ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

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 ω С линии электропередачи 500 и 750 кВ и высокого уровня рабочего напряжения U_Л емкостные токи 1_с = U_Л ω С 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 = _С_n - _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 I₂_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_а_k₂ < 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 УПКI˝ _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, ах₀ их₁ 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_упккомпенсирует 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_К2расположен 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 (U₂_m и U_2п) это условие выполняется не во всех случаях, так как напряжение U₂ 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 U₂_p 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 U₂. 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 Л₁закрывается 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 ПР₁и 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.

⇐ Предыдущая 43 44 45 46 474849 50 51 52 Следующая ⇒