Защита линий сверхвысокого напряжения

ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ЛИНИЙ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ

а) Особенности линий электропередачи сверхвысокого напря­жения

Электрические сети напряжением 500 кВ и выше, сооружаемые для передачи больших мощностей на далекие расстояния, ус­ловно называются сетями сверхвысокого напряжения. В СССР

построены электропередачи 500 кВ длиной 900—1 200 км с про­пускной способностью порядка 1 500 МВт [Л. 59]. Для передачи больших нагрузок на еще большие расстояния проектируются и сооружены линии и подстанции 750 кВ.

Подобные передачи имеют ряд специфических особенностей:

1. В связи с большим значением токов нагрузки (1 000— 2 000 А) сечение проводов получается очень большим, поэтому по конструктивным соображениям, а также с целью уменьшения индуктивного сопротивления передачи ее фазы выполняются расщепленными обычно на три параллельно идущих провода.

2. На дальних передачах устанавливаются реакторы Р (рис. 14-1) для компенсации большого емкостного тока линий.

3. Для повышения пропускной способности передачи иногда применяется продольная емкостная компенсация (рис. 14-2). Конденсаторы С, включенные последовательно в фазы линии, уменьшают (компенсируют) индуктивное сопротивление цепи.

б) Особенности условий работы релейной защиты передач сверхвысокого напряжения

Рассмотренные особенности линий электропередачи 500 и 750 кВ оказывают существенное влияние на требования, предъявляе­мые к релейной защите, и условия ее работы:

1. Линии электропередачи 500 и 750 кВ работают с малым запасом по статической и динамической устойчивости, так как но экономическим соображениям они проектируются с максимально возможной нагрузкой.

Поэтому, как правило, к. з. в любой точке такой линии необ­ходимо отключать со временем не более чем 0,1—0,12 с. С учетом, что современные выключатели действуют с временем порядка 0,08 с, собственное время релейной защиты не должно превышать 0,02—0,04 с. Таким образом, на передачах сверхвысокого напря­жения к релейной защите предъявляются особенно высокие требо­вания в части быстроты действия.

2. Благодаря большой длине линий и высокой загрузке токи I_р и сопротивления r_р в нормальных режимах и при к. з. во многих случаях оказываются соизмеримыми, что усложняет выполнение защиты и требует применения устройств с повышенной чувстви­тельностью.

3. Вследствие большого значения емкостной проводимости ωС линии электропередачи 500 и 750 кВ и высокого уровня рабочего напряжения U_Л емкостные токи 1_с = U_Л ωС на линиях сверх­высокого напряжения значительно превосходят аналогичные токи в сетях 110 и 220 кВ.

Ток I_с одного километра линии при номинальном напряжении составляет: в сети 500 кВ — 1÷1,2 А, в сети 220 кВ — 0,34 А, а в сети 110 кВ — 0,2 А.

В результате этого емкостные токи на передачах сверхвысокого напряжения оказывают в некоторых случаях заметное влияние на работу релейной защиты.

При анализе и расчетах распределенную емкость фазы линии обычно заменяют сосредоточенной емкостью С по Т- или П-образной схеме. Как следует на рис. 14-3, ток на одном конце линии

равен геометрической сумме, а на другом — геометрической раз­ности тока I_c и сквозного тока I_к, так _т = _к + _ст, а _п = _Сn - _к. Таким образом, ток I_с искажает величину и фазу тока, проходящего по линии. Чем больше I_c и меньше I_к, тем сильнее искажающее влияние емкостных токов.

Указанное искажение фаз токов в линии оказывает влияние на работу дифференциально-фазной и направленной высокочастот­ных защит.

Характерный случай недопустимого влияния тока I_c на пове­дение дифференциально-фазной защиты типа ДФЗ показан на рис. 14-4.

Защита ДФЗ-2 сравнивает фазы токов ₁ + k ₂, при этом составляющая kI₂ преобладает.

На рис. 14-4 представлено распределение токов I₂ по парал­лельным линиям при несимметричном к. з. в точке К. Если при этом напряжение U₂ на шинах т и п окажется одинаковым, то в неповрежденной линии Л₁ будет проходить только емкостный ток (сквозной ток I₂ = 0). На обоих концах линии емкостный ток равен I_{2 с}/2 и имеет одинаковую фазу. Это значит, что фазы токов на концах неповрежденной линии будут такими же, как и при к. з. на ней. Благодаря этому дифференциально-фазная защита на неповрежденной линии Л₁ будет действовать под влиянием емкостного тока неправильно.

Искажающее влияние емкостной проводимости на токи к. з. устраняется применением устройства, компенсирующего ток I_c во вторичном токе трансформаторов тока, питающих защиту. При наличии компенсации ток, питающий защиту, будет равен току к. з. Такая компенсация получила применение в дифферен­циально-фазных защитах линий 500 и 750 кВ.

4. На линиях 500 и особенно 750 кВ при появлении и отключе­нии к. з., а также при оперативных переключениях возникают элек­тромагнитные переходные процессы, обусловленные наличием ин­дуктивного сопротивления шунтирующих реакторов, емкости продольной компенсации и распределенных постоянных X и С длинных линий. Переходные процессы сопровождаются появлением апериодической составляющей и токов высших и низших частот. Апериодический ток искажает вторичный ток, питающий защиту, и может вызвать неправильную работу быстродействую­щих измерительных органов.

Появление составляющих другой частоты нарушает правильное действие отдельных элементов защиты и может вызвать её ложную работу. Нежелательное влияние токов с частотой, отличной от 50 Гц, устраняется применением частотных фильтров, пропу­скающих в защиту только токи основной частоты.

5. Емкость С устройства продольной компенсации (УПК) уменьшает реактивное сопротивление линий электропередачи и оказывает вследствие этого влияние на величину и фазу токов и сопротивлений, на которые реагируют токовые, дистанционные и направленные защиты.

Особенности условий работы некоторых защит на линиях с УПК рассмотрены ниже.

Токовые отсечки. Ток к. з., на который реагирует отсечка,

где х_АК — реактивное сопротивление сети от источника питания до точки к. з. К (рис. 14-5, а).

При к. з. до УПК сопротивление х_АК1 = х_с + х_Лк, оно растет при удалении точки к. з. К, в связи счем ток I_к (рис. 14-5, б) уменьшается.

В случае к. з. за УПК х_АК2 = х_с + х_лк — х_{уп к}. Таким образом, при перемещении места к. з. из К_х в К₂ ток к. з. увели­чивается скачком от I_К1 до I_К2, так как из-за компенси­рующего действия емкости С УПК х_аk2 < х_ак1.

По мере дальнейшего пе­ремещения точки К₂ ток I_к снова уменьшается за счет роста х_лк.

Характер изменения тока в зависимости от расстояния до места к, з. на линии с УПК изображен на рис. 14-5, б кривой 1. Для сравнения пунктиром показана та же зависимость при отсутствии УПК (кривая 2).

Ток срабатывания мгно­венной отсечки выбирается так, чтобы она не действо­вала за пределами защищае­мой линии.

Из приведенных кривых 1 и 2 видно, что при нали­чии УПК I˝_с.з. > 1'_с.з., а зона действия отсечки соответственно меньше, чем при отсутствии УПК (ОА < ОВ).

Таким образом, продольная компенсация существенно снижает эффективность токовой отсечки и ограничивает возможность ее применения.

Аналогично влияет УПК и на токовые отсечки нулевой после­довательности, но в меньшей степени, поскольку х₀ линии в 2— 3 раза больше х₁, а х₀ и х₁ УПК одинаковы, поэтому емкостное сопротивление х_упк в меньшей степени снижает суммарное ин­дуктивное сопротивление х₀ сети и линии от места установки за­щиты до точки к. з.

Дистанционная защита. На рис. 14-6 показан характер изме­нения сопротивления z_р = z_ак при удалении точки к. з. К от места установки дистанционной защиты Р₁. При к. з. до УПК (участок линии АС на рис. 14-6, а и б) z_p= z_ак1 = r_уl_ак1 + jx_yl_АК1 где r_у и х_у — удельные сопротивления 1 км линии, а l_АК1 ± — рас­стояние до точки К₁. На этом участке сопротивление z_p растет пропорционально расстоянию до места к. з. При переходе точки к. з. за УПК (из К₁ в К₂) величина z_p = r_уl_ак2 + j (x_yl_АК2 — x_упк) резко уменьшается, поскольку x_упк компенсирует опре­деленную часть индуктивности линии. При дальнейшем удалении точки К (за точку К₂) z_p снова нарастает, но закон пропорциональ­ности между z_p и I_к, положенный в основу принципа действия дистанционных защит, оказывается нарушенным (см. рис. 14-6, б и в).

Таким образом, далекое к. з., происшедшее на смежной линии ВО, воспринимается защитой Р_г как близкое к. з., расположенное на защищаемой линии АВ, в результате защита может срабатывать неправильно с выдержкой времени первой зоны. Помимо искаже­ния величины z_p, x_упк может исказить знак реактивной состав­ляющей z_p, что приводит к нарушению направленности действия защиты. Такие условия возникают тогда, когда емкостное сопротивление УПК преобладает над индуктивным сопротивлением линии, от места установки защиты до места включения продольной компенсации. Например, для защиты Р₁ при x_упк > x_ас = х_у1_ас=x_л сопротивление z_К2 в случае повреждения в точке К₂ и за ней имеет емкостный характер, т. е. его индуктивная составляющая имеет отрицательный знак, поэтому вектор z_p = z_К2 расположен в IV квадранте (см. рис. 14-6, г). Это означает, что реле Р₁ не будет действовать, оно воспринимает это к. з. как повреждение до шин А.

Интересно отметить, что и реле Р₃, находящееся у места к. з. (при повреждении в К₂), отказывает в действии по той же причине, так как x_упк > x_вс. В то же время реле Р₂ придет в действие, хотя по своему принципу оно не должно работать. При индуктив­ном сопротивлении участка ВС (к. з. в К_г) z_p2 на реле Р₂ имеет отрицательный знак и располагается в III квадранте (рис. 14-6, д), если же сопротивление ВС станет емкостным (при к. з. в К₂), то вектор z_p2 попадает во II квадрант, в часть, охваченную харак­теристикой реле, и оно неправильно срабатывает.

Из всего сказанного следует, что наличие УПК весьма суще­ственно влияет на поведение дистанционных защит, искажая величину и знак z_p и приводит к неправильным действиям этих защит. Применение дистанционных защит в сети с УПК воз­можно при условии ограничения их зон действия и при относи­тельно небольшом значении x_упк. Например, если x_упк < x_ав, то первая зона защиты Р₁ должна быть отстроена от z_k2, как представлено на рис. 14-6, в (окружность 2), вторая зона (окруж­ность 2) должна охватывать остальную часть линии, не вошед­шую в первую зону. Защиту Р₂ можно применять только с выдерж­кой времени, поскольку она теряет направленность при к. з. за УПК. Защита Р₃, как правило, неэффективна (с учетом ее отказа в работе при к. з. за УПК).

Направленная защита (токовая). Наличие продольной ком­пенсации может вызывать отказ и неправильное действие реле направления мощности в направленных защитах. Например, реле мощности, расположенное в Р₂ (рис. 14-6, а), может непра­вильно работать при к. з. в точке К₂ за УПК (см. характеристику реле 1 на рис. 14-6, д).

в) Выполнение защит на электропередачах 500 кВ

Отмеченные выше особенности дальних передач и условий работы защиты потребовали разработки специальных устройств, позволяющих обеспечить повышенное быстродействие, высокую чувствительность и правильную работу органов защиты в нор­мальных и аварийных режимах электрических сетей 500 кВ с учетом влияний емкостной проводимости, продольной и попе­речной компенсаций.

Принципы защиты дальних передач. Основная защита на дальних электропередачах должна обеспечивать отключение к. з. без выдержки времени в пределах всей защищаемой линии. Из известных в настоящее время защит этому требованию удовлет­воряют дифференциально-фазные и направленные высокочастот­ные защиты, а также дистанционные с высокочастотной блокиров­кой. В СССР в качестве основной защиты на линиях 500 кВ при­меняются дифференциально-фазные защиты ДФЗ-501 и ДФЗ-503, разработанные с учетом особенностей дальних передач. На линиях 750 кВ применяется направленная защита с в. ч. блокировкой типа НДФЗ-750 с t = 0,02 с. В качестве резервных защит исполь­зуются ступенчатые направленные защиты нулевой последова­тельности и дистанционные защиты.

С учетом того, что отказ в действии основной быстродействую­щей защиты и особенно одновременный отказ в работе основной и резервной защит могут привести к нарушению устойчивости электропередачи и вызвать тяжелую аварию системного значения, релейная защита дальних передач сверхвысокого напряжения должна обладать особенно высокой надежностью действия.

Для этой цели помимо повышенной надежности самих уст­ройств релейной защиты, применяемых на дальних электропере­дачах, необходимо выполнить два условия: 1) предусмотреть раз­деление токовых цепей и оперативных цепей основной и резерв­ной защит так, чтобы неисправность любого элемента одной за­щиты не могла привести к отказу в действии другой защиты, 2) обеспечить при отказе основной защиты работу резервной защиты с выдержкой времени, гарантирующей сохранение устой-. чивости электропередачи. Это можно достигнуть ускорением вторых зон резервных защит с помощью высокочастотной блоки­ровки или передачей отключающих импульсов на противопо­ложный конец линии при действии быстродействующей ступени резервной защиты на одном из концов поврежденной цепи. Вторым вариантом, обеспечивающим сохранение устойчивости при отказе основной защиты, является установка наряду с резерв­ной второй быстродействующей защиты. Вызванные этим удоро­жание и усложнение защиты вполне оправданы.

Дифференциально-фазная защита типа ДФЗ-501. Защита вы­полнена на тех же принципах, что и ДФЗ-2. Она основана на сравнении фаз токов ₁ + k ₂ и состоит из трех органов: пуско­вого, манипуляции и сравнения фаз. Исполнение ее органов имеет некоторые особенности, обеспечивающие правильную работу защиты в специфических условиях дальних передач сверхвысокого напряжения.

Особенности пускового органа. 1. Проведенные сравнения показали, что на дальних передачах более чувствительным яв­ляется пуск по U₂. Поэтому, в дифференциально-фазной защите для длинных линий типа ДФЗ-501 пусковой орган защиты выпол­нен с помощью реле напряжения обратной последовательности. Как было показано (§ 12-6, б), обязательным условием пра­вильной работы защиты при внешних к. з. является работа в. ч. постов на обоих концах линии.

При включении пусковых реле па напряжение обратной после­довательности в месте установки защиты (U_2m и U_2п) это условие выполняется не во всех случаях, так как напряжение U ₂ умень­шается при удалении от точки к. з. (рис. 14-7). Вследствие этого имеется возможность срабатывания пусковых реле защиты только на одном конце линии, ближнем к месту к. з. (рис. 14-7), что при­водит к ложному действию.

Для устранения этого недостатка и обеспечения правильной работы защиты к пусковым реле на обоих концах линии должны подводиться равные напряжения U₂. Это достигается включением пусковых реле на компенсирован­ное напряжение обратной после­довательности:

, (14-1)

где ₂ и ₂ — напряжение и ток обратной последовательности в месте установки защиты; z_2К — сопротивление компенсации.

Сопротивление z_2К выбирается так, чтобы напряжение U_2p при внешнем к. з. соответствовало на­ пряжению в середине защищае­мой линии (точка N на рис. 14-7). Исходя из этого, z_2К при­нимается равным половине полного сопротивления линии z_л (z_2К = z_л /2). При таком включении пусковые реле на обоих концах линии получают одно и то же напряжение U ₂. Это обеспечивает одинаковые условия их работы и пуск высокочастотных постов на обеих сторонах линии при внешних к. з.

Компенсация напряжения U₂ осуществляется с помощью трансреактора ТК, включенного в рассечку каждой фазы вторичной цепи трансформатора напряжения, питающего фильтр Ф₂ (рис. 14-8). Вторичная э.д. с. трансреактора ТК Е_к = I_фz_2К, где z_2К — сопротивление, обусловленное взаимоин­дукцией между обмотками ТК, соответствующее сопротивлению компенсации. Первичная обмотка ТК питается током I_ф.

Результирующее напряжение каждой фазы, подводимое к фильтру обратной последовательности Ф₂, равно:

_{рез. ф} == _ф — z_{2К ф}.

На выходе фильтра Ф₂ получается составляющая обратной по­следовательности этого напряжения, т. е. компенсированное напря­жение _2Р = _2ф — z_{2К 2ф}, как это требуется по выражению (14-1).

2. В соответствии с предъявляемыми требованиями защита ДФЗ-501 отличается повышенной быстротой действия. В связи с этим возникла необходимость ускорения пуска передатчиков, генерирующих токи в. ч.

Для этой цели помимо обычного пуска от контактов пускового реле ПР₁ (рис. 14-8) предусмотрен бесконтактный пуск, осуществляемый с помощью выпрямленного напряже­ния Uр, питающего пус­ковые реле защиты ПР₁ и ПР₂, которые подво­дятся к лампе Л₁ упра­вляющей работой передатчика.

В нормальных условиях U_р = 0, лампа Л₁ открыта, к передатчику подается минус, вследствие чего передатчик не работает.

При появлении напряже­ния U_р потенциал сетки лам­пы Л₁ по отношению к ее ка­тоду становится отрица­тельным и лампа закры­вается. В результате этого к передатчику через сопротивле­ние подводится плюс и пере­датчик начинает работать. Контактный пуск производит­ся при срабатывании реле ПР₁. Оно размыкает контакты и снимает минус с катода, при этом на катод Л₁ подается положительное смещение с по­тенциометра R₄, лампа Л₁ за­крывается и передатчик при­ ходит в действие.

Бесконтактный пуск передатчика часто называется безы­нерционным; как видно из схемы, он действует быстрее, чем контактный пуск.

3. При обрыве одной или двух фаз цепей напряжения, питаю­щего фильтр Ф₂, вторичное напряжение становится несимметрич­ным, в нем появляется U₂, могущее вызвать, работу реле ПР₁ и ПР₂.

При этом происходит односторонний пуск защиты, вызывающий ее ложное действие. Для предупреждения этого в схеме защиты предусматривается блокировка, выводящая за­щиту из действия при обрыве цепей напряжения.

Особенности органа манипуляции. Орган манипуляции ДФЗ-501 состоит из комбинированного фильтра Ф_м, выполненного так же, как и в ДФЗ-2, и дополнительного устройства компенса­ции УК (рис. 14-9), устраняющего влияние емкостных токов прямой и обратной последовательностей защищаемой линии на ве­личину и фазу напряжения U_м = ( ₁ + k ₂), получаемого от фильтра Ф_м.

Компенсирующее устройство представляет собой фильтры напряжения прямой и обратной последовательностей U₁ и U₂, питающие трансформаторы ТК1 и ТК2 соответственно. На выходе трансформаторов получаются напряжения U_К1 и U_К2, пропорцио­нальные прямой и обратной последовательности емкостных токов линии (I_С1 и I_С2): U_к1 ≡ I_С1, U_К2 ≡ I_с2.

Как видно из рис. 14-9, эти напряжения включаются в выход­ную цепь трансформатора манипуляции ТМ, питаемого фильт­ром Ф_м, и уничтожают (компенсируют) емкостные составляющие напряжения U_М, обусловленные емкостными токами I_c1 и I_с2.

На рис. 14-10 приведены векторные диаграммы токов обратной последовательности на обоих концах линии, поясняющие компен­сацию емкостных токов обратной последовательности 1_С2. Век­торные диаграммы построены без учета активных составляющих сопротивлений сети.

Диаграммы показывают, что в результате компенсации срав­ниваемые вторичные токи на обоих концах линии при внешних к. з. получаются равными по величине и сдвинутыми по фазе на 180°. С помощью аналогичных диаграмм можно пояснить компенсацию емкостных токов прямой последовательности.

Для устранения влияния токов с частотой, отличной от 50 Гц, возникающих при неустановившихся режимах в сетях 500 кВ, предусмотрен специальный частотный фильтр. Фильтр состоит из дросселя ДР1 и емкостей С₃ и С₂ (рис. 14-9), включенных на выходе органа манипуляции. Фильтр пропускает только токи с частотой 50 Гц. Защита ДФЗ-501 получила широкое распростра­нение в СССР на линиях 500 кВ [Л. 59, 60]. Готовится к выпуску за­щита типа ДФЗ-503 с улучшенными схемами отдельных узлов: орга­на манипуляции, блокировки от нарушения цепей напряжения и др.

Дата добавления: 2014-12-23