Защита воздушных линий – неисправности и защитные устройства
Частые неисправности на воздушных линиях
Наиболее распространенные причины неисправностей на воздушных линиях включают:
Связанная статья: Защита силовых трансформаторов и неисправности
Устройства защиты воздушных линий
Защита по времени от перегрузки по току неэффективна для высоковольтных (HV) воздушных линий передачи. Это связано с наличием множества взаимосвязанных источников токов короткого замыкания, которые могут ограничиваться ограничителями токов короткого замыкания. Основные требования к схемам защиты для высоковольтных воздушных линий передачи следующие:
Для выполнения этих требований обычно используются следующие устройства защиты на высоковольтных воздушных линиях:
Дифференциальная защита обычно применяется на коротких воздушных линиях, тогда как защита по расстоянию более подходит для длинных воздушных линий. Классификация воздушных линий как коротких или длинных основывается на сравнении индуктивности, сопротивления и емкости линии. Линия считается короткой, когда ее сопротивление и емкость незначительны по сравнению с индуктивностью. Эта оценка часто проводится с использованием π-диаграммы воздушной линии.
Множество факторов влияют на импеданс линии, ее физическую реакцию на условия короткого замыкания и зарядный ток линии. Сюда входят уровень напряжения, конструкция линии передачи, тип и размер проводников, а также расстояние между проводниками. Кроме того, количество концов линии влияет на поток нагрузочного и тока короткого замыкания, который система защиты должна учитывать. Параллельные линии также влияют на релейную защиту, так как взаимная связь может влиять на заземленный ток, измеряемый защитными реле. Наличие трансформаторов с ответвлениями или устройств компенсации реактивной мощности, таких как серийные конденсаторные банки или шунтирующие реакторы, также влияет на выбор системы защиты и настройку защитных устройств. В результате необходимо провести детальное исследование воздушной линии, чтобы определить наиболее подходящие защитные реле. Обычно линию длиной до 80-100 км можно считать короткой, хотя это может варьироваться в зависимости от уровня напряжения и характеристик сети.
Около 90% неисправностей на воздушных линиях являются транзиторными. Неисправности можно классифицировать следующим образом:
Для таких неисправностей может потребоваться однофазное отключение, позволяющее немедленно восстановить работу линии после отключения выключателей. Поэтому однофазное отключение и автоматическое повторное включение широко используются в выключателях, связанных с воздушными линиями передачи (обычно с напряжением 220 кВ и выше). Когда выключатели прерывают ток короткого замыкания, дуговой разряд гаснет, и ионизированный воздух рассеивается. Автоматическое повторное включение обычно успешно после задержки всего нескольких циклов. Однако, когда выполняются работы под напряжением, устройства автоматического повторного включения на линиях, где проводятся работы, должны быть установлены в режим без повторного включения. Выключатели, используемые в таких применениях, должны быть специально спроектированы для выполнения этих операций и быть устойчивыми к несоответствию полюсов до тех пор, пока не будет выдан окончательный приказ об отключении.
Дифференциальная и фазовая защита
Дифференциальная защита основана на законе Кирхгофа. В контексте линии передачи она работает, сравнивая ток, входящий в линию на одном конце, с током, выходящим из линии на другом конце. Дифференциальные реле на каждом конце линии передачи обмениваются данными о токе линии через оптоволоконную связь. Эта связь часто устанавливается с помощью кабеля Optical Power Ground Wire (OPGW), который также используется для защиты от молний на воздушных линиях и содержит оптоволоконные кабели в своей структуре. Рисунок 1 иллюстрирует диаграмму системы дифференциальной защиты.
Рисунок 1 – Диаграмма дифференциальной защиты воздушной линии
Еще одна система релейной защиты для высоковольтных (HV) линий передачи, основанная на принципе дифференциальной защиты и теперь применяемая даже для длинных линий, — это фазовая защита.
Эта система работает, сравнивая фазовый угол между токами на двух концах защищаемой линии. При внешних неисправностях ток, входящий в линию, имеет тот же относительный фазовый угол, что и ток, выходящий из линии. В результате фазовые реле на каждом конце регистрируют небольшую или нулевую разницу фазового угла. Следовательно, система защиты остается стабильной, и отключение не происходит. Наоборот, при внутренней неисправности ток поступает в линию с обоих концов, вызывая разницу фазового угла, которую фазовые реле могут обнаружить. После обнаружения этой разницы реле активируются, чтобы изолировать и устранить неисправность.
В схемах фазового сравнения важную роль играют стартовые реле. Эти реле запускают процесс фазового сравнения сразу же, как только обнаруживается состояние неисправности. Их дизайн обеспечивает работу как при внутренних, так и при внешних неисправностях, обеспечивая всесторонний мониторинг.
Для эффективной работы фазовой защиты необходим надежный канал связи. В современных применениях оптоволоконные кабели, интегрированные в кабели Optical Ground Wire (OPGW), стали предпочтительным выбором для установления этого канала связи.
Рисунок 2 показывает одноцепочечную диаграмму системы Merz Price, используемой для защиты трехфазных линий.
Фазовая защита и защита по расстоянию
Фазовая защита
Рисунок 2 – Диаграмма фазовой защиты
В фазовой защите одинаковые трансформаторы тока (ТТ) стратегически расположены в каждой фазе на обоих концах линии передачи. Каждая пара ТТ, одна на каждом конце линии, соединена последовательно с реле. В нормальных условиях, без неисправностей, вторичные напряжения, генерируемые этими ТТ, равны по величине, но противоположны по направлению, эффективно компенсируя друг друга.
Во время нормальной работы системы ток, входящий в линию на одном конце, точно соответствует току, выходящему из нее на другом конце. В результате равные и противоположные напряжения индуцируются во вторичных обмотках ТТ на двух концах линии. Этот баланс напряжений обеспечивает, что через реле не протекает ток, поддерживая стабильность системы защиты.
Однако, когда на линии, как показано на рисунке 2, происходит неисправность в точке F, распределение тока нарушается. Конкретно, через CT1 будет протекать значительно больший ток, чем через CT2. Это различие в токе вызывает неравенство вторичных напряжений ТТ. В результате устанавливается циркулирующий ток, проходящий через пилотные провода и реле. В ответ на этот ток выключатели на обоих концах линии срабатывают, быстро изолируя неисправную линию от остальной части энергосистемы.
Также прочитайте: Первичная и вторичная или резервная защита в энергосистеме
Защита по расстоянию
Защита по расстоянию основывается на реле расстояния, которые измеряют импеданс линии передачи, анализируя сигналы напряжения и тока, подаваемые на них. При возникновении неисправности на линии происходят два значительных изменения: ток резко возрастает, а напряжение падает.
Так как импеданс линии передачи прямо пропорционален ее длине, реле расстояния разработаны для измерения импеданса до предопределенной точки, известной как "точка достижения". Эти реле, часто называемые импедансными реле, вычисляют импеданс с использованием закона Ома, выраженного формулой Z = U/I, где Z представляет импеданс, U — напряжение, а I — ток.
Реле расстояния предназначены для работы только при неисправностях, возникающих между местоположением реле и выбранной точкой достижения. Эта особенность дизайна позволяет им эффективно различать неисправности в различных участках линии. Измеренный реле импеданс затем сравнивается с предварительно установленным импедансом точки достижения. Если измеренный импеданс ниже импеданса точки достижения, это означает, что неисправность существует на линии между реле и точкой достижения. Когда измеренный импеданс попадает в диапазон настройки реле, реле активируется, инициируя защитное действие.
Для обеспечения всесторонней защиты системы защиты по расстоянию устанавливаются на обоих концах линии передачи, и устанавливается канал связи между этими концами, как показано на рисунке 3. Этот канал связи позволяет координированную работу реле на каждом конце, повышая общую эффективность системы защиты.
Характеристики и производительность реле расстояния
Рисунок 3 – Диаграмма защиты по расстоянию воздушной линии
Производительность реле расстояния оценивается, главным образом, по двум ключевым параметрам: точности зоны действия и времени срабатывания.
Точность зоны действия
Точность зоны действия включает сравнение фактического омического значения зоны действия реле расстояния в реальных условиях с его предварительно установленным омическим значением. Этот параметр существенно зависит от уровня напряжения, подаваемого на реле во время неисправности. Низкое или искаженное напряжение может привести к неточностям в измеренном импедансе, влияя на способность реле правильно определить местоположение неисправности в пределах его назначенной зоны действия. Кроме того, методы измерения импеданса, используемые в конкретных реле, играют важную роль. Различные алгоритмы и аппаратные конфигурации могут давать разные уровни точности, что влияет на общую точность зоны действия реле.
Время срабатывания
Время срабатывания реле расстояния является переменной величиной, зависящей от множества факторов. Мощность тока короткого замыкания оказывает прямое влияние; более высокие токи короткого замыкания могут иногда вызывать более быстрое срабатывание, тогда как более низкие токи могут приводить к более длительному времени отклика. Также имеет значение положение неисправности относительно настройки реле. Неисправности, ближе расположенные к источнику или в определенной близости к реле, могут вызвать более быстрый отклик по сравнению с теми, которые находятся дальше. Кроме того, точка на волне напряжения, в которой происходит неисправность, может вносить вариабельность в время срабатывания.
Некоторые ошибки измерительных сигналов, связанные с конкретными методами измерения, используемыми в дизайне реле, могут еще больше усложнить ситуацию. Например, ошибки, генерируемые трансформаторами напряжения (CVT) или насыщающимися трансформаторами тока (CT), могут существенно задерживать срабатывание реле, особенно для неисправностей, возникающих вблизи точки достижения. Эти переходные ошибки могут искажать сигналы напряжения и тока, приводя к неверному интерпретированию импеданса и, следовательно, к задержке активации реле.
Характеристики реле расстояния
Характеристики реле расстояния, часто называемые формой защиты, графически представлены как функция сопротивления (R) и реактивного сопротивления (X) линии на R/X или диаграмме проводимости. Две из наиболее типичных форм — круговая (характеристика mho) и четырехугольная. Эти характеристические формы показаны на рисунках 10 и 11 соответственно. Каждая форма имеет свои преимущества и предназначена для оптимизации работы реле в различных условиях электроэнергетической системы, предоставляя надежный способ отличия нормальных условий работы от фактических неисправностей в защищаемом участке линии.
Рисунок 4 – Характеристика mho
Характеристики, настройки зоны действия и повторное включение реле расстояния
Рисунок 5 – Четырехугольная характеристика
Импедансный элемент mho получил свое название благодаря своей характерной форме на диаграмме проводимости, где он проявляется как прямая линия. Однако полигональные импедансные характеристики, такие как четырехугольная форма, получили значительную популярность. Эти характеристики предлагают замечательную гибкость в покрытии импедансов неисправностей как фаз, так и земли. Эта адаптивность сделала их предпочтительным выбором для большинства современных реле расстояния.
Реле расстояния могут быть настроены на до пяти различных зон, некоторые из которых настроены на измерение импеданса в обратном направлении. Эти зоны, измеряющие в обратном направлении, служат резервной защитой для шин. Каждая зона связана с определенным временем срабатывания реле, что позволяет для тонкого и согласованного отклика на неисправности, возникающие в разных местах защищаемой электроэнергетической сети.
Когда реле расстояния установлены на обоих концах линии передачи, их время отклика на неисправность варьируется в зависимости от расстояния от точки неисправности (F) до каждого конца линии. Например, рассмотрим воздушную линию, соединяющую подстанции A и B. Реле расстояния, расположенное в подстанции, ближайшей к точке неисправности F, обнаружит неисправность первым, и соответствующий выключатель сработает раньше, чем выключатель на другой подстанции.
Чтобы предотвратить продолжение питания короткого замыкания от противоположного конца линии до тех пор, пока соответствующая защита по расстоянию не активируется, необходим канал связи между реле защиты. Обычно эта связь устанавливается через оптоволоконные кабели, интегрированные в кабели Optical Ground Wire (OPGW). Это позволяет одновременно сработать обоим выключателям, обеспечивая быструю и эффективную изоляцию неисправного участка.
Нереально программировать импедансное реле для точного измерения импеданса линии до выключателя на удаленной стороне. Это связано с внутренними ошибками и неточностями в компонентах, таких как трансформаторы тока (ТТ), трансформаторы напряжения (VT), самих реле, а также в расчетах импеданса линии. Чтобы учесть эти неопределенности, зона действия реле настраивается на измерение импедансного значения, меньшего, чем полный импеданс, соответствующий всей длине линии. Например, настройка зоны 1 на покрытие до 85% импеданса линии является обычной и безопасной практикой. Оставшиеся 15-20% служат в качестве запаса безопасности, эффективно предотвращая перекрытие защиты зоны 1 защищаемой линии из-за ошибок измерения и неточностей. Без этого запаса существует риск потерять способность различать неисправности на соседних участках линии, особенно при работе с быстродействующими схемами защиты.
Тщательная калибровка настроек зоны действия и времени срабатывания для каждой измерительной зоны является критически важной для достижения правильной координации между реле расстояния по всей энергосистеме. Эта тщательная настройка обеспечивает, что неисправности устраняются в правильной последовательности, минимизируя нарушения и поддерживая стабильность электросети.
Связанное чтение: Введение в гармоники — Влияние гармоник на энергосистему
Повторное включение
Как обсуждалось в разделе 4.2, большинство неисправностей на воздушных линиях асимметричны и транзиторны по своей природе. Автоматическое повторное включение,
