Сборник докладов - Электроэнергетика глазами молодежи 2010
Подождите немного. Документ загружается.
95
На линиях 110 кВ Александровка–Тумбарлы и Уруссу–Александровка были уста-
новлены основные быстродействующие высокочастотные ДФЗ типа ШЭ 2607 084 и ре-
зервные защиты линии типа ШЭ 2607 011021 производства НПП «ЭКРА» (рисунок 2).
Рисунок 2 – Решение по защите ошиновке 110 кВ ПС Александровка
По нашему предложению, комплект А1 шкафа ШЭ 2607 011021 направлен в сторо-
ну линии и реализует функции резервных защит линии (дистанционная защита от между-
фазных КЗ, токовая направленная защита нулевой последовательности от однофазных
КЗ), а комплект А2 направлен в сторону ошиновки 110 кВ, и предназначен для защиты
ошиновки 110 кВ с использованием команд ВЧТО. Таким образом, терминалы А-2 связы-
ваются между собой кабелями и подключаются к цепям ВЧТО, с помощью которых осу-
ществляется ускорение защит ДЗ и ТНЗНП, тем самым обеспечивая быстродействующую
защиту ошиновки 110 кВ.
Преимущества использования терминала А2 шкафа ШЭ 2607 011021 для защиты
ошиновки 110 кВ ПС Александровка:
1) шкаф ШЭ 2607 011021 осуществляет как резервную защиту линий 110 кВ, так и
полноценную защиту ошиновки 110 кВ на ПС Александровка. Данное решение было бы
невозможным при использовании в качестве резервной защиты линии электромеханиче-
ской панели ЭПЗ-1636. Однако двухтерминальное исполнение шкафа ШЭ2607 011021 по-
зволило решить данную задачу;
2) короткое замыкание ликвидируется за 0,3 с, то есть защита является быстродей-
ствующей;
3) не требуется дополнительного устройства РЗА для защиты ошиновки, таким об-
разом, экономический эффект очевиден.
Второе решение – это применение для резервной защиты шин микропроцессорного
шкафа защит ШЭ2607 011021.
В случае короткого замыкания на шинах для отключения без выдержки времени
присоединений, имеющих связь с источником питания, используется дифференциальная
защита шин (ДЗШ). ДЗШ должна быть постоянно введена в работу – она отключается
только в случае ее ревизии или возникновения неисправностей. На время отключения за-
щиты шин, как правило, вводится оперативное ускорение резервных защит автотранс-
форматоров и трансформаторов связи на электростанциях. Эти меры представляются не
совсем полноценными, так как короткое замыкание ликвидируется вторыми ступенями
линейных защит противоположных защит с большой выдержкой времени.
96
Наше решение. На ряде объектов энергосистемы Татарстана установлена так назы-
ваемая суммарная резервная защита шин (СРЗШ), реализованная с помощью шкафа
ШЭ2607 011021. Она предназначена для защиты систем шин в случае неисправности или
вывода из работы основной быстродействующей дифференциальной защиты шин. Как
правило, СРЗШ включается на сумму токов шиносоединетельного выключателя и авто-
трансформаторов или секционных выключателей. СРЗШ состоит из двух комплектов. За-
щиты первого комплекта направлены в одну систему шин, защиты второго комплекта – в
другую (рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема подключения суммарной резервной защиты шин
В нормальном режиме (ДЗШ в работе) СРЗШ действует как направленная дели-
тельная защита и действует на отключение ШСВ и СВ или ввода АТ. Если ДЗШ выводит-
ся из работы, СРЗШ вводится на отключение транзитных ВЛ и питающих присоединений
с запретом АПВ и выдержкой времени 0,5 с. Таким образом, даже при выводе ДЗШ, мы
имеем резервную быстродействующую защиту шин.
Преимущества применения СРЗШ:
1) уменьшение времени ликвидации повреждения (до 0,25–0,3 с) при выведенной
ДЗШ, улучшение селективности защит;
2) осуществление дальнего резервирования коротких замыканий на линиях, отхо-
дящих от шин подстанции;
3) появляется возможность отказаться от действия защит автотрансформаторов на
ШСВ
;
4) уменьшение количества операций, выполняемых оперативным персоналом, при
выводе ДЗШ и автотрансформаторов.
Третье решение лежит в области противоаварийной автоматики – это автоматика
разгрузки при перегрузке по току (АРПТ). АРПТ предназначена для ограничения повы-
шения тока в электрооборудовании сверх допустимого уровня с учетом длительности по-
вышения.
Алгоритм работы АРПТ следующий. Измерительный орган автоматики
реагирует
на увеличение тока, протекающего по линии. При превышении током в фазах величины
уставки автоматика действует либо на отключение нагрузки, либо на деление системы.
97
Автоматика может иметь одну или несколько ступеней, отличающихся друг от друга ве-
личиной тока или временем срабатывания.
Функция АРПТ имеется в комплекте A2 шкафа ШЭ2607 011021 и реализуется вы-
шеописанным образом. К АРПТ предъявляются следующие требования:
1) высокий коэффициент возврата для токовых реле;
2) контроль направления перетока мощности (в обе стороны линии);
3) различное направление управляющих воздействий (объект A или объект B).
Первое требование успешно выполняется. Микропроцессорное исполнение АРПТ,
в отличие от электромеханического, позволяет поставить коэффициент возврата 0,98÷0,99.
В то же время стандартное исполнение АРПТ в шкафу ШЭ2607 011021 не позволя-
ет выполнить второе требование. Это является недостатком, так как в большинстве случа-
ев необходимо учитывать направление перетока мощности, и, в зависимости от направле-
ния, выдавать те или иные управляющие воздействия (рисунок 4).
Рисунок 4 – Контроль направления мощности для АРПТ
У шкафа ШЭ2607 011021 есть некоторые возможности для свободно-программиру-
емой логики, и, по нашему предложению, на НПП «ЭКРА» заменили программное обес-
печение терминалов А2, сделав ступени АРПТ с контролем направления мощности пря-
мой последовательности.
Преимущества использования направленного АРПТ в шкафу ШЭ 2607 011021:
1) нет необходимости в
установке дополнительной панели для реализации алго-
ритма контроля направления мощности;
2) упрощается обслуживание устройства АРПТ;
3) быстрое изменение уставок АРПТ зима/лета с помощью программы EKRA SMS.
98
СТУПЕНЧАТЫЕ ЗАЩИТЫ
С ЗАВИСИМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Р.Г. Исаков, В.Г. Гарке
КГТУ–КАИ
Токовыми называются защиты, реагирующие на ток, проходящий по защищаемому
элементу. Защита срабатывает, если ток в месте ее включения превышает заранее уста-
новленное значение – уставку по току
с.з
. В общем случае она выполняется со ступенча-
тыми, плавными (зависимыми) или комбинированными характеристиками выдержками
времени
, где – ток, протекающий по защищаемому элементу в месте установки
защиты. Током срабатывания максимальной токовой защиты (МТЗ)
с.з
обычно называет-
ся минимальный ток в фазах линии, при котором защита может сработать. Выдержка вре-
мени МТЗ вводится с целью обеспечения селективности защиты объекта по отношению к
защитам смежных объектов. Для этого выдержка времени (или время срабатывания) за-
щищаемого объекта выбирается большей, чем время срабатывания защиты предыдущих
объектов (см. рисунок 1) [1].
с.з
с.з пред
∆; (1)
где
с.з
– время срабатывания защиты;
с.з пред
– время срабатывания предыдущей защиты;
∆ – ступень селективности.
Рисунок 1 – Выдержки времени срабатывания МТЗ
Токовые реле с обратнозависимой от тока выдержкой времени широко использу-
ются в релейной защите распределительных сетей 6 и 10 кВ. Времятоковые характеристи-
ки этих реле удобно согласовывать с защитными характеристиками предохранителей, а
также с характеристиками нагрева защищаемых присоединений (например, электродвига-
телей). В каждом конкретном случае требования к
форме времятоковой характеристики
реле могут быть различными [2].
Согласование МТЗ с обратнозависимыми времятоковыми характеристиками реле
времени традиционно производится с помощью графиков. Согласование характеристик
зависимых защит по времени начинается с определения расчетной точки повреждения и
соответствующего ей расчетного тока КЗ. Эти времена зависят от типов и уставок защит
последующего и предыдущего элементов. Времятоковые характеристики приведенные на
рисунке 2, имеют различную степень крутизны. Для семейства характеристик по стандар-
ту МЭК время срабатывания вычисляется по формуле [3]
99
с.з
1
β
, (2)
где
– отношение тока короткого замыкания к току срабатывания защиты; , α, β – ко-
эффициенты, которые определяют крутизну зависимости времятоковых характеристик.
Рисунок 2 – Время токовые характеристики:
а – стандартная обратнозависимая; б – очень обратнозависимая;
в – чрезвычайно обратнозависимая; г – характеристика реле РТ-80
Полноценную токовую защиту объекта можно выполнить, используя совместно то-
ковую отсечку (ТО) и МТЗ. На объектах обычно устанавливают трехступенчатую токо-
вую защиту:
– I ступень – ТО
1
со временем действия, равным нулю;
– II ступень – ТО
2
с выдержкой времени, равной ∆;
– III ступень – МТЗ с выдержкой времени, превышающей выдержки времени всех
предыдущих защит.
Результирующая времятоковая характеристика трехступенчатой токовой защиты
линий электропередачи будет иметь ступенчатую форму (рисунок 3). Если защиты со сту-
пенчатой характеристикой выдержки времени устанавливаются на смежных участках, то
согласование их выполняется по току и времени.
Но максимальная токовая защита имеет существенный недостаток – «накопление»
выдержек времени, особенно существенное для головных элементов в многоступенчатых
сетях. От данного недостатка можно избавиться, установив двухступенчатую максималь-
ную токовую защиту, состоящую из двух ступеней: первая – токовая отсечка и вторая –
зависимая токовая защита. Времятоковая характеристика имеет вид наклонных участков
прямой линии. На рисунке 4 показана карта селективности двухступенчатой максималь-
ной токовой защиты.
Получение линейно-зависимой характеристики срабатывания рассмотрим на при-
мере распределительной сети, изображенной на рисунке 5.
Время-токовая характеристика. Время срабатывания защиты при КЗ в точках:
с.з
0; (3)
Л
с.з
∆; (4)
100
Л
Л
с.з
2∆; (5)
где
– сопротивление в месте короткого замыкания;
– сопротивление системы;
Л
–
сопротивление линий Л1;
Л
– сопротивление линий Л2;
с.з
– время срабатывания защи-
ты; ∆ – ступень селективности.
Рисунок 3 – Трехступенчатая токовая защита (ТО
1
, ТО
2
, МТЗ)
Рисунок 4 – Двухступенчатая токовая защита (ТО, МТЗ)
Рисунок 5 – Пример распределительной сети
Изменение времени срабатывание защиты первой линии при изменении места ко-
роткого замыкания:
– первая часть характеристики:
с.з
∆
Л
; (6)
где
с.з
– время срабатывания защиты в первой части характеристики;
– вторая часть характеристики:
с.з
∆
Л
Л
∆; (7)
101
где
с.з
– время срабатывания защиты во второй части характеристики.
Для защит последующих линий выражения времени срабатывания определяются
аналогично выражениям (3)–(7) с учетом параметров и обозначений линий.
Устройство токовой защиты с линейной характеристикой срабатывания приведено
на рисунке 6.
Рисунок 6 – Устройство токовой защиты с линейной характеристикой срабатывания
Предлагаемое устройство состоит из аналогово-цифрового преобразователя (1),
предназначенного для преобразования измеряемого тока в цифровые значения, которые
подаются на вход пусковых органов (2, 3) для сравнения с установленным значением и на
вход выдержек времени (4, 5) для вычисления значения времени срабатывания защиты.
По превышению значения уставки второй ступени защиты срабатывает первый пусковой
орган (2). Второй пусковой орган (3) так же срабатывает. После срабатывания с выходов
пусковых органов (2, 3) подаются сигналы запуска выдержек времени (4, 5). Далее произ-
водится отчёт времени задержки первого и второго участка второй ступени защиты. По
истечению времени задержки с выходов выдержек времени (4, 5) подается сигнал на эле-
мент ИЛИ (6). С выхода элемента ИЛИ (6) и второго пускового органа подается сигнал на
вход элемента И (7), с выхода которого подается сигнал на отключение. В том случает,
если измеряемый ток меньше уставки первого пускового органа (2), но превышает значе-
ние уставки второго пускового органа (3), защита работает следующим образом: срабаты-
вает второй пусковой орган (3), с выхода
пускового органа подается сигнал на запуск вы-
держки времени (5). Далее работа устройства аналогично описанному выше, за исключе-
нием работы первого пускового органа (2) и выдержки времени (4). Выдержка времени
защиты зависит от тока линейно.
Расчёт уставок предлагаемой двухступенчатой токовой защиты – ТО (первая сту-
пень) и МТЗ (вторая ступень) – выполняется следующим образом [2]:
Токовая отсечка
, первая ступень:
– ток срабатывания:
с.отс
отс
max
; (8)
где
с.отс
– ток срабатывания токовой отсечки;
отс
– коэффициент отстройки;
max
– мак-
симальный ток короткого замыкания в конце защищаемой линии,
– время срабатывания равно нулю.
– чувствительность первой ступени определяется:
ч
min
с.отс
; (9)
где
ч
– коэффициент чувствительности;
min
– ток двухфазного короткого замыкания в
минимальном режиме в конце защищаемой линии.
102
Максимальная токовая защита, вторая ступень.
Для защиты первого участка устанавливается токовый пусковой орган (ПО
1
), кото-
рый срабатывает при КЗ на защищаемой линии в любых режимах и не работает при на-
грузочных режимах.
с.з
отс
сзп
в
н max
; (10)
где
с.з
– ток срабатывания ПО
1
второй ступени МТЗ;
отс
– коэффициент отстройки;
сзп
– коэффициент самозапуска (1,1–1,2);
в
– коэффициент возврата (0,96);
н max
– ток
максимальной нагрузки, включая пусковые токи электродвигателей.
Время срабатывания МТЗ для первой линии (участка) определяется по формуле (6).
Чувствительность определяется:
ч
min
с.з
; (11)
где
min
– ток двухфазного КЗ в минимальном режиме в конце защищаемой линии.
Для защиты второго участка (дальнее резервирование) устанавливается токовый
ПО
2
, который срабатывает при КЗ на следующей линии в любых режимах и не работает
при нагрузочных режимах. Ток срабатывания определяется по той же формуле, что и для
ПО
1
, с учетом параметров второй линии (участка), но проверяется на чувствительность
при КЗ в конце следующей линии.
Ток срабатывания МТЗ первой линии для второго участка определяется:
с.з
отс
с.з
; (12)
где
с.з
– ток срабатывания ПО
2
второй ступени МТЗ;
отс
– коэффициент отстройки.
Время срабатывания МТЗ для второго участка определяется по формуле (7).
Чувствительность защиты определяется как
ч
min
с.з
; (13)
где
min
– ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме в конце второй
защищаемой линии. ПО
1
и ПО
2
желательно согласовать по току срабатывания между со-
бой.
Применение предложенного способа защиты даёт несколько преимуществ:
1. Последовательно установленные комплекты согласуются с меньшим накоплением вы-
держек времени.
2. Максимальное время срабатывания защиты равно 2∆.
3. Данная защита с помощью двух ступеней обеспечивает как ближнее резервирование
(первая часть характеристики), так и дальнее резервирование (вторая часть).
Список использованных источников
1. Федосеев А.М. Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб.
для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат. 1992. 528 с.
2. Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. – 2-е изд, перераб. и доп. М.:
Энергоатомиздат, 1987. 368 с.
3. Шабад М.А. Расчёты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. 4-е
изд., перераб. и доп. СПб.: ПЭИПК. 2003. 350 с.
103
УПРАВЛЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
ПРИ ОТКАЗАХ ТИРИСТОРОВ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ
В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ
М.Е. Гольдштейн, К.Е. Горшков
ЮУрГУ
В отличие от систем независимого возбуждения системы самовозбуждения (ССВ)
просты, надежны, имеют меньшую стоимость, а функциональные свойства ССВ позволя-
ют устанавливать их на синхронных генераторах средней и большой мощности. Поэтому
сегодня многие синхронные генераторы (СГ) стремятся оснащать системами самовозбуж-
дения.
Статические тиристорные ССВ турбогенераторов обычно выполняют одногруппо-
выми с сильноточным тиристорным преобразователем или группой параллельных элемен-
тарных тиристорных мостов (ЭТМ), питаемых через трансформатор с выводов синхрон-
ного генератора [1, 2]. Требуемая мощность ССВ достигается увеличением числа парал-
лельных тиристоров или ЭТМ. Надежность работы вентильной секции тиристорного пре-
образователя обеспечивается за счет резервирования элементов схемы. Для этого в каж-
дом плече преобразователя устанавливают «резервный» тиристор или включают в вен-
тильную группу резервные мосты.
В соответствии с ГОСТ 21558-2000 при работе с полным числом вентилей (1 ),
а также при выходе из строя любого числа «резервных» вентилей () тиристорный преоб-
разователь должен обеспечивать все режимы работы ССВ [3]. В случае выхода из строя
двух и более вентилей в одном плече преобразователя (1 и ) выполняется ог-
раничение тока ротора до значения, соответствующего номинальному режиму работы
синхронного генератора с коэффициентом мощности равным единице (
ном
и cosφ1), и
вводится запрет форсирования напряжения на выводах СГ при авариях в энергосистеме.
Следует отметить, что форсировка возбуждения синхронных генераторов является
основным и нередко единственным средством автоматического предотвращения сниже-
ния напряжения в сети. При коротких замыканиях (КЗ) в энергосистеме напряжение на
выводах синхронного генератора снижается. Для СГ с ССВ это приводит к снижению
кратности форсировки по току и напряжению. Интенсивность и характер снижения зави-
сят от вида и удаленности КЗ, в связи с чем, при достаточно близких коротких замыкани-
ях, наблюдается лавинное снижение напряжения на выводах СГ. Поэтому ограничение
тока ротора и запрет форсировки при выходе из строя параллельных тиристоров
значи-
тельно снижают устойчивость СГ с ССВ к развивающимся авариям и способствуют преж-
девременному появлению лавины напряжения при КЗ. Таким образом, сохранение и под-
держание форсировочной способности СГ с ССВ являются первоочередными задачами в
вопросах повышения эффективности и совершенствования систем самовозбуждения.
Ниже рассмотрены особенности работы сильноточного тиристорного преобразова-
теля ССВ
при выходе из строя параллельных тиристоров, показаны некоторые недостатки
применяемого способа предотвращения перегрузки тиристоров, а также предложен алго-
ритм управления, позволяющий форсировать напряжение на выводах СГ при КЗ в энерго-
системе.
В сильноточном преобразователе при выходе из строя тиристора ток плеча пере-
распределяется по оставшимся в работе вентилям, что приводит к увеличению тепловых
потерь, росту температуры нагрева и перегрузке плеча преобразователя в ранее допусти-
мых режимах работы. В системах самовозбуждения синхронных генераторов нагрузка ти-
104
ристорного преобразователя имеет практически индуктивный характер (
4,5 …7,5 с
для турбогенераторов 200–500 МВт). В связи с этим величина тока преобразователя в ус-
тановившемся режиме определяется средним значением выпрямленного напряжения, и
при перегрузке даже одного плеча разгружают все плечи преобразователя и, как следст-
вие, ограничивают режимы работы СГ по току возбуждения.
При работе синхронного генератора с номинальной активной мощностью и коэф-
фициентом мощности равным единице ток ротора обычно на 30 5 % меньше номиналь-
ного. В длительном режиме работы максимально допустимый ток преобразователя дол-
жен быть не ниже 110 % номинального тока возбуждения. Следовательно, разгрузка тири-
сторного преобразователя по току при переводе синхронного генератора в режим работы с
ном
и cоsφ1 может составить 30–40 % от номинального тока преобразователя.
На рисунке 1 приведены зависимости среднего тока тиристора в открытом состоя-
нии от числа вышедших из строя «рабочих» вентилей при снижении выпрямленного
тока на 25–35 % от номинальной величины. Зависимости получены для преобразователей
с 3–6 «рабочими» вентилями в каждом плече при условии равномерного токораспределе-
ния тиристоров. Из сравнения кривых следует, что при выходе из строя одного «рабочего»
тиристора в преобразователе с 3 снижение выпрямленного тока на 35 % позволяет
полностью скомпенсировать рост нагрузки на оставшихся тиристорах (рисунок 1, а). В
случае преобразователя с 4 для этого достаточно снизить выпрямленный ток всего
на 25 % (рисунок 1, б). Остальные величины выпрямленного тока, на которые необходимо
разгрузить тиристорный преобразователь для полной компенсации роста нагрузки в пле-
че, определяются по выражению:
∆
⁄
. (1)
Значения, найденные согласно (1), сведены в таблицу 1. Из таблицы следует, что в
большинстве рассмотренных в ней случаев (11 из 17) требуются значительно меньшие ог-
раничения режима работы СГ по току возбуждения в сравнении с указанными в ГОСТ.
Рисунок 1 – Зависимость среднего тока тиристора в открытом состоянии от числа
вышедших из строя параллельных вентилей при разгрузке преобразователя по току
на 35 % (а) и 25 % (б) от номинального значения
В установившемся режиме форсировки работа СГ и ССВ нормируются предельной
кратностью по току возбуждения и допустимой длительностью форсировки. Для турбоге-
нераторов кратность форсировки по току составляет
2,0. Соответствующая ей допус-
0 1 2 3
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 1 2 3
0.5
1
1.5
2
2.5
3
m
I
T(AV)
(m)/I
T(AV)
(N)
N=3
I
T(AV)
(m)/I
T(AV)
(N)
m
N=4
N=5
N=6
N=3
N=4
N=5
N=6
а) б)