автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование и разработка системы защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока

На правах рукописи

КАПИТУЛА Юлия Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ФсВ 2015

Санкт-Петербург - 2014

005558373

005558373

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-технический центр Единой энергетической системы» (ОАО «НТЦ ЕЭС»),

Научный руководитель: Лозинова Наталия Георгиевна

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Сацук Евгений Иванович,

доктор технических наук, доцент, начальник службы внедрения противоаварийной и режимной автоматики ОАО «СО ЕЭС»

Ивакин Виктор Николаевич, кандидат технических наук, заместитель директора по науке и инновационным программам ОАО «Электрозавод»

Ведущая организация Федеральное государственное

автономное образовательное

учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГАОУ ВО «СПбПУ»)

Защита состоится "17" марта 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» по адресу: 115201, г. Москва, Каширское шоссе, д. 22, корп.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» по адресу nte-power.ru.

Автореферат разослан 2015

Ученый секретарь /)

диссертационного совета уд Новиков

Д 512.002.01 ' / Николай Леонтьевич

Д.Т.Н., ст.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Передачи и вставки постоянного тока (ППТ и ВПТ) обладают большими возможностями по повышению уровня устойчивости, надежности и управляемости энергосистем. В условиях промышленного центра целесообразно использование ППТ (ВПТ) для создания глубоких вводов и гибких связей между районами города, снижения токов короткого замыкания и гибкого управления перетоками мощности в городских сетях. При наличии в районе энергосистемы островных территорий для преодоления водных участков большой длины целесообразным и экономически выгодным становится использование технологии постоянного тока с применением кабельно-воздушной линии.

Рассматривая перспективы использования ППТ в Российской энергетике, к настоящему времени были предложены с разной степенью проработанности около 25-ти возможных внутренних и международных ППТ, в число которых помимо ВПТ и воздушных ППТ входили передачи с кабельно-воздушными линиями.

В соответствии со сложившейся практикой обеспечение заданного режима работы любого объекта постоянного тока, выполнение операций по включению и отключению преобразователей и других элементов схемы, обнаружение и ликвидацию аварий и недопустимых режимов работы выполняет предназначенная для этого сложная система управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) объекта постоянного тока.

Для оперативного выявления и отключения всех компонентов оборудования, подвергаемых воздействиям, и предотвращения неприемлемой расстройки системы управления структура системы защиты и автоматики (СЗА) полуцепн (выпрямительный преобразователь, линия и инверторный преобразователь) должна содержать следующие согласованно работающие элементы:

- система защиты двенадцатифазного преобразователя;

- система защиты полюса подстанции;

- система защиты линии;

- автоматика управления полуцепью.

К настоящему времени базовые принципы проектирования системы защиты преобразователей и защиты полюса достаточно широко известны.

Особое внимание следует уделить вопросу проектирования системы защиты кабельно-воздушной линии, поскольку использование таких неоднородных линий при передаче мощности накладывает ряд требований.

Мировой опыт использования передач постоянного тока показал, что на кабельных линиях аварии, вызванные внутренними повреждениями, достаточно редки. Чаще имеют место повреждения кабельных линий, вызванные внешними факторами: для подземных кабелей - это, например, механические работы с использованием бурового оборудования, для

подводных кабелей - это якоря, рыболовные снасти, траление и т.д. И количество таких аварий может быть в 3-5 раз больше, чем при возникновении внутренних повреждений кабеля. Аварии на воздушных линиях вызваны в основном атмосферными воздействиями, приводящими к нарушению изоляции воздушного промежутка. Для устранения таких повреждений достаточно обеспечить бестоковую паузу. Таким образом, помимо задачи локализации повреждения ППТ (преобразовательные подстанции или линия) достаточно актуальной является и задача выявления участка повреждения кабельно-воздушных линий ППТ.

В аварийных режимах при к.з. на линии токовые воздействия на оборудование практически отсутствуют из-за наличия в схеме линейного реактора и работы регулятора тока выпрямителя. Но такой аварийный режим, во-первых, опасен с точки зрения протекания тока в земле через место перекрытия при наличии в схеме передачи специальных обратных проводов для возврата тока, и, во-вторых, приводит к опасному для вентилей инвертора режиму прерывистых токов. Поэтому возникает необходимость выявления аварийного режима из-за к.з. на линии и его своевременное отключение.

Поскольку передача постоянного тока с кабельно-воздушной линией и возвратом тока по обратным проводам рассматривается впервые, то в диссертации ставится задача разработки системы защиты такой линии. При этом основные требования, предъявляемые к релейной защите в системах переменного тока, должны выполняться и при разработке защит на передачах постоянного тока.

Объектом исследований в диссертационной работе является биполярная кабельно-воздушная ППТ с возвратом тока по двум обратным проводам, принципиальная схема которой представлена на рисунке 1. Выпрямительную (преобразователи П1 и П2) и инверторную (преобразователи ПЗ и П4) подстанции связывает линия постоянного тока, в состав которой входят два однородных участка: кабельный и воздушный. Линейная часть ППТ состоит из двух полуцепей как на воздушном участке, так и на кабельном участке. Возврат тока несимметрии осуществляется по двум обратным проводам (нейтралям). Заземление такого «металлического» возврата выполняется на инверторной подстанции. На выпрямительной подстанции средняя точка заземлена через конденсаторную батарею. Подключение преобразователей выпрямителя к обратным проводам осуществляется с помощью выключателей В1, В2, ВЗ и В4, которые в нормальном режиме замкнуты на оба обратных провода. Средняя точка выпрямительной подстанции снабжена заземляющими выключателями В5 и В6, предназначенными для ликвидации коротких замыканий обратных проводов на землю и нормально разомкнутыми. В полюсах последовательно с преобразовательными блоками установлены линейные реакторы со специально организованной средней точкой. К средней точке присоединен фильтр постоянного тока (ФПТ), осуществляющий подавление высших гармоник в линии постоянного тока.

Полуцепь 1

Рисунок I - Принципиальная схема биполярной передачи постоянного тока с обратными проводами для возврата тока

Для данной схемы система защиты линии должна включать защиты полюсных (прямых) проводов и защиты обратных проводов. При повреждениях на полюсе линии основным отключаемым элементом является полуцепь передачи.

С точки зрения повышения надежности передачи выявление участка повреждения наиболее актуально на полюсных проводах.

Достаточно просто определить участок повреждения позволит установка в месте сопряжения кабельного и воздушного участков измерительных датчиков и средств передачи сигналов, как это выполнено на многих зарубежных передачах постоянного тока такого типа. Однако в некоторых случаях установка средств измерения в точке соединения кабельного и воздушного участков сопряжена с необходимостью внешнего электроснабжения, использования источников бесперебойного питания и т.д. для обеспечения функционирования данных средств измерения. Отсутствие средств измерения в точке сопряжения на линии является одним из условий для разработки системы защиты кабельно-воздушной линии.

Нужно отметить, что в условиях кабельно-воздушной передачи постоянного тока с возвратом тока по обратным проводам также исследуется работа известных защит линии, выполняющих функции неселективных: защита минимального напряжения, защита от повышения напряжения на линии.

Повреждения на обратных проводах, обусловленные их обрывом, в несимметричном режиме работе передачи опасны возникновением пробоя ограничителей перенапряжений в распределительном устройстве средней точки. Для разработки способа выявления таких повреждений исследуются аварийные процессы при обрыве одного или двух обратных проводов в несимметричном режиме передачи.

При выполнении работы автор базировался на результатах исследований Чернобровова Н.В., Федосеева A.M., Поссе А.В., Крайчика Ю.С., Костенко М.В., Перельмана JI.C., Кадомской К.П., Евдокунина Г.А. и др.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертации является разработка системы защит для кабельно-воздушной линии биполярной передачи постоянного тока с выполнением возврата тока по двум обратным проводам. Основное внимание в диссертации уделено разработке избирательной защиты линии, на которую возлагается задача не только отличать повреждения на линии от повреждений на подстанции, но и непосредственно выявлять участок аварии (кабельный или воздушный).

Для достижения поставленной цели были выполнены:

- анализ существующих алгоритмов и средств защиты линий постоянного

тока;

- аналитические исследования для установки основных закономерностей протекания переходных процессов при коротких замыканиях в различных точках кабельного и воздушного участков линии;

- разработка методики расчета частотно-зависимых параметров схем замещения трехпроводных кабельного и воздушного участков;

- разработка математической модели передачи постоянного тока, включающей в себя регулируемые преобразователи, сглаживающие реакторы, фильтро-компенсирующие устройства, фильтры постоянного тока, нелинейные ограничители перенапряжений, примыкающие линии переменного тока и эквиваленты энергосистем;

- проведение на математической модели расчетов переходных процессов при коротких замыканиях на полюсных и обрывах на обратных проводах кабельно-воздушной линии с целью определения способов выявления повреждений;

- разработка на основе проведенных исследований алгоритмов защит линии и их проверка на математической модели.

Методы исследований

В работе использованы методы теории электрических цепей, численные методы решения уравнений, теория волновых процессов в цепях с распределенными параметрами. Расчеты на математической модели биполярной передачи постоянного тока проводились с использованием вычислительной среды ЕМТР (Electromagnetic Transients Program).

Научная новизна:

- разработаны методики расчета параметров схемы замещения трехпроводных кабельного и воздушного участков;

исследованы установившиеся и аварийные процессы при моделировании повреждений на полюсных и обратных проводах биполярной кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока с «металлическим» возвратом тока;

- выявлены закономерности влияния места короткого замыкания на величину и форму кривой напряжения в начале линии при возникновении пробоев кабельной изоляции и коротких замыканий на землю;

- разработан и исследован алгоритм избирательной защиты кабельно-воздушной линии, выявляющей участок повреждения;

- в условиях кабельно-воздушного исполнения линии исследован алгоритм дифференциальной защиты линии с компенсацией разрядного тока кабельного участка при вычислении тока небаланса;

- разработан и исследован алгоритм защиты по выявлению обрыва обратных проводов.

Практическая ценность результатов работы

разработана система защиты кабельно-воздушной линии для проектируемой передачи постоянного тока ЛАЭС-2 - ПС Выборгская;

- в вычислительной среде ЕМТР реализована математическая модель передачи постоянного тока, позволяющая исследовать установившиеся и аварийные процессы при повреждениях на стороне постоянного тока и на стороне переменного.

Положения, выносимые па защиту:

1. Методика определения участка повреждения кабельно-воздушной линии постоянного тока посредством анализа напряжения в начале линии, отличающаяся от существующих отсутствием средств измерений в узле сопряжения кабельного и воздушного участков.

2. Система защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока, включающая защиты полюсных проводов и защиты обратных проводов, отвечает требованиям селективности, быстродействия и резервирования.

3. Результаты проверки функционирования системы защиты кабельно-воздушной линии при всех расчетных авариях на математической модели биполярной передачи постоянного тока с возвратом тока по обратным проводам.

Апробанпя работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- XXI Конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем» (г. Москва, 2012 г.) (доклад);

- научно-практической конференции по передачам постоянного тока (HVDC), совместно с компанией Alstom Grid (г. Москва, г. Санкт-Петербург, 2013 г.) (доклад);

XVIII Международной научно-технической и практической конференции «Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования. Энергоэффективность и

энергосбережение» ТРАВЭК (г. Москва, 2014 г.) (доклад).

Практическая значимость результатов работы

Материалы диссертационной работы использовались в научно-исследовательских работах ОАО «НТЦ ЕЭС»:

- «Предварительное технико-экономическое обоснование электропередачи постоянного тока от ЛАЭС-2 в части основных технических решений с учетом реконструкции ПС Выборгская»;

- «Разработка материалов к проектной документации по сооружению комплектных преобразовательных устройств КВПУ-2/5 и КВПУ-1/6 по объекту «Комплексная реконструкция ПС 330/400 кВ Выборгская»»;

- «Передача постоянного тока Ленинградская АЭС-2 - Выборгская».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, списка использованных источников из 70 наименований. Работа изложена на 140 страницах, содержит 60 рисунков, 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассмотренных проблем, сформулированы цели и задачи исследований, отражена новизна и практическая ценность, приводится информация в части апробации работы и публикаций.

В главе 1 поставлена задача разработки системы защиты кабельно-воздушной линии ППТ с возвратом тока по обратным проводам. Кабельно-воздушное исполнение линии постоянного тока накладывает определенные условия, которые должны учитываться при разработке системы защиты линии. Наиболее частым видом повреждений на кабельно-воздушной линии постоянного тока ожидается перекрытие изоляции полюса воздушного участка, носящее в подавляющем большинстве случаев преходящий характер. Для устранения такой аварии достаточно обеспечить бестоковую паузу в месте повреждения. Перекрытия на кабельном участке, вызванные пробоем изоляции либо механическими повреждениями требуют отключения аварийной полуцепи без автоматического повторного включения (АПВ). При этом не должны формироваться выходные сигналы защиты линии при авариях на выпрямителе либо инверторе и в примыкающих системах переменного тока. Проведенная оценка технических решений и алгоритмов защит линий ППТ мировых производителей выявила некоторые их недостатки в условиях кабельно-воздушной передачи.

При работе обеих полуцепей передачи в несимметричном режиме, когда по обратным проводам протекает ток несимметрии полуцепей, система защиты линии должна ликвидировать короткие замыкания и выявлять обрывы на обратных проводах. Перекрытия на землю обратных проводов должны ликвидироваться отключением части оборудования распредустройства средней точки (секции шин средней точки) без отключения преобразователей и без

снижения мощности передачи. Система защиты должна сигнализировать об обрыве одного из работающих обратных проводов, а в случае обрыва двух обратных проводов - отключать передачу.

В главе 2 рассмотрен вопрос математического моделирования кабельного и воздушного участков с «металлическим» возвратом, которое необходимо для проведения исследований переходных процессов при повреждениях полюсных и обратных проводов кабельно-воздушной линии с целью определения способов выявления коротких замыканий на разных участках линии.

Для получения эквивалентной схемы замещения воздушного участка трехпроводная линия (два полюсных провода и эквивалентный обратный провод) была разложена с помощью модального метода на волновые каналы «полюс-полюс», «два полюса - нейтраль», «все провода - земля», описываемые следующей системой уравнений (1):

( 01 = О™ + ¿Г® + [)(з), ¡г = /СО + /С) + /О), й2 = -2йЮ + (У®,

' /2 =-2/Р)+/СЗ), (1)

03 = -{/« + и(2) +

. /3 = -/(1) + /(Ч + /(3). По найденным характеристикам волновых каналов (коэффициентам распространения Уо 11 поперечным проводимостям У0) определены продольные сопротивления и емкости для каждого канала: для канала «полюс - полюс»

=2 (дМ+Уб*«).

С^ = С13 + ^Сц, где С1г - собственная емкость полюсного провода,

С13 - взаимная емкость полюсных проводов; для канала «два полюса - нейтраль»

(2)

Сц = 2С12, где С12 — взаимная емкость полюсного и обратного проводов; для канала «все провода - земля»

7(3) _ !ГР(3) 4- .7./(3Ь

С0(3) = 2Сг1 + С2 2, где С22 — собственная емкость эквивалентного обратного провода.

Путем объединения схем трех волновых каналов в одну получена эквивалентная схема воздушного участка, представленная на рисунке 2. Сопротивления и 71(1 определяются следующим образом:

(2)

*зо (3)

Для отображения эквивалентной схемой воздушного участка частотной зависимости параметров земли и проводов в диапазоне 50...2500 Гц использованы параллельные индуктивно-активные цепочки, где число параллельных цепочек и их параметры определяются в отдельности по известным частотным зависимостям параметров земли Ял{ш)+]ыЬл{т), параметров полюсных проводов Лп(«)4у'(у£п(со) и обратного эквивалентного провода И11(со)+]о)Ьн(ш) из системы уравнений вида (4):

Ик _

у" - _

^к=1 R2k+(b>iLky [/¡(б^р+к;.^)]2'

Г уп <°iLk _

(4)

I, I «Г 'М '

i

i i -¡, Л • z«.

_ЛрО0ОД 1

Рисунок 2 - Эквивалентная схема и параметры воздушного участка единичной

где Rk, Lk - параметры схемы замещения; R{u>), Цш) - параметры из соответствующих частотных и-зйгра:,,, 2 зависимостей полученной схемы замещения.

Задача моделирования

:гмт кабельного участка состоит в получении удобных для расчета параметров и схемы замещения кабельной линии. При этом принимаются допущения об отсутствии влияния стальной брони кабеля и о пренебрежении малым

провод 3

"Ж I

и.

Z,

•-сиз-

Л

Z,

длины

переходным сопротивлением кабельных оболочек на землю.

Для определения параметров и схемы замещения кабельного участка биполярной линии была рассмотрена горизонтальная трехпроводная линия, где полюса «+» и «--» расположены по краям трехпроводной системы. При этом два обратных провода замещены одним эквивалентным. Полюса выполнены

одножильными кабелями с комбинированной бумажно-пропнленовой изоляцией, обратный провод выполнен также одножильным с изоляцией из сшитого полиэтилена. Экранирование всех кабелей выполнено алюминиевыми оболочками. При исключении из

системы уравнений, описывающих схему замещения элементарного участка такой трехпроводной линии, токов в оболочках кабелей получена расчетная

Рисунок 3 - Эквивалентная схема замещения элементарного участка кабельной линии

схема замещения, изображенная на рисунке 3, где индекс «1» относится к первому полюсному кабелю, индекс «2» - ко второму полюсному кабелю, индекс «3» - к эквивалентному обратному кабелю. Схема рисунка 3 описывается системой уравнений (5):

(1111 Лх

~ = г212 + г<(11 + и + 13), (5)

ах = г,/, + + /2 + /3),

ли-. Их

-^ = г313 + г<(1\ + 12 + 13)

&х

Сопротивление Ъ\ соответствует сопротивлению на единицу длины полюсного кабеля реальной линии:

= 1г = дх + )ш11ч (6)

п - п . (б)*-01)2 п

т _ I__т

где Дж1 - активное сопротивление жилы полюсного кабеля, ¿ж1 — половина индуктивности контура из жил полюсных кабелей; До1 - активное сопротивление металлической оболочки полюсного кабеля, Ьо1 - половина индуктивности контура из оболочек полюсных кабелей.

Аналогично, сопротивление Zз соответствует сопротивлению на единицу длины эквивалентного обратного кабеля реальной линии:

г3 = д3 + )(х)Ьъ, (7)

ДЗ = йжз+йо/+(;3,оз)2Й03, I —I (о)£03)2 ,

где Дж3 - активное сопротивление жилы обратного кабеля, ¿ж3 - половина индуктивности контура из жил полюсного и обратного кабелей, До3 — активное сопротивление оболочки обратного кабеля, ¿о3 - половина индуктивности контура из оболочек полюсного и обратного кабелей.

Ветвь расчетной схемы рисунка 3 с сопротивлением отражает взаимное электромагнитное влияние процессов, происходящих в каждом кабеле:

0 _ ДземЛ.+й)2М13д п 0 ~ Л2+(Шц)2

= Д4 + (8)

_ М13Я-В3ц - Л2+(Шц)2 Ко1"оЗ,

Я = До1До3 + До1Дзеи + 2Д01Д3 + ш2(2М132 - {1о1 + 2М12)(Хо3 + М13)), ц = До3ао1 + 2М12) + До1(7,о3 + М13) + Дзе„(^о1 + 2Ма2 + 2ао3 - Маз)),

где М\2 - взаимная индуктивность между контурами из жил полюсных кабелей; Л/, 1 - взаимная индуктивность между контурами из жил полюсного и обратного кабелей; Д1СМ - сопротивление земли.

ь I* мГн/км Ом/км 1.4 II14

Для не] применения

непосредственного

схемы

0.8- 0.08

0.6- 0.06

0.4 «I"

0.2-

1.2- 0.12

0-

0.1

К) Н| I., 1-,

к,

замещения кабельного участка необходимо

обоснование выбора

соответствующих значений продольных сопротивлений 2\ и По построенным по формулам (6), (7), (8)

""•'120 211 40 60 8» 100 120 140 160 180 21м/'

г,г„ частотным зависимостям

Рисунок 4 - Частотная зависимость эквивалентных параметров кабельного участка передачи постоянного тока

кабельного (рисунок 4)

параметров схемы

эквивалентной замещения участка и

сопротивления земли Я1СМ видно, что при увеличении частоты выше 100 Гц сопротивление 24 снижается до 0. Это объясняется усилением экранирующего действия металлических оболочек кабелей с увеличением частоты процесса. Для отображения схемой замещения кабельного участка процессов, возникающих при пробое изоляции на частотах порядка 700-800 Гц, необходимо вместо активной составляющей сопротивлений Ъ\ и Ът, в схему замещения рисунка 3 включить сопротивления жил постоянному току полюсного и эквивалентного обратного кабеля Дж1 и Дж3, а вместо 2$ -активное сопротивление, полученное в результате параллельного сложения сопротивлений металлических оболочек всех кабелей.

В главе 3 приведено описание математической модели кабельно-воздушной передачи постоянного тока, содержащей регулируемые преобразователи П1-П4, сглаживающие реакторы Ьр, фильтро-компенсирующие устройства, фильтры постоянного тока ФПТ, кабельный и воздушный участки, примыкающие энергосистемы СЭС-1, СЭС-2 и СЭС-3 и линии переменного тока Л-1, Л-2 и Л-3. Схема модели передачи представлена на рисунке 5. Система регулирования передачи включает устройство формирования импульсов (УФИ), регулятор тока выпрямителя (РТВ), регулятор тока инвертора (РТИ), регулятор угла отключения (РУО), устройство воздействия по току (УВТ), фазовая автоподстройка частоты и фазы (ФАПЧ).

В качестве анализируемого сигнала для определения способа выявления участка повреждения используется сигнал напряжения Ц/ с измерителя, установленного в точке подключения сглаживающего реактора 1р и кабельного участка линии (рисунок 6).

С помощью диаграммы отслеживания моментов прихода волн в начало линии без потерь, где производится контроль напряжения С/,/ (рисунок 6), дана графическая интерпретация физических процессов, возникающих при к.з. на землю полюса в середине кабельного участка на расстоянии (кзк и в середине воздушного участка на расстоянии Скзв (рисунок 7 и 8).

Выпрямительная подстанция

Линия постоянного тока

ФПТ

ФПТ

Л-2 СЭС-2

Ьр" " Ьр

Рисунок 5 - Схема модели передачи постоянного тока

В результате показано, что положение точки короткого замыкания определяет частоту перехода через 0 сигнала напряжения в начале линии. Таким образом, в основе

Рисунок 6 - Схематичное изображение местоположения точек перекрытий на кабельном и воздушном участках линии постоянного тока

построения алгоритма

избирательной защиты по выявлению участка повреждения предлагается вычисление

частоты напряжения с наибольшей амплитудой.

Исследования переходных процессов при перекрытиях полюса линии на землю показали применимость предложенного алгоритма избирательной защиты линии по выявлению участка повреждения, основанного на вычислении средней частоты напряжения полюса по первым пяти точкам перехода сигнала через 0.

При этом показано, что необходимо дополнительно для отстройки от неправильной работы избирательной защиты задавать уставками частоты зону нечувствительности вблизи места

оЫ

¡. ИС 1.С!, I

Рисунок 7 - График движения фронта волны напряжения вдоль линии при к.з. в середине кабельного участка (ось 1) и напряжение полюса в начале линии при приходе фронта волны напряжения в начало кабельного участка (ось 2)

сопряжения кабельного и воздушного участков. Выявлена необходимость дополнительно измерять амплитуды напряжения для отстройки от

неправильного действия

защиты, например, при возникновении к.з. на воздушном участке с частотой перехода сигнала напряжения через 0, характерной для повреждений на кабельном участке, но с малой амплитудой.

Рисунок 8 - График движения фронта волны напряжения вдоль линии при к.з. в середине воздушного участка (ось1) и напряжение полюса в

начале линии при приходе фронта волны возмущения от места короткого замыкания (ось 2)

Также исследована

применимость алгоритмов уже известных защит полюсного провода в условиях кабельно-воздушной линии, таких как дифференциальная защита линии с компенсацией тока разряда кабельного участка,

защита

минимального

напряжения с блокировкой по току, защита от повышения

напряжения.

При исследовании процессов при обрыве обратных проводов кабельно-воздушной передачи показано, что при обрыве одного обратного провода режим работы полуцепи сопровождается повышением напряжения распредустройства средней точки. При этом необходимо выполнять отстройку от ложных срабатываний защиты при аварийных либо оперативных отключениях полуцепи, сопровождающихся также повышением напряжения распредустройства средней точки. При работе полуцепи с одним обратным проводом обрыв последнего может привести к разрушению линейного оборудования. Необходимо выявление такого повреждения и отключение всей передачи.

В главе 4 по результатам исследований переходных процессов разработаны алгоритмы защит кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока. На рисунке 9 приведена структурная схема сн.стемы защиты линии, включающая защиты полюсных и обратных проводов кабельно-воздушной линии передачи ППТ.

На рисунке 10 показана блок-схема избирательной защиты кабельно-воздушной линии (ИЗ КВЛ), способной выявлять участок повреждения. Входным сигналом является сигнал напряжения от датчика напряжения ДН1 защищаемой полуцепи, установленного в начале кабельно-воздушной линии -ит\. Запуск алгоритма происходит при выполнении условия /Уд„|<£/усТ|, где ЩСт1 - уставка деблокировки алгоритма.

Рисунок 9 -

Структурная схема системы защиты линии полюсных и обратных проводов полуцепи передачи постоянного тока

Рисунок 10 - Блок-схема алгоритма избирательной защиты кабельно-воздушной линии

передачи постоянного тока

По абсолютному значению скорости изменения напряжения | | определяется «зона» повреждения: линия или преобразовательная подстанция. При выявлении повреждения на линии производится контроль фиксации моментов перехода сигнала напряжения через 0. При отсутствии очередного перехода через 0 по истечении выдержки времени Д1И1 формируется сигнал «Отключение с АПВ».

При фиксации каждого перехода сигнала напряжения через 0 и последующего производится фиксация максимальных и минимальных значений сигнала:

на интервалах t|-t2 и t3-t4 фиксируются минимальные значения сигнала напряжения -Umin 1 и ит;пз, соответственно;

на интервалах t2-t3 и t4-t5 фиксируются максимальные значения сигнала напряжения - Umax 1 и U]rax 4.

Далее производится вычисление суммы модулей максимальных и минимальных значений сигнала напряжения и контролируется выполнение условия (9):

| U,™ 11 +1 Ц,Ш21 > и^т2 & | U„m: | +1 Ulml31 > U„2 & | Uim,31 +1 U171k4 | > U^, , (9) где U„2 - уставка суммы максимального и минимального значений сигнала напряжения.

Если условие (9) не выполняется, то алгоритм переходит к формированию сигнала «Отключение с АПВ».

Если условие (9) выполняется, то производится вычисление среднего значения частоты fcp.

Если значение fcp > /кл, то формируется сигнал о выявлении к.з. на кабельном участке - «Отключение без АПВ».

Если значение fcp < то формируется сигнал о выявлении к.з. на воздушном участке - «Отключение с АПВ».

Если значение /в.п < fcp< /кл, то формируется сигнал «Отключение без АПВ».

В случае отказа избирательной защиты предусмотрена дифференциальная защита линии (ДЗ KB Л), которая выявляет к.з. на всей линии (рисунок 11).

Компенсация тока разряда кабельной линии позволяет алгоритму выполнить отстройку от ложных срабатываний при повреждениях на преобразовательных подстанциях и в системах переменного тока, связанных со снижением напряжения. Ток небаланса в этом случае вычисляется следующим образом:

^неб = А-птЗ — ^тпт5 ^комп > (Ю)

где |/комп | = |/с| = скл — иА, Скл - емкость кабеля, ил - напряжение от датчика

напряжения ДН1, установленного в начале линии. Для выполнения отстройки от высокочастотных колебаний необходимо вычисление постоянной составляющей небаланса тока на периоде промышленной частоты - 1нсС 0.

При работе системы защиты линии по ликвидации коротких замыканий на линии постоянного тока необходимо согласованное действие защит ИЗ КВЛ и ДЗ КВЛ, которые предназначены для выявления к.з. на самой линии. Так как ИЗ КВЛ способна определять участок повреждения и формировать соответствующее требование на отключение полуцепи (с АПВ либо без АПВ), ее действие является приоритетным. Поэтому формирование сигнала на отключение полуцепи защитой ДЗ КВЛ должно быть отстроено по времени от выходного сигнала на отключение полуцепи защитой ИЗ КВЛ.

Защита минимального напряжения (ЗМН) является неселективной защитой и работает при возникновении к.з. на линии или на любой из

подстанций. Принцип ее действия основан на контроле снижения напряжения линии при наличии тока.

В функции защиты от повышения напряжения полюса линии (ЗПНЛ) входит ограничение трапецеидальной волны, возникающей в связи с отказами СУРЗА при включении выпрямительного преобразователя на неподготовленный инвертор.

Принцип действия защиты обратных проводов при выявлении обрывов (3 ОП при обрывах) основан на сравнении напряжения от ДНЗ (ДН4) распредустройства средней точки с напряжением уставки защиты для данного режима передачи, рассчитанного в случае работы одной полуцепи с помощью выражения £/лгуст=Л 1*Я„, где 1:\ - заданная уставка тока полуцепи, /?„ - активное сопротивление обеих нейтралей. Сравнение токов обратных проводов позволяет определить провод, на котором произошел обрыв. Блок-схема алгоритма защиты представлена на рисунке 12.

Основу защиты от к.з. обратного провода составляет дифференциальный принцип сравнения токов по концам одной нейтрали.

В главе 5 приведены результаты проверки функционирования системы защиты линии на математической модели кабельно-воздушной передачи постоянного тока.

Проверка действия избирательной защиты, способной определять участок повреждения, при авариях в разных точках линии и с учетом сопротивления в месте замыкания (до 30 Ом) показала, что разработанный алгоритм работает правильно при всех моделируемых повреждениях на линии и не работает при авариях на преобразовательных подстанциях и в примыкающих системах переменного тока. В зависимости от местоположения точки повреждения диапазон выдержки времени защиты при аварии на кабельном участке составил (0,1...2,8) мс, а на воздушном участке - (1,3... 14,3) мс. Зона нечувствительности защиты на модели составляет по 50 м в сторону кабельного и воздушного участков от места сопряжения. На рисунках 13 и 14 представлены осциллограммы напряжения линии при моделировании к.з. в середине кабельного участка и в середине воздушного участка. В случае повреждения на кабельном участке защита сформировала сигнал отключения без АПВ через 1,4 мс после начала аварии. В случае моделирования перекрытия на землю на воздушном участке защита сформировала сигнал на отключение поврежденной линии с АПВ через 10,8 мс.

Исследования функционирования разработанного алгоритма избирательной защиты при моделировании к.з. в разных точках кабельно-воздушной линии показали корректное действие алгоритма, отвечающее требованиям быстродействия и селективности выявления участка повреждения.

С

J

Входные сигналы: 1штЗ, 1пп5, илн1, сшна.1 блокировки от автоматики - ВЬ

|lK0Mu|=|lc|=Cict*dU/cil

1нсб=ГппЗ- шт5+1коми

(" Конец )

Рисунок 11 — Блок-схема алгоритма дифференциальной защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока

^ Начало ^

/ Входные Chi налы: иднЗ, идн4; Inn 15, Inn 16, Xl\,XLL cm нал блокировки - BL t

Рисунок 12 - Блок-схема алгоритма защиты обратных проводов от обрыва

Ud, В

t, с

5.0032

5.0014 5.002 5.0024

1кз 1сраб

Рисунок 13 - Напряжение в начале линии при моделировании к.з. в середине кабельного

участка

Ud, В

о--100-200-300-

3 выходной сигнал на отк лючение с АПВ....

П ..... Ч 1 /.....

" " t" \ .......— /

\ / /

\ / \ / /

1 .......1_________i...........

........ 1 i

5 tK3

tcpa6 5.012

Рисунок 14 - Напряжение в начале линии при моделировании к.з. в середине воздушного участка

Проверка функционирования дифференциальной защиты показала, что разработанный алгоритм удовлетворяет требованиям избирательности: защита формирует выходной сигнал на действие автоматики только при возникновении повреждений на линии. При возникновении перекрытий на выпрямительной или инверторной подстанциях выходной сигнал защиты не формируется.

На рисунке 15 и 16 показаны осциллограммы токов по концам защищаемой линии, ток небаланса и выходной сигнал защиты при моделировании повреждений на выпрямительной подстанции и на воздушном участке. С учетом отстройки от действия избирательной защиты при расчетах на модели выдержка времени дифференциальной защиты не превышала 32 мс, что отвечает требованиям быстродействия алгоритма защиты в случае отказа ИЗ КВЛ.

I, А

Ток : небаланса^* Д А Ток ТПТЗ (начало линии) i ЗыХОДНОИ сиг -юл защиты

±1 ^ 1 _

V Ток ТГТТ5 Постоянная i | составляющая тока ! | нёбаланса j |

(кон ец линии) 1 1 ! i

4 99 5 ОС 5 01 S 02 5 03 tCpa6 5 04 Б 05

Рисунок 15 - Проверка функционирования дифференциальной защиты при моделировании к.з. на воздушном участке

I, А

2000 -■-;-1-;-:-:-

; Ток ТПТ5

1500- ...... "~ • ..................................i......................................................I...........................

ТокТПТЗ \ По'сюянная

1000 .........................у \...........г...............'составляющая i ока..... ...........................:...........................

'i \ ^ Г.^ л ^^НФЛААНСЛ р. ^

——-i

.500- .т°к ^^шфУ"....../......:.............Ja i А/.................................. Л А/..................

с >четч < \ ; \J VJ Ц

компенсации! \ Ток небаланса 6ejí

-1000- ............................ v ¡........................................;...........................,......................................................................

\ -' учета компенсации

V : : : t, с

-1500--i-1-i-1-1-

4 99 5.00 5.01 502 5.03 5.04 5.05

Рисунок 16 - Проверка отстройки от ложной работы дифференциальной защиты при моделировании к.з. на землю полюса выпрямительной подстанции

Проведенные в работе исследования функционирования алгоритма защиты от обрывов обратных проводов показали действие защиты по выявлению повреждения при работе передачи в режиме одной полуцепи с током несимметрии 1600 А и в режиме двух полуцепей с током несимметрии 50 А, что отвечает требованию работы защиты в широком диапазоне токов несимметрии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации обоснована актуальность разработки защиты кабельно-воздушной линии постоянного тока. Определены основные требования к защите кабельно-воздушной линии, заключающиеся в способности выявлять участок повреждения для формирования сигнала отключения без АПВ при аварии на кабельном участке и сигнала отключения с АПВ при перекрытии на землю воздушного участка.

2. Проведены аналитические исследования переходных процессов, возникающих при пробоях изоляции кабеля на металлическую оболочку и при перекрытиях на землю воздушного участка линии. В результате выполненных исследований установлены основные закономерности протекания процессов при коротких замыканиях в различных точках кабельного и воздушного участков.

3. Разработан алгоритм избирательной защиты линии, способный по входному сигналу напряжения полюса в начале линии выявлять участок повреждения (кабельный или воздушный) и формировать соответствующее требование отключения в автоматику.

4. Исследован алгоритм дифференциальной защиты линии, основанный на вычислении небаланса тока по концам кабельно-воздушной линии с учетом компенсации тока разряда кабельной линии для отстройки этой защиты от ложных срабатываний при повреждениях на преобразовательных подстанциях.

5. Разработан алгоритм защиты от обрыва обратных проводов, принцип действия которого основан на сравнении напряжения распредустройства средней точки с напряжением уставки защиты для данного режима передачи.

Ток ТПТ5

ТокТПТЗ Д \ Посюянная

у 1 \ có'cia'BjiHHjiiiáH тока \ \ f - ' * "^баланса ,£>, ......и л ¡^/WДА .....................А /«¿с

Ток неба-^анса^И"^ / : V/ i' ;í\ j с унеюи ■ К_/ V? компенсации : 1 /^""■"»»Ток небаланса без' wAT V............

V \ i учёта компенсации

6. В результате исследований переходных процессов показана применимость алгоритмов известных защит (защита минимального напряжения, защита от повышения напряжения линии и дифференциальная защита от коротких замыканий обратных проводов), входящих в систему защиты кабельно-воздушной линии.

7. На математической модели проведена проверка функционирования избирательной защиты, дифференциальной защиты и защиты от обрывов обратных проводов. Показано, что предложенный алгоритм избирательной защиты линии, способен выявлять участок повреждения при возникновении коротких замыканий в различных точках линии и при значениях сопротивления в месте короткого замыкания до 30 Ом. Зона нечувствительности защиты вблизи места сопряжения кабельного и воздушного участков для разработанной модели передачи составляет по 50 м со стороны каждого из участков.

В результате проверки работы дифференциальной защиты показано, что она удовлетворяет требованиям избирательности: защита формирует выходной сигнал на действие автоматики только при возникновении повреждений на линии.

Подтверждено правильное функционирование защиты от обрывов проводов при работе передачи в режиме работы полуцепей с током несимметрии в широком диапазоне.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Капитула Ю.В. Координация действия защит от коротких замыканий на кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока // Электрические станции,-2013.-№ 11.-С.37-41.

2. Капитула Ю.В. Разработка избирательной защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока от коротких замыканий // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. -2013. — №6. -С.23-25.

3. Капитула Ю.В. Проверка функционирования избирательной защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока // Электрические станции. - 2014. - № 3. - С.33-36.

4. Капитула Ю.В. Защита обратных проводов линии передачи постоянного тока от обрывов // Энергетик. - 2014. - №5. - С.31-32.

Публикации в других изданиях

5. Капитула Ю.В. Алгоритм избирательной защиты кабельно-воздушной линии постоянного тока // Сборник докладов XXI конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем». - 2012. - С.122-126.

6. Капитула Ю.В. Разработка алгоритма защиты неоднородной линии постоянного тока, основанного на волновом методе// Известия НТЦ Единой энергетической системы. - 2012. - №1(66). - С.92-100.

7. Капитула Ю.В. Разработка и исследование алгоритма дифференциальной защиты кабельно-воздушной линии постоянного тока// Известия НТЦ Единой энергетической системы. - 2012. - №1(66). - С.101-106.

8. Капитула Ю.В. Параметры и схема замещения биполярной воздушной линии ППТ с «металлическим» возвратом тока // Известия НТЦ Единой энергетической системы. — 2012. - №2(67). - С.67-75.

9. Капитула Ю. В. Определение параметров и схемы замещения биполярной кабельной линии передачи постоянного тока // Известия НТЦ Единой энергетической системы. - 2012. - №2(67). - С.76-82.

10. Капитула Ю.В. Кабельно-воздушные линии постоянного тока. Особенности разработки защиты от коротких замыканий // Новости Электротехники. - 2013. - №5(83). - С.38-40.

11. Капитула Ю.В. Разработка алгоритма защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока от коротких замыканий // Известия НТЦ Единой энергетической системы. - 2013. - №2(69). - С. 124-129.

Подписано в печать 15.01.2015. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 12669К

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Типографии Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14