Захист надземних ліній – Вади та захисні пристрої

Поширені вади на повітряних лініях

Найбільш поширені причини вад на повітряних лініях включають:

• Зовнішні впливи: Зіткнення літаків та інциденти, пов'язані з транспортними засобами, що завдають шкоди лініям та підтримуючим конструкціям.

• Втручання дикої природи: Птахи та тварини, що викликають перешкоди, такі як сидіння таким чином, що це заважає електричним компонентам або створює короткі замикання.

• Деградація ізоляторів: Ізолятори, що забруднюються, що може призвести до електричних аварій.

• Погодні проблеми: Надмірне накопичення льоду та снігу, що перетручає лінії, та удар молнії, що може пошкодити обладнання.

• Електричні явища: Неконтрольовані часткові розряди (корона), що поступово погіршують цілісність лінії.

• Пошкодження ізоляторів: Проколоті або зламані ізолятори, що порушують електричну ізоляцію ліній.

• Нав'язлива рослина: Дерева, що ростуть занадто близько до ліній, потенційно маючи контакт і викликаючи вади.

• Стрес, викликаний вітром: Сильний вітер, що може хитати лініями, викликаючи механічні пошкодження або короткі замикання.

Суміжна стаття: Захист силових трансформаторів & вади

Приспособлення захисту повітряних ліній

• Низької напруги (LV) повітряні лінії: Використовуються паличкові запалки або автоматичні вимикачі для захисту від надмірного струму, надаючи базовий рівень захисту систем низької напруги.

• Середньої напруги (MV) повітряні лінії: Переважно використовуються реле перевантаження (наприклад, 50, 50N, 51, 51N, 67, 67N), підключені до трансформаторів струму (CT). Ці реле контролюють потік струму і відключають автоматичні вимикачі при виявленні аномального перевантаження.

Часовий градуйований захист від перевантаження неефективний для високої напруги (HV) повітряних ліній передачі. Це пов'язано з наявністю кількох взаємопов'язаних джерел струму виникнення вад, які можуть бути обмежені обмежувачами струму виникнення вад. Основні вимоги до систем захисту високої напруги повітряних ліній передачі такі:

• Виявлення вад: Електрична система захисту повинна здатна своєчасно виявляти всі вади, що виникають на захищеній лінії.

• Розпізнавання вад: Вона повинна здатна розрізняти вади на захищених лініях та на суміжних лініях, шинах, трансформаторах та іншому з'єднаному обладнанні.

• Швидке очищення вад: Вади повинні бути очищені менше, ніж за 1 секунду, щоб уникнути нестабільності системи живлення.

• Надійність: Система захисту повинна бути надійною, забезпечуючи очищення вад, навіть коли одна частина обладнання виходить з ладу.

Для задоволення цих вимог, часто використовуються наступні пристрої захисту високої напруги повітряних ліній:

• Диференціальний та фазовий порівняльний захист

• Захист відстанню

Диференціальний захист зазвичай застосовується до коротких повітряних ліній, тоді як захист відстанню більш придатний для довгих повітряних ліній. Класифікація повітряних ліній як коротких або довгих проводиться на основі порівняння індуктивності, опору та ємності лінії. Лінія вважається короткою, коли її опір та ємність незначні порівняно з її індуктивністю. Ця оцінка часто проводиться за допомогою π - діаграми повітряної лінії.

На імпеданс лінії, її фізичну реакцію на умови короткого замикання та струм заряду лінії впливає ряд факторів. До них належать рівень напруги, фізична конструкція лінії передачі, тип та розмір провідників та відстань між провідниками. Крім того, кількість кінцевих точок лінії впливає на потік струму навантаження та вад, який повинен враховувати система захисту. Паралельні лінії також впливають на релейну захист, оскільки взаємне зв'язування може впливати на струм землі, вимірюваний захисними реле. Наявність трансформаторів з розгалуженнями або пристроїв реактивної компенсації, таких як серійні конденсаторні банки або паралельні реактори, подальше впливає на вибір системи захисту та налаштування пристроїв захисту. Тому детальне вивчення повітряної лінії необхідне для визначення найбільш придатних реле захисту. Загалом, лінія довжиною до 80 - 100 км може вважатися короткою, хоча це може змінюватися в залежності від рівня напруги та характеристик мережі.

Близько 90% вад на повітряних лініях є транзиторними. Вади можна розподілити наступним чином:

• Фаза-земля: Вада, при якій одна фаза з'єднується з землею.

• Фаза-фаза: Вада, що виникає між двома фазами.

• Фаза-фаза-земля: Комбінація вад фаза-фаза та фаза-земля.

• Три фази: Вада, що включає всі три фази одночасно.

Для таких вад може бути необхідним однополюсне відключення, що дозволяє негайно відновити роботу лінії після відключення автоматичних вимикачів. На жертву, однополюсні відключення та автоматичне повторне включення часто використовуються в автоматичних вимикачах, пов'язаних з повітряними лініями передачі (зазвичай з напругою 220 кВ або вище). Коли автоматичні вимикачі переривають струм виникнення вад, дуга відблеску гасне, а іонізований повітряний розчиняється. Автоматичне повторне включення зазвичай успішне після затримки лише кількох циклів. Однак, коли проводяться енергетичні роботи, автоматичні пристрої повторного включення на лініях, на яких проводяться роботи, повинні бути встановлені в режим неповторного включення. Автоматичні вимикачі, використовувані в цих додатках, повинні бути спеціально спроектовані для проведення цих операцій та бути невразливими до нестійкості полюсів до тих пір, поки не буде виданий окремий наказ про відключення.

Диференціальний та фазовий порівняльний захист

Диференціальний захист базується на законі Кірхгофа про струм. У контексті лінії передачі він працює, порівнюючи струм, що входить у лінію в одному терміналі, зі струмом, що виходить з лінії в іншому терміналі. Реле лінії диференціального захисту на кожному кінці лінії передачі обмінюються даними про струм лінії через канал зв'язку на основі оптоволоконної комунікації. Цей канал часто створюється за допомогою кабелю Оптоволоконної Земної Дроту (OPGW), який також використовується для проектування захисту від блискавок повітряних ліній і містить оптоволоконні кабелі в своїй структурі. Рисунок 1 ілюструє діаграму системи диференціального захисту.

Рисунок 1 – Діаграма диференціального захисту повітряної лінії
Інша система релейного захисту для високої напруги (HV) ліній передачі, яка базується на принципі диференціального захисту і тепер використовується навіть для довгих відстаней, це фазовий порівняльний захист.
Ця система працює, порівнюючи фазовий кут між струмами на двох кінцях захищеної лінії. У разі зовнішніх вад струм, що входить у лінію, має такий самий відносний фазовий кут, як і струм, що виходить з лінії. В результаті, фазові порівняльні реле на кожному терміналі реєструють мало або взагалі жодної різниці фазового кута. В результаті система захисту залишається стабільною, і немає відключення. Навпаки, під час внутрішньої вади струм протікає у лінію з обох кінців, що викликає різницю фазового кута, яку можуть виявити фазові порівняльні реле. Після виявлення цієї різниці реле активуються, щоб ізоловати та очистити ваду.
У фазових порівняльних схемах важливу роль відіграють стартові реле. Ці реле запускають процес фазового порівняння, як тільки виявлена умова вади. Їх конструкція забезпечує роботу я для внутрішніх, так і для зовнішніх вад, надаючи комплексне моніторинг.
Для ефективної роботи фазового порівняльного захисту необхідний надійний канал зв'язку. У сучасних додатках оптоволоконні кабелі, інтегровані в кабелі Оптоволоконної Земної Дроту (OPGW), стали вибраним варіантом для створення цього каналу зв'язку.
Рисунок 2 показує однострічкову діаграму системи балансу напруги Merz Price, яка використовується для захисту трьохфазних ліній.

Фазовий порівняльний захист та захист відстанню
Фазовий порівняльний захист
Рисунок 2 – Діаграма фазового порівняльного захисту

У фазовому порівняльному захисті ідентичні трансформатори струму (CTs) стратегічно розташовані в кожній фазі на обох кінцях лінії передачі. Кожна пара CT, по одному на кожному кінці лінії, підключена в серію з реле. У нормальних, безвадних умовах вторинні напруги, генеровані цими CT, дорівнюють за величиною, але протилежні за напрямком, фактично збалансовуючи одна одну.

Під час здорового функціонування системи струм, що входить у лінію з одного кінця, точно відповідає струму, що виходить з неї з іншого кінця. В результаті, в CT на обох кінцях лінії індукуються рівні, але протилежні напруги. Цей баланс напруг забезпечує, що струм не протікає через реле, підтримуючи стабільність системи захисту.

Однак, коли виникає вада в точці, такій як F на лінії, як показано на рисунку 2, розподіл струму порушується. Зокрема, значно більший струм буде протікати через CT1 порівняно з CT2. Ця різниця у струмі призводить до того, що вторинні напруги CT стають нерівними. В результаті, створюється циркулюючий струм, який протікає через пілотні дроти та реле. У відповідь на цей струм, автоматичні вимикачі на обох кінцях лінії активуються, щоб відкрити, швидко ізольюючи пошкоджений ліній від решти електроенергетичної системи.

Також читайте: Первісний та вторинний або резервний захист в електроенергетичній системі

Захист відстанню

Захист відстанню заснований на реле відстані, які вимірюють імпеданс лінії передачі, аналізуючи сигнал напруги та струму, що застосовуються до них. Коли на лінії виникає вада, відбуваються два значущі зміни: струм зростає до набагато більшого рівня, а напруга стрімко падає.

Оскільки імпеданс лінії передачі прямо пропорційний її довжині, реле відстані спроектовані для вимірювання імпедансу до попередньо визначеного пункту, відомого як "точка досягнення". Ці реле, часто називаються імпедансними реле, вираховують імпеданс за допомогою закону Ома, вираженого формулою Z = U/I, де Z представляє імпеданс, U - напруга, а I - струм.

Реле відстані спроектовані для роботи виключно для вад, які виникають між місцем знаходження реле та вибраною точкою досягнення. Ця особливість дозволяє їм ефективно розрізняти вади в різних секціях лінії. Апаратний імпеданс, розрахований реле, потім порівнюється з попередньо встановленим імпедансом точки досягнення. Якщо виміряний імпеданс нижчий за імпеданс точки досягнення, вважається, що вада існує на лінії між реле та точкою досягнення. Коли розрахований імпеданс випадає в рамках налаштування досягнення реле, реле активується, започатковуючи захисну дію.

Для забезпечення повного захисту, системи захисту відстанню встановлюються на обох кінцях лінії передачі, і між цими кінцями встановлюється канал зв'язку, як показано на рисунку 3. Цей зв'язок дозволяє координовану роботу реле на кожному кінці, підвищуючи загальну ефективність системи захисту.

Робота та характеристики реле відстані
Рисунок 3 – Діаграма захисту відстанню повітряної лінії

Роботу реле відстані в основному оцінюють за двох ключових параметрів: точність досягнення та час роботи.

Точність досягнення

Точність досягнення полягає у порівнянні фактичного омівного досягнення реле відстані в реальних, практичних умовах з його попередньо встановленою омівною вартістю. Цей показник значно впливає на рівень напруги, застосовуваний до реле під час вад. Нижчу або спотворену напругу може призвести до неточностей у виміряному імпедансі, що впливає на здатність реле правильно визначити місце вади в рамках його визначеного досягнення. Крім того, методи вимірювання імпедансу, використовувані в певних проектах реле, відіграють ключову роль. Різні алгоритми та конфігурації обладнання можуть давати різні рівні точності, отже, впливаючи на загальну точність досягнення реле.

Час роботи

Час роботи реле відстані є змінною величиною, яка залежить від багатьох факторів. Масштаб вадного струму має прямий вплив; більші вадні струми можуть іноді призводити до швидшої роботи, тоді як менші струми можуть призводити до довгіших часов відгуку. Положення вади відносно налаштування реле також має значення. Вади, ближчі до джерела або в певній близькості до реле, можуть спричинити швидшу реакцію, порівняно з тими, що знаходяться подалі. Крім того, точка на хвилі напруги, в якій виникає вада, може вносити змінність у час роботи.

Певні помилки вимірювальних сигналів, пов'язані з певними методами вимірювання, використовуваними в проекті реле, можуть ще більше ускладнити ситуацію. Наприклад, помилки, породжені Конденсаторними Вольтметрами (CVT) або насиченими Трансформаторами Струму