Överföringslinjers skydd – Fel och skyddsutrustning
Vanliga fel i överbystående linjer
De vanligaste orsakerna till fel i överbystående linjer inkluderar:
Relaterat artikel: Skydd för strömtransformatorer & fel
Skyddsutrustning för överbystående linjer
Tidsgraduert överströmskydd är ineffektivt för högspännings (HV) överbystående transmissionlinjer. Detta beror på att det finns flera sammanbundna källor till felfströmmar, vilka kan begränsas av felfströmsbegränsare. De viktigaste kraven för skyddsscheman i högspännings överbystående transmissionlinjer är följande:
För att uppfylla dessa krav används följande skyddsutrustning vanligtvis i högspännings överbystående linjer:
Differensskydd används vanligtvis för korta överbystående linjer, medan avståndsskydd är mer lämpligt för långa överbystående linjer. Klassificeringen av överbystående linjer som korta eller långa baseras på en jämförelse av linjens induktans, resistans och kapacitans. En linje anses vara kort om dess resistans och kapacitans är försumbara jämfört med dess induktans. Denna bedömning utförs ofta med hjälp av π-diagrammet för överbystående linjen.
Flera faktorer påverkar linjens impedans, dess fysiska respons vid kortslutningsförhållanden och linjeladdningsströmmen. Dessa inkluderar spänningsnivån, den fysiska konstruktionen av överföringslinjen, typ och storlek på ledare, och avståndet mellan ledare. Dessutom påverkar antalet linjeslut punkter flödet av last- och felfströmmar, vilket skyddssystemet måste ta hänsyn till. Parallella linjer påverkar också reläering, eftersom gensidig koppling kan påverka markströmmen som mäts av skyddsrälén. Närvaron av kopplade transformatorer eller reaktiva kompenseringsenheter, såsom seriekapacitorbankar eller shuntreaktorer, påverkar ytterligare valet av skyddssystem och inställningarna för skyddsenheter. Som en följd av detta krävs en detaljerad studie av överbystående linjen för att fastställa de mest lämpliga skyddsräléerna. Generellt sett kan en linje med en längd upp till 80-100 km anses vara kort, även om detta kan variera beroende på spänningsnivån och nätets egenskaper.
Ungefär 90% av fel i överbystående linjer är tillfälliga. Fel kan indelas enligt följande:
För sådana fel kan en enpolig avbrottshändelse krävas, vilket gör att linjen kan återställas omedelbart efter att strömbrytarna har avbrutits. Därför används enpoliga avbrottshändelser och automatiska återställningsprogram vanligtvis i strömbrytare som är associerade med överbystående transmissionlinjer (vanligtvis med en spänning på 220 kV eller högre). När strömbrytarna avbryter felfströmmen släcks borttagningsbågen och ioniserade luften sprider sig. Automatisk återställning är vanligtvis framgångsrik efter en fördröjning av bara några cykler. När energiförsörjning utförs under arbete måste dock de automatiska återställningsenheter som är installerade på linjerna som arbetar sättas till icke-återställningsläge. Strömbrytare som används i dessa tillämpningar behöver designas specifikt för att hantera dessa operationer och vara immun mot polinstabilitet tills ett definitivt avbrottsorder utfärdas.
Differens- och fasjämförelseskydd
Differensskydd bygger på Kirchhoffs strömlag. I sammanhanget med en överföringslinje fungerar det genom att jämföra strömmen som går in i linjen vid en terminal med strömmen som går ut ur linjen vid den andra terminalen. Linjedifferensreläer vid båda ändarna av överföringslinjen utbyter data om linjeströmmen via en fiberoptisk kommunikationslänk. Denna länk etableras ofta med hjälp av Optical Power Ground Wire (OPGW)-kabel, som också används för blixtskyddet för överbystående linjen och innehåller fiberoptiska kablar i sin struktur. Figur 1 illustrerar diagrammet för differensskyddssystemet.
Figur 1 – Differensskydd för överbystående linjer
En annan skyddsrälésystem för högspännings (HV) överföringslinjer, som bygger på principen för differensskydd och nu används även för långdistanslinjer, är fasjämförelseskydd.
Detta system fungerar genom att jämföra fasvinkeln mellan strömmarna vid de två ändarna av den skyddade linjen. Vid externa fel har strömmen som går in i linjen samma relativ fasvinkel som strömmen som går ut ur linjen. Som en följd registrerar fasjämförelsereläerna vid varje terminal liten eller ingen fasvinkel skillnad. Skyddssystemet hålls stabil, och inga avbrott inträffar. Å andra sidan, vid interna fel, strömmar ström in i linjen från båda ändarna, vilket orsakar en fasvinkel skillnad som fasjämförelsereläerna kan upptäcka. När denna skillnad identifieras aktiverar reläerna för att isolera och rensa felet.
I fasjämförelsescheman spelar startreläer en viktig roll. Dessa reläer initierar fasjämförelseprocessen så snart ett fel tillstånd upptäcks. Deras design säkerställer drift för både interna och externa fel, vilket ger omfattande övervakning.
För effektivt fungerande av fasjämförelseskydd är en pålitlig kommunikationskanal oumbärlig. I moderna tillämpningar har fiberoptiska kablar integrerade i Optical Ground Wire (OPGW)-kablar blivit det föredragna valet för att etablera denna kommunikationslänk.
Figur 2 visar den enlinjes diagrammet för Merz Price spänningsbalanssystem, som används för skydd av trefaslinjer.
Fasjämförelseskydd och avståndsskydd
Fasjämförelseskydd
Figur 2 – Fasjämförelseskydd diagram
I fasjämförelseskydd placeras identiska strömmätare (CT) strategiskt i varje fas vid båda ändarna av överföringslinjen. Varje par CT, en vid varje ände av linjen, är anslutet i serie med en relä. Under normala, fel fria förhållanden är sekundärvoltagerna genererade av dessa CT lika i magnitud men motsatta i riktning, vilket effektivt balanserar varandra ut.
Under sund systemdrift matchar strömmen som går in i linjen vid ena änden exakt strömmen som går ut ur den vid den andra änden. Detta resulterar i lika och motsatta voltager inducerade i sekundären av CT vid de två linjeterminalerna. Denna voltagbalans säkerställer att ingen ström flödar genom reläerna, vilket upprätthåller skyddssystemets stabilitet.
När ett fel inträffar vid en punkt som F på linjen, som illustreras i figur 2, störs strömdistributionen. Specifikt kommer en betydligt större ström att flöda genom CT1 jämfört med CT2. Denna olikhet i ström gör att sekundärvoltagerna hos CT inte blir lika. Som en följd etableras en cirkulerande ström, som flödar genom pilotledningar och reläerna. I svar på detta strömföret utlöses strömbrytarna vid båda ändarna av linjen för att öppna, vilket snabbt isolerar den defekta linjen från resten av strömsystemet.
Läs också: Primär och sekundär eller reservskydd i ett strömsystem
Avståndsskydd
Avståndsskydd bygger på avståndsreläer, som mäter impedansen för en överföringslinje genom att analysera spännings- och strömsignaler som appliceras till dem. När ett fel inträffar på en linje äger två betydande förändringar rum: strömmen ökar drastiskt och spänningen sjunker kraftigt.
Eftersom impedansen för en överföringslinje är direkt proportionell mot dess längd, är avståndsreläer utformade för att mäta impedansen upp till en förbestämd punkt känd som "reach point". Dessa reläer, som ofta kallas impedansreläer, beräknar impedans med Ohms lag, uttryckt av formeln Z = U/I, där Z representerar impedans, U är spänning och I är ström.
Avståndsreläer är konstruerade för att fungera uteslutande för fel som inträffar mellan reläets plats och den valda reach punkten. Denna designegenskap tillåter dem att effektivt skilja mellan fel i olika linjesegment. Den beräknade impedansen jämförs sedan med den förinställda reach punkt impedansen. Om den mätta impedansen är lägre än reach punkt impedansen antas det finnas ett fel på linjen mellan reläet och reach punkten. När den beräknade impedansen faller inom reach inställningen för reläet aktiveras reläet, vilket initierar det skyddande åtgärden.
För att säkerställa fullständigt skydd installeras avståndsskyddssystem vid båda ändarna av överföringslinjen, och en kommunikationslänk etableras mellan dessa slutpunkter, som visas i figur 3. Denna kommunikation möjliggör samordnad drift av reläerna vid varje ände, vilket förbättrar det totala skyddsschemat.
Prestanda och egenskaper för avståndsreläer
Figur 3 – Avståndsskydd för överbystående linjer
Prestandan för avståndsreläer utvärderas huvudsakligen utifrån två viktiga parametrar: räckviddsprecision och drifttid.
Räckviddsprecision
Räckviddsprecision innebär att jämföra den faktiska ohmiska räckvidden för ett avståndsrelä under verkliga, praktiska förhållanden med dess förinställda ohmiska värde. Denna parameter påverkas betydligt av spänningsnivån som appliceras till reläet under felförhållanden. En lägre eller förvrängd spänning kan leda till felaktigheter i den mätta impedansen, vilket påverkar reläets förmåga att korrekt identifiera felets plats inom dess angivna räckvidd. Dessutom spelar impedansmätteknikerna som används i specifika relädesigner en viktig roll. Olika algoritmer och maskinvarukonfigurationer kan ge olika nivåer av precision, vilket påverkar den totala räckviddsprecisionen för reläet.
Drifttid
Drifttiden för ett avståndsrelä är en variabel kvantitet som beror på flera faktorer. Felströmmens magnitud har en direkt effekt; högre felströmmar kan ibland orsaka snabbare drift, medan lägre strömmar kan resultera i längre svarstider. Placeringen av felet i relation till reläets inställning spelar också en roll. Fel närmare källan eller inom viss proximitet till reläet kan utlösa ett snabbare svar jämfört med de som ligger längre bort. Dessutom kan punkten på spänningsvågen där felet inträffar introducera variabilitet i drifttiden.
Vissa mätningssignaltransientfel, som är associerade med de specifika mättekniker som används i en relädesign, kan ytterligare komplicera saker. Till exempel kan fel genererade av Kapacitiva Spänningsomvandlare (CVT) eller saturerande Strömmätare (CT) betydligt försena reläets drift, särskilt för fel som inträffar nära räckpunkten. Dessa transientfel kan förvränga spännings- och strömsignaler, vilket leder till misstolkning av impedansen och en följande fördröjning i reläets aktivering.
Egenskaper för avståndsreläer
Egenskaperna för avståndsreläer, ofta kallade skyddets form, representeras grafiskt som en funktion av linjens resistans (R) och impedans (X) på ett R/X- eller admittansdiagram. Två av de vanligaste formerna är den cirkulära (mho-karakteristiken) och den fyrhöriga. Dessa karakteristiska former illustreras i figurerna 10 och 11, respektive. Varje form har sina egna fördelar och är utformad för att optimera reläets prestanda under olika elektriska systemförhållanden, vilket ger ett pålitligt sätt att skilja mellan normala driftsförhållanden och faktiska fel inom det skyddade linjesegmentet.
Figur 4 – Mho-karakteristik
Egenskaper för avståndsreläer, räckviddsinställningar och återställning
Figur 5 – Fyrhörig karaktär
Mho-impedanselementet får sitt namn från sin karakteristiska utseende på ett admittansdiagram, där det manifesterar sig som en rak linje. Dock har polygonala impedanskarakteristiker, såsom den fyrhöriga formen, fått betydande popularitet. Dessa egenskaper erbjuder imponerande flexibilitet för att täcka felfimpedanser för både fas- och jordfel. Denna anpassningsbarhet har gjort dem till det föredragna valet för de flesta moderna avståndsreläer.
Avståndsreläer kan konfigureras med upp till fem distinkta zoner, vissa av vilka är inställda för att mäta impedans i omvänd riktning. Dessa zoner som mäter i omvänd riktning fungerar som reservskydd för busbar. Varje zon är associerad med en specifik aktiveringstid för reläet, vilket tillåter en nyanserad och samordnad respons på fel som inträffar vid olika platser inom det skyddade elektriska nätverket.
När avståndsreläer är installerade vid båda ändarna av en överföringslinje varierar deras svarstid till ett fel beroende på felets avstånd från varje ände av linjen. Till exempel, överväg en överbystående linje som ansluter delstationerna A och B. Avståndsreläet som sitter i den delstation som ligger närmast felet F kommer att upptäcka felet först, och motsvarande strömbrytare kommer att trip innan den i den andra delstationen.
För att förhindra att ett kortslutfel fortsätter att erhålla ström från det motsatta änden av linjen tills det relevanta avståndsskyddet aktiveras, är en kommunikationslänk mellan skyddsräléerna nödvändig. Vanligtvis etableras denna kommunikation via fiberoptiska kablar integrerade i Optical Ground Wire (OPGW)-kablar. Denna konfiguration möjliggör samtidig trip av båda strömbrytarna, vilket säkerställer snabb och effektiv isolering av det defekta segmentet.
Det är opraktiskt att programmera ett impedansrelä för att exakt mäta linjens impedans hela vägen till strömbrytaren i det fjärran ändet. Detta beror på inbyggda fel och osäkerheter i komponenter som strömmätare (CT), spänningsmätare (VT), reläerna själva, samt i beräkningarna av linjens impedans. För att ta hänsyn till dessa osäkerheter inställs reläets räckvidd för att mäta ett impedansvärde som är mindre än det totala impedansvärde som motsvarar linjens fulla längd. Till exempel är det ett vanligt och säkert tillvägagångssätt att sätta Zone 1 för att täcka upp till 85% av linjens impedans. De återstående 15-20% fungerar som en säkerhetsmarginal, vilket effektivt förhindrar att Zone 1-skyddet överträffar den skyddade linjen på grund av mätfel och osäkerheter. Utan denna marginal skulle det finnas en risk att förlora förmågan att skilja mellan fel på grannlinjer, särskilt vid snabbt agerande skyddsscheman.
Relaterad läsning: Introduktion till harmoniska - Effekt av harmoniska på strömsystem
Återställning
Som diskuterades i avsnitt 4.2, är de flesta fel i överbystående linjer asymmetriska och tillfälliga. Auto-återställning, en kritisk funktion i strömsystem, utförs av en auto-återställningsrelä. Denna relä utlöses av överbystående linjens skyddsenheter, som illustreras i figur 6.
Auto-återställning i strömsystem
