Linie naziemne – Usterki i urządzenia ochronne
Typowe usterki w linii przesyłowej powietrznej
Najczęstsze przyczyny usterek w liniach przesyłowych powietrznych to:
Powiązany artykuł: Ochrona transformatorów mocy i usterki
Urządzenia ochrony linii przesyłowych powietrznych
Ochrona przeciwprądowa z czasowym gradacją jest nieskuteczna dla wysokonapięciowych (HV) linii przesyłowych powietrznych. Jest to spowodowane obecnością wielu połączonych źródeł prądów uszkodzeniowych, które mogą być ograniczane przez ograniczniki prądów uszkodzeniowych. Kluczowe wymagania dotyczące schematów ochrony w wysokonapięciowych liniach przesyłowych powietrznych są następujące:
Aby spełnić te wymagania, w wysokonapięciowych liniach przesyłowych powietrznych powszechnie stosuje się następujące urządzenia ochronne:
Ochrona różnicowa jest zwykle stosowana do krótkich linii przesyłowych powietrznych, podczas gdy ochrona odległościowa jest bardziej odpowiednia dla długich linii przesyłowych powietrznych. Klasyfikacja linii przesyłowych jako krótkich lub długich opiera się na porównaniu indukcyjności, oporu i pojemności linii. Linia jest uważana za krótką, gdy jej opór i pojemność są zaniedbywalne w porównaniu z indukcyjnością. Ta ocena często jest przeprowadzana przy użyciu diagramu π linii przesyłowej powietrznej.
Wiele czynników wpływa na impedancję linii, jej fizyczną reakcję na warunki krótkiego złączenia i prąd ładujący linii. Do tych czynników należą poziom napięcia, konstrukcja fizyczna linii przesyłowej, typ i rozmiar przewodników oraz odstępy między przewodnikami. Ponadto, liczba końcówek linii wpływa na przepływ prądu obciążenia i uszkodzeniowego, który system ochrony musi uwzględnić. Równoległe linie również wpływają na relaying, ponieważ sprzężenie wzajemne może wpływać na prąd gruntu mierzony przez relé ochronne. Obecność transformatorów odbiorczych lub urządzeń kompensacji reaktywnej, takich jak banki kondensatorów szeregowych lub reaktory boczne, dalej wpływa na wybór systemu ochronnego i ustawienia urządzeń ochronnych. W związku z tym szczegółowe badanie linii przesyłowej jest niezbędne, aby określić najodpowiedniejsze relé ochronne. Ogólnie rzecz biorąc, linia o długości do 80 - 100 km może być uznana za krótką, choć ta wartość może się różnić w zależności od poziomu napięcia i charakterystyk sieci.
Około 90% uszkodzeń linii przesyłowych powietrznych jest przejściowych. Usterki można sklasyfikować następująco:
Dla takich uszkodzeń może być wymagane odłączenie jednego pola, umożliwiające natychmiastowe przywrócenie linii do eksploatacji po odłączeniu wyłączników obwodowych. W związku z tym, schematy jednopolerowe i automatyczne ponowne zamknięcie są powszechnie stosowane w wyłącznikach obwodowych związanych z liniami przesyłowymi powietrznymi (zwykle o napięciu 220 kV lub wyższym). Gdy wyłączniki obwodowe przerwą prąd uszkodzeniowy, łuk błyskowy gaśnie, a jonizowane powietrze rozpada się. Automatyczne ponowne zamknięcie zazwyczaj jest udane po opóźnieniu zaledwie kilku cykli. Jednak, gdy wykonuje się prace pod napięciem, urządzenia automatycznego ponownego zamknięcia na liniach podlegających pracom muszą być ustawione w tryb bez ponownego zamknięcia. Wyłączniki obwodowe używane w tych aplikacjach muszą być specjalnie zaprojektowane, aby obsługiwać te operacje i być odpornymi na niestabilność pola aż do wydania definitywnego rozkazu odłączenia.
Ochrona różnicowa i porównawcza fazy
Ochrona różnicowa opiera się na prawie Kirchhoffa dotyczącym prądów. W kontekście linii przesyłowej działa ona poprzez porównanie prądu wchodzącego do linii w jednym końcu z prądem wychodzącym z linii w drugim końcu. Relé różnicowe linii w każdym końcu linii przesyłowej wymieniają dane dotyczące prądu linii poprzez łączność optyczną. Ten łączność jest często realizowana za pomocą kabla Optical Power Ground Wire (OPGW), który jest również używany do projektowania ochrony przed piorunami linii przesyłowej powietrznej i zawiera w swojej strukturze kabele światłowodowe. Rysunek 1 ilustruje diagram systemu ochrony różnicowej.
Rysunek 1 – Diagram ochrony różnicowej linii przesyłowej powietrznej
Inny system relayingu dla wysokonapięciowych (HV) linii przesyłowych, oparty na zasadzie ochrony różnicowej i teraz stosowany nawet dla długich linii, to ochrona porównawcza fazy.
Ten system działa poprzez porównanie kąta fazowego między prądami w dwóch końcach chronionej linii. W przypadku zewnętrznych uszkodzeń, prąd wchodzący do linii ma ten sam względny kąt fazowy co prąd wychodzący z linii. W rezultacie, relé porównawcze fazy w każdym końcu rejestrują niewielką lub żadną różnicę kąta fazowego. W związku z tym, system ochrony pozostaje stabilny, a nie następuje odłączenie. Natomiast, w przypadku wewnętrznego uszkodzenia, prąd płynie do linii z obu końców, powodując różnicę kąta fazowego, którą relé porównawcze fazy mogą wykryć. Po identyfikacji tej różnicy, relé aktywują się, aby izolować i usunąć uszkodzenie.
W schematach porównawczych fazy, kluczową rolę odgrywają relé startowe. Te relé inicjują proces porównywania fazy natychmiast po wykryciu warunku uszkodzenia. Ich projekt zapewnia działanie zarówno dla uszkodzeń wewnętrznych, jak i zewnętrznych, zapewniając kompleksowe monitorowanie.
Dla skutecznego działania ochrony porównawczej fazy, niezwykle istotna jest niezawodna łączność. W nowoczesnych zastosowaniach, kable światłowodowe zintegrowane w kablu Optical Ground Wire (OPGW) stały się preferowanym wyborem do ustanowienia tego łączu.
Rysunek 2 przedstawia diagram jednolinijkowy systemu Merz Price, który jest wykorzystywany do ochrony trójfazowych linii.
Ochrona porównawcza fazy i ochrona odległościowa
Ochrona porównawcza fazy
Rysunek 2 – Diagram ochrony porównawczej fazy
W ochronie porównawczej fazy, identyczne transformatory prądowe (TP) są strategicznie umieszczane w każdej fazie na obu końcach linii przesyłowej. Każda para TP, jeden na każdym końcu linii, jest połączona szeregowo z relé. W normalnych, nieuszkodzonych warunkach, napięcia wtórne generowane przez te TP są równe co do wartości, ale przeciwne co do kierunku, efektywnie równoważąc się nawzajem.
Podczas prawidłowej pracy systemu, prąd wchodzący do linii w jednym końcu dokładnie odpowiada prądowi wychodzącemu z linii w drugim końcu. W rezultacie, w wtórnych TP na obu końcach linii indukowane są równe i przeciwne napięcia. Ten bilans napięć zapewnia, że żaden prąd nie płynie przez relé, utrzymując stabilność systemu ochrony.
Jednak, gdy wystąpi uszkodzenie w punkcie, takim jak F na linii, jak pokazano na Rysunku 2, dystrybucja prądu zostaje zaburzona. Konkretnie, znacznie większy prąd przepłynie przez TP1 w porównaniu do TP2. Ta dysproporcja w prądzie powoduje, że napięcia wtórne TP stają się nierówne. W rezultacie, powstaje prąd krążący, płynący przez przewody pilotowe i relé. W odpowiedzi na ten przepływ prądu, wyłączniki obwodowe na obu końcach linii są aktywowane, aby otworzyć, szybko izolując uszkodzoną linię od reszty systemu energetycznego.
Przeczytaj także: Podstawowa i dodatkowa ochrona w systemie energetycznym
Ochrona odległościowa
Ochrona odległościowa polega na relé odległościowych, które mierzą impedancję linii przesyłowej analizując sygnały napięcia i prądu zastosowane do nich. Gdy na linii wystąpi uszkodzenie, następują dwie ważne zmiany: prąd gwałtownie wzrasta, a napięcie gwałtownie spada.
Biorąc pod uwagę, że impedancja linii przesyłowej jest proporcjonalna do jej długości, relé odległościowe są zaprojektowane do pomiaru impedancji do określonego punktu, znanego jako "punkt zasięgu". Te relé, często nazywane relé impedancyjnymi, obliczają impedancję za pomocą prawa Ohma, wyrażonego wzorem Z = U/I, gdzie Z oznacza impedancję, U to napięcie, a I to prąd.
Relé odległościowe są zaprojektowane do działania wyłącznie dla uszkodzeń występujących między lokalizacją relé a wybranym punktem zasięgu. Ta cecha konstrukcyjna pozwala im efektywnie odróżniać uszkodzenia w różnych sekcjach linii. Impedancja pozorna obliczona przez relé jest następnie porównywana z predefiniowaną impedancją punktu zasięgu. Jeśli zmierzona impedancja jest mniejsza niż impedancja punktu zasięgu, wnioskujemy, że uszkodzenie występuje na linii między relé a punktem zasięgu. Gdy obliczona impedancja mieści się w ustawieniu zasięgu relé, relé aktywuje, inicjując działanie ochronne.
Aby zapewnić kompleksową ochronę, systemy ochrony odległościowej są instalowane na obu końcach linii przesyłowej, a łączność jest ustanawiana między tymi końcami, jak pokazano na Rysunku 3. Ta łączność umożliwia koordynowane działanie relé na obu końcach, zwiększając ogólne skuteczność schematu ochrony.
Wydajność i charakterystyki relé odległościowych
Rysunek 3 – Diagram ochrony odległościowej linii przesyłowej powietrznej
Wydajność relé odległościowych jest przede wszystkim oceniana na podstawie dwóch kluczowych parametrów: dokładności zasięgu i czasu działania.
Dokładność zasięgu
Dokładność zasięgu polega na porównaniu rzeczywistego ohmicznego zasięgu relé odległościowego w praktycznych warunkach z jego predefiniowaną ohmiczną wartością. Ten wskaźnik jest znacząco wpływany przez poziom napięcia zastosowany do relé podczas warunków uszkodzenia. Niższe lub zniekształcone napięcie może prowadzić do nieprecyzyjnych pomiarów impedancji, wpływając na zdolność relé do prawidłowego identyfikowania lokalizacji uszkodzenia w obrębie jego wyznaczonego zasięgu. Ponadto, techniki pomiaru impedancji stosowane w konkretnych projektach relé odgrywają kluczową rolę. Różne algorytmy i konfiguracje sprzętowe mogą dostarczać różnego poziomu precyzji, wpływając na ogólną dokładność zasięgu relé.
Czas działania
Czas działania relé odległościowego to zmienna wielkość, która zależy od wielu czynników. Magnituda prądu uszkodzeniowego ma bezpośredni wpływ; wyższe prądy uszkodzeniowe mogą czasami powodować szybsze działanie, podczas gdy niższe prądy mogą prowadzić do dłuższego czasu reakcji. Pozycja uszkodzenia względem ustawień relé również ma znaczenie. Uszkodzenia bliżej źródła lub w pewnej bliskości relé mogą wywołać szybszą reakcję w porównaniu z tymi, które znajdują się dalej. Ponadto, punkt na fali napięcia, w którym wystąpiło uszkodzenie, może wprowadzać zmienną w czasie działania.
Pewne błędy przejściowe sygnałów pomiarowych, związane z konkretnymi technikami pomiarowymi stosowanymi w projekcie relé, mogą jeszcze bardziej komplikować sprawę. Na przykład, błędy generowane przez Transformatory Napięcia Kondensatorowe (TNC) lub nasycanie Transformatorów Prądowych (TP) mogą znacznie opóźnić działanie relé, zwłaszcza dla uszkodzeń występujących w pobliżu punktu zasięgu. Te błędy przejściowe mogą zniekształcać sygnały napięcia i prądu, prowadząc do błędnej interpretacji impedancji i opóźnienia w aktywacji relé.
Charakterystyki relé odległościowych
Charakterystyki relé odległościowych, często nazywane kształtem ochrony, są graficznie przedstawiane jako funkcja oporu (R) i impedancji (X) linii na diagramie R/X lub admitancji. Dwa z najbardziej typowych kształtów to kształt okrągły (charakterystyka mho) i czworokątny. Te kształty charakterystyk są przedstawione na Rysunkach 10 i 11, odpowiednio. Każdy kształt ma swoje własne zalety i jest zaprojektowany, aby zoptymalizować wydajność relé w różnych warunkach systemu elektrycznego, zapewniając niezawodny sposób odróżniania normalnych warunków pracy od rzeczywistych uszkodzeń w ochronionym fragmencie linii.
Rysunek 4 – Charakterystyka mho
Charakterystyki, ustawienia zasięgu i ponowne zamknięcie relé odległościowych
Rysunek 5 – Charakterystyka czworokątna
Element impedancyjny mho otrzymał swoją nazwę ze względu na swój charakterystyczny wygląd na diagramie admitancji, gdzie manifestuje się jako prosta linia. Jednakże, wielokątne charakterystyki impedancyjne, takie jak kształt czworokątny, zdobyły znaczną popularność. Te charakterystyki oferują niezwykłą elastyczność w zakrywaniu impedancji uszkodzeń zarówno fazowych, jak i do ziemi. Ta elastyczność uczyniła je preferowanym wyborem dla większości nowoczesnych relé odległościowych.
Relé odległościowe mogą być skonfigurowane z pięcioma odrębnymi strefami, niektóre z nich są ustawione do pomiaru impedancji w odwrotnej kierunku. Te strefy mierzące w odwrotnym kierunku pełnią rolę ochrony zapasowej dla szyn. Każda strefa jest związana z określonym czasem aktywacji relé, umożliwiającym subtelny i koordynowany odpowiedź na uszkodzenia występujące w różnych miejscach chronionego systemu elektrycznego.
Gdy relé odległościowe są zainstalowane na obu końcach linii przesyłowej, ich czasy reakcji na uszkodzenie różnią się w zależności od odległości punktu uszkodzenia (F) od każdego końca linii. Na przykład, rozważmy linię przesyłową łączącą podstacje A i B. Relé odległościowe znajdujące się w podstacji najbliżej punktu uszkodzenia F wykryje uszkodzenie jako pierwsze, a odpowiadający mu wyłącznik obwodowy odłączy się przed tym w drugiej podstacji.
Aby zapobiec dalszemu zasilaniu krótkiego złączenia z przeciwległego końca linii aż do aktywacji odpowiedniej ochrony odległościowej, niezbędna jest łączność między relé ochronnymi. Zazwyczaj ta łączność jest ustanawiana za pomocą kabli światłowodowych zintegrowanych w kablu Optical Ground Wire (OPGW). Ta konfiguracja umożliwia jednoczesne odłączenie obu wyłączników obwodowych, zapewniając szybkie i skuteczne izolowanie uszkodzonego fragmentu.
Nie jest praktyczne programowanie relé impedancyjnego do precyzyjnego pomiaru impedancji linii aż do wyłącznika na odległym końcu. Wynika to z błędnym i niedokładnym działaniem komponentów, takich jak transformatory prądowe (TP), transformatory napięcia (TN), same relé, jak również w obliczeniach impedancji linii. Aby uwzględnić te niepewności, zasięg relé jest ustawiony na pomiar wartości impedancji mniejszej niż całkowita impedancja odpowiadająca pełnej długości linii. Na przykład, ustawienie Strefy 1 na pokrycie do 85% impedancji linii jest powszechną i bezpieczną praktyką. Pozostałe 15 -
