Релейная защита подстанции 220/110/10 кВ

Глава 2. Релейная защита подстанции 220/110/10 кВ

Общие требования к релейной защите

Релейная защита должна проектироваться в соответствии с ПУЭ и НТП;

- При новом строительстве, должны применяться современные устройства РЗА отечественного или иностранного производства, аттестованные или одобренные ОАО «ФСК ЕЭС».

- Отключение любого поврежденного элемента сети (линий, подстанционного оборудования - шин, автотрансформаторов, реакторов, трансформаторов и другого первичного оборудования) должно осуществляться с минимальным возможным временем в целях сохранения устойчивой бесперебойной работы неповрежденной части системы и ограничения области и степени повреждения;

- Состав и построение защит и автоматики каждого элемента сети 110 кВ и выше должны отвечать требованиям ближнего резервирования и при выводе из работы любого устройства по любой причине должны: обеспечивать сохранение функций защиты данного элемента сети от всех видов повреждений, исключать необходимость вывода данного элемента из работы;

- Количество трансформаторов тока, вторичных обмоток и их классы точности должны обеспечивать раздельное подключение устройств РЗА и систем измерений (контроллеров АСУ ТП, автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учёта электроэнергии, мониторинга оборудования и других). Основные и резервные защиты каждого элемента сети должны включаться на разные вторичные обмотки трансформаторов тока;

- Должно предусматриваться резервирование защит по цепям напряжения с ручным переводом цепей на другой ТН;

- Для действия при отказах защит или выключателей смежных элементов должна предусматриваться резервная защита, предназначенная для обеспечения дальнего резервирования. Если дальнее резервирование не обеспечивается, должны предусматриваться меры по усилению ближнего резервирования.

Требования к защите ВЛ 110-220 кВ

- На линиях с двухсторонним питанием, отнесенным к ЕНЭС, а также отходящих от ПС ЕНЭС, должны устанавливаться две независимые защиты от всех видов повреждения: быстродействующая защита с абсолютной селективностью и комплект ступенчатых защит (резервная защита). Должны быть предусмотрены меры по отстройке быстродействующих защит от коротких замыканий за силовыми трансформаторами отпаечных подстанций;

- В качестве основной быстродействующей защиты необходимо применять один из следующих вариантов:

1) продольную дифференциальную защиту (ДЗЛ);

2) дифференциально-фазную высокочастотную защиту ДФЗ;

3) комплект ступенчатых защит с передачей блокирующих или разрешающих сигналов;

- Комплект ступенчатых защит должен содержать дистанционную и токовую направленную защиту нулевой последовательности. Отдельные (по выбору) ступени дистанционной защиты должны блокироваться при качаниях;

- Должна предусматриваться возможность оперативного и автоматического ускорения ступенчатых защит и выбора ускоряемых ступеней;

- Защиты, имеющие цепи напряжения, неисправность которых приводит к ложному отключению, должны блокироваться при нарушении цепей напряжения.

Требования к защите автотрансформаторов 220 кВ

- Два комплекта дифференциальной токовой защиты АТ (для мощности АТ 160 МВА и выше, согласно приказу №690 ОАО «ФСК»);

- Газовая защита;

- Защита РПН с использованием струйных реле;

- Резервные защиты на сторонах высшего, среднего и низшего напряжения;

- Защита от перегрузки (включая защиту от перегрузки общей обмотки);

- Автоматика регулирования РПН;

- Технологические защиты (защита от понижения уровня масла, защита от потери охлаждения и т. п.).

Кроме того, на АТ могут устанавливаться:

- Дифференциальные защиты ошиновок ВН и СН (при подключении соответствующей стороны АТ к шинам через два выключателя или кабельную вставку);

- Дифференциальная токовая защита ошиновки НН с включением в зону ее действия токоограничивающего реактора;

- Газовые (струйные) реле должны действовать через терминал дифференциальной защиты и через терминал резервной защиты стороны ВН (необходимо оснащение трансформатора реле с двумя отключающими контактами);

- Резервные защиты на сторонах ВН и СН должны выполняться в виде ступенчатых защит (дистанционных и токовых направленных нулевой последовательности);

- Дистанционные защиты должны блокироваться при неисправности цепей напряжения;

- Резервные защиты должны иметь автоматическое и оперативное ускорение отдельных ступеней;

- На стороне низшего напряжения АТ должна устанавливаться максимальная токовая защита с возможностью пуска по напряжению;

- На стороне низшего напряжения АТ должен быть предусмотрен контроль изоляции НН;

- При применении на АТ системы пожаротушения должна быть предусмотрена автоматика пуска пожаротушения (АППж).

Требования к защите шин и ошиновок

- Защита систем (секций) шин 110-220 кВ должна выполняться с использованием одного комплекта дифференциальной токовой защиты;

- Защита комплектных РУ 110-220 кВ с элегазовой изоляцией - с использованием двух комплектов дифференциальной защиты;

- Дифференциальная защита шин (ошиновок) должна иметь устройство контроля исправности цепей переменного тока.

Требования к устройству резервирования при отказе выключателя (УРОВ)

- На каждом выключателе 110-750 кВ, а также на выключателях 6-35 кВ присоединений, отказ выключателя которых не резервируется защитами других присоединений, должно предусматриваться устройство резервирования при отказе выключателя (УРОВ) с пуском от защит присоединений;

- УРОВ присоединений 110 кВ и выше должно быть реализовано со ступенчатым действием:

- первая ступень - действие без выдержки времени и без контроля тока на отключение своего выключателя;

- вторая ступень - действие с выдержкой времени и с контролем тока на отключение выключателей смежных присоединений с запретом АПВ;

- УРОВ присоединений 6-35 кВ допускается выполнять в виде действия защиты присоединения с дополнительной выдержкой времени (времени УРОВ) на отключение питающих присоединений.

Требования к защите РУ 10 кВ

На вводных выключателях необходимо предусматривать:

- Максимальную токовую защиту с комбинированным пуском по напряжению;

- Дуговую защиту;

- Защиту минимального напряжения;

- УРОВ.

На секционном выключателе необходимо предусматривать:

- Максимальную токовую защиту;

- Дуговую защиту;

- Автоматическое включение резерва (АВР).

На каждой секции шин должна быть предусмотрена:

- Дуговая защита шин;

- Логическая защита шин;

- Сигнализация замыканий на землю.

На отходящих линиях необходимо предусматривать:

- Максимальную токовую защиту;

- Токовую отсечку;

- Защиту от перегрузки (на ТСН);

- Защиту от замыканий на землю;

- Дуговую защиту;

- АПВ (для воздушных линий);

- УРОВ.

Защита от дуговых замыканий должна выполняться с контролем тока;

На линиях, питающих внешних потребителей, должна предусматриваться селективная сигнализация при однофазных замыканиях на землю.

2.1 Релейная защита прилегающей сети высшего напряжения

2.1.1 Структура комплекса РЗА ВЛ 220 кВ

Структура комплекса РЗА разрабатывалась в соответствии с системными (унифицированными) решениями и на основании ПУЭ и стандартов ОАО «ФСК ЕЭС» ([2], [11]).

На проектируемой подстанции планируется два канала связи ВОЛС и ВЧКС, следовательно в соответствии с [11], на каждой из рассматриваемых линий 220 кВ предусматривается 3 комплекта устройств РЗА:

1) Комплект дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) - в качестве быстродействующей защиты;

2) Комплект: ступенчатых защит (КСЗ), включающий дистанционные (ДЗ) и токовые направленные защиты нулевой последовательности (ТНЗНП) с передачей отключающих и разрешающих сигналов ускорения по каналам ВЧ;

3) Комплект: автоматика и управление выключателем (АУВ).

На отходящих линиях устанавливаются терминалы микропроцессорных защит фирмы ЭКРА и SIEMENS:

- терминалы дифференциально-фазной высокочастотной защиты ВЛ типов ШЭ2607 081

- многофункциональные терминалы защиты ВЛ типа 7SA522

- терминал УРОВ и АПВ типа 6МD664.

2.1.2 Дифференциально-фазная защита линий

Принцип действия ДФЗ основан на сравнении фаз токов по обоим концам защищаемой линии, получаемых от комбинированных фильтров токов I1+kI2.

Сравнение фаз токов, протекающих по разным концам ВЛ, осуществляется посредством токов высокой частоты (ВЧ) по каналу, в качестве которого используется защищаемая линия. Защита обладает абсолютной селективностью и действует на отключение при всех видах КЗ в защищаемой зоне и не действует при внешних КЗ, качаниях, реверсе мощности, асинхронном режиме работы ВЛ, несинхронных включениях и режимах одностороннего включения без КЗ. В основных режимах защита действует без цепей напряжения.

2.1.2.1 Методика выбора уставок для ДФЗ, установленной на линии W2(W3)

2.1.2.1.1 Выбор уставки токовых органов с пуском по вектору разности фазных токов IL

1) Выбор уставки токового органа с пуском по вектору разности фазных токов IL, действующего на блокировку

Уставки выбираются одинаковыми для обоих комплектов, т.к. в формулы для расчета входит один и тот же наибольший из максимальных рабочих токов по концам линии.

Уставка выбирается исходя из обеспечения пуска передатчика при внешних симметричных КЗ с большим током.

2) Выбор уставки токового органа с пуском по вектору разности фазных токов IL, действующего на отключение

Уставка выбирается исходя из отстройки от того конца линии, с которым согласовывается данный комплект, с учетом коэффициента ответвления.

,

принимается равным 1,т.к. линия без ответвлений.

2.1.2.1.2 Выбор уставки токовых органов с пуском по току обратной последовательности I2

1) Выбор уставки токового органа с пуском по току обратной последовательности I2, действующего на блокировку

Для обоих полукомплектов уставки выбираются одинаковыми, т.к. в формулы для расчета входит один и тот же 1л бл уст.

Уставка токового органа с пуском по току обратной последовательности I2 бл уст выбирается исходя из отстройки от тока небаланса, определяемого погрешностями ТТ, частотными небалансами фильтров обратной последовательности и погрешностями их настройки, а также небалансами нагрузочного режима сети.

,

где - расчетный ток небаланса обратной последовательности;

- коэффициент отстройки принимается равным =1,3;

- коэффициент возврата принимается равным =0,9.

=,

где - уставка блокирующего токового органа с пуском по IL;

- полная погрешность ТТ принимается равной =0,03, согласно ГОСТ 7746-2001 Трансформаторы тока. Общие технические условия.

- коэффициент частотной зависимости ФТОП по данным разработчика принимается равным =0,23;

Df - относительная погрешность отклонения частоты принимается равным Df=0,03;

Dф - относительная погрешность настройки фильтра с учётом погрешности датчиков тока принимается равным Dф=0,005;

- коэффициент несимметрии тока обратной последовательности принимается равным к2 несим=0,02, согласно ГОСТ 13109 Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения.

,

.

2) Выбор уставки токового органа с пуском по току обратной последовательности I2, действующего на отключение

Уставка выбирается исходя из следующих критериев:

- отстройки от уст того конца линии, с которым согласовывается данный комплект, с учетом коэффициента ответвления

где - коэффициент ответвления;

- уставка блокирующего токового органа с пуском по I2;

- коэффициент отстройки принимается равным =1,5.

- отстройки от составляющей обратной последовательности емкостного тока линии, обусловленной кратковременной несимметрией при включении линии под напряжение.

,

где: - коэффициент отстройки, учитывающий необходимый запас на увеличение емкостного тока в переходном режиме, принимается равным

- коэффициент ответвления;

- емкостной ток обратной последовательности на 1 км линии;

L - длина линии.

Окончательно уставка выбирается наибольшей из и :

3) Определение коэффициента чувствительности токового отключающего органа I2

Рассчитывается коэффициент чувствительности для каждого полукомплекта.

где: - минимальный ток КЗ обратной последовательности;

- уставка отключающего токового органа с пуском по I2.

Полукомплект 2.1:

.

Полукомплект 2.2:

.

Так как , то необходимо загрубить уставку до для полукомплекта с меньшей чувствительностью, то есть для полукомплекта 1.2. Данная уставка будет одинакова для обоих полукомплектов.

= .

Уточнение уставки :

2.1.2.1.3 Выбор уставки органа направления мощности нулевой последовательности М0

Так как на линии W2 нет отпаек, то расчет уставки органа направления мощности нулевой последовательности не нужен.

2.1.2.1.4 Выбор уставки токового органа с пуском по приращению DI2

1) Выбор уставки токового органа с пуском по приращению DI2, действующего на блокировку

Алгоритм этого органа обеспечивает отстройку от тока небаланса обратной последовательности при максимальном токе качаний, от изменения тока при тяговой нагрузке и всех небалансов максимального рабочего режима, связанных с погрешностями ТТ и фильтра.

, где

- коэффициент отстройки принимается равным =0,7.

2) Уставка токового органа с пуском по приращению DI2, действующего на отключение

Уставка выбирается исходя из отстройки от уставки блокирующего токового органа с пуском по приращению .

,

где - коэффициент отстройки принимается равным =2.

Коэффициент чувствительности Kч не проверяется.

2.1.2.1.5 Выбор уставки токового органа с пуском по приращению DI1

1) Выбор уставки токового органа с пуском по приращению DI1, действующего на блокировку

Алгоритм этого органа обеспечивает отстройку от тока небаланса прямой последовательности при максимальном токе качаний, от изменения тока при тяговой нагрузке и всех небалансов максимального рабочего режима, связанных с погрешностями ТТ и фильтра. По данным разработчика необходимо выбирать в 4 раза больше, чем .

,

где - коэффициент отстройки принимается равным =4.

2) Выбор уставки токового органа с пуском по приращению DI1, действующего на отключение

По данным разработчика необходимо выбирать в 4 раза больше,

чем . ,

где - коэффициент отстройки принимается равным =4.

2.1.2.1.6 Орган манипуляции. Коэффициент комбинированного фильтра токов

Коэффициент комбинированного фильтра токов K определяется исходя из расчета необходимой чувствительности при несимметричных КЗ в минимальном, с точки зрения токов КЗ, режиме работы линии с обеспечением предпочтительного сравнения векторов токов с учетом тока нагрузки. Чем больше K, тем меньше влияние токов нагрузки в режиме, предшествующем КЗ. Однако, следует учитывать, что при больших значениях этого коэффициента возрастает влияние тока небаланса ТТ при внешних симметричных КЗ на правильность измерения фазы первичного тока.

Так как расчет токов КЗ производился без учета тока нагрузки, то K рассчитывается по формуле:

где - ток обратной последовательности однофазного КЗ на землю;

- ток нагрузки.

ПК 2.1:

, соответственно примем

ПК 2.2:

, соответственно примем

Окончательно коэффициент манипуляции примем равным 6.

Определение коэффициента чувствительности манипуляции при симметричных КЗ.

Так как пуск органа манипуляции происходит при токе, равном I2бл уст, то коэффициент чувствительности манипуляции при несимметричных КЗ необходимо рассчитывать по формуле:

Определение коэффициента чувствительности манипуляции при симметричных КЗ

По данным разработчика разрешение на манипуляцию происходит при токе, равном I2бл уст, поэтому коэффициент чувствительности необходимо определять так:

2.1.2.1.7 Орган сравнения фаз. Выбор уставки по углу блокировки

Уставка Фбл определяется исходя из условия селективной работы при внешнем КЗ с максимальным углом между векторами напряжений на выходе органов манипуляции по концам линии. Этот угол в основном зависит от погрешностей ТТ, в особенности, если они разнотипны по концам линии, от длины линии, а так же, если на линии будут устанавливаться разнотипные защиты: микропроцессорная и электромеханическая. Так как длина линии 80 км Ф_бл=60^o.

2.1.2.1.8 Выбор уставки реле сопротивления Zоткл

1) Выбор уставки реле сопротивления Zоткл по активной составляющей Rоткл

Уставка по активной составляющей Rоткл определяется исходя из отстройки от минимального сопротивления нагрузки линии.

- минимальное активное сопротивление в нагрузочном режиме рассчитывается по выражению (1);

- минимальное реактивное сопротивление в нагрузочном режиме рассчитывается по выражению (2);

Фмч - угол максимальной чувствительности;

Kн - коэффициент надежности принимается равным Kн=1,6.

(1)

(2)

где Фн - угол нагрузки ().

Проверка чувствительности при КЗ через R переходное.

Необходимо сравнить замер активного сопротивления при КЗ на шинах ПС ответвления и активное сопротивление линии и выбрать наибольшее:

,

где Rдуги - активное сопротивление дуги.

I1(3)I - максимальный ток трехфазного КЗ со стороны полукомплекта 1;

I1(3)II - максимальный ток трехфазного КЗ со стороны полукомплекта 2;

,

должно быть меньше или равно 0,7* Rоткл уст:

Если неравенство не выполняется, то защита не проходит по чувствительности.

2) Выбор уставки реле сопротивления Zоткл по реактивной составляющей Xоткл:

Уставка по реактивной составляющей сопротивления ИО Хоткл определяется исходя из критерия:

Надежный охват всей длины линии - Хоткл L уст.

Так как длина линии W2<150 км, то

.

Хоткл уст=76,2 Ом.

Окончательный выбор уставок по R и X производится после проверки чувствительности с учетом R дуги по программе АРМ (влияние дуги будет точнее): т.е. рассчитываются максимальные замеры Rчувст и Хчувст при КЗ в конце линии и на подстанциях ответвлений, при этом должно выполняться неравенство:

и

3) Выбор уставки реле сопротивления Zоткл по углу максимальной чувствительности

Угол максимальной чувствительности вычисляется алгоритмом защиты, исходя из заданных удельных параметров линии. Ниже приводятся формулы для его расчета:

Угол наклона характеристики ИО Zоткл к оси R:

где Х1 уд - реактивное удельное сопротивление ВЛ прямой последовательности;

R1 уд - активное удельное сопротивление ВЛ прямой последовательности.

Угол наклона характеристики ИО Zоткл к оси Х:

2.1.2.1.9 Выбор уставки реле сопротивления Zотв

Выбор уставки не требуется, так как на линии нет ответвлений. Программная накладка XB1 в положении 1.

2.1.2.1.10 Выбор уставки токового органа с пуском по току нулевой последовательности I0, действующего на блокировку и отключение

В большинстве случаев уставки по току нулевой последовательности необходимо выбирать самыми грубыми, так как наличие пуска блокировки по I0 может привести к отказу защиты.

В связи с тем, что манипуляция ВЧ сигнала осуществляется преимущественно током обратной последовательности (нулевая последовательность в сигнале манипуляции исключена), указанные ПО можно не использовать вообще. В этом случае устанавливается режим ДФЗ / Логика работы / ПО Io | выведен.

ДФЗ линии W1 рассчитывается аналогичным образом.

2.1.3 Резервные защиты линии

На ВЛ 220 кВ используется терминал ступенчатых защит типа 7SA522 предназначенный для резервной защиты воздушной линии (ВЛ).

Терминал содержит пять независимых ступеней и дополнительно одну управляемую ступень дистанционной защиты (ДЗ), четырехступенчатую токовую направленную защиту нулевой последовательности (ТНЗНП), междуфазную токовую отсечку (МФО). Имеется возможность ускорения работы защит путем взаимодействия с аналогичными защитами, установленными на другом конце линии, с использованием высокочастотных сигналов телеотключения и (или) телеускорения (ВЧС).

Схема дистанционной защиты содержит:

- пять основных направленных ступени;

- одну управляемую ступень;

- блокировку при качаниях (БК);

- блокировку при неисправностях в цепях переменного напряжения (БНН);

- цепи логики и органы выдержек времени.

Схема ТНЗНП содержит четыре направленных ступени, включающих:

- реле тока нулевой последовательности;

- реле направления мощности нулевой последовательности (РНМНП);

- цепи логики и органы выдержек времени.

Схема МФО содержит:

- три фазных реле максимального тока;

- цепи логики.

2.1.3.1 Дистанционная защита линий

На комплексной плоскости сопротивлений зоны срабатывания дистанционной защиты от междуфазных КЗ, входящей в состав терминала 7SA 522, в зависимости от заказа, представляются либо полигональными многоугольными характеристиками, каждая из которых ограничивается прямыми направления, прямой, параллельной оси абсцисс по реактивной составляющей, и прямой, параллельной вектору полного сопротивления защищаемой линии по активной составляющей сопротивлений, либо круговыми характеристиками.

При полигональных характеристиках ограничения по активной составляющей сопротивления могут устанавливаться раздельно. Для первой ступени можно задать угол б, определяющий наклон верхней границы характеристики в I квадранте комплексной плоскости. Указанное может потребоваться в том случае, если ожидаются КЗ с большими переходными сопротивлениями на защищаемой линии с двухсторонним питанием и при передаче по ней значительной активной мощности в защищаемом направлении, - с целью предотвращения излишнего срабатывания I ступени из-за снижения замера сопротивления.

Защита имеет пять независимых зон Z1, Z2, Z3, Z4 и Z5, а также дополнительную управляемую зону Z1B. На рисунке 2.3 представлены зоны срабатывания дистанционной защиты, имеющей полигональные характеристики.

Каждая из зон имеет уставки со следующими пределами выполнения:

X - реактивное сопротивление (расстояние), при всех видах КЗ, в диапазоне (0,05ч250) Ом вт.;

R ? ограничения по активному сопротивлению при междуфазных КЗ, в диапазоне (0,05ч250) Ом вт.;

RE ? ограничения по активному сопротивлению при однофазных КЗ, в диапазоне (0,05ч250) Ом вт.;

Т ? выдержки времени срабатывания зон в диапазоне - (0,00ч30,00) с;

б - угол наклона верхней границы характеристики срабатывания I ступени (0ч30)°.

Для 1, 2-й и управляемой зоны Z1B возможно использование раздельных выдержек времени.

Управляемая зона Z1B предназначена для организации телеускорения, автоматического ускорения и вводится в работу принудительно по факту управляющих команд. Каждая из ступеней защиты в соответствии с задаваемым параметром MODUS может быть: вперед направленной, обратно направленной или ненаправленной.

В общем случае многоугольник характеристик представляет собой параллелограмм, задаваемый отрезками по осям координат R и X, а также углом наклона ц_Л ? близким к характеристическому углу линии .

Сектор нагрузки с параметрами R_нагр. и ц_нагр. может вырезать из многоугольников характеристик область сопротивления нагрузки. Задаваемые параметры ц_Л, R_нагр., ц_нагр. ? для всех зон одинаковы. При этом следует учитывать диапазон задаваемых значений: