Hoogspanningsleidingen Bescherming – Storingen en Beschermingsapparatuur
Veelvoorkomende storingen in bovengrondse leidingen
De meest voorkomende oorzaken van storingen in bovengrondse leidingen zijn:
Gerelateerd artikel: Bescherming van stroomtransformator & storingen
Beschermingsapparatuur voor bovengrondse leidingen
Tijdgestructureerde overstromingsbescherming is niet effectief voor hoge-spannings (HV) bovengrondse overbrengingsleidingen. Dit komt doordat er meerdere geïntegreerde bronnen van foutstromen aanwezig zijn, die mogelijk beperkt worden door foutstroombeperkers. De belangrijkste eisen voor beschermingschema's in HV bovengrondse overbrengingsleidingen zijn als volgt:
Om aan deze eisen te voldoen, worden de volgende beschermingsapparaten vaak gebruikt in HV bovengrondse leidingen:
Differentiële bescherming wordt doorgaans toegepast op korte bovengrondse leidingen, terwijl afstandsbescherming meer geschikt is voor lange bovengrondse leidingen. De indeling van bovengrondse leidingen als kort of lang is gebaseerd op een vergelijking van de inductie, weerstand en capaciteit van de lijn. Een lijn wordt als kort beschouwd wanneer de weerstand en capaciteit verwaarloosbaar zijn ten opzichte van de inductie. Deze beoordeling wordt vaak uitgevoerd met behulp van het π-diagram van de bovengrondse lijn.
Verschillende factoren beïnvloeden de impedantie van de lijn, haar fysieke respons op kortsluitcondities en de belastingstroom van de lijn. Hieronder vallen het spanningniveau, de fysieke constructie van de overbrengingslijn, het type en formaat van de geleiders, en de afstand tussen de geleiders. Daarnaast beïnvloedt het aantal lijnterminals de stroomtoevoer van belasting- en foutstromen, waarvoor het beschermingssysteem rekening moet houden. Parallelle lijnen hebben ook invloed op de herleiding, omdat wederzijdse koppeling de grondstroom kan beïnvloeden die door beschermingsrelais wordt gemeten. De aanwezigheid van getapte transformators of reactieve compensatieapparatuur, zoals seriecapaciteitsbanken of shuntreactors, beïnvloedt verder de selectie van het beschermingssysteem en de instellingen van beschermingsapparatuur. Als gevolg hiervan is een gedetailleerde studie van de bovengrondse lijn nodig om de meest geschikte beschermingsrelais te bepalen. In het algemeen kan een lijn met een lengte van maximaal 80-100 km als kort worden beschouwd, hoewel dit kan variëren afhankelijk van het spanningniveau en de netwerkkenmerken.
Ongeveer 90% van de storingen in bovengrondse leidingen zijn tijdelijk van aard. Storingen kunnen worden ingedeeld als volgt:
Voor dergelijke storingen kan een enkel-polige trip vereist zijn, waardoor de lijn onmiddellijk na het uitschakelen van de circuitbrekers weer in gebruik kan worden genomen. Daarom worden enkel-polige trip- en automatische herinschakelingsschema's vaak gebruikt in circuitbrekers die zijn gekoppeld aan bovengrondse overbrengingsleidingen (meestal met een spanning van 220 kV of hoger). Wanneer de circuitbrekers de foutstroom onderbreken, wordt de flitsboog gedoofd en verdwijnt de geïoniseerde lucht. Automatische herinschakeling is meestal succesvol na een vertraging van slechts enkele cycli. Echter, wanneer werkzaamheden onder stroom worden uitgevoerd, moeten de automatische herinschakelapparatuur op de werklinessen ingesteld worden op niet-herinschakelmodus. Circuitbrekers die in deze toepassingen worden gebruikt, moeten specifiek ontworpen zijn om deze bewerkingen te verwerken en bestand te zijn tegen polonconstante totdat een definitief uitschakelbevel wordt gegeven.
Differentiële en fasevergelijkingsbescherming
Differentiële bescherming is gebaseerd op Kirchhoff's wet van de stroom. In de context van een overbrengingslijn werkt het door de stroom die de lijn aan één kant binnenkomt te vergelijken met de stroom die de lijn aan de andere kant verlaat. Lijndifferentiële relais aan beide einden van de overbrengingslijn wisselen gegevens uit over de lijnstroom via een glasvezelcommunicatieverbinding. Deze verbinding wordt vaak gemaakt met behulp van de Optical Power Ground Wire (OPGW)-kabel, die ook wordt gebruikt voor de bliksembeveiliging van de bovengrondse lijn en glasvezelkabels in zijn structuur bevat. Figuur 1 illustreert het diagram van het differentiële beschermingssysteem.
Figuur 1 – Differentiële bescherming van bovengrondse lijn
Een ander beschermingsrelaisysteem voor hoge-spannings (HV) overbrengingslijnen, dat is gebaseerd op het principe van differentiële bescherming en nu zelfs voor lange afstanden wordt gebruikt, is fasevergelijkingsbescherming.
Dit systeem werkt door de fasehoek tussen de stromen aan beide einden van de beschermd lijn te vergelijken. Bij externe storingen heeft de stroom die de lijn binnenkomt dezelfde relatieve fasehoek als de stroom die de lijn verlaat. Daarom registreren de fasevergelijkingsrelais aan elk eind weinig tot geen fasehoekverschil. Als gevolg daarvan blijft het beschermingssysteem stabiel en vindt er geen uitschakeling plaats. Aan de andere kant, bij een interne storing, stroomt de stroom de lijn in vanaf beide einden, waardoor een fasehoekverschil ontstaat dat de fasevergelijkingsrelais kunnen detecteren. Zodra dit verschil wordt geïdentificeerd, activeren de relais om de storing te isoleren en te zuiveren.
Bij fasevergelijkingschema's spelen startrelais een cruciale rol. Deze relais initiëren het fasevergelijkingsproces zodra een storing wordt gedetecteerd. Hun ontwerp zorgt ervoor dat ze zowel bij interne als externe storingen werken, waardoor er alomvattende monitoring plaatsvindt.
Voor het effectief functioneren van fasevergelijkingsbescherming is een betrouwbare communicatiekanaal onmisbaar. In moderne toepassingen zijn glasvezelkabels geïntegreerd in Optical Ground Wire (OPGW)-kabels de voorkeurste keuze geworden voor het inrichten van deze communicatieverbinding.
Figuur 2 toont het enkelstreepschema van het Merz Price voltage balance systeem, dat wordt gebruikt voor de bescherming van driefase-lijnen.
Fasevergelijkingsbescherming en afstandsbescherming
Fasevergelijkingsbescherming
Figuur 2 – Fasevergelijkingsbescherming Diagram
Bij fasevergelijkingsbescherming worden identieke stroomtransformatoren (CTs) strategisch geplaatst in elke fase aan beide einden van de overbrengingslijn. Elk paar CT's, één aan elk eind van de lijn, is in serie verbonden met een relais. Onder normale, niet-storingstoestanden zijn de secundaire spanningen die door deze CT's worden opgewekt gelijk in grootte maar tegengesteld in richting, waardoor ze elkaar effectief uitbalanceren.
Tijdens gezonde systeembewerking komt de stroom die de lijn aan één kant binnenkomt precies overeen met de stroom die de lijn aan de andere kant verlaat. Hierdoor worden gelijke en tegengestelde spanningen opgewekt in de secundaires van de CT's aan de twee lijnterminals. Deze spanningsevenwicht zorgt ervoor dat er geen stroom door de relais stroomt, waardoor de stabiliteit van het beschermingssysteem wordt gehandhaafd.
Wanneer echter een storing optreedt op een punt zoals F op de lijn, zoals weergegeven in figuur 2, wordt de stroomverdeling verstoord. Specifieker gezegd zal er een aanzienlijk grotere stroom door CT1 stromen in vergelijking met CT2. Dit verschil in stroom zorgt ervoor dat de secundaire spanningen van de CT's ongelijk worden. Hierdoor wordt een circulerende stroom opgewekt, die door de pilotdraden en de relais stroomt. Als reactie hierop worden de circuitbrekers aan beide einden van de lijn geactiveerd om open te gaan, waardoor de defectieve lijn onmiddellijk van het resterende energiebedrijf wordt geïsoleerd.
Lees ook: Primaire en secundaire of back-up bescherming in een energiebedrijf
Afstandsbescherming
Afstandsbescherming is afhankelijk van afstandsrelais, die de impedantie van een overbrengingslijn meten door de spanning- en stroomsignalen die op hen worden aangebracht te analyseren. Wanneer een storing optreedt op een lijn, vinden twee belangrijke veranderingen plaats: de stroom stijgt naar een veel hoger niveau en de spanning daalt abrupt.
Aangezien de impedantie van een overbrengingslijn recht evenredig is met de lengte, zijn afstandsrelais ontworpen om de impedantie te meten tot een vooraf bepaald punt, bekend als het "bereikspunt". Deze relais, vaak aangeduid als impedanterelais, berekenen impedantie met behulp van Ohm's wet, uitgedrukt door de formule Z = U/I, waarbij Z de impedantie, U de spanning en I de stroom vertegenwoordigt.
Afstandsrelais zijn ontworpen om exclusief te werken voor storingen die optreden tussen de locatie van het relais en het geselecteerde bereikspunt. Deze ontwerpkenmerk stelt hen in staat om effectief onderscheid te maken tussen storingen in verschillende lijnsegmenten. De berekende impedantie door het relais wordt vervolgens vergeleken met de vooraf ingestelde bereikspuntimpedantie. Als de gemeten impedantie lager is dan de bereikspuntimpedantie, wordt ervan uitgegaan dat er een storing is op de lijn tussen het relais en het bereikspunt. Wanneer de berekende impedantie binnen het bereikinstelling van het relais valt, activeert het relais en initieert de beschermingsactie.
Om volledige bescherming te waarborgen, worden afstandsbeschermingssystemen geïnstalleerd aan beide einden van de overbrengingslijn, en wordt een communicatiekanaal opgezet tussen deze eindpunten, zoals weergegeven in figuur 3. Deze communicatie stelt de coördinerende werking van de relais aan elk eind in staat, waardoor de algehele effectiviteit van het beschermingsschema wordt versterkt.
Prestatie en kenmerken van afstandsrelais
Figuur 3 – Afstandsbescherming van bovengrondse lijn Diagram
De prestatie van afstandsrelais wordt voornamelijk beoordeeld op basis van twee belangrijke parameters: bereiknauwkeurigheid en bedrijfstijd.
Bereiknauwkeurigheid
Bereiknauwkeurigheid betreft het vergelijken van de werkelijke ohmse bereik van een afstandsrelais onder praktische, realistische omstandigheden met de vooraf ingestelde ohmse waarde. Deze metric wordt aanzienlijk beïnvloed door het spanningsniveau dat op het relais wordt aangebracht tijdens storingstoestanden. Een lagere of vervormde spanning kan leiden tot onnauwkeurigheden in de gemeten impedantie, wat de vermogen van het relais om de locatie van een storing binnen zijn aangewezen bereik correct te identificeren, beïnvloedt. Daarnaast spelen de impedantie-meettechnieken die in specifieke relaisontwerpen worden gebruikt een cruciale rol. Verschillende algoritmen en hardwareconfiguraties kunnen verschillende niveaus van precisie opleveren, waardoor de algehele bereiknauwkeurigheid van het relais wordt beïnvloed.
Bedrijfstijd
De bedrijfstijd van een afstandsrelais is een variabele hoeveelheid die afhangt van meerdere factoren. De grootte van de foutstroom heeft een directe invloed; hogere foutstromen kunnen soms snellere operatie veroorzaken, terwijl lagere stromen misschien resulteert in langere reactietijden. De positie van de storing ten opzichte van de instelling van het relais speelt ook een rol. Storingen dichter bij de bron of binnen een bepaalde nabijheid van het relais kunnen een snellere reactie veroorzaken in vergelijking met die verder weg. Bovendien kan het punt op de spanningsgolf waarop de storing optreedt variabiliteit in de bedrijfstijd introduceren.
Bepaalde meetsignaaltransientfouten, die gerelateerd zijn aan de specifieke meettechnieken die in een relaisontwerp worden gebruikt, kunnen de zaak verder compliceren. Bijvoorbeeld, fouten die worden gegenereerd door Capacitor Voltage Transformers (CVT) of verzadigende Stroomtransformatoren (CT) kunnen de werking van het relais aanzienlijk vertragen, vooral voor storingen die dicht bij het bereikspunt optreden. Deze transientfouten kunnen de spanning- en stroomsignalen vervormen, wat leidt tot misinterpretatie van de impedantie en een subsequente vertraging in de activatie van het relais.
Kenmerken van afstandsrelais
De kenmerken van afstandsrelais, ook wel de beschermingsvorm genoemd, worden grafisch weergegeven als een functie van de weerstand (R) en impedantie (X) van de lijn op een R/X- of admittancediagram. Twee van de meest typische vormen zijn de cirkel (mho-kenmerk) en het vierkant. Deze karakteristieke vormen zijn weergegeven in figuren 10 en 11, respectievelijk. Elke vorm heeft zijn eigen voordelen en is ontworpen om de prestatie van het relais te optimaliseren onder verschillende elektrische systeomstandigheden, waardoor een betrouwbare manier wordt geboden om te onderscheiden tussen normale werksituaties en echte storingen binnen het beschermd lijnsegment.
Figuur 4 – Mho-kenmerk
Kenmerken van afstandsrelais, bereikinstellingen en herinschakeling
Figuur 5 – Vierkant Kenmerk
Het mho-impedantieelement krijgt zijn naam van zijn karakteristieke uiterlijk op een admittancediagram, waar het zich manifesteert als een rechte lijn. Echter, veelhoekige impedantiekenmerken, zoals de vierkante vorm, hebben aanzienlijke populariteit verworven. Deze kenmerken bieden opmerkelijke flexibiliteit in het dekken van foutimpedanties voor zowel fase- als aarde-fouten. Deze aanpassingsvermogen heeft ervoor gezorgd dat ze de voorkeur hebben gekregen voor de meeste moderne afstandsrelais.
Afstandsrelais kunnen worden geconfigureerd met maximaal vijf afzonderlijke zones, waarvan sommige zijn ingesteld om impedantie in de tegengestelde richting te meten. Deze zones die in de tegengestelde richting meten, fungeren als back-upbescherming voor busbars. Elke zone is gekoppeld aan een specifieke actuatietijd voor het relais, waardoor een genuanceerde en gecoördineerde respons mogelijk is op storingen die op verschillende locaties binnen het beschermd elektriciteitsnetwerk optreden.
Wanneer afstandsrelais aan beide einden van een overbrengingslijn zijn geïnstalleerd, varieert hun responstijd op een storing afhankelijk van de afstand van het storingpunt (F) tot elk eind van de lijn. Bijvoorbeeld, overweeg een bovengrondse lijn die onderstations A en B verbindt. Het afstandsrelais dat zich in het onderstation bevindt dat het dichtst bij het storingpunt F ligt, zal de storing als eerste detecteren, en de bijbehorende circuitbreker zal eerder uitschakelen dan die in het andere onderstation.
Om te voorkomen dat een kortsluitsituatie voortduurt door stroom te ontvangen van het andere eind van de lijn totdat de relevante afstandsbescherming actief wordt, is een communicatiekanaal tussen de beschermingsrelais essentieel. Meestal wordt deze communicatie gevestigd via glasvezelkabels die zijn geïntegreerd in Optical Ground Wire (OPGW)-kabels. Deze opstelling stelt de simultane uitschakeling van beide circuitbrekers in staat, waardoor een snelle en effectieve isolatie van het defecte segment wordt gegarandeerd.
Het is onpraktisch om een impedanterelais te programmeren om de impedantie van de lijn tot aan de breker aan het afgelegen eind nauwkeurig te meten. Dit komt door inherente fouten en onnauwkeurigheden in componenten zoals stroomtransformatoren (CTs), spanningstransformatoren (VTs), de relais zelf, en in de berekeningen van de lijnimpedantie. Om rekening te houden met deze onzekerheden, is het bereik van het relais ingesteld om een impedantiewaarde te meten die minder is dan de totale impedantie die overeenkomt met de volledige lengte van de lijn. Bijvoorbeeld, Zone 1 instellen om maximaal 85% van de lijnimpedantie te dekken, is een gangbare en veilige praktijk. De overige 15-20% dient als veiligheidsmarge, waardoor wordt voorkomen dat de Zone 1-bescherming de beschermd lijn overschrijdt vanwege meetfouten en onnauwkeurigheden. Zonder deze marge zou er een risico zijn op het verlies van de mogelijkheid om tussen storingen op aangrenzende lijnsegmenten te onderscheiden, vooral bij snelle beschermingsschema's.
Zorgvuldige kalibratie van de bereikinstellingen en tripsignalen voor elke meetzone is cruciaal voor de juiste coördinatie tussen afstandsrelais over het hele energienetwerk. Deze nauwkeurige aanpassing zorgt ervoor dat storingen in de juiste volgorde worden uitgeschakeld, wat verstoringen minimaliseert en de stabiliteit van het elektriciteitsnet behoudt.
