Zaščita nadzemnih vodov – Napake in zaščitne naprave
Običajni napaki v površnih vodovodih
Najpogostejše vzroki za napake v površnih vodovodih so:
Povezana članek: Zaščita močnega transformatorja & Napake
Zaščitne naprave za površne vodovode
Časovno gradivano zaščito pred prevelikimi tokovi ni učinkovito uporabiti za visokonapetostne (HV) površne prenosne vodovode. To je zaradi prisotnosti več povezanih virov napetosti, ki jih lahko omejujejo omejevalci napetosti. Ključne zahteve za sheme zaščite v visokonapetostnih površnih prenosnih vodovodih so naslednje:
Za izpolnjevanje teh zahtev so v visokonapetostnih površnih vodovodih pogosto uporabljeni naslednji zaščitni napravi:
Diferencialna zaščita se običajno uporablja za krajše površne vodovode, medtem ko je zaščita na osnovi razdalje bolj primerna za dolge površne vodovode. Klasifikacija površnih vodovodov kot krajši ali dljeji temelji na primerjavi induktance, upornosti in kapacitance vodovoda. Vodovod je krajši, če je njegova upornost in kapacitanca zanemarljivi v primerjavi s induktanco. Ta ocena se običajno izvaja z uporabo π-diagrama površnega vodovoda.
Več dejavnikov vpliva na impedanco vodovoda, njegov fizični odziv na pogoje kratkopovezave in naložni tok. Ti vključujejo ravni napetosti, fizično konstrukcijo prenosnega vodovoda, vrsto in velikost vodnikov in razmik med vodniki. Dodatno vpliva tudi število terminalov vodovoda na pretok naložnih in napaknih tokov, ki jih mora sistem zaščite upoštevati. Paralelni vodovodi tudi vplivajo na relaying, ker vzajemno prihranjanje lahko vpliva na merjeni zemeljski tok, ki ga meritveni releji merijo. Prisotnost tapiranih transformatorjev ali reaktivnih kompenzacijskih naprav, kot so serijna kondenzatorska banka ali šunt reaktorji, dodatno vpliva na izbiro sistema zaščite in nastavitev zaščitnih naprav. Zato je potrebno podrobno študirati površni vodovod, da bi določili najprimernejše releje za zaščito. Običajno se vodovod do dolžine 80 - 100 km smatra za kratek, čeprav se to lahko razlikuje glede na ravni napetosti in značilnosti omrežja.
Približno 90% napak v površnih vodovodih je prehodne narave. Napake se lahko razdelijo na naslednje kategorije:
Za take napake je morda potreben enopolni trip, ki omogoča, da se vodovod takoj obnovi po prekinitvi preklopnikov. Tako so enopolni trip in avtomatsko ponovno zapiranje običajno uporabljeni v preklopnikih, povezanih s površnimi prenosnimi vodovodi (običajno z napetostjo 220 kV ali višjo). Ko preklopniki prekineta napakni tok, se ugleni luk izgasi, in ionizirani zrak se razprši. Avtomatsko ponovno zapiranje je običajno uspešno po zamudku le nekaj ciklov. Vendar, ko se izvaja delo pod napetostjo, morajo biti avtomatski ponovno zapiralni napravi na vodovodih, na katerih se izvaja delo, nastavljene na neponovno zapiranje. Preklopniki, uporabljeni v teh aplikacijah, morajo biti posebno oblikovani, da bodo lahko opravljali te operacije in bili odporni na neskladnosti polov, dokler ni izdan trdno zapori ukaz.
Diferencialna in fazna primerjava zaščite
Diferencialna zaščita temelji na Kirchhoffovem zakonu o toku. V kontekstu prenosnega vodovoda deluje tako, da primerja tok, ki vnika v vodovod na enem kraju, z tokom, ki zapušča vodovod na drugem kraju. Diferencialni releji na vsakem koncu prenosnega vodovoda menjajo podatke o toku v vodovodu preko optičnega vlaknenega komunikacijskega povezave. Ta povezava se običajno vzpostavi z uporabo kabla Optical Power Ground Wire (OPGW), ki se tudi uporablja za zaščito pred Blitzem površnega vodovoda in vsebuje optične vlakne v svoji strukturi. Slika 1 prikazuje diagram diferencialne zaščitne naprave.
Slika 1 – Diagram diferencialne zaščite površnega vodovoda
Drugi sistem zaščitnega relayinga za visokonapetostne (HV) prenosne vodovode, ki temelji na principu diferencialne zaščite in se zdaj uporablja tudi za daljše vodovode, je fazna primerjava zaščite.
Ta sistem deluje tako, da primerja fazni kot med tokoma na obeh koncih zaščitenega vodovoda. Pri zunanji napaki ima tok, ki vnika v vodovod, isti relativni fazni kot kot tok, ki zapušča vodovod. Tako fazni primerjalni releji na vsakem kraju registrirajo malo ali sploh noben razliko faznega kota. Sledenje temu, sistem zaščite ostane stabilen in ne pride do prekinitve. Na drugi strani, pri notranji napaki tok teče v vodovod iz obeh koncov, kar povzroča razliko faznega kota, ki jo lahko fazni primerjalni releji zaznajo. Po zaznavanju te razlike releji aktivirajo, da izolirajo in odstranijo napako.
V fazni primerjavni shemi igrajo ključno vlogo začetni releji. Ti releji začnejo fazno primerjavno postopek takoj, ko zaznamejo pogoje napake. Njihova konstrukcija zagotavlja delovanje za notranje in zunanje napake, kar omogoča celovit nadzor.
Za učinkovito delovanje fazne primerjavne zaščite je nujen zanesljiv komunikacijski kanal. V sodobnih aplikacijah so optični vlakneni kabeli, integrirani v kablu Optical Ground Wire (OPGW), postal priljubljen izbor za vzpostavitev te komunikacijske povezave.
Slika 2 prikazuje enolinjski diagram Merz Price voltage balance sistema, ki se uporablja za zaščito trofaznih vodovodov.
Fazna primerjava zaščite in zaščita na osnovi razdalje
Fazna primerjava zaščite
Slika 2 – Diagram fazne primerjavne zaščite
V fazni primerjavni zaščiti so identični tok transformatore (CT) strategično postavljeni v vsaki fazi na obeh koncih prenosnega vodovoda. Vsaka para CT, eden na vsakem koncu vodovoda, je povezan v serijo z relejem. Pod normalnimi, breznapaknimi pogoji so sekundarni naponi, generirani s temi CT, enaki po velikosti, a obrnjeni v smeri, ki se učinkovito izenačita.
Med zdravo delovanjem sistema se tok, ki vnika v vodovod na enem koncu, točno ujema s tokom, ki zapušča vodovod na drugem koncu. Tako se v sekundarnih deleih CT na obeh krajuh vodovoda inducirajo enaki in nasprotni naponi. Ta ravnotežje napetosti zagotavlja, da skozi releje ne teče tok, kar ohranja stabilnost sistema zaščite.
Vendar, ko se napaka zgodi na nekem mestu, kot je F na vodovodu, kot je prikazano na Sliki 2, je distribucija toka motena. Specifično bo precej večji tok tekel skozi CT1 v primerjavi s CT2. Ta neravnotežje toka povzroči, da sekundarni naponi CT postanejo neravnomerni. Tako se uvede cirkulirajoči tok, ki teče skozi pilotne druti in releje. V odgovoru na ta tok tek, preklopniki na obeh koncih vodovoda se aktivirata, da se odprejo, kar hitro izolira napakni vodovod od preostalega elektroenergetskega sistema.
Preberite tudi: Primarna in sekundarna ali rezervna zaščita v elektroenergetskem sistemu
Zaščita na osnovi razdalje
Zaščita na osnovi razdalje se zanaša na releje za razdaljo, ki merijo impedanco prenosnega vodovoda z analizo napetostnih in tokovnih signalov, ki jim jih uporabimo. Ko se na vodovodu zgodi napaka, se zgodijo dve pomembni spremembi: tok se zelo poveča, napon pa se dramatično zmanjša.
Ker je impedanca prenosnega vodovoda neposredno sorazmerna s njegovo dolžino, so releji za razdaljo oblikovani, da merijo impedanco do predvidenega točka, imenovanega "točka dosega". Ti releji, pogosto imenovani impedancni releji, izračunajo impedanco z uporabo Ohmova zakona, izraženega z formulo Z = U/I, kjer Z predstavlja impedanco, U napetost in I tok.
Releji za razdaljo so zgrajeni, da delujejo izključno za napake, ki se pojavijo med lokacijo releja in izbrano točko dosega. Ta značilnost konstrukcije jim omogoča, da učinkovito razlikujejo med napakami v različnih odsekih vodovoda. Apparentna impedanca, izračunana z relejem, se nato primerja z prednastavljeno impedanco dosega. Če je izmerjena impedanca manjša od impedance dosega, se zaključi, da obstaja napaka na vodovodu med relejem in točko dosega. Ko izračunana impedanca pade znotraj dosega releja, se aktivira in začne zaščitno dejanje.
Za zagotavljanje celovite zaščite so sistemi zaščite na osnovi razdalje nameščeni na obeh koncih prenosnega vodovoda, in je vzpostavljena komunikacijska povezava med temi kraji, kot je prikazano na Sliki 3. Ta komunikacija omogoča koordinirano delovanje relejev na obeh koncih, kar povečuje učinkovitost celotnega sistema zaščite.
Učinkovitost in značilnosti relejev za razdaljo
Slika 3 – Diagram zaščite na osnovi razdalje površnega vodovoda
Učinkovitost relejev za razdaljo se glavno ocenjuje glede na dva ključna parametra: točnost dosega in delovni čas.
Točnost dosega
Točnost dosega vključuje primerjavo dejanske ohmske dosega releja za razdaljo v realnih, praktičnih pogoji s prednastavljeno ohmsko vrednostjo. Ta merilo je zelo vplivana z napetostno ravno, ki je uporabljena na releju med pogoji napake. Nižja ali deformirana napetost lahko vodi v natančnosti merjenega upora, kar vpliva na sposobnost releja, da pravilno zazna lokacijo napake znotraj njegove določene dosega. Dodatno, tehniko merjenja upora, ki se uporablja v določenih relejih, igra ključno vlogo. Različni algoritmi in konfiguracije strojne opreme lahko prinašajo različne ravni natančnosti, kar vpliva na celoten doseg točnosti releja.
Delovni čas
Delovni čas releja za razdaljo je spremenljiva količina, ki odvisna od več dejavnikov. Velikost napaknega toka ima neposreden vpliv; višji napakni toki lahko v nekaterih primerih povzročijo hitrejše delovanje, medtem ko manjši toki lahko vodijo do daljših odzivnih časov. Lokacija napake glede na nastavitev releja je tudi pomembna. Napake bližje viru ali znotraj določene blizini releja lahko povzročijo hitrejši odziv v primerjavi z tistimi, ki so bolj oddaljene. Poleg tega lahko točka na valovnem naponu, kjer se napaka zgodi, prinese variabilnost v delovni čas.
Neke napake merilnih signalov pri prehodnih stanjih, ki so povezane z določenimi tehnikami merjenja, uporabljenimi v konstrukciji releja, lahko dodatno zapletajo zadeve. Na primer, napake, generirane kondenzatorskimi napetostnimi transformatormi (CVT) ali saturiranimi tokovnimi transformatormi (CT), lahko značilno zamudijo delovanje releja, zlasti za napake, ki se pojavijo blizu točke dosega. Te prehodne napake lahko distorzirajo signale napetosti in toka, kar vodi do napačne interpretacije impedanc in slednje zamude v aktivaciji releja.
Značilnosti relejev za razdaljo
Značilnosti relejev za razdaljo, pogosto imenovane kot oblika zaščite, so grafično predstavljene kot funkcija upornosti (R) in impedanc (X) vodovoda na R/X ali admittance diagramu. Dve najpogostejši obliki sta krožna (mho karakteristika) in kvadratna. Te karakteristične oblike so prikazane na Slikah 10 in 11. Vsaka oblika ima svoje prednosti in je oblikovana, da optimizira delovanje releja v različnih električnih sistemskih pogoji, pruža zanesljivo sredstvo za razlikovanje med normalnimi delovnimi pogoji in dejanskimi napakami znotraj zaščitenega odseka vodovoda.
Slika 4 – Mho karakteristika
Karakteristike relejev za razdaljo, nastavitve dosega in ponovno zapiranje
Slika 5 – Kvadratna karakteristika
Mho impedancni element dobiva svoje ime po svoji karakteristični prikazni obliki na admittance diagramu, kjer se manifestira kot premica. Vendar so politične impedancne karakteristike, kot je kvadratna oblika, zelo pridobile na popularnosti. Te karakteristike ponujajo zelo prilagodljivo pokritje za napakne impedanci za faze in zemljske napake. Ta prilagodljivost je iz njih naredila priljubljen izbor za večino modernih relejev za razdaljo.
Releji za razdaljo lahko imajo do pet različnih zon, nekatere od katerih so nastavljene, da merijo impedanco v obratni smeri. Te zone, ki merijo v obratni smeri, služijo kot rezervna zaščita za bus bar. Vsaka zona je povezana z specifičnim časom aktivacije releja, kar omogoča natančen in koordiniran odziv na napake, ki se pojavijo na različnih lokacijah znotraj zaščitenega električnega omrežja.
Ko so releji za razdaljo nameščeni na obeh koncih prenosnega vodovoda, se njihovi odzivni časi na napako razlikujejo glede na razdaljo od točke napake (F) do vsakega konca vodovoda. Na primer, razmislimo o površnem vodovodu, ki povezuje Postaje A in B. Relej za razdaljo, ki se nahaja v postaji najbližji točki napake F, bo prvi zaznal napako, in odgovarjajoči preklopnik bo prekinil pred tistim na drugi postaji.
Za preprečevanje, da bi kratkopovezna napaka še naprej prejemala energijo iz nasprotne strani vodovoda, dokler se ne aktivira ustrezen sistem zaščite za razdaljo, je nujen komunikacijski povezava med releji za zaščito. Običajno je ta komunikacija vzpostavljena preko optičnih vlaknenih kabelov, integriranih v kablu Optical Ground Wire (OPGW). Ta nastavitev omogoča hkratno prekinitve obeh preklopnikov, kar zagotavlja hitro in učinkovito izolacijo napak
