Реализация дальнего резервирования на линиях с двухсторонним питанием

УДК 621.372.54

Д.С. ВАСИЛЬЕВ, А.О. ПАВЛОВ

РЕАЛИЗАЦИЯ ДАЛЬНЕГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ НА ЛИНИЯХ С ДВУХСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ

Ключевые слова: дальнее резервирование, ответвительная подстанция, силовой трансформатор. Представлены результаты исследования, направленного на повышение чувствительности дистанционных защит линий и обеспечение селективного отключения при трудно распознаваемых замыканиях в силовых трансформаторах и на стороне низшего напряжения ответ-вительных подстанций.

D.S. VASILYEV, A.O. PAVLOV REALIZATION OF LONG-RANGE REDUNDANCY ON POWER LINES WITH DOUBLE-SIDED SUPPLY Key words: distant reservation, tapping station, power transformer.

The report contains results of the research, which was aimed at sensitization of distance protections of lines and at assurance of selective cutoff in case of obscured short circuits in power transformers and on the side of the lower voltage of branch substations.

Защита дальнего резервирования предназначена для селективного отключения линии электропередачи напряжением 110-220 кВ при замыканиях в силовых трансформаторах и на стороне низшего напряжения ответвительных подстанций.

При реализации дальнего резервирования защит трансформаторов ответ-вительных подстанций возникает ряд проблем:

- отстройка от нагрузочных (транзитных) токов линий;

- выбор характеристик срабатывания реле сопротивления;

- согласование с линейными защитами и защитами, установленными на отпайках;

- диапазон изменения токов в режиме аварии на линии превышает диапазон изменения токов при замыканиях в трансформаторах ответвительных подстанций;

- на некоторых линиях задача осложнена наличием тяговой нагрузки. Рассмотрим поведение классического дистанционного органа на примере

имитационной модели, показанной на рис. 1. Примем, что отпаечный трансформатор не нагружен. Будем моделировать трехфазные замыкания на стороне низшего напряжения подстанции.

В симметричном нагрузочном режиме (рис.1, а) ток J^, напряжение

Т Т нр нр

Us и входное сопротивление Zs на зажимах дистанционного органа в месте наблюдения определяются соотношениями:

J нр _ Es — Er_ , тт нр _ Es (z1 + z 2 + zr ) + Er (zs ) ,

— s ~ ; —s~ ;

Zs + Z1 + Z 2 + Zr Zs + Z1 + Z2 + Zr

z нр U sP Es (Z1 + Z 2 + Zr ) + ErZs (Z1 + Z 2 + Zr ) + ZsEr 1 Es

Z s — — — .

Jнр Es - Er 1 - Er I Es

р

Е,

О

нп і нп

о'

£г

2

,

Е,

О

к

о

б

Рис. 1. Имитационная модель ЛЭП с ответвительной подстанцией: а - нагрузочный режим работы; б - замыкание на стороне низшего напряжения подстанции

При трехфазном замыкании с переходным сопротивлением Я/=0 Ом на стороне низшего напряжения трансформатора (рис. 2, а) ток I„3, напряжение

т т кз кз

и, и входное сопротивление г, на зажимах дистанционного органа в месте наблюдения определяются соотношениями:

Е, -Ег *т /

I КЗ

г, + *1 + г т

и,

и к

Е,

*, + і + !т

_кз і^, Е,

г, — — .

I* К* -Кг1т /

Найдем области, в которых располагается сопротивление на зажимах дистанционного органа с учетом ограничений, определяемых тем, что соотношение ЭДС по модулю не выходит за пределы к1 < |КГ /К* | < к2, где

к1 =|Кг,шт/ К*,тах| и к2 = |Кг,тах/ К*,шт|- Другое ограничение определяется

из условия устойчивости энергетической системы: - 90° < а^(Ег /К*) < 90° . Для нагрузочного режима из выражения (1) получим соотношения:

Е„

<

нр

г, — а

—, — нр

г 7 - Ь

— , нр

Ег

г, тах

<-------------; аї < arg

( нр г; -й.

Е,

\

-нр у

где йнр — г 1 + г2 + *г , Ьнр —-г,.

а

*г

£.1

2

—л

Е

Для режима с замыканием из выражения (2) получим соотношения: Е.

і т /

г, тт ------------:----------<

Е

кз

і, - й кз

кз

?, - Ь кз

Е

г, тах <-----:-----

Е

а1 + а^(г Т /(г т + г 2 + 1г )) < arg

( кз

г, - а кз

КЗ 7

> г - Ь ,

\ —, —кз у

і т /(г т + і 2 + 1г ) ;

,, тт

л

< а 2 + а^(г т /(г т + г 2 + 1г )),

где аКз = (г1 + гт (г2 + гг)/(гт + г2 + гг)), Ькз = -г,.

На рис. 2 построены области замера сопротивления для имитационной модели с параметрами г1 = г2 = 9.96 + /17.08 Ом, = г_г = 15.63 + /31.25 Ом,

0.9 <

Кг /Е,

< 1.1 и - 60° < ащ(Ег /Е,) < 60° .

1т

-200 0 200 400 600

б

Рис. 2. Области расположения входного сопротивления дистанционного органа: а - нагрузочный режим; б - замыкание за трансформатором 5ном — 6.3 МВА

На практике необходимо учитывать изменения величин загрузки трансформаторов, сопротивлений эквивалентных ЭДС. Поэтому осуществить полноценное дальнее резервирование при замыканиях на стороне низшего напряжения ответвительных подстанций на линии с двухсторонним питанием, используя классический дистанционный орган, затруднительно.

В НІ III «Бреслер» проблема выявления повреждения отпаечного трансформатора решена путем расширения информационной базы защиты. С помощью нового метода, названного информационным анализом [1], разработана защита дальнего резервирования Бреслер-0107.03, оперирующая всей доступной информацией при наблюдении за линией электропередачи с одного конца: током и напряжением предшествующего и аварийного режимов [2, 3]. Данная защита решает проблему выявления факта повреждения отпаечного трансформатора.

Защита Бреслер-0107.03 устанавливается на головном конце линии электропередачи и предназначена как на радиальные, так и на магистральные линии, а также на сети внешнего электроснабжения с тяговой нагрузкой.

В основу защиты Бреслер-0107.03 положен адаптивный дистанционный принцип, оперирующий с алгоритмической моделью объекта (АМО). Алгоритмическая модель объекта позволяет оценить токи и напряжения в произвольной точке защищаемой схемы. Зная значения аварийных и предшествующих токов и напряжений в месте установки защиты, она по определенным законам оценивает токи и напряжения в месте установки виртуального реле сопротивления (ВРС), в данном случае в ветви предполагаемого повреждения за трансформатором на ответвительной подстанции (рис. 3). С помощью алгоритмических моделей удается настроить виртуальные реле на каждую защищаемую ответви-тельную подстанцию, если их несколько. Это позволяет упростить расчет уста-вочных характеристик и добавляет возможность идентифицировать поврежденную отпайку. Данный способ эффективен тем, что решает проблему объединения информации о защищаемом объекте.

Алгоритмическую модель объекта разделяют на модель предшествующего и чисто аварийного режимов. Модель предшествующего режима фор-

^ т тпд

мирует замер напряжений и у в ветви предполагаемого повреждения, по замерам напряжения Ц_ и тока I из места наблюдения. АМО в предрежиме представлена формулой

и ^ = к пд и ^ + к 2д і пд,

где и Г - фазное напряжение в предрежиме в месте установки защиты, В;

ЗДР

ВРС

Защищаемый

трансформатор

Нагрузка

/ИД

- ток в предрежиме в месте установки защиты, А; Кпд, К°Д - передаточные коэффициенты предрежима АМО; и_у - фазное напряжение предрежима в ветви повреждения, В.

В предшествующем режиме в ветви предполагаемого повреждения отсутствовали токи, поэтому I у = 0 .

Модель чисто аварийного режима формирует замер напряжений Ц_у и

т ав ^

токов в ветви предполагаемого повреждения по замерам чисто аварийных

составляющих напряжения и Г и тока I “ из места установки защиты. Модель чисто аварийного режима представлена формулами:

Ветвь предполагаемого повреждения

Рис. 3. Алгоритмическая модель объекта

и “ = к ав и “ + к 2в Ц

/ав т,г ав -г -г ав -т^ ав у ав у = к 3 +к4

где и х - фазное напряжение чисто аварийного режима в месте установки защиты, В; I “ - ток чисто аварийного режима в месте установки защиты, А;

Кх , К 2 , К 3 , К4 - передаточные коэффициенты чисто аварийного режима АМО; и / - напряжение чисто аварийного режима в ветви предполагае-

Вх ав

х - ток в ветви предполагаемого повреждения чисто

аварийного режима, А.

Составляющие чисто аварийного режима в месте наблюдения определяются как комплексная разность Ц_“ = и™ - Ц_^, I“ = Цк -1^ . Передаточные

коэффициенты АМО зависят только от пассивных параметров схемы замещения предшествующего и чисто аварийного режимов.

Учитывая, что I / = I/ , Ц_™ = Ц_/ + Ц_/Д, получаем текущие значения

токов и напряжений в ветви предполагаемого повреждения по составляющим предшествующего и чисто аварийного режимов. Алгоритмическая модель объекта описана формулой:

и у = кпд и ^ + к 2д I пд + Кав и “ + К 2в I “,

т тк ав х т ав .ту ав х ав V /

I/ = К3 ^ +К4 ь , где и™ - текущее значение фазного напряжения в ветви повреждения, В;

тк

- текущее значение тока в ветви предполагаемого повреждения, А.

Кроме алгоритмической модели объекта в виртуальное реле сопротивления входит формирователь замера сопротивления, который объединяет информацию о токах и напряжениях различных режимов (предшествующего и чисто аварийного) в единый алгоритмический параметр - замер текущего сопротивления в месте предполагаемого повреждения. Специфика отпаечного трансформатора такова, что возможны только два вида повреждения на низшей стороне трансформатора. В защите реализовано четыре формирователя замера текущего сопротивления: три для междуфазных и один для трехфазного замыканий.

7 тк = Щ. 7 тк = и % - и %. 7 тк = и тк - и %. 7 тк = и % - и тк

--% т тк ; -%°к т тк т тк ; -%ка т тк т тк ; -т тк т тк .

- 1%к 1%к - 1%а 1%а -

Таким образом, в защите Бреслер-0107,03 заложен дистанционный принцип выявления факта повреждения защищаемого трансформатора. Защита оперирует оцениваемыми алгоритмической моделью величинами. Для каждой отпайки используются собственная АМО и свои установочные характеристики: для защиты от междуфазных и трехфазных замыканий. Все характеристики имеют полигональную форму, что позволяет гибко отстроиться от рабочих коммутаций.

Рис. 4 иллюстрирует принцип работы виртуального реле сопротивления при трехфазном замыкании на стороне низшего напряжения трансформатора. Как известно, расчет токов и напряжений в режиме замыкания можно заменить расчетом предшествующего и чисто аварийного режимов. В модели чисто аварийного режима в ветви повреждения находится источник ЭДС, равный напряжению в точке замыкания в предшествующем режиме.

Е„

и ^п

а

z

2

с2

2 с2 1сі

г

2

сі

с2

б

2

Рис. 4. Алгоритм работы виртуального реле сопротивления:

а - схема сети; б - схема замещения сети в режиме замыкания; в - схема замещения предаварийного режима; 2 - схема замещения чисто аварийного режима

Замер виртуального реле сопротивления при трехфазном замыка-

тк и % и 7 + и % и 7 и % и %

нии: 7 г =-------=-------------=--------1-----, где -----= - 2 экв - эквивалентное

— з т тк -г ав т ав т- ав -г ав —

сопротивление за спиной виртуального реле сопротивления.

Из схемы замещения чисто аварийного режима (рис. 4, 2) вытекает сле-

ипд

- = » , *

% 1 £.экв

_%

дующее равенство: —— = Я% + г

тк и ™

Таким образом, 7 % = тк = Я% + гэкв - гэкв = Я% . Видно, что замер

виртуального реле сопротивления не зависит от величин эквивалентных ЭДС систем и угла передачи между ними. Замер ВРС отстроен от нагрузочных режимов и зависит от переходного сопротивления в месте замыкания и адекватности реальной сети к алгоритмической модели. Альтернативными режимами для адаптивной защиты, реагирующей на изменения режима, являются рабочие коммутации и замыкания в смежных элементах.

На практике модель не адекватна объекту, что, в свою очередь, приводит к смещению замера и, соответственно, к расширению области наблюдаемых режимов, как показано на рис. 5. Это может быть вызвано изменением нагрузки трансформатора, оперативными переключениями на смежных объектах или изменениями параметров самого трансформатора (например, при изменении положения РПН). В данном алгоритме используется линейная аппроксимация сложной области наблюдаемых режимов четырехугольником в целях упрощения операции определения попадания замера АРС в область, ограниченную уставочной характеристикой (уставочная область). Для каждого из состояний защищаемого объекта строится уставочная характеристика по опытам коротких замыканий.

Первый опыт - годограф 1. Строится при варьировании переходного со-

Рис. З. Область отслеживаемых режимов при различных неадекватностях АМО

Z сі

= max,

противления Я/. Параметры объекта зафиксированы: с21 = шт, загрузка отпаечных трансформаторов максимальна.

Второй опыт - годограф 2. Строится при варьировании величины сопро-

тивления системы справа

Z с

= max,

. Параметры объекта - Я=шах, ^ с1

отпаечные трансформаторы на холостом ходу.

Третий опыт - годограф 3. Строится при варьировании переходного со-

Z с

= max, отпаечные

противления Rf. Параметры объекта - Z с11 = max

трансформаторы на холостом ходу.

Четвертый опыт - годограф 4. Строится при варьировании величины со-

противления системы справа

Z

с2

Параметры объекта -

Rf = а

Z с1 = max, загрузка отпаечных трансформаторов максимальна.

Годограф 5 строится при варьировании переходного сопротивления Rf

и при полном соответствии алгоритмической модели имитационной.

Годографы 6 и 7 строятся при варьировании коэффициентов загрузки отпаечных трансформаторов. Годограф 6 - Rf = max, Z с1

= max,

Z с

= min. Годограф 7 - Rf = 0

Z с

= max,

Z с

= max.

Результирующей является характеристика 8, отстроенная от альтернативных режимов и охватывающая все промежуточные годографы, согласно рис. 5.

Пусковой орган защиты дальнего резервирования Бреслер-0107.03 оперирует аварийными составляющими, возникающими при изменении режима работы сети. Реагирует на векторное приращение контролируемой величины: тока прямой последовательности (трехфазные замыкания) и тока обратной

кового органа записывается как Iуст 5 <

К пусковым органам защиты предъявлены следующие требования:

- пускать защиту при замыканиях в зоне и блокировать защиту при замыканиях за спиной;

- блокировать защиту при отключении замыкания основной защитой линии или ответвления.

Для этих целей в защите дополнительно используются измерительные

0ав 7-7-ав & ав

органы, реагирующие на мощность аварийных составляющих 5 = и I

~ Л Оав Отк Опд т>

и на аварийную составляющую мощности А^ ^ ^ . В данных орга-

нах в качестве контролируемых величин были взяты составляющие прямой последовательности, поскольку они изменяются при любых видах повреждений и коммутаций в энергосистеме.

В схеме чисто аварийного режима в месте коммутации находится источник тока или источник ЭДС. Напряжение чисто аварийного режима прямой последовательности в месте установки защиты при коммутации за спиной

ав ав ав ав

равно: и = I гп1, при коммутации в зоне: и =-1 гп2, где гп1 - эквивалентное сопротивление участка цепи перед нами, гп2 - за спиной.

Мощность аварийных составляющих в месте установки защиты при коммутации за спиной примет вид 5ав = (Iав )2 гп1, при коммутации в зоне:

5 “ = -( „ )2 г п2 •

Поскольку эквивалентные сопротивления имеют активно-индуктивный характер, критерием коммутации за спиной является одно из следующих неравенств Яе^ав )> 0,1ш(5ав )> 0, а коммутации в зоне: Яе(^ав) < 0,1ш(5ав) < 0.

Для мощности аварийных составляющих прямой последовательности данные критерии справедливы для всех видов повреждений.

Защите дальнего резервирования необходимо отслеживать изменения режимов работы защищаемой электропередачи и четко различать их:

- переход с нормального режима работы к аварийному режиму;

- переход с аварийного режима работы к нормальному режиму.

Для этой цели предлагается использовать измерительный орган, реагирующий на аварийную составляющую мощности прямой последовательности в месте наблюдения А5 ™ . На примере простейшей имитационной модели, приведенной на рис. 6, рассмотрим применение данного органа.

Анализ имитационной модели нормального режима дает следующее выражение напряжения в месте повреждения Ц_нр = Е(1 + е;ф)/2. Ток чисто

аварийного режима в месте наблюдения имеет вид:

_1 Е

15 =----------;-------при переходе с нормального режима работы к ава-

4 Я^ + ]Х I

рийному;

т- ав2 Е

I 5 =------------------при переходе с аварийного режима работы к нор-

мальному.

4ЯГ + ]Х°1

Р ]Х°Ї /2 Х°1 /2

оЕ

I нр

—У

и 7

]Х°Ї/2

4

EZ^

]Х°Ї/2

і-згі

С)

О о

Р ]Х°Ї /2 ]Х°Ї /2

І . ,------,

Е 17

Яг ЕАр

Ф

I __

б

]Х°Ї/2 ]Х°Ї/2

я,

С)

V

Рис. 6. Простейшая имитационная модель линии электропередачи а - нормальный режим работы; б - режим короткого замыкания; в - чисто аварийный режим при переходе от нормального режима к замыканию; г - чисто аварийный режим при переходе от замыкания к нормальному режиму

При изменении нормального режима на аварийный имеем:

А сав1 т-т-тк &тк пд &пд & кз -нр г&ав1

А Л. = иI- иI= ЕІ. - ЕІ. = ЕІ. =

Е 2(1 + е - ;ф ) 4Яг - ]Х°Ї

При изменении аварийного режима на нормальный имеем:

к гг ав2 т- т- тк & тк т- т- пд & пд 7~'&нр 7~'&кз 7~' &

АЛ. = и. І. - и. I. = ЕІ. - ЕІ5 = ЕІ, =-

Е 2(1 + е- ;ф) 4Я, -]Х°!

Годографы областей А5“ и А5“ не имеют общих точек. Данное утверждение справедливо и при замыканиях в отпаечных трансформаторах.

Критерием возникновения замыкания служит неравенство:

Яе(А5Г е“160 ) > 0 , показывающее, что при возникновении замыкания происходит скачкообразное увеличение реактивной мощности протекающей в месте установки защиты, а при отключении замыкания - скачкообразное уменьшение.

а

I

I

Я

в

г

Упрощенная логика пусковых и блокирующих органов защиты приведена на рис. 7. Приведенная логическая схема позволяет блокировать защиту при замыканиях и коммутациях за спиной; отслеживать переход междуфаз-ного замыкания в трехфазное и наоборот; блокировать защиту при отключении замыкания защитой ответвления; не блокировать защиту при отключении выключателя с противоположного конца линии при неустраненном замыкании в одном из защищаемых трансформаторов.

А і Г > 1

Яе(£ “) < 0

Яе^З^е”і60) > 0

тік 11 > 1 уст

т тк 12 V 1 у ст

А і Г > 0.951 уст

АІ2 > 0.951 уст

Рис. 7. Упрощенная схема логики пусковых органов защиты

Аі ав > і

-2

тк

в зоне

-1

Высокочувствительная защита дальнего резервирования трансформаторов ответвительных подстанций Бреслер-0107.03 построена с учетом современной тенденции развития теории и практики релейной защиты как науки о распознавании аварийных ситуаций в электроэнергетике.

Проведены натурные испытания в различных режимах линии электропередачи: транзита и тупика. Отмечена корректная работа при появлении альтернативной ситуации - разрыва транзита. Защита по результатам натурных испытаний была признана работоспособной и внедрена в производства на НІ III «Бреслер» с 1998 г.

Необходимо заметить, что наличие ближнего резервирования не исключает необходимости в дальнем резервировании на случай отказа коммутационной аппаратуры отпаек [Информационное письмо департамента науки и техники РАО «ЕЭС России» ИП-1-96(Э)]. К тому же дальнее резервирование экономически выгоднее ближнего, особенно для линий с большим числом отпаек.

Литература

1. Васильев Д.С. Высокочувствительная защита дальнего резервирования линий электропередачи /А.О. Павлов, Д.С. Васильев // Энергетик. 2008. № 12. С. 5-7.

2. Павлов А. О. Информационные аспекты распознавания коротких замыканий в линиях электропередачи в приложении к защите дальнего резервирования: дис. ... канд. техн. наук. Чебоксары, 2002.

3. Liamets Y. Informational analysis - new relay protection tool / Y. Liamets, S. Ivanov, A. Podchivaline, G. Nudelman, J. Zakonjsek // Proc. 13th Int. Conf. Power System Protection. Bled. 2002, P. 197-210.

ВАСИЛЬЕВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ - аспирант кафедры теоретических основ электротехники, Чувашский государственный университет, Россия. Чебоксары (dmitrii.vasilyev@bresler.ru).

VASILYEV DMITRY SERGEEVICH - post-graduate student of electrical engineer department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ПАВЛОВ АЛЕКСАНДР ОЛЕГОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ электротехники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (alexp@bresler.ru).

PAVLOV ALEXANDER OLEGOVICH - candidate of technical science, associate professor of electrical engineer department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.