Повышение эффективности релейной защиты электрических распределительных сетей 110-220 кВ при несимметричных повреждениях

Электроэнергетика является одной из базовых отраслей экономики любой страны, в том числе и Российской Федерации. Каждому этапу развития энергетики соответствует адекватная ей идеология построения систем релейной защиты (РЗ) и автоматики (РЗА), в том числе и противоаварийной автоматики (ПА), обеспечивающие надежную работу энергообъектов и снабжение электроэнергией потребителей.

В период широкого сетевого строительства (с начала 60-х годов прошлого столетия) создавались как сети сверхвысокого напряжения 500 — 750 -1150 кВ, позволившие объединить отдельно работающие энергосистемы в единую энергосистему «ЕЭС СССР» («ЕЭС России») и способные передавать большие потоки мощности на значительные расстояния, так и распределительные сети более низкого напряжения 110 — 220 кВ.

Это был период стремительного развития РЗА и ПА больших энергосистем и их объединений, как с точки зрения теории построения релейной защиты, так и создания новых более совершенных устройств. В их создании участвовали многие ученые: A.M. Федосеев, В. М. Ермоленко, С. Я. Петров, А. Б. Чернин, Е.Д. Сапир^Г.В. Микуцкий, М. И. Царев, А. В. Барзан, М. А. Беркович,.

А.Д. Дроздов, М. И. Сирота, B.JI. Фабрикант, А. И. Левиуш, В. К. Ванин и в дальнейшем представители школы релейной защиты профессора А. Д. Дроздова: В. В. Платонов, А. С. Засыпкин, Э. В. Подгорный, С. Л. Кужеков, Г. В. Бердов, М. М. Серединпредставители Чебоксарской школы релейной защиты: Ю. Я. Лямец, Г. С. Нудельман, Н. А. Дони, Ю. Н. Алимов, а также учебные, научно-исследовательские институты и производственные объединения: Энергосетьпроект, ВНИИЭ, ВНИИР, ЮРГТУ (НПИ), МЭИ, ЧЭАЗ и в последние годы Hi 111 «Экра», Hi 111 «Бреслер» и другие организации.

В настоящее время все оборудование распределительных устройств подстанций, линий электропередачи имеют основную и резервную защиты. Последние, кроме защиты своего участка, осуществляют резервирование защит дальнего резервирования разработаны устройства ближнего резервирования, позволяющие локализовать повреждение в пределах одного объекта. Например, устройство резервирования отказа выключателя при срабатывании защиты и отказе выключателя присоединения производит отключение всех присоединений на этом объекте, исключая отключения на смежных объектах. Электрификация больших территорий осуществлялась как развитием распределительных сетей низшего уровня напряжений 6−10−35 кВ, так и более высокого напряжения 110−220 кВ. Распределительные электрические сети напряжением 110−220 кВ являются одними из главных в электроснабжении потребителей и от их надежности зависит устойчивое, бесперебойное их функционирование. Поэтому повышению надежности работы сетей, упрощению схем подстанций, уделяется постоянное внимание. Институтом «Энергосетьпроект» разработаны отвечающие этим требованиям и нашедшие широкое применение в энергосистемах проходные подстанции 110−220 кВ с упрощенными схемами первичных соединений. Проходные подстанции содержат минимальное число выключателей для линий, отделители и короткозамыкатели в цепях трансформаторов. Разработки источников переменного оперативного тока и использование их вместо аккумуляторных батарей на подстанциях распределительной сети 110 кВ значительно снизили затраты на строительство подстанций. Комплексный подход в построении РЗА распределительных сетей напряжением 6−110 кВ содержится в работах Я. С. Гельфанда, M.JI. Голубева, М. И. Царева, М. А. Шабада, В.А. Ру-бинчика, А. В. Богдана, М. Я. Клецеля В.И. Нагая и др.

Схемы проходных подстанций содержат также высоковольтные трансформаторы тока и трансформаторы напряжения для защит линий. Существующие принципы построения релейной защиты линий не позволяют произвести упрощение схемы в этом звене подстанции. Разработка токовых защит нулевой последовательности (НП) линий, использующих токовый принцип обеспечения селективности без информации о напряжении сети, позволяет исключить трансформаторы напряжения высшей стороны и упростить схемы подстанций распределительной сети 110 кВ.

В эксплуатации обозначились проблемы с релейной защитой при разрывах фаз линий, что обусловлено: неселективным отключением линий 110−220 кВотсутствием защит от сверхтоков нулевой последовательности у трансформаторов распределительной сети 110 кВ, работающих с заземленной нейтралью, в режимах продольно-поперечной несимметрии — при разрывах фаз и замыканием их на землю (чаще одной фазы и падением провода на землю). По фазам трансформаторов в этих режимах протекают токи нулевой последовательности в несколько раз превышающие номинальные. Защиты трансформаторов этих токов не выявляют и на них не реагируют, поэтому они могут протекать длительно и составлять угрозу целости трансформаторов и другого оборудования подстанции.

Теоретические основы неполнофазных режимов и режимов продольно-поперечной несимметрии, поведение защит в них глубоко разработаны и изучены в работах С. А. Ульянова, А. Б. Чернина, Н. Н. Щедрина, С. Б. Лосева, А. М. Авербуха и других авторов. Разработаны вопросы построения защит в электрических сетях высокого напряжения 330−500−750 кВ в режимах однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ), перевода линии на работу двумя фазами. Но в распределительных сетях 110−220 кВ этим знаниям следует уделить большее внимание. Распознавание этих режимов защитами линий в них затруднено. Использование чувствительных ступеней токовых защит нулевой последовательности, в том числе и дополнительно устанавливаемых, не всегда эффективны, т.к. их диапазоны и чувствительность ограничиваются. Вопросам построения релейной защиты элементов распределительных сетей при различных видах неполнофазных режимов уделяется внимание в ЮРГТУ (НПИ) и им посвящены работы В. И. Нагая.

В последние годы в распределительной сети 110 кВ наметилась тенденция замены отделителей и короткозамыкателей в цепях трансформаторов на выключатели 110 кВ. Надежность электроснабжения потребителей от этого повышается. Но в схемах этих подстанций проявился недостаток — не обеспечивается ликвидация коротких замыканий на низшей стороне в случаях отказа в отключении выключателя (его привода) со стороны высшего напряжения трансформатора. Такая замена должна сопровождаться совершенствованием ближнего и дальнего резервирования при возможном отказе в отключении выключателя 110 кВ трансформатора.

Таким образом, решение актуальных проблем совершенствования релейной защиты распределительных сетей 110−220 кВ представляет собой важную научно-техническую задачу.

Цель работы: разработка способов, алгоритмов и устройств релейной защиты для их реализации, позволяющих обеспечить селективное действие при более высокой чувствительности, упростить схемы соединения подстанций 110 кВсовершенствование технических решений по релейной защите линий 110−220 кВ и трансформаторов (автотрансформаторов) — разработка эффективного ближнего резервирования на подстанциях с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора распределительной сети 110 кВ.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

— разработка способов обеспечения селективности токовых защит нулевой последовательности повышенной чувствительности в распределительной сети без использования информации о напряжении сети, оценка области их применяемости;

— разработка алгоритмов функционирования и техническая реализация селективного органа токовых защит;

— обоснование необходимости выполнения и разработка способов построения релейной защиты линий 110−220 кВ при разрывах фаз;

— разработка защит понижающих трансформаторов распределительной сети 110 кВ от коротких замыканий на линиях при разрывах фаз;

— обоснование принципов построения и практической реализации схем дистанционных защит линий проходных подстанций 110 кВ при питании их от трансформаторов напряжения низшей стороны трансформатора;

— разработка мероприятий ближнего резервирования защит трансформаторов подстанций с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора распределительной сети 110 кВ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы физического моделирования, теоретической электротехники, алгебры логики, лабораторные исследования и натурные испытания.

Научная новизна выполненных исследований и разработок состоит в следующем:

1) предложен способ обеспечения селективности токовых защит нулевой последовательности на основе контроля токов присоединений, обеспечивающий ее повышенную чувствительность без использования информации о напряжении сети;

2) определена область применения токовых избирателей поврежденного присоединения предложенного способа и способа на основе контроля направления мощности построения токовых защит нулевой последовательности трансформаторов, автотрансформаторов, радиальных линий при наличии взаимоиндукции между цепями, линий 110−220 кВ кольцевых сетей;

3) разработаны алгоритмы функционирования специальной защиты от неполнофазных режимов на линиях 110−220 кВ и понижающих трансформаторах распределительной сети 110 кВ;

4) определено влияние регулирования напряжения под нагрузкой трансформаторов проходных подстанций 110 кВ на зоны действия дистанционных защит линий при включении защит на трансформаторы напряжения стороны низшего напряжения.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны устройства, обеспечивающие селективность токовых защит нулевой последовательности, устройства применены в защитах следующих объектов: автотрансформаторовлиний 110−220 кВ при разрывах фазрадиальных линий 110−220 кВ с взаимоиндукциейлиний проходных подстанций распределительной сети 110 кВ, что позволило упростить первичные схемы соединений подстанций.

2. Обоснована необходимость дополнения Правил устройства электроустановок и Руководящих указаний по релейной защите положениями о выполнении на линиях 110−220 кВ специальной селективной релейной защиты при разрывах фаз. Предложены и разработаны защиты: линий 110−220 кВ при разрывах фазрадиальных линий с взаимоиндукцией при недостаточной чувствительности токовых защит нулевой последовательностипонижающих трансформаторов распределительной сети 110 кВ от сверхтоков нулевой последовательности в режимах продольно-поперечной несимметрии.

3. Разработаны мероприятия по модернизации и алгоритмы функционирования дистанционных защит линий проходных подстанций 110 кВ с использованием трансформаторов напряжения стороны низшего напряжения.

4. Разработаны схемо-технические решения устройств ближнего резервирования ПС с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора распределительной сети 110 кВ.

5. Предложена схема питания цепей напряжения дистанционной защиты линии с минимальным количеством реле-повторителей положения разъединителей и малой потребляемой мощностью.

Реализация результатов работы. На основе разработанных автором и реализованных АО «РЕОН» (г.Чебоксары) токовые селективные органы включены в проект защит линий 110 кВ ПС «Клетская», в проект защит радиальных линий 110 кВ ПС 500 кВ Балашовская — ПС Бубновская (Волгоградэнерго). Проект реализован на ПС Бубновская, в защите при разрывах фаз линий связи 110 кВ Камышинской ТЭЦ с системой ОАО Волгоградэнерго.

Автором или при его участии для ОАО Волгоградэнерго:

— разработаны и внедрены технические решения выполнения схемы организации выпрямленного оперативного тока защит трансформаторов 10 MB-А ПС 110 кВ Заводская и Деминская с использованием одной фазы трансформатора напряжения 110 кВ;

— при проектировании подстанций 110 кВ предложено институтам «Энергосетьпроект» и «Тяжпромэлектропроект» (г.Волгоград) использовать.

10 MB-А ПС 110 кВ Заводская и Деминская с использованием одной фазы трансформатора напряжения 110 кВ;

— при проектировании подстанций 110 кВ предложено институтам «Энергосетьпроект» и «Тяжпромэлектропроект» (г.Волгоград) использовать схему ПС с отделителем и выключателем в цепи трансформатора и УРОВ 110 кВ;

— совместно с институтом «Энергосетьпроект» (г.Волгоград) разработаны для дистанционных защит линий схемы панелей реле-повторителей положения разъединителей присоединений двойной системы шин 110 кВ в проекте ПС 220 кВ Иловля 2. Проект реализован и панели включены в работу.

Апробация работы: основные результаты работы докладывались на Первой научно-технической конференции Чебоксарского центра РЗА «Релейная защита и автоматическое управление электроэнергетическими системами» (г. Чебоксары, 1997 г.), на научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем-2000» (г. Москва, 2000 г.), на XXII сессии Всероссийского семинара РАН «Кибернетика электрических систем» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2000 г.), на научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем-2002» (г. Москва, 2002 г.), на технических советах ОАО Волгоградэнерго (г. Волгоград 1995;2000 гг.).

Публикации. По результатам работ опубликовано без соавторов 22 печатные работы, из них статей — 10, свидетельств на полезные модели — 7, патентов РФ — 2.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы и изложена на 183 с. и содержит: 97 с. текста, 46 с. рисунков, 32 с. приложений, 8 с. списка литературы из 80 названий.

4.4. Выводы.

1. Разработано выполнение дистанционной защиты с подключением к трансформатору напряжения низшей стороны трансформатора, что позволяет исключить трансформатор напряжения стороны высшего напряжения на действующих подстанциях или не использовать его на проектируемых подстанциях (за исключением подстанций, где на линиях требуется учет электроэнергии). Это позволяет упростить схему подстанции и повысить ее надежность.

Разработана методика расчета и согласования уставок дистанционных защит линий проходных подстанций 110 кВ с включением их на трансформаторы напряжения низшего напряжения.

При выборе уставок дистанционных защит необходимо учитывать, что возможно сокращение зоны защиты при регулировании напряжения под нагрузкой трансформатора.

2. Разработаны алгоритмы функционирования и технические решения выполнения дистанционных защит проходных подстанций на основе реле сопротивления, подключаемых к трансформаторам тока на стороне высшего напряжения и трансформатору напряжения на стороне низшего напряжения и блокирующего реле тока, подключенного к трансформаторам тока высшего напряжения трансформатора. Наличие токовой блокировки позволяет обеспечить действие защиты только при коротких замыканиях на отходящих линиях ИОкВ.

3. При модернизации подстанции 110 кВ с отделителем и короткозамы-кателем путем уставки высоковольтного выключателя предложено устанавливать отделитель вместо разъединителя в цепи трансформатора, что позволяет обеспечить эффективное ближнее резервирование при отказе в отключении выключателя. Это мероприятие может быть рекомендовано и на проектируемых подстанциях.

4. Разработаны схемо-технические решения для ответвительной одно-трансформаторной подстанции 110 кВ, с выключателем 110 кВ в цепи трансформатора, обеспечивающие упрощение ее схемы и повышение надежности защиты оборудования подстанции путем: уставки отделителя 110 кВ вместо разъединителя в цепи трансформатора, использующегося для отключения коротких замыканий на стороне низшего напряжения при отказе выключателявыполнения автоматики резервирования отказа выключателя — УРОВ 110 кВпри действии защит трансформаторавыполнения максимальных токовых защит на стороне 110 кВ трансформатора — основной и резервной с использованием собственного оперативного токаиспользования одной фазы трансформатора напряжения 110 кВ, вместо трех для образования выпрямленного оперативного тока защит трансформатораотказа от линии 6−10 кВ и трансформатора резервного питания собственных нужд подстанции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научно-практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен способ и алгоритм функционирования токового селективного органа, обеспечивающий выбор поврежденного присоединения и позволяющий:

— увеличить чувствительность защиты по сравнению со способами контроля направления мощности;

— исключить цепи напряжения защиты и, как следствие, исключить трансформаторы напряжения на стороне высшего напряжения проходных подстанций 110 кВ, что упрощает схему первичных соединений подстанции.

2. Разработаны устройства для реализации способа, использующие токовый селективный орган, и схемно-аппаратные решения его применения в токовых защитах нулевой последовательности трансформаторов и автотрансформаторов 200/110 кВ, линий проходных подстанций распределительной сети 110 кВ, параллельных радиальных линий 110−220 кВ.

3. На основе анализа режимов работы сетей 110−220 кВ показана необходимость применения и разработаны схемы выполнения специальной селективной релейной защиты в режимах продольно-поперечной несимметрии на воздушных линиях 110−220 кВ.

Предложено в новую редакцию Правил устройства электроустановок внести требование о наличии селективной защиты от указанных режимов на воздушных линиях.

4. Определена область применения токового селективного органа и органов направления мощности в режимах продольно-поперечной несимметрии на параллельных и кольцевых линиях, от коротких замыканий на землю на радиальных воздушных линиях при наличии взаимоиндукции между цепями в зависимости от параметров сети.

5. Разработаны алгоритмы функционирования и технические решения выполнения дистанционной защиты с блокирующим реле тока с подключением ее к трансформаторам тока на стороне высшего напряжения и трансформаторам напряжения стороны низшего напряжения, позволяющие обеспечивать действие защиты только при коротких замыканиях на отходящих линиях 110 кВ.

6. Разработана методика и согласования уставок дистанционных защит линий проходных подстанций 110 кВ при включении их к трансформаторам напряжения стороны низшего напряжения, учитывающая изменение защищаемых зон линий на величину относительного значения диапазона регулирования напряжения под нагрузкой трансформатора, что позволяет отказаться от трансформаторов напряжения стороны высшего напряжения.

7. При модернизации подстанций 110 кВ с отделителями и короткоза-мыкателями и на проектируемых подстанциях с установкой высоковольтного выключателя 110 кВ в цепи трансформатора предложено в качестве исполнительного органа релейной защиты устанавливать отделитель 110 кВ (вместо разъединителя в цепи трансформатора), что позволяет обеспечить ближнее резервирование при отказе в отключении выключателя, и разработаны схемотехнические решения для данного типа подстанций.