Zaštita visokonaponskih površinskih linija – greške i uređaji za zaštitu

Najčešći kvarovi na površinskim vodovodima

Najčešći uzroci kvarova na površinskim vodovodima uključuju:

• Vanjski uticaji: Sudari letelica i vozila koji oštećuju vodove i nosačne konstrukcije.

• Umetanje divljih životinja: Ptice i životinje koje dovode do prekida, kao što je sedenje na način koji ometa električne komponente ili stvaranje kratičnih spojeva.

• Degradacija izolatora: Kontaminirani izolatori koji mogu dovesti do električnih kvarova.

• Pogodnosti vezane za vremenske prilike: Prekomjerna akumulacija leda i snijega koja opterećuje vodove, te udari munje koje mogu oštetiti opremu.

• Električna pojave: Nekontrolisani parcijalni razlaganja (korona) koja postepeno mogu oštetiti integritet voda.

• Oštećenje izolatora: Probodeni ili slomljeni izolatori, koji kompromitiraju električnu izolaciju voda.

• Umetanje biljaka: Drveće koje raste previše blizu voda, potencijalno dolazi u kontakt i dovodi do kvarova.

• Stres izazvan vjetrom: Jak vjetar koji može nagnuti vode, dovodeći do mehaničkog oštećenja ili kratičnih spojeva.

Srodni članak: Zaštita transformatora snage & kvarovi

Uređaji za zaštitu površinskih vodovoda

• Niskonaponski (LV) površinski vodovodi: Koriste se prekidači ili fuzi da bi se zaštitili od prekomjernih struja, pružajući osnovni nivo zaštite za niskonaponske sisteme.

• Srednjonaponski (MV) površinski vodovodi: Često se koriste prekidači za prekomjerne struje (poput 50, 50N, 51, 51N, 67, 67N) povezani sa transformatorima struje (CT). Ovi releji nadgledaju tok struje i aktiviraju prekidače kada detektuju neobične prekomjerne struje.

Vremenski raspoređena zaštita od prekomjernih struja nije efikasna za visokonaponske (HV) površinske prenosne vodove. To je zato što su prisutni višestruki međusobno povezani izvori prekomjernih struja, koji mogu biti ograničeni ograničivačima prekomjernih struja. Ključni zahtevi za sheme zaštite u visokonaponskim površinskim prenosnim vodovodima su sljedeći:

• Detekcija kvarova: Električni sistem zaštite mora biti sposoban da brzo identifikuje sve kvarove koji se javljaju na zaštićenom vodu.

• Razlikovanje kvarova: Treba biti u stanju da razlikuje kvarove na zaštićenom vodu od onih na susednim vodovodima, busovima, transformatorima i drugoj povezanoj opremi.

• Brzo očiscavanje kvarova: Kvarovi moraju biti očišćeni unutar manje od 1 sekunde kako bi se sprečilo nestabilnost sistema snabdijevanja strujom.

• Pouzdanost: Sistem zaštite treba biti visoko pouzdan, osiguravajući da može očistiti kvarove čak i kada jedan komad opreme ne radi.

Da bi se ispunili ovi zahtevi, u visokonaponskim površinskim vodovodima se često koriste sledeći uređaji za zaštitu:

• Diferencijalna i fazna usporedna zaštita

• Zaštita na osnovu udaljenosti

Diferencijalna zaštita se obično primenjuje na kratke površinske vodove, dok je zaštita na osnovu udaljenosti pogodnija za duže površinske vodove. Klasifikacija površinskih vodova kao kratkih ili dugih zasniva se na poređenju induktivnosti, otpora i kapacitivnosti voda. Vod se smatra kratkim kada su njegov otpor i kapacitet zanemarljivi u odnosu na induktivnost. Ova procjena se često vrši pomoću π-dijagrama površinskog voda.

Brojni faktori utiču na impedanciju voda, njegovu fizičku reakciju na uslove prekomjernih struja i struju punjenja voda. Uključuju se nivo napona, fizička konstrukcija prenosnog voda, tip i veličina vodnika, i razmak između vodnika. Takođe, broj terminala voda utiče na protok opterećujuće i kvarne struje, što sistem zaštite mora uzeti u obzir. Paralelni vodi takođe utiču na relaying, jer može uticati na merenje struje zemljišta zaštitnim relejima. Prisustvo transformatora sa tapovima ili reaktivnih kompenzacionih uređaja, poput serijskih kondenzatorskih banki ili šunt reaktora, dodatno utiče na izbor sistema zaštite i podešavanja zaštitnih uređaja. Stoga je potrebna detaljna studija površinskog voda kako bi se odredili najpogodniji zaštitni releji. Općenito, vod dužine do 80-100 km može se smatrati kratkim, iako to može varirati u zavisnosti od nivoa napona i karakteristika mreže.

Približno 90% kvarova na površinskim vodovodima je privremene prirode. Kvarovi se mogu klasificirati na sledeći način:

• Faza-do-zemlje: Kvar gdje jedna faza dolazi u kontakt sa zemljom.

• Faza-do-faze: Kvar koji se događa između dvije faze.

• Faza-do-faze-do-zemlje: Kombinacija faza-do-faze i faza-do-zemlje kvarova.

• Tri faze: Kvar koji uključuje sve tri faze istovremeno.

Za takve kvarove može biti potreban trip jednopolski, omogućavajući da se vod vrati u rad nakon što prekidači tripnu. Stoga se često koriste sheme jednopolskog tripovanja i automatskog ponovnog zatvaranja u prekidačima povezanim sa površinskim prenosnim vodovodima (obično sa naponom od 220 kV ili više). Kada prekidači prekinu prekomjernu struju, luk plamenovanja se ugasi, a ionizovani vazduh se rasipa. Automatsko ponovno zatvaranje obično uspe nakon kašnjenja od samo nekoliko ciklusa. Međutim, kada se vrše energizovane radnje, automatski uređaji za ponovno zatvaranje na linijama pod radom moraju biti postavljeni na režim bez ponovnog zatvaranja. Prekidači koristi u ovim aplikacijama moraju biti specifično dizajnirani da upravljaju ovim operacijama i da budu imuni na nekonstantnost polova dok se ne izdade definitivna naredba za tripovanje.

Diferencijalna i fazna usporedna zaštita

Diferencijalna zaštita zasniva se na Kirchhoffovom zakonu struje. U kontekstu prenosnog voda, ona funkcionira upoređivanjem struje koja ulazi u vod na jednom kraju sa strujom koja izlazi iz voda na drugom kraju. Diferencijalni releji na svakom kraju prenosnog voda razmjenjuju podatke o strujama voda putem optičke komunikacijske veze. Ova veza se često uspostavlja pomoću Optical Power Ground Wire (OPGW) kabela, koji se takođe koristi za dizajn zaštite od munje površinskog voda i sadrži optičke kabele u svojoj strukturi. Slika 1 prikazuje dijagram diferencijalne zaštite.

Slika 1 – Dijagram diferencijalne zaštite površinskog voda
Još jedan sistem zaštitnog relayinga za visokonaponske (HV) prenosne vode, temeljen na principu diferencijalne zaštite i sada korišćen čak i za duge udaljenosti, jeste fazna usporedna zaštita.
Ovaj sistem funkcionira upoređivanjem faznog ugla između struja na dva kraja zaštićenog voda. U slučaju vanjskih kvarova, struja koja ulazi u vod ima isti relativni fazni ugao kao struja koja izlazi iz voda. Kao rezultat, fazni usporedni releji na svakom terminalu registruju malo ili nikakvu razliku u faznom uglu. Stoga, sistem zaštite ostaje stabilan, a ne dolazi do tripovanja. Suprotno tome, tijekom internog kvara, struja teče u vod sa obje strane, što dovodi do dispariteta faznog ugla koji fazni usporedni releji mogu detektovati. Nakon identifikacije ove razlike, releji se aktiviraju kako bi izolirali i očistili kvar.
U faznim usporednim shemama, početni releji igraju ključnu ulogu. Ovi releji pokreću proces faznog uspoređivanja čim se detektuje stanje kvara. Njihov dizajn osigurava rad za interne i vanjske kvarove, pružajući kompleksni monitoring.
Za efikasno funkcionisanje fazne usporedne zaštite, potrebna je pouzdana komunikacijska veza. U modernim aplikacijama, optički kabeli integrirani u Optical Ground Wire (OPGW) kable postali su preferirani izbor za uspostavljanje ove komunikacijske veze.
Slika 2 prikazuje jednolinijski dijagram Merz Price sustava ravnoteže napona, koji se koristi za zaštitu trofaznih voda.

Fazna usporedna zaštita i zaštita na osnovu udaljenosti
Fazna usporedna zaštita
Slika 2 – Dijagram fazne usporedne zaštite

U faznoj usporednoj zaštiti, identični transformatori struje (CT) su strategijski pozicionirani u svakoj fazi na oba kraja prenosnog voda. Svaki par CT-ova, jedan na svakom kraju voda, povezan je u serijskoj vezi s relejem. Pod normalnim, nekvarnim uslovima, sekundarni naponi generisani ovim CT-ovima su jednaki po magnitudi, ali suprotne su orijentacije, efektivno balansirajući jedan drugog.

Tijekom zdravog rada sistema, struja koja ulazi u vod na jednom kraju točno odgovara struji koja ga napušta na drugom kraju. Kao rezultat, jednak i suprotan napon se indukuje u sekundarnim čvorovima CT-ova na dva kraja voda. Ovaj napon balansa osigurava da nema struje koja teče kroz releje, održavajući stabilnost sistema zaštite.

Međutim, kada se kvar desi na tački poput F na vodu, kao što je prikazano na Slici 2, distribucija struje je narušena. Konkretno, znatno veća struja će teći kroz CT1 u odnosu na CT2. Ova disparitet struje dovodi do neravnomernosti sekundarnih napona CT-ova. Kao rezultat, uspostavlja se cirkulanta struja, koja teče kroz pilotne žice i releje. U odgovoru na ovaj protok struje, prekidači na oba kraja voda se aktiviraju da otvore, brzo izolirajući kvarni vod od ostataka sistema snabdevanja strujom.

Takođe pročitajte: Primarna i sekundarna ili rezervna zaštita u sistemu snabdevanja strujom

Zaštita na osnovu udaljenosti

Zaštita na osnovu udaljenosti zasniva se na relejima za udaljenost, koji mere impedanciju prenosnog voda analizirajući signale napona i struje primjenjene na njih. Kada se kvar desi na vodu, dvije značajne promjene se događaju: struja se povećava na mnogo veću razinu, a napon drastično pada.

Pošto je impedancija prenosnog voda direktno proporcionalna njegovoj dužini, releji za udaljenost su dizajnirani da mere impedanciju do predodređene tačke poznate kao "tačka dosega." Ovi releji, često nazvani impedančni releji, računaju impedanciju koristeći Ohmov zakon, izražen formulom Z = U/I, gde Z predstavlja impedanciju, U nap