara, što sustav zaštite mora uzeti u obzir. Paralelni vodi također utječu na relaying, jer međusobni spoj može utjecati na struju prema zemlji koju mjeri zaštitni releji. Prisutnost tapiranih transformatora ili uređaja za reaktivnu kompenzaciju, poput serijalnih kondenzatorskih baza ili šunt reaktora, dalje utječe na odabir sustava zaštite i postavke zaštitnih uređaja. Stoga je potrebna detaljna studija površinskog voda kako bi se odredili najprikladniji zaštitni releji. Općenito, vod duljine do 80 - 100 km može se smatrati kratkim, iako to može varirati ovisno o nivou napetosti i karakteristikama mreže.
Približno 90% kvarova na površinskim vodovodima su privremene prirode. Kvarovi se mogu kategorizirati kao:
Za takve kvarove može biti potreban jednopolski skok, omogućujući da se vod vrati u rad odmah nakon što prekidači skoče. Stoga se jednopolski skok i automatsko ponovno zatvaranje često koriste u prekidačima povezanim s površinskim prenosnim vodovodima (obično s napetoscu od 220 kV ili više). Kada prekidači prekidaju struju kvara, luk flashovera ugasi se, a ionizirani zrak se disipa. Automatsko ponovno zatvaranje obično je uspješno nakon kašnjenja od samo nekoliko ciklusa. Međutim, kada se vrši energizirana radnja, automatski uređaji za ponovno zatvaranje na linijama pod radom moraju biti postavljeni na mod bez ponovnog zatvaranja. Prekidači koji se koriste u ovim aplikacijama moraju biti specifično dizajnirani za obradu tih operacija i biti imuni na nekonstantnost pola dok se ne izdade definitivni naredba za skok.
Diferencijalna i fazna usporedba zaštite
Diferencijalna zaštita temelji se na Kirchhoffovom zakonu struje. U kontekstu prenosnog voda, radi usporedbom struje koja ulazi u vod na jednom terminalu s strujom koja izlazi iz voda na drugom terminalu. Diferencijalni releji voda na svakom kraju prenosnog voda razmjenjuju podatke o strujama voda putem optičke vezu. Ova veza se često uspostavlja koristeći Optical Power Ground Wire (OPGW) kabel, koji se također koristi za dizajn zaštite od munje površinskog voda i sadrži optičke kabele unutar svoje strukture. Slika 1 prikazuje dijagram diferencijalnog sustava zaštite.
Slika 1 – Dijagram diferencijalne zaštite površinskog voda
Još jedan sustav zaštitnog relayinga za visokonaponske (HV) prenosne vode, temeljen na principu diferencijalne zaštite i sada korišten čak i za dugačke vode, jest fazna usporedba zaštite.
Ovaj sustav radi usporedbom fazonog kuta između struja na obje strane zaštićenog voda. U slučaju vanjskih kvarova, struja koja ulazi u vod ima isti relativni fazni kut kao i struja koja izlazi iz voda. Stoga, fazni releji usporebe na svakom terminalu registruju malo ili nikakvu razliku u faznom kutu. Kao rezultat, sustav zaštite ostaje stabilan, a ne nastupa skok. S druge strane, tijekom unutarnjeg kvara, struja teče u vod s obje strane, što dovodi do razlike u faznom kutu koju fazni releji usporebe mogu detektirati. Nakon prepoznavanja te razlike, releji se aktiviraju kako bi izolirali i očistili kvar.
U faznim shemama usporebe, početni releji igraju ključnu ulogu. Ovi releji započinju proces fazne usporebe čim se detektira stanje kvara. Njihov dizajn osigurava rad za unutarnje i vanjske kvarove, pružajući kompleksnu nadzornu funkciju.
Za efektivno funkcioniranje fazne usporebe, potrebna je pouzdana komunikacijska kanala. U modernim aplikacijama, optički kabeli integrirani u Optical Ground Wire (OPGW) kable postali su preferirani izbor za uspostavu te komunikacijske veze.
Slika 2 prikazuje jednolinijasti dijagram Merz Price sustava ravnoteže napona, koji se koristi za zaštitu trofaznih voda.
Fazna usporeba zaštite i zaštita udaljenosti
Fazna usporeba zaštite
Slika 2 – Dijagram fazne usporebe zaštite
U faznoj usporebi zaštite, identični transformatori struje (CTs) su strategijski pozicionirani u svakoj fazi na obje strane prenosnog voda. Svaki par CT-a, jedan na svakom kraju voda, povezan je u nizu s relejem. Pod normalnim, nekvarnim uvjetima, sekundarne napetosti generirane tim CT-ima jednake su magnitudom ali suprotne smjerom, efektivno balansirajući se jedan drugog.
Tijekom zdrave radnje sustava, struja koja ulazi u vod na jednom kraju točno odgovara struji koja ga napušta na drugom kraju. Kao rezultat, jednakim i suprotnim napetostima inducirani su u sekundarnim djelovima CT-a na dva terminala voda. Ova ravnoteža napetosti osigurava da nema struje koja teče kroz releje, održavajući stabilnost sustava zaštite.
Međutim, kada se kvar dogodi na točki, poput F na vodu, kao što je prikazano na slici 2, raspodjela struje je narušena. Konkretno, znatno veća struja će teći kroz CT1 u usporedbi s CT2. Ova nejednakost struje dovodi do toga da sekundarne napetosti CT-a postanu nejednake. Kao rezultat, uspostavlja se cirkulanta struja, koja teče kroz pilotne žice i releje. U odgovoru na ovaj protok struje, prekidači na obje strane voda su pokrenuti da se otvore, brzo izolirajući kvarni vod od ostatka energetskog sustava.
Također pročitajte: Primarna i sekundarna ili rezervna zaštita u energijskom sustavu
Zaštita udaljenosti
Zaštita udaljenosti oslanja se na releje udaljenosti, koji mjere impedanciju prenosnog voda analizirajući naponske i strujne signale primijenjene na njih. Kada se kvar dogodi na vodu, događaju se dva značajna promjene: struja se povećava na puno višu razinu, a napetost se naglo smanjuje.
Budući da je impedancija prenosnog voda direktno proporcionalna njegovoj dužini, releji udaljenosti dizajnirani su da mere impedanciju do predefinirane točke poznate kao "točka dosega." Ovi releji, često nazivani impedančni releji, računaju impedanciju koristeći Ohmov zakon, izražen formulom Z = U/I, gdje Z predstavlja impedanciju, U je napetost, a I je struja.
Releji udaljenosti su inženjerirani da rade isključivo za kvarove koji se događaju između lokacije releja i odabrane točke dosega. Ova dizajnerska značajka omogućuje im da efektivno razlikuju kvarove u različitim dijelovima voda. Apparentna impedancija izračunata od strane releja zatim se uspoređuje s prethodno postavljenom impedancijom točke dosega. Ako izmjerena impedancija bude niža od impedancije točke dosega, zaključuje se da postoji kvar na vodu između releja i točke dosega. Kada izračunata impedancija padne unutar dosega postavke releja, relej se aktivira, pokrećući zaštitnu akciju.
Da bi se osigurala kompletna zaštita, sustavi zaštite udaljenosti instalirani su na obje strane prenosnog voda, a komunikacijska veza je uspostavljena između tih krajeva, kao što je prikazano na slici 3. Ova komunikacija omogućuje koordinirani rad releja na svakom kraju, poboljšavajući ukupnu učinkovitost sheme zaštite.
Performanse i karakteristike releja udaljenosti
Slika 3 – Dijagram zaštite udaljenosti površinskog voda
Performanse releja udaljenosti uglavnom se procjenjuju na temelju dvije ključne parametre: točnost dosega i vrijeme rada.
Točnost dosega
Točnost dosega uključuje usporedbu stvarne ohmske dostignute udaljenosti releja udaljenosti u stvarnim, praktičnim uvjetima s njegovom predefiniranom ohmskom vrijednosti. Ovaj parametar značajno je utjecan na naponski nivo primijenjen na relej tijekom uvjeta kvara. Niži ili distorzirani napon može dovesti do netočnosti u izmjerenoj impedanciji, utječeći na sposobnost releja da točno identificira lokaciju kvara unutar njegovog određenog dosega. Također, tehnike mjerenja impedancije korištene u određenim dizajnima releja igraju ključnu ulogu. Različiti algoritmi i hardverske konfiguracije mogu dati različite razine preciznosti, time utječeći na ukupnu točnost dosega releja.
Vrijeme rada
Vrijeme rada releja udaljenosti je varijabilna količina koja ovisi o mnogo faktora. Magnituda struje kvara ima direktni utjecaj; veće struje kvara ponekad mogu dovesti do bržeg rada, dok bi niže struje mogla dovesti do dužeg vremena odziva. Položaj kvara u odnosu na postavku releja također je važan. Kvarovi bliži izvoru ili unutar određene blizine releja mogu pokrenuti brži odziv u usporedbi s onima koji su dalje. Nadalje, točka na valu napona na kojoj se kvar događa može dodati varijabilnost u vrijeme rada.
Određene greške u transijentnim signalima mjerenja, koje su povezane s određenim tehnikama mjerenja korištenim u dizajnu releja, mogu još više komplicirati stvar. Na primjer, greške generirane kondenzatorskim naponskim transformatorima (CVT) ili nasitavanjem transformatora struje (CT) mogu značajno kasnit operaciju releja, posebno za kvarove koji se događaju blizu točke dosega. Ove transijentne greške mogu distorzirati signale napona i struje, dovodeći do pogrešne interpretacije impedancije i kasnjenja u aktivaciji releja.
Karakteristike releja udaljenosti
Karakteristike releja udaljenosti, često nazivane oblikom zaštite, grafički su prikazane kao funkcija otpora (R) i impedancije (X) voda na R/X ili admittancijskom dijagramu. Dva od najčešćih oblika su kružni (mho karakteristika) i kvadrilateralni. Ovi karakteristični oblici su prikazani na slikama 10 i 11, redom. Svaki oblik ima svoje prednosti i dizajniran je da optimizira performanse releja u različitim uvjetima električnog sustava, pružajući pouzdan način razlikovanja između normalnih radnih uvjeta i stvarnih kvarova unutar zaštićenog dijela voda.
Slika 4 – Mho karakteristika
Karakteristike releja udaljenosti, postavke dosega i ponovno zatvaranje
Slika 5 – Kvadrilaterna karakteristika
Mho impedančni element dobiva svoje ime od svoje karakteristične izgleda na admittancijskom dijagramu, gdje se manifestira kao prava crta. Međutim, poligonalne impedančne karakteristike, poput kvadrilateralnog oblika, doživile su značajan porast popularnosti. Ove karakteristike nude izuzetnu fleksibilnost u pokrivanju impedancijskih kvarova za oba faza i zemlju. Ova prilagodljivost ih je učinila omiljenim izborom za većinu modernih releja udaljenosti.
Releji udaljenosti mogu biti konfigurirani sa do pet različitih zona, od kojih neke su postavljene da mjeri impedanciju u suprotnom smjeru. Ove zone koje mjeri u suprotnom smjeru služe kao rezervna zaštita za busbare. Svaka zona je povezana s određenim vremenom aktivacije releja, omogućujući nuansiran i koordinirani odgovor na kvarove koji se događaju na različitim lokacijama unutar zaštićenog električnog mreže.
Kada su releji udaljenosti instalirani na obje strane prenosnog voda, njihovo vrijeme odziva na kvar varira ovisno o udaljenosti točke kvara (F) od svakog kraja voda. Na primjer, razmotrimo površinski vod koji spaja podstanice A i B. Relej udaljenosti smješten u podstanici najbližoj točki kvara F prvi će detektirati kvar, a odgovarajući prekidač će skočiti prije onog u drugoj podstanici.
Da bi se sprečio kraći spoj kvara da nastavi primati struju s suprotne strane voda dok se relevantna zaštita udaljenosti ne aktivira, potrebna je komunikacijska veza između zaštitnih releja. Obično, ova komunikacija uspostavlja se putem optičkih vlaknenih kabela integriranih u Optical Ground Wire (OPGW) kable. Ova postavka omogućuje istovremeno skakanje obojica prekidača, osiguravajući brzu i učinkovitu izolaciju kvarnog dijela.
