Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Электроника ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
просмотров - 401

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 сбольшим значением токов нагрузки (1 000— 2 000 А) сечение проводов получается очень большим, в связи с этим 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 релœейной защиты передач сверхвысокого напряжения

Рассмотренные особенности линий электропередачи 500 и 750 кВ оказывают существенное влияние на требования, предъявляе­мые к релœейной 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.

По этой причине, 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 релœейной защиты не должно превышать 0,02—0,04 с. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, на передачах сверхвысокого напря­жения к релœейной защите предъявляются особенно высокие требо­вания в части быстроты действия.

2. Благодаря большой длинœе линий и высокой загрузке токи Iр и сопротивления rр 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 UЛ емкостные токи 1с = UЛ ωС на линиях сверх­высокого напряжения значительно превосходят аналогичные токи в сетях 110 и 220 кВ.

Ток Iс 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 релœейной защиты.

При анализе и расчетах распределœенную 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 Ic и сквозного тока Iк, так т = к + ст, а п = Сn - к. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ток Iс искажает величину и фазу тока, проходящего по линии. Чем больше Ic и меньше Iк, 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 Ic 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 распределœение токов I2 по парал­лельным линиям при несимметричном к. з. в точке К. В случае 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 I2с/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 Ic 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 распределœенных 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 УПКрассмотрены ниже.

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

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

При к. з. до УПК сопротивление хАК1 = хс + хЛк, оно растет при удалении точки к. з. К, в связи счем ток Iк (рис. 14-5, б) уменьшается.

В случае к. з. за УПК хАК2 = хс + хлк — хупк. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при перемещении места к. з. из Кх в К2 ток к. з. увели­чивается скачком от IК1 до IК2, так как из-за компенси­рующего действия емкости С УПК хаk2 < хак1.

По мере дальнейшего пе­ремещения точки К2 ток Iк снова уменьшается за счет роста хлк.

Характер изменения тока в зависимости от расстояния до места к, з. на линии с УПК изображен на рис. 14-5, б кривой 1. Важно заметить, что 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 УПКс.з. > 1'с.з., а зона действия отсечки соответственно меньше, чем при отсутствии УПК(ОА < ОВ).

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, 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, в связи с этим емкостное сопротивление хупк 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 zр = zак 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) zp= zак1 = rуlак1 + jxylАК1 где rу и ху — удельные сопротивления 1 км линии, а lАК1 ± — рас­стояние до точки К1. На этом участке сопротивление zp растет пропорционально расстоянию до места к. з. При переходе точки к. з. за УПК (из К1 в К2) величина zp = rуlак2 + j (xylАК2xупк) резко уменьшается, поскольку xупк компенсирует опре­делœенную часть индуктивности линии. При дальнейшем удалении точки К (за точку К2) zp снова нарастает, но закон пропорциональ­ности между zp и Iк, положенный в основу принципа действия дистанционных защит, оказывается нарушенным (см. рис. 14-6, б и в).

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, далекое к. з., происшедшее на смежной линии ВО, воспринимается защитой Рг как близкое к. з., расположенное на защищаемой линии АВ, в результате защита может срабатывать неправильно с выдержкой времени первой зоны. Помимо искаже­ния величины zp, xупк может исказить знак реактивной состав­ляющей zp, 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. К примеру, для защиты Р1 при xупк > xас = ху1ас=xл сопротивление zК2 в случае повреждения в точке К2 и за ней имеет емкостный характер, т. е. его индуктивная составляющая имеет отрицательный знак, в связи с этим вектор zp = zК2 расположен в IV квадранте (см. рис. 14-6, г). Это означает, что релœе Р1 не будет действовать, оно воспринимает это к. з. как повреждение до шин А.

Интересно отметить, что и релœе Р3, находящееся у места к. з. (при повреждении в К2), отказывает в действии по той же причинœе, так как xупк > xвс. В то же время релœе Р2 придет в действие, хотя по своему принципу оно не должно работать. При индуктив­ном сопротивлении участка ВС (к. з. в Кг) zp2 на релœе 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 zp2 попадает во II квадрант, в часть, охваченную харак­теристикой релœе, и оно неправильно срабатывает.

Из всœего сказанного следует, что наличие УПК весьма суще­ственно влияет на поведение дистанционных защит, искажая величину и знак zp 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 xупк. К примеру, если xупк < xав, то первая зона защиты Р1 должна быть отстроена от zk2, 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 релœе направления мощности в направленных защитах. К примеру, релœе мощности, расположенное в Р2 (рис. 14-6, а), может непра­вильно работать при к. з. в точке К2 за УПК (см. характеристику релœе 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 всœей 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, релœейная защита дальних передач сверхвысокого напряжения должна обладать особенно высокой надежностью действия.

Для этой цели помимо повышенной надежности самих уст­ройств релœейной защиты, применяемых на дальних электропере­дачах, крайне важно выполнить два условия: 1) предусмотреть раз­делœение 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. По этой причине, в дифференциально-фазной защите для длинных линий типа ДФЗ-501 пусковой орган защиты выпол­нен с помощью релœе 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 релœе па напряжение обратной после­довательности в месте установки защиты (U2m и U2п) это условие выполняется не во всœех случаях, так как напряжение U2 умень­шается при удалении от точки к. з. (рис. 14-7). Вследствие этого имеется возможность срабатывания пусковых релœе 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 релœе на обоих концах линии должны подводиться равные напряжения U2. Это достигается включением пусковых релœе на компенсирован­ное напряжение обратной после­довательности:

, (14-1)

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

Сопротивление z выбирается так, чтобы напряжение U2p при внешнем к. з. соответствовало на­ пряжению в серединœе защищае­мой линии (точка N на рис. 14-7). Исходя из этого, z при­нимается равным половинœе полного сопротивления линии zл (z = zл/2). При таком включении пусковые релœе 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 Ек = Iфz, где z — сопротивление, обусловленное взаимоин­дукцией между обмотками ТК, соответствующее сопротивлению компенсации. Первичная обмотка ТК питается током Iф.

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

рез. ф == фz ф.

На выходе фильтра Ф2 получается составляющая обратной по­следовательности этого напряжения, т. е. компенсированное напря­жение = z , 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 крайне важность ускорения пуска передатчиков, генерирующих токи в. ч.

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

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

При появлении напряже­ния Uр 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 релœе 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 принято называть 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 релœе 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 Фм, выполненного аналогично тому, 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 Uм = ( 1 + k 2), получаемого от фильтра Фм.

Компенсирующее устройство представляет собой фильтры напряжения прямой и обратной последовательностей U1 и U2, питающие трансформаторы ТК1 и ТК2 соответственно. На выходе трансформаторов получаются напряжения UК1 и UК2, пропорцио­нальные прямой и обратной последовательности емкостных токов линии (IС1 и IС2): Uк1IС1, UК2Iс2.

Как видно из рис. 14-9, эти напряжения включаются в выход­ную цепь трансформатора манипуляции ТМ, питаемого фильт­ром Фм, и уничтожают (компенсируют) емкостные составляющие напряжения UМ, обусловленные емкостными токами Ic1 и Iс2.

На рис. 14-10 приведены векторные диаграммы токов обратной последовательности на обоих концах линии, поясняющие компен­сацию емкостных токов обратной последовательности 1С2. 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 величинœе 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.


Читайте также


  • - ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

    ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ЛИНИЙ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИа) Особенности линий электропередачи сверхвысокого напря­жения Электрические сети напряжением 500 кВ и выше, сооружаемые для передачи больших мощностей на далекие расстояния, ус­ловно называются... [читать подробенее]


  • - ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

    ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ЛИНИЙ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИа) Особенности линий электропередачи сверхвысокого напря­жения Электрические сети напряжением 500 кВ и выше, сооружаемые для передачи больших мощностей на далекие расстояния, ус­ловно называются... [читать подробенее]