РЗА-2010

Подождите немного. Документ загружается.

Релейная защита и автоматика энергосистем

300

ного защитного и нулевого рабочего PEN-проводника. Заземление устройств оборудования обработки

информации выполняют в соответствии с ГОСТ Р 50571.21-2000 и ГОСТ Р 50571.22-2000.

Для распределительных устройств с элегазовым оборудованием вследствие наличия в них более

сложной электромагнитной обстановки большое значение имеет создание эквипотенциальной сети

заземления или общей поверхности нулевого потенциала. Данная поверхность может представлять

собой непрерывную стальную (медную) сетку, залитую бетоном, сетку или металлические пластины,

расположенные на одном или нескольких уровнях.

2.3.3. Кабельная канализация

Уровни наведенных импульсных помех зависят от расположения трассы прокладки вторичных

кабелей по отношению к первичным цепям и молниеотводам, типа кабельной канализации (лотки,

каналы, тоннели) и типа кабелей (с экраном, металлической оболочкой, броней).

При разработке проектного решения по кабельной канализации (трасса прокладки, тип кабельной

канализации, тип кабелей) учитывают, чтобы возможный уровень импульсных помех не превышал

допустимых значений (электрическая прочность изоляции и помехоустойчивость вторичного обо-

рудования).

Установка устройств по ограничению импульсных перенапряжений во вторичные цепи применяет-

ся в исключительных случаях. Выбор таких устройств и решение об их применении осуществляют на

основании специальной разработки. При выполнении проекта установки устройств по ограничению

импульсных перенапряжений необходимо показать, что устанавливаемые устройства не влияют на

полезный сигнал и не снижают надежности работы вторичного оборудования. Также должны быть

даны указания по обслуживанию устройств в эксплуатации.

2.3.4. Молниезащита

Нормируемыми параметрами при определении уровней электромагнитных воздействий молнии

принимают:

- напряженность импульсного магнитного поля в местах размещения вторичного оборудования;

- напряжение на токоотводах и ЗУ молниеотводов в местах прокладки вторичных кабелей;

- наведенные во вторичных цепях импульсные напряжения.

При разработке проекта необходимо обеспечить уровни нормируемых параметров ниже допусти-

мых значений, которые указаны в данном документе.

2.3.5. Системы и электропитания постоянного и переменного тока

Питание устройств, чувствительных к электромагнитным помехам, должно осуществляться по

отдельным распределительным линиям (фидерам) по радиальной схеме. Не рекомендуется подклю-

чать к одной панели (сборке) ЩПТ цепи питания электроприемников, чувствительных к перена-

пряжениям и высокочастотным помехам (микропроцессорные устройства, устройства связи и т. п.)

и цепи, выходящие за пределы помещения (цепи приводов включения/отключения высоковольтных

выключателей).

Защитные коммутационные аппараты должны иметь быстродействие, достаточное для того, чтобы

при возникновении КЗ на любой из распределительных линий не допустить провалы напряжения

более чем допустимо по помехоустойчивости.

Должна быть защита от коммутационных перенапряжений и импульсных помех. Распределитель-

ные и групповые линии, используемые для питания оборудования, установленного в распределитель-

ных устройствах (КРУЭ, ОРУ, КРУ) должны выполняться экранированными кабелями. Применение

неэкранированных кабелей должно быть обосновано расчетом.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

301

2.3.6. Защита от электромагнитных полей

Для переносных радиопередающих устройств необходимо устанавливать ограничения (в зависимо-

сти от мощности устройства) по использованию их в местах расположения вторичного оборудования.

Если по результатам предпроектных изысканий уровни напряженности радиочастотных электромаг-

нитных полей от внешних источников, с учетом естественных экранов, выше допустимых значений,

необходимо применять дополнительное экранирование: зданий/помещений, в которых размещается

вторичное оборудование; вторичного оборудования.

Если обеспечить допустимые уровни напряженности магнитного поля в местах размещения вто-

ричного оборудования за счет компоновки объекта невозможно, применяют технические решения

по экранированию источников магнитных полей или вторичного оборудования и кабелей.

2.3.7. Защита от разрядов статического электричества

Методы защиты от статического электричества, которые не позволяют накапливаться зарядам

СЭ на диэлектриках и теле человека: увеличение относительной влажности воздуха в помещении

до 65÷75%; применение антистатических линолеумов, настилов, ковриков, матов; использование

персоналом антистатической одежды (халатов, курток), антистатической обуви или полосок зазем-

ления, закрепляемых на любом типе обуви; заземление персонала посредством кистевых браслетов

с шарнирным контактом и заземляющим кордом, присоединяемым к заземляющему устройству.

Выбор средств защиты от статического электричества следует осуществлять на основании технико-

экономических расчетов.

Таким образом, в настоящее время можно считать, что система НТД по ЭМС, применяемых в ОАО

«ФСК ЕЭС», полностью обеспечивает выполнение условий надежной работы вторичного оборудования в

сложной электромагнитной обстановке подстанций напряжением 35-750 кВ.

3. АНАЛИЗ ПРАКТИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ЭМС

НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ПОДСТАНЦИЯХ

Технологические нарушения с наиболее тяжелыми последствиями на действующих подстанциях

возникают, как правило, при коротких замыканиях (КЗ) на землю в первичных цепях.

Наиболее распространенной причиной повреждений вторичного оборудования или неправиль-

ной работы устройств РЗА является несоответствие требованиям ЭМС заземляющего устройства:

незаземленное оборудование, неравномерная сетка заземлителя, большое значение сопротивления

связи оборудования с заземлителем, отсутствие связи по заземлителю и заземляющим проводникам

между РУ и РЩ. При КЗ на землю на вторичные цепи воздействует высокое напряжение, что при-

водит к повреждению изоляции кабелей, возникновению перенапряжений в цепях электропитания,

управления и сигнализации и повреждению вторичного оборудования.

В системе оперативного постоянного тока (СОПТ) на действующих подстанциях, как правило, не

обеспечена чувствительность и селективность защитных аппаратов, термостойкости кабелей. При-

меняются кольцевые схемы электропитания устройств РЗА. Перенапряжения в СОПТ приводят к КЗ

и потере электропитания устройств РЗА.

Другой также наиболее распространенной причиной повреждений вторичного оборудования

или неправильной работы устройств РЗА является несоответствие требованиям ЭМС кабельной

канализации: неправильный выбор трассы кабелей, применение неэкранированных кабелей. При

КЗ, коммутациях в первичных цепях и ударах молнии во вторичных цепях наводятся импульсные

перенапряжения, уровень которых может существенно превышать допустимые значения.

Технические решения по компоновке электросетевых объектов, выполнению заземляющих

устройств, молниезащиты, кабельной канализации, систем оперативного постоянного тока и электро-

Релейная защита и автоматика энергосистем

302

снабжения 0,4 кВ переменного тока, обеспечивающие ЭМС вторичного оборудования, даны в СТО

56947007-29.240.044-2010.

Нередко возникают технологические нарушения из-за неудовлетворительной помехоустойчивости

вторичного оборудования и систем связи. Такие случаи имеют место даже с оборудованием, прошед-

шим испытания на помехоустойчивость в соответствии с ГОСТ 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5-2001).

Проблема заключается в следующем. Перед проведением испытаний на помехоустойчивость должна

быть разработана методика проведения испытаний для каждого конкретного устройства. При разра-

ботке методики проведения испытаний чрезвычайно важно правильно определить вид соединений,

так уровень испытательного воздействия зависит от типа соединений. Порты, отнесенные к локаль-

ным соединениям, испытываются при наименьших уровнях электромагнитных воздействий, а порты,

имеющие соединения с силовым оборудованием, испытываются при наибольших уровнях воздействий.

Типичной ошибкой, например, при определении типа соединений портов дискретных входов, которые

подключаются к общей системе оперативного постоянного тока, является отнесение таких портов к

локальным соединениям. Такие порты, даже если соединения осуществляются внутри одного шкафа,

должны быть отнесены к соединениям с оборудованием и испытаны соответствующим образом.

На вновь построенных подстанциях технологические нарушения возникают из-за некачествен-

ного выполнения электромонтажных работ или ошибок при проектировании. В связи с этим особо

важное значение имеет проверка выполнения условий ЭМС при сдаче подстанции в эксплуатацию.

Эти работы должны выполняться в строгом соответствии с СО 34.35.311.2004. К сожалению, не все

сторонние организации, привлекаемые к проведению таких работ, способны выполнить их в полном

объеме и с должным качеством. В результате, не установленные своевременно дефекты проявляются

только в процессе эксплуатации.

ВЫВОДЫ

1. В ОАО «ФСК ЕЭС» сформирована система НТД по ЭМС, обеспечивающая выполнение условий

надежной работы вторичного оборудования в сложной электромагнитной обстановке подстанций

напряжением 35-750 кВ.

2. Технологические нарушения с наиболее тяжелыми последствиями на действующих подстанциях

обусловлены несоблюдением условий ЭМС в части выполнения заземляющего устройства, системы

оперативного постоянного тока, молниезащиты и кабельной канализации.

3. Необходимо в обязательном порядке при сдаче вновь строящейся или реконструируемой под-

станции проводить проверку электромагнитной обстановки и выполнения условий ЭМС в соответ-

ствии с СО 34.35.311.2004.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Борисов Руслан Константинович — кандидат технических наук, с.н.с. генеральный директор ООО

«Научно-произ вод ствен

ная фирма. Электротехника: наука и практика» (НПФ ЭЛНАП)

109147, Москва, ул. Таганская, д. 31/22, кв. 268

borisov2@mtu-net.ru

Тел./факс: 362-71-36

Смирнов Максим Николаевич — начальник отдела электроэнергетики ООО «Научно-производ ственная

фирма. Электротехника: наука и практика» (НПФ ЭЛНАП)

112250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 9, а/я 27

elnap-vei@mtu-net.ru

Тел./факс: (495) 362-71-36

Москва, 1–4 июня 2010 г.

303

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО

КОМПЛЕКСА RTDS ДЛЯ НАСТРОЙКИ И ПРОВЕРКИ

ДЕЙСТВИЯ СРЕДСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

И АВТОМАТИКИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

БУЛЫЧЕВ А.В., НАВОЛОЧНЫЙ А.А., НУДЕЛЬМАН Г.С., ОНИСОВА О.А.

ОАО «ВНИИР»

Анализ функционирования устройств РЗА, а также исследование электрических режимов энер-

госистем, в которых установлены или планируются к установке данные устройства, целесообразно

выполнять с применением методов моделирования. Особенно актуальным моделирование стано-

вится в настоящее время, в связи с усложнением конфигурации электрических сетей, появлением

в их составе новых типов оборудования, устройств контроля, защиты и управления. Всестороннее

исследование характеристик рассматриваемых процессов становится невозможным без детального

описания моделируемых объектов.

Традиционно развитие средств моделирования связывают со следующими тремя подходами:

1. Создание электродинамических моделей (ЭДМ), представляющих собой наборы связанных

между собой физических моделей реальных объектов (генераторов, линейных элементов, нагрузок

и других), разработанных на основе теории подобия. Для задания расчетных режимов работы модели

исследуемой энергосистемы, для регистрации и обработки электрических сигналов сейчас обычно

используют средства современной цифровой техники. Из действующих в настоящее время в России

крупных ЭДМ следует упомянуть цифро-аналого-физический комплекс ОАО «НИИПТ». Недостатки

электродинамических моделей связаны с ограничениями в оперативности первоначальной настройки

и гибкости.

2. Создание математических моделей и программно-вычислительных комплексов (ПВК) на их

основе. Большинство применяемых в настоящее время ПВК (PSS/e, Eurostag, Mustang, Дакар и

многие другие) для исследования электрических режимов используют математические модели, реа-

лизующие итеративный расчет статических режимов, метод симметричных составляющих для расчета

токов короткого замыкания, метод последовательных интервалов при исследовании динамических

режимов. Программные средства, ориентированные на исследование электромагнитных переходных

процессов (например, ПВК PSCAD/EMTDC), требуют представления динамической модели объекта

системой нелинейных дифференциальных уравнений. Однако детальное математическое описание

ряда объектов вызывает значительные трудности.

3. Создание аналоговых и гибридных средств моделирования. Моделирующий комплекс гибрид-

ного типа представляет собой специализированную многопроцессорную аналого-цифровую систему.

Основное решение уравнений математических моделей элементов, как и в чисто аналоговой системе,

выполняется в аналоговом виде. Остальные операции (например, настройка параметров моделей и

сбор данных) осуществляются цифровым способом. Гибридный подход реализован, к примеру, в мо-

делирующем комплексе реального времени Томского политехнического университета. Основной не-

достаток гибридных систем моделирования связан с принципиальной привязкой каждой аппаратной

единицы комплекса (вычислительного модуля) к обобщенной модели элемента исследуемой энерго-

системы и, как следствие, с недостаточной гибкостью в плане изменения логики работы моделей.

На современном этапе развития средств моделирования появляются принципиально новые реше-

ния, сочетающие в себе достоинства упомянутых выше подходов. Одно из таких решений – специали-

зированный программно-аппаратный комплекс RTDS (Real-Time Digital Simulator) канадской фирмы

RTDS Technologies Inc., ориентированный на исследование электромагнитных и электромеханиче-

Релейная защита и автоматика энергосистем

304

ских переходных процессов в масштабе реального времени и позволяющий задействовать в процессе

исследования не только «виртуальные» элементы, но и реальные физические устройства [1].

Аппаратная часть комплекса имеет модульную, наращиваемую структуру: каждый шкаф образован

набором ячеек, в каждую ячейку устанавливается набор функционально идентичных процессорных

плат. Решение уравнений, описывающих моделируемую схему, выполняется процессорными платами

параллельно. Работа плат синхронизирована, в процессе вычислений платы обмениваются друг с

другом данными расчета. Такая архитектура построения RTDS обеспечивает выполнение моделиро-

вания электрической системы в режиме жесткого реального времени.

Реальные устройства управления, релейной защиты и противоаварийной автоматики подключают-

ся к RTDS посредством внешних усилителей тока и напряжения. Реакция внешних устройств также

может быть использована в работе моделируемой системы. Кроме того, непосредственно в процессе

моделирования в модели исследуемой энергосистемы возможно выполнение переключений, изме-

нение режимов работы оборудования, ручное регулирование.

Программное обеспечение RTDS представлено тремя уровнями: графический интерфейс поль-

зователя (RSCAD), компилятор и набор (библиотека) моделей силовых элементов и элементов

управления.

RSCAD позволяет организовать работу с проектами (модуль «FileManager»), составить описание

моделируемой системы в графическом виде (модуль «Draft»), наблюдать параметры электрического

режима («измерять» напряжения, токи и другие величины) и осуществлять управление элементами

системы в режиме реального времени (модуль «RunTime»). Компилятор формирует исполняемый код,

оптимизированный для параллельной работы процессоров RTDS. При создании программного кода

используется математическое описание компонентов из библиотеки элементов. Библиотека элемен-

тов включает достаточно широкий набор моделей от простейших пассивных элементов до сложных

систем управления, регулирования и защиты: резисторы, емкости, индуктивности; источники тока

и напряжения; линии электропередач (модели линий с сосредоточенными и с распределенными

параметрами; с возможностью учета зависимости параметров модели от частоты); двух- и трехобмо-

точные трансформаторы (с возможностью учета процессов насыщения); синхронные и асинхронные

машины, машины постоянного тока; системы возбуждения, турбины, системы автоматического регу-

лирования скорости; устройства на современной силовой полупроводниковой базе (гибкие системы

передачи переменного тока – FACTS, вставки постоянного тока – HVDC, статические тиристорные

компенсаторы – SVC); измерительные трансформаторы тока и напряжения (также с возможностью

учета процессов насыщения); устройства измерения и управления, элементы логики. Если возмож-

ностей, предоставляемых имеющимися в библиотеке моделями, недостаточно, с использованием про-

граммного модуля «ComponentBuilder» могут быть созданы пользовательские модели элементов.

На первом шаге процесса моделирования выполняется расчет установившегося режима (функция

«PowerFlow»); далее осуществляется динамическое балансирование режима в соответствие с внешни-

ми воздействиями (возмущениями). При этом все элементы исследуемой энергосистемы описываются

нелинейными дифференциальными уравнениями.

Основные особенности моделирования с использованием программно-аппаратного комплекса

RTDS:

• возможность использования в процессе исследования как виртуальных элементов, так и реаль-

ных физических устройств (в том числе средств РЗА);

• возможность использования характеристик объектов в формате Comtrade;

• гибкая и оперативная реализация всех необходимых для исследований режимов;

• обеспечение жесткого реального времени в процессе моделирования.

В настоящее время все ведущие производители электроэнергетического оборудования (ABB, GE,

Siemens и др.) широко используют RTDS в своей практике [2]. Все большее применение программ-

но-аппаратные комплексы RTDS находят при проведении сертификационных испытаний обору-

дования.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

305

Основные задачи, решаемые с использованием RTDS:

• детальное исследование электрических режимов (установившихся режимов, электромагнитных

и электромеханических переходных процессов) систем переменного тока, в том числе с использова-

нием физического оборудования и представления характеристик объектов в формате Comtrade;

• всесторонние испытания реального оборудования в условиях, максимально электрически близ-

ких к тем, которые имеют место в реальных энергосистемах;

• разработка и проверка алгоритмов действия устройств управления, регулирования и защиты

(в том числе систем управления FACTS, HVDC, SVC);

• моделирование устройств FACTS, HVDC, SVC и систем, в составе которых имеются эти устрой-

ства.

В качестве небольшого примера, демонстрирующего возможности RTDS, далее рассматривается

процесс нарушения устойчивости энергосистемы простейшей структуры.

Энергорайон, представленный эквивалентной электростанцией и комплексным узлом нагрузки,

включенным за эквивалентной трансформаторной ветвью, связан длинной линией электропередачи

(175 км) с мощной энергосистемой. Мощность нагрузки энергорайона меньше мощности эквива-

лентной электростанции (рис. 1).

Анализ устойчивости системы проводился на основании исследования переходных процессов в

следующих схемно-режимных ситуациях:

• многофазные КЗ с отключением одной из параллельных воздушных линий (ВЛ);

• КЗ различной степени тяжести, не связанные с ослаблением связи «энергорайон – энергоси-

стема» после отключения КЗ;

• однофазные КЗ с последующим успешным или неуспешным однофазным АПВ (ОАПВ);

• отключение одной из параллельных ВЛ без КЗ;

• нарушения устойчивости двигательной нагрузки в послеаварийном режиме;

• аварийные небалансы мощности, вызванные отключением части нагрузки в послеаварийном

режиме.

Ниже приводятся результаты исследования, связанные только с первой схемно-режимной ситуа-

цией (нарушение статической устойчивости в послеаварийном режиме после отключения одной из

сильно загруженных параллельных линий при КЗ).

Рис. 1. Исследуемая энергосистема

При исследованиях приняты следующие допущения:

• не учитывается действие устройств противоаварийной автоматики;

• электродвигатели нагрузки после торможения остаются подключенными к сети;

• не учитывается возможность самоотключения части нагрузки при значительных снижениях на-

пряжения в сети 110 кВ.

Действительный предел передаваемой мощности по связи «энергорайон – энергосистема» состав-

ляет 440 МВА (рис. 2). Дальнейшее увеличение перетока мощности по связи приводит к нарушению

Релейная защита и автоматика энергосистем

306

Рис. 2. Характеристика мощности связи «энергорайон – энергосистема»

устойчивости, асинхронному режиму с ЦЭК вблизи точки К2. Смещение характеристики мощности

в сторону меньших углов объясняется снижением напряжения во всех точках связи «энергорай-

он – энергосистема» при увеличении выдаваемой генератором мощности.

Трехфазное КЗ (т. К2) на одной из параллельных линий, отключенное действием основной защиты,

(t = 0,16 c) приводит к ослаблению связи «энергорайон – энергосистема». В послеаварийном режиме

наблюдается постепенное нарастание тока связи и передаваемой реактивной мощности, увеличе-

ние угла между векторами напряжения по концам связи (далее угла связи), снижение напряжения

в узлах связи (рис. 3). Дальнейшее развитие процесса характеризуется колебательным изменением

величин тока, напряжения, мощности, нарушением устойчивости эквивалентного электродвигателя

нагрузки.

Следует заметить, что на ход развития процессов в рассматриваемой энергосистеме значительное

влияние оказывает устойчивость двигателей нагрузки. Так, при КЗ в точке К2 наброс реактивной

мощности при торможении эквивалентного электродвигателя замедляет процесс нарушения устойчи-

вости генераторов; в то время как при КЗ в точке К1 снижение скорости электродвигателя происходит

медленнее, и генераторы раньше выпадают из синхронизма (рис. 4). Близкие к шинам эквивалентной

электростанции короткие замыкания (точка К3) приводят к значительному снижению напряжения

на шинах 110 кВ и, как следствие, к резкому сбросу активной и реактивной мощности нагрузки, что

провоцирует ускорение генераторов электростанции (рис. 5).

При малом запасе устойчивости генератора электростанции в исходном режиме отключение одной

из ВЛ без КЗ также приводит к нарушению устойчивости. В качестве средства, уменьшающего веро-

ятность потери устойчивости при однофазных КЗ на линиях 220 кВ, применяют отключение только

одной, поврежденной фазы и, соответственно, однофазное АПВ.

Переходные процессы при однофазном коротком замыкании на одной из параллельных ВЛ, от-

ключенном действием основных или резервных защит с последующим успешным ОАПВ, характе-

ризуются затухающими колебаниям угла связи, синхронная динамическая устойчивость сохраняется

(рис. 6).

В случае неуспешного ОАПВ угол связи продолжает увеличиваться, динамическая устойчивость

генераторов электростанции нарушается (рис. 7).

Москва, 1–4 июня 2010 г.

307

Рис. 3. Переходные процессы при тр ехфазном КЗ в т. К2

с отключением основными защитами через 0,16 с

ВЫВОДЫ

Использование программно-аппаратного комплекса RTDS позволяет провести испытания

устройств РЗА, а также алгоритмов их действия в условиях, электрически максимально приближенных

к реальным условиям их функционирования:

• во всех возможных ненормальных режимах, повреждениях и авариях;

• с учетом электромагнитных переходных процессов (в том числе во вторичных цепях);

• с учетом насыщения трансформаторов тока.

Указанные особенности открывают новые возможности по настройке устройств РЗА, а также по

совершенствованию алгоритмов их действия.

ЛИТЕРАТУРА

[1] RTDS Simulator Applications [Применение моделирующего комплекса RTDS; Электронный ре-

сурс] // http://www.rtds.com/applications/applications.html. 2009.

[2] RTDS Clients [Пользователи RTDS; Электронный ресурс] // http://www.rtds.com/clients-rep/clients.

html. 2009.

Релейная защита и автоматика энергосистем

308

Рис. 4. Переходные процессы при тр ехфазном КЗ в т. К1

с отключением основными защитами через 0,16 с

Рис. 5. Переходные процессы при тр ехфазном КЗ в т. К3

с отключением основными защитами через 0,16 с

Москва, 1–4 июня 2010 г.

309

Рис. 6. Переходные процессы при однофазном КЗ в т. К2 с отключением

основными защитами через 0,16 с и последующим успешным ОАПВ

Рис. 7. Переходные процессы при однофазном КЗ в т. К2 с отключением

основными защитами через 0,16 с и последующим неуспешным ОАПВ

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Нудельман Года Семенович – кандидат технических наук, профессор; первый заместитель генерального

директора – директор по технологии и развитию ОАО «ВНИИР».

Булычев Александр Витальевич – доктор технических наук, профессор; заместитель генерального

директора ОАО «ВНИИР» по науке.

Наволочный Александр Альбертович – кандидат технических наук, доцент; ведущий научный сотрудник

ОАО «ВНИИР».

Онисова Ольга Александровна – научный сотрудник ОАО «ВНИИР».