Overhead Lines Protection – Feil og beskyttelsesenheter
Vanlige feil i overføringsledninger
De mest utbredte årsakene til feil i overføringsledninger inkluderer:
Relatert artikkel: Strømtransformatorbeskyttelse – Feil
Beskyttelsesenheter for overføringsledninger
Tidsgradert overstrømbeskyttelse er ineffektiv for høytenning (HV) overføringsledninger. Dette skyldes at det finnes flere sammenkoblede kilder til feilstrømmer, som kan begrenses av feilstrømbegrensere. De nødvendige kravene for beskyttelsesskjemaer i HV overføringsledninger er som følger:
For å møte disse kravene, brukes følgende beskyttelsesenheter vanligvis i HV overføringsledninger:
Differensialbeskyttelse brukes typisk for korte overføringsledninger, mens avstandsbeskyttelse er mer egnet for lange overføringsledninger. Klassifiseringen av overføringsledninger som korte eller lange baserer seg på en sammenligning av ledningens induktans, motstand og kapasitans. En ledning regnes som kort når dens motstand og kapasitans er ubetydelig i forhold til dens induktans. Denne vurderingen utføres ofte ved hjelp av π-diagrammet for overføringsledningen.
Flere faktorer påvirker impedansen til ledningen, dens fysiske respons til kortslutningsforhold og linjeoppstartstrøm. Dette inkluderer spenningenivå, den fysiske konstruksjonen av overføringsledningen, type og størrelse på lederne, og avstanden mellom lederne. I tillegg påvirker antallet av linjeutleger strømmens flyt, både last- og feilstrøm, som beskyttelsessystemet må ta hensyn til. Parallelle ledninger påvirker også relaying, da gensidig kopling kan påvirke jordstrømmen målt av beskyttelsesrelæer. Når det er tapete transformatorer eller reaktive kompensasjonsenheter, som seriekapasitorbanker eller shuntreaktorer, påvirker dette valget av beskyttelsessystemet og innstillingene av beskyttelsesenhetene. Dermed er en detaljert studie av overføringsledningen nødvendig for å fastsette de mest passende beskyttelsesrelæene. Generelt kan en ledning med en lengde på opptil 80-100 km betraktes som kort, selv om dette kan variere avhengig av spenningenivå og nettverksegenskaper.
Omtrent 90% av feil i overføringsledninger er midlertidige. Feil kan kategoriseres som følger:
For slike feil kan det kreves en enkelfasetrip, som tillater at linjen gjenopprettes umiddelbart etter at strømbryterne tripper. Derfor brukes enkelfasetrip- og autogjenopptaksskjemaer vanligvis i strømbrytere forbundet med overføringsledninger (vanligvis med en spenning på 220 kV eller høyere). Når strømbryterne avbryter feilstrømmen, slukkes blyglimmen, og ionisert luft forsvinner. Autogjenopptak er vanligvis vellykket etter en forsinkelse på bare noen sykluser. Imidlertid, når energisert arbeid utføres, må de automatiske gjenopptaksenhetene på linjene under arbeid settes til ikke-gjenopptaksmode. Strømbrytere som brukes i slike applikasjoner, må være spesielt designet for å håndtere disse operasjonene og være immun mot polinbestandighet inntil en definitiv trippeordre er gitt.
Differensial- og fasjekomparasjonsbeskyttelse
Differensialbeskyttelse er basert på Kirchhoffs strøml lov. I kontekst av en overføringsledning fungerer den ved å sammenligne strømmen som går inn i ledningen på en terminal, med strømmen som går ut av ledningen på den andre terminalen. Linjedifferensialrelæer på hver ende av overføringsledningen utveksler data om linjestrømmen gjennom en fiber-optisk kommunikasjonslenke. Denne lenken etableres ofte ved bruk av Optical Power Ground Wire (OPGW)-kabel, som også brukes for lynbeskyttelsen av overføringsledningen og inneholder fiber-optiske kabler i sin konstruksjon. Figur 1 viser diagrammet for differensialbeskyttelsessystemet.
Figur 1 – Differensialbeskyttelsediagram for overføringsledning
Et annet beskyttelsesrelæsystem for høytenning (HV) overføringsledninger, som er basert på differensialbeskyttelsesprinsippet og nå brukes selv for langdistanselinjer, er fasjekomparasjonsbeskyttelse.
Dette systemet fungerer ved å sammenligne fasevinkelen mellom strømmene på de to endene av den beskyttede ledningen. Ved eksterne feil har strømmen som går inn i ledningen samme relativ fasevinkel som strømmen som går ut av ledningen. Derfor registrerer fasjekomparasjonsrelæene på hver terminal lite eller ingen fasevinkeldifferanse. Som en konsekvens forblir beskyttelsessystemet stabilt, og det skjer ingen tripping. Omvendt, ved en intern feil, strømmer strøm inn i ledningen fra begge ender, noe som fører til en fasevinkeldiskrepans som fasjekomparasjonsrelæene kan oppdage. Når denne forskjellen identifiseres, aktiverer relæene for å isolere og fjerne feilen.
I fasjekomparasjonskjemaer spiller startrelæer en viktig rolle. Disse relæene starter fasjekomparasjonsprosessen så snart en feilsituasjon oppdages. Designet deres sikrer drift for både interne og eksterne feil, og gir omfattende overvåking.
For effektiv funksjon av fasjekomparasjonsbeskyttelse er en pålitelig kommunikasjonskanal uunngåelig. I moderne applikasjoner har fiberoptiske kabler integrert i Optical Ground Wire (OPGW)-kabler blitt den foretrukne valg for å etablere denne kommunikasjonslinken.
Figur 2 viser enlinjeskissen av Merz Price-spenningsbalansesystemet, som brukes for beskyttelse av trefasledninger.
Fasjekomparasjonsbeskyttelse og avstandsbeskyttelse
Fasjekomparasjonsbeskyttelse
Figur 2 – Fasjekomparasjonsbeskyttelsediagram
I fasjekomparasjonsbeskyttelse er identiske strømtransformatorer (CT) strategisk plassert i hver fase på begge ender av overføringsledningen. Hvert par CT-er, én på hver ende av ledningen, er koblet i serie med et relæ. Under normale, ikke-feiltilstander, er sekundærspenningene generert av disse CT-ene like store men motsatt rettet, slik at de balanserer hverandre.
Under normal drift, passer strømmen som går inn i ledningen på den ene enden nøyaktig strømmen som går ut av den på den andre enden. Dette resulterer i like, men motsatt rettede spenninger i sekundærene av CT-ene på de to linjeterminalene. Denne spenningbalansen sikrer at ingen strøm går gjennom relæene, og stabiliserer beskyttelsessystemet.
Men når det oppstår en feil ved et punkt som F på ledningen, som illustrert i figur 2, blir strømdistribusjonen forstyrret. Spesielt vil en betydelig større strøm strømme gjennom CT1 sammenlignet med CT2. Denne forskjellen i strøm fører til ulike sekundærspenninger i CT-ene. Dette resulterer i en sirkulerende strøm, som strømmer gjennom pilotledninger og relæene. I respons til denne strømflyten, aktiveres strømbryterne på begge ender av ledningen for å åpne, og isolerer raskt den defekte ledningen fra resten av strømsystemet.
Les også: Primær- og sekundær- eller backup-beskyttelse i et strømsystem
Avstandsbeskyttelse
Avstandsbeskyttelse bygger på avstandsrelæer, som måler impedansen til en overføringsledning ved å analysere spenning- og strømsignaler som er anvendt på dem. Når det oppstår en feil på en ledning, foregår to betydelige endringer: strømmen øker til et mye høyere nivå, og spenningen faller dramatisk.
Ettersom impedansen til en overføringsledning er direkte proporsjonal med dens lengde, er avstandsrelæer designet for å måle impedansen opp til et forhåndsbestemt punkt kjent som "reach point". Disse relæene, ofte referert til som impedansrelæer, beregner impedansen ved å bruke Ohms lov, uttrykt ved formelen Z = U/I, der Z representerer impedans, U er spenning, og I er strøm.
Avstandsrelæer er konstruert for å virke eksklusivt for feil som oppstår mellom relæets lokasjon og det valgte reach point. Dette designtrekket lar dem effektivt skille mellom feil i ulike linjeseksjoner. Den beregnede impedansen av relæet sammenlignes deretter med den forhåndsbestemte reach point impedansen. Hvis den målte impedansen er lavere enn reach point impedansen, indikerer det at det finnes en feil på linjen mellom relæet og reach point. Når den beregnede impedansen faller innenfor reach-innstillingen for relæet, aktiveres relæet, og initierer beskyttelseshandlingen.
For å sikre fullstendig beskyttelse, er avstandsbeskyttelsessystemer installert på begge ender av overføringsledningen, og en kommunikasjonslenke er etablert mellom disse endepunktene, som vist i figur 3. Denne kommunikasjonen muliggjør koordinert drift av relæene på hver ende, noe som forbedrer den totale effektiviteten av beskyttelseskjemaet.
Ytelse og karakteristika av avstandsrelæer
Figur 3 – Avstandsbeskyttelsediagram for overføringsledning
Ytelsen til avstandsrelæer vurderes hovedsakelig basert på to nøkkelparametre: rekkeviddespresisjon og driftstid.
Rekkeviddespresisjon
Rekkeviddespresisjon involverer sammenligning av den faktiske ohmske rekkevidden til et avstandsrelæ under reelle, praktiske forhold med dens forhåndsbestemte ohmske verdi. Dette målet påvirkes betydelig av spenningsnivået som er anvendt på relæet under feiltilstand. En lavere eller forvrengt spenning kan føre til unøyaktigheter i den målte impedansen, noe som påvirker relæets evne til korrekt å identifisere plasseringen av en feil innenfor sin angitte rekkevidd. I tillegg spiller impedansmåleteknikkene som er benyttet i spesifikke relædesigner en viktig rolle. Forskjellige algoritmer og hardwaresett kan gi ulike nivåer av presisjon, noe som påvirker den totale rekkeviddespresisjonen til relæet.
Driftstid
Driftstiden til et avstandsrelæ er en variabel størrelse som avhenger av flere faktorer. Størrelsen på feilstrømmen har direkte effekt; høyere feilstrømmer kan noen ganger føre til raskere drift, mens lavere strømmer kan føre til lengre svarstider. Posisjonen til feilen i forhold til relæets innstilling spiller også en rolle. Feil nærmere kilde eller innen en viss nærhet til relæet kan trigge en raskere respons sammenlignet med de som er lenger unna. I tillegg kan punktet på spenningbølgen hvor feilen oppstår introdusere variasjon i driftstiden.
Bestemte målingsignaltransientfeil, som er assosiert med de spesifikke målemetodene som er benyttet i et relæs design, kan videre komplisere situasjonen. For eksempel, kan feil generert av Kapasitiv spenningstransformator (CVT) eller saturerende strømtransformatorer (CT) betydelig forsinke relæets drift, spesielt for feil som oppstår nær rekkeviddepunktet. Disse transientfeilene kan forvrengte spenning- og strømsignaler, noe som fører til misfortolkning av impedansen og en senere aktivasjon av relæet.
Karakteristika av avstandsrelæer
Karakteristikene til avstandsrelæer, ofte referert til som beskyttelsesform, er grafisk representert som en funksjon av linjens motstand (R) og impedans (X) på et R/X- eller admittansdiagram. To av de mest typiske formene er den sirkulære (mho-karakteristikk) og den kvadratiske. Disse karakteristikkformene er illustrert i figurer 10 og 11, henholdsvis. Hver form har sine egne fordeler og er designet for å optimalisere relæets ytelse under ulike elektriske systemforhold, og gir en pålitelig metode for å skille mellom normale driftsbetingelser og faktiske feil innenfor den beskyttede linjeseksjonen.
Figur 4 – Mho-karakteristikk
Karakteristika, rekkeviddsinnstillinger og gjenopptak av avstandsrelæer
Figur 5 – Kvadratisk karakteristikk
Mho-impedanselementet får navnet sitt fra sin karakteristiske fremtoning på et admittansdiagram, der det vises som en rett linje. Imidlertid har polygonale impedanskarakteristikk, som den kvadratiske formen, fått stor popularitet. Disse karakteristikkene tilbyr bemerkelsesverdig fleksibilitet i å dekke feilimpedanser for både fase- og jordfeil. Denne tilpasningsmessigheten har gjort dem til den foretrukne valg for de fleste moderne avstandsrelæer.
Avstandsrelæer kan konfigureres med opptil fem distinkte zoner, noen av disse er satt til å måle impedans i revers retning. Disse zonene som måler i revers retning, fungerer som sikkerhetskopibeskyttelse for busbarer. Hver zone er assosiert med en spesifikk aktiveringstid for relæet, noe som tillater en nyansert og koordinert respons til feil som oppstår på ulike plasser innenfor det beskyttede elektriske nettverket.
Når avstandsrelæer er installert på begge ender av en overføringsledning, varierer deres svarstider til en feil avhengig av avstanden til feilpunktet (F) fra hver ende av ledningen. For eksempel, la oss betrakte en overføringsledning som forbinder Transformatorstasjoner A og B. Avstandsrelæet som er plassert i transformatorstasjonen nærmest feilpunktet F, vil oppdage feilen først, og den tilhørende strømbryteren vil trippe før den i den andre transformatorstasjonen.
For å hindre at en kortslutningsfeil fortsetter å motta strøm fra den motsatte enden av ledningen inntil den relevante avstandsbeskyttelsen aktiveres, er en kommunikasjonslenke mellom beskyttelsesrelæene essensiell. Vanligvis etableres denne kommunikasjonen via fiber-optiske kabler integrert i Optical Ground Wire (OPGW)-kabler. Dette oppsettet muliggjør samtidig tripping av begge strømbrytere, noe som sikrer rask og effektiv isolering av den defekte seksjonen.
Det er upraktisk å programmer en impedansrelæ for å presist måle impedansen til ledningen hele veien til strømbryteren på den fjerne enden. Dette skyldes inbygde feil og unøyaktigheter i komponenter som strømtransformatorer (CT), spenningstransformatorer (VT), selve relæene, samt i beregningene av linjeimpedans. For å ta hensyn til disse usikkerhetene, er relæets rekkevidd satt til å måle en impedansverdi som er mindre enn den totale impedansen som tilsvarer den fulle lengden av ledningen. For eksempel, å sette Zone 1 til å dekke opp til 85% av ledningens impedans, er en vanlig og trygg praksis. De gjenstående 15-20% fungerer som en sikkerhetsmargin, som effektivt forhindrer Zone 1-beskyttelsen fra å overstige den beskyttede ledningen på grunn av målefeil og unøyaktigheter. Uten denne margen, ville det vært en risiko for å miste evnen til å skille mellom feil på naboledningsseksjoner, spesielt ved hurtigvirksomme beskyttelseskjemaer.
Nøyaktig kalibrering av rekkeviddsinnstillinger og trippetider for hver målezone er avgjørende for å oppnå riktig koordinering mellom avstandsrelæer i strømsystemet. Denne omhyggelige justeringen sikrer at feil ryddes i riktig rekkefølge, minimerer forstyrrelser og vedlikeholder stabiliteten i det elektriske nettet.
Relatert lesing: Introduksjon til harmoniske – Effekten av harmoniske på strømsystemet
Gjenopptak
Som diskutert i seksjon 4.2, er de fleste feil i overførings
