Резервная защита от коротких замыканий на землю кольцевых схем электрических станций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621316 М. Я. КЛЕЦЕЛЬ

Н. М. КАБДУАЛИЕВ ■ Т. А. НОВОЖИЛОВ

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, Республика Казахстан

Омский государственный технический университет

РЕЗЕРВНАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ КОЛЬЦЕВЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ_________________________________________

Изложена методика построения общей резервной защиты от коротких замыканий на землю для линий и повышающих трансформаторов главных схем электрических станций. Даны алгоритмы функционирования. Рассмотрены вопросы чувствительности и выбора параметров защиты. Приведен пример реализации.

Ключевые слова: защита, трансформатор, линия, соотношение токов, направление мощности, нулевая последовательность.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

В последнее десятилетие произошло несколько техногенных аварий из-за ненадежности работы релейной защиты при коротких замыканиях (КЗ) на землю в сетях с заземленной нейтралью. Надежность релейной защиты в Европе и в России пока принято повышать с помощью простого дублирования. Однако, как известно [1], максимального эффекта в повышении надежности можно добиться с помощью мажорирования. При этом дублирующие друг друга комплекты должны иметь разные принципы действия, каковых в настоящее время недостаточно. В первую очередь это относится к защитам от КЗ на землю. С защитами от междуфазных замыканий дело обстоит лучше, имеется немало новых предложений, например [2, 3].

Цель данной работы — создать методику построения устройств, способных одновременно защищать все линии электропередач (ЛЭП) и трансформаторы кольцевых схем электрических станций от КЗ на землю. При этом учитывается главный недостаток известной защиты нулевой последовательности — недостаточная чувствительность при наличии на ОРУ большого числа ЛЭП и трансформаторов, так как ток КЗ на землю становится значительно меньше из-за растекания его через заземленные нейтрали трансформаторов как на ОРУ, так и по концам защищаемых ЛЭП.

Идея построения заключается в том, чтобы использовать отношения токов 1А, 1В, IС в фазах со стороны низшего напряжения повышающего трансформатора (Тр) блока генератор-трансформатор для выявления КЗ на землю со стороны его высшего напряжения при контроле направления мощности нулевой последовательности (МНП) на всех присоедине-

ниях открытого РУ. Критерием появления КЗ в схеме ОРУ является превышение одного из отношений |їА|/ Ш у/у. у/у величины параметра срабатывания.

Известно [1], что при КЗ на ЛЭП со стороны высшего напряжения Тр в двух его фазах токи считаются равными нулю (в классическом варианте). При этом со стороны низшего напряжения ток в одной из фаз также равен нулю. Если разделить ток в одной из фаз на ток той фазы, где он равен нулю, то очевидно, что полученная величина будет во много раз больше, чем величина (равная единице), полученная от такого же деления в нормальных режимах без учета погрешностей, как трансформаторов тока, так и реализующих этот способ реле. При выборе параметров защит эти погрешности будут учтены.

Выбор параметров срабатывания и оценка чувствительности. Пусть і£71КЗ и 1^™ /1^™ наибольшие из отношений токов фаз при рассматриваемом КЗ на землю и, соответственно, в самом тяжелом режиме. Чтобы защита не работала в режимах нагрузки и после автоматического повторного вклю-

і д і—тт) \ Т АПВ т АПВ т АПВ .х.

чения (А11В), когда токи 1а , 1в , 1с в фазах могут в течение некоторого времени значительно превышать рабочие токи, необходимо выполнение условия I/1К"3 > 1АПВ/їв™ . Отношение ІАПВ/ 1АПВ обозначим через Б. Точный расчет Б не прост и выходит за рамки этой статьи. Для получения максимально возможного Б с запасом будем считать, что в режимах нагрузки без АПВ в результате несимметрии їА=1,1ї1, а їв = 0,9ї1, где ї1 — ток наибольшей рабочей нагрузки. Учтем также, что после АПВ (из-за значительного увеличения тока) трансформатор тока фазы В может работать с погрешностью 10 %, из-за которой їв = 0,8111. Тогда, считая, что после АПВ токи

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

208

Рис. 1. Схема открытого распределительного устройства ЭС

соответственно, выключателей 01 и 04, если есть сигнал Х1Т1 ИЛИ сигнал Х2Т1 ИЛИ Х3Т1 о том, что, хотя бы одно из отношений токов со стороны низшего напряжения Тр-Т1 |1АТ1|/|1ВТ1| ИЛИ |1ВТ1|/|1СТ1| ИЛИ |1СТ1|/|1АТ1|, превышает заданную величину ИЛИ есть сигнал Х1Т2 ИЛИ сигнал Х2Т2 ИЛИ Х3Т2 о том,

Т2

2І ИЛИ |1С

21/1 їА

что' 11АТ2|/11ВТ2| ИЛИ |1ВТ2|/|1СТ^1 * А |АСТ^1 аАТ2> 1

полученные со стороны низшего напряжения Тр-Т2, превышает заданную величину ИЛИ есть сигналы Х1Т3 ИЛИ Х2Т3 ИЛИ Х3Т3 о том, что |1АТ3|/|1ВТ3| ИЛИ |1ВТ3|/|1СТ3| ИЛИ |1СТ3|/|1АТ3|, полученные от Тр-Т3, И есть сигнал УШ1 о направлении МНП от ЛЭП Ш1 к Тр. И эти сигналы существуют заданное время 1^, выбираемое как и в обычных резервных защитах. Запишем эти условия с помощью символов алгебры логики, где знак « + » обозначает логическое сложение, а «точка» логическое умножение.

О ^1 = (Х1Т1 + Х2Т1 + Х3 т1 + Х1Т 2 + Х2Т 2 + + Х3т2 + Х1тз + Х2тз + Х3т3 ) • ■ О ,

(1)

возрастают во всех фазах в одинаковое число раз, и вводя обычный для РЗ коэффициент запаса 1,3, получим условие срабатывания:

1,ц,

IАЗ/їКЗ = 1,3 • Б = 1,3'

0,811,

= 1,8

Величина 1,8 и является параметром срабатывания защиты, причем она не зависит где и на какой ЛЭП или Тр произошло КЗ. При КЗ на землю, даже если считать, что ток в фазе В, где при классическом подходе 1КЗ = 0, на самом деле составляет 0,251 АЗ, отношение 1АЗ/ 1КЗ = 4, т.е. более чем в 2 раза превышает 1,8. Можно считать, что защита будет выявлять весьма далекие КЗ на землю.

Синтез алгоритма функционирования. Исходя из изложенной идеи, сформулируем условия срабатывания защиты от КЗ на землю для присоединений кольцевой схемы на примере схемы 3/2 (рис. 1), где Т1, Т2, Т3 — повышающие Тр блоков электрической станции, Ш1, Ш2, Ш3 — отходящие ЛЭП. Защита должна дать сигнал 0Ш1 на отключение ЛЭП Ш1 и,

где все переменные принимают значение логической «1», если сигнал есть, и значение «0» — если нет. В — оператор задержки появления сигнала на 1:г

Аналогично формулируются и записываются условия срабатывания на отключение остальных ЛЭП и Тр, меняется лишь индекс Ш1.

Пример реализации. На рис. 2 представлена функциональная схема [4] защиты для трех ЛЭП и трех Тр. Защита содержит: блок 1 выявления направления МНП на линиях электропередач (ЛЭП) и Тр (рис. 1); блок 2 определения токов 10 нулевой последовательности на каждой ЛЭП и сравнения 10 с заданной величиной; блок 3 вычисления отношения упомянутых токов в Тр; блоки 4 и 5 логики, определяющие поврежденную ЛЭП; блок 6 логики, выявляющий поврежденный Тр. Защита работает следующим образом. При отсутствии КЗ на всех ЛЭП и Тр, токи 10 малы, т.к. вызваны несимметрией токов фаз и не превосходят токов срабатывания защиты. Поэтому на выходах блока 1 нет сигналов, упомянутые отношения токов в фазах близки к 1, и блок 3 также не

Рис. 2. Функциональная схема защиты

выдает сигналов. В результате блоки 4, 5, 6 не приходят в действие. При КЗ на землю одной из фаз, например , на ЛЭП Ш1, на выходе 7 блока 1, подключенного к входам блока 4, появляется сигнал, так как МНП направлена от ЛЭП Ш1 в схему ОРУ. Блок 2 сравнивает токи 10 ЛЭП с заданной величиной уставки срабатывания, и поскольку 10 превосходит её, подаёт сигнал о повреждении через выход 8 в блок 4, который по наличию сигналов на входах 9 и 10 определяет, что повреждена ЛЭП Ш1, и с выхода 11 подает сигнал на отключение выключателей 01, 04. С появлением сигнала на выходе 8 в блок 5 на вход 12 поступает сигнал от блока 3, т.к. последний по отношению токов фаз определил, что в схеме есть КЗ. При этом на вход 13 блока 5 с выхода 14 блока поступил сигнал о том, что КЗ на ЛЭП Ш1 (он получен на основании определения направлений МНП на всех присоединениях). По наличию сигналов на входах 12 и 13 блок 5 через выход 15 дает дополнительный сигнал на отключение ЛЭП Ш1. При КЗ на других линиях защита работает аналогично, выбирая поврежденную. При КЗ на землю на одном из выводов Тр, например, Т1, со стороны его высшего напряжения на выходе 16 блока 3 появляется сигнал, т.к. например ї£7їКЗ > 4. Появляется сигнал и на выходе 17, поскольку МНП на Т1 направлена к генератору, а на остальных присоединениях наоборот. В результате в блоке 6 появились сигналы на входах 18, 19, по одновременному наличию которых он через заданную выдержку времени выдает сигнал с выхода 20 на отключение выключателей 04 и 07.

Библиографический список

1. Федосеев, А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей / А. М. Федосеев. — М. : Энергоатомиздат, 1984. — 520 с.

2. Пат. 2397499 Российская Федерация, МКИ7, С0Ш 19/30. Способ измерения тока в проводнике с помощью герконов / Никитин К. И., Горюнов В. Н., Клецель М. Я., Токомбаев М. Т., Майшев П. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2008120069/28 ; заявл. 20.05.08 ; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 23. - 4 с.

3. Фильтр тока обратной последовательности на герконах для электроустановок с горизонтально расположенными токо-проводами / В. Н. Горюнов [и др.] // Омский научный вестник. — 2012. — № 1 (107). — С. 202 — 204

4. Заявка 2012/0457.1 Республика Казахстан, МПК Н02Н 7/26. Устройство защиты от коротких замыканий на землю для линий, подключенных к повышающим силовым трансформаторам / Боровиков Ю. С., Клецель М. Я., Кабдуалиев Н. М., Шахаев К. Т. ; заявитель и патентообладатель Павлодарский гос. ун-т. — №2012/0457.1 ; заявл. 19.04.12 ; опубл. 28.11.12.

КЛЕЦЕЛЬ Марк Яковлевич, доктор технических наук, профессор-консультант Национального исследовательского Томского политехнического университета.

КАБДУАЛИЕВ Нариман Маратович, магистр технических наук, докторант Ph.D. 3-го курса специальности «Электроэнергетика» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова. НОВОЖИЛОВ Тимофей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской части, инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: kaznar@mail. ru

Статья поступила в редакцию 20.03.2013 г.

© М. Я. Клецель, Н. М. Кабдуалиев, Т. А. Новожилов

Информация

Гранты-2014 для кандидатов наук (постдок, Франция)

Human Frontier Science Program (HFSP, Страсбург, Франция) предлагает стипендиальные программы для исследователей со степенью PhD в рамках фундаментальных транснациональных и междисциплинарных исследований в сфере наук о жизни. Предлагаемые стипендиальные программы позволят ученым, имеющим степень кандидата наук, осуществить исследования в новой для себя научной отрасли.

Стипендиальная программа долгосрочных исследований (Long-Term Fellowships) ориентирована на заявителей, имеющих степень кандидата наук в области биологии, которые, опираясь на уже имеющийся научный опыт, хотели бы открыть для себя новые исследовательские области.

Mеждисциплинарная стипендиальная программа (Cross-Disciplinary Fellowships) адресована исследователям, имеющим степень кандидата наук в иных научных отраслях: физика, химия, математика, информатика, которые, однако, имеют ограниченные познания в области биологии.

Обе стипендиальные программы предлагают финансовую поддержку продолжительностью три года для работы за границей с последующим возвращением на родину.

29 августа 2013 — окончание срока приема заявок.

Подробная информация о программе опубликована на сайте HFSP: http://www.hfsp.org/funding/post-doctoral-fellowships

Источник: http://www.rsci.ru/grants/grant_news/284/234478.php (дата обращения: 11.0б.2013)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА