Jaka jest ochrona przekaźników linii energetycznych

Ciągły i niezawodny transport energii elektrycznej do odbiorców jest jednym z głównych zadań, które są stale rozwiązywane przez inżynierów energetyki. Aby to zapewnić, stworzono sieci elektryczne składające się z podstacji rozdzielczych i przyłączeniowych linii elektroenergetycznych. Aby przenosić energię na duże odległości, stosuje się wsporniki, do których zawieszone są przewody łączące. Są izolowane między sobą a gruntem warstwą otaczającego powietrza. Takie linie nazywane są liniami napowietrznymi według rodzaju izolacji.

Jeśli odległość autostrady transportowej jest niewielka lub ze względów bezpieczeństwa konieczne jest ukrycie linii energetycznej w ziemi, wówczas stosuje się kable.

Napowietrzne i kablowe linie elektroenergetyczne są stale pod napięciem, którego wartość jest określona przez strukturę sieci elektrycznej.

Cel zabezpieczenia przekaźników linii elektroenergetycznych

W przypadku uszkodzenia izolacji w dowolnym miejscu kabla lub przedłużonej linii napowietrznej, napięcie przyłożone do linii tworzy prąd upływu lub prąd zwarciowy przez uszkodzoną sekcję.

Przyczyną przerwania izolacji mogą być różne czynniki, które są w stanie wyeliminować lub kontynuować ich destrukcyjne działanie. Na przykład bocian lecący między drutami napowietrznej linii energetycznej tworzy obwód międzyfazowy ze swoimi skrzydłami i oparzeniami, spadając w pobliżu.

Lub drzewo rosnące bardzo blisko podpory podczas burzy zostało przewrócone przez podmuch wiatru na przewody i spowodowało zwarcie.

W pierwszym przypadku zwarcie wystąpiło na krótki czas i ustąpiło, w drugim naruszenie izolacji miało charakter długotrwały i wymagało usunięcia przez serwisantów.

Takie uszkodzenia mogą spowodować ogromne szkody w elektrowniach. Prądy powstałe w wyniku zwarć mają ogromną energię cieplną, która może spalić nie tylko przewody linii elektroenergetycznych, ale także zniszczyć urządzenia elektroenergetyczne stacji elektroenergetycznych.

Z tych powodów wszelkie uszkodzenia linii elektroenergetycznych, które wystąpią, muszą być natychmiast naprawiane. Osiąga się to poprzez usunięcie napięcia z uszkodzonej linii po stronie zasilania. Jeśli taka linia energetyczna otrzymuje zasilanie z obu stron, to obie muszą zostać pozbawione napięcia.

Funkcje stałego monitorowania parametrów elektrycznych stanu wszystkich linii elektroenergetycznych i usuwania napięcia z nich ze wszystkich stron w sytuacjach awaryjnych są przypisane złożonym systemom technicznym, które tradycyjnie nazywane są zabezpieczeniami przekaźnikowymi.

Przymiotnik „przekaźnik” wywodzi się z elementarnej podstawy opartej na przekaźnikach elektromagnetycznych, których konstrukcje powstały wraz z pojawieniem się pierwszych linii elektroenergetycznych i są udoskonalane do dziś.

Modułowe urządzenia zabezpieczające, szeroko stosowane w praktyce elektroenergetycznej w oparciu o technologię mikroprocesorową i technologię komputerową nie wykluczają całkowitej wymiany urządzeń przekaźnikowych i zgodnie z ustaloną tradycją są również wprowadzane do przekaźnikowych urządzeń zabezpieczających.

Zasady ochrony przekaźników

Organy monitorujące sieć

W celu monitorowania parametrów elektrycznych linii elektroenergetycznych konieczne jest posiadanie przyrządów do ich pomiaru, które są w stanie na bieżąco monitorować wszelkie odchylenia od stanu normalnego w sieci i jednocześnie spełniać warunki bezpiecznej eksploatacji.

W liniach elektroenergetycznych wszystkich napięć funkcję tę pełnią przekładniki pomiarowe, które dzielą się na przekładniki:

• prąd (TT);

• napięcie (VT).

Ponieważ jakość działania ochronnego ma pierwszorzędne znaczenie dla niezawodności całego układu elektrycznego, to wobec przekładników prądowych i napięciowych pomiarowych stawiane są zwiększone wymagania dotyczące dokładności działania, które są determinowane ich charakterystykami metrologicznymi.

Klasy dokładności przekładników pomiarowych stosowanych w zabezpieczeniach przekaźnikowych i urządzeniach automatyki (zabezpieczenia przekaźnikowe i automatyka) są znormalizowane wartościami «0,5», «0,2» i «P».

Przekładniki napięciowe przyrządów

Ogólny widok instalacji przekładników napięciowych na linii napowietrznej 110 kV pokazano na poniższym zdjęciu.

Tutaj widać, że VT nie są instalowane nigdzie wzdłuż linii pomocniczej, ale na rozdzielnicy podstacji elektrycznej. Każdy transformator jest podłączony przez swoje zaciski pierwotne do odpowiedniego przewodu linii napowietrznej i obwodu uziemiającego.

Napięcie przetworzone z uzwojeń wtórnych jest wyprowadzane przez przełączniki 1P i 2P przez odpowiednie przewody kabla zasilającego. Do stosowania w urządzeniach ochronnych i pomiarowych uzwojenia wtórne są połączone zgodnie ze schematem „gwiazda” i „trójkąt”, jak pokazano na zdjęciu dla VT-110 kV.

Zmniejszyć utrata napięcia i precyzyjne działanie zabezpieczenia przekaźnikowego, stosuje się specjalny przewód zasilający oraz stawia się podwyższone wymagania na jego montaż i eksploatację.

Pomiarowe przekładniki napięciowe są tworzone dla każdego rodzaju napięcia sieciowego i mogą być przełączane według różnych schematów w celu wykonywania określonych zadań. Ale wszystkie działają na ogólnej zasadzie przekształcania wartości liniowej napięcia linii przesyłowej na wartość wtórną 100 woltów, dokładnie kopiując i podkreślając wszystkie cechy podstawowych harmonicznych w określonej skali.

Współczynnik transformacji VT jest określony przez stosunek napięć liniowych obwodów pierwotnych i wtórnych. Na przykład dla rozważanej linii napowietrznej 110 kV jest napisane w następujący sposób: 110000/100.

Przekładniki prądowe przyrządów

Urządzenia te przetwarzają również obciążenie linii pierwotnej na wartości wtórne z maksymalną powtarzalnością wszelkich zmian harmonicznych prądu pierwotnego.

W celu ułatwienia obsługi i konserwacji urządzeń elektrycznych są one również instalowane na urządzeniach rozdzielczych podstacji.

Przekładniki prądowe Są one włączone do obwodu linii napowietrznej w inny sposób niż VT: wraz z uzwojeniem pierwotnym, który jest zwykle reprezentowany tylko przez jeden zwój w postaci drutu prądu stałego, są po prostu cięte na każdy drut fazy linii.Widać to wyraźnie na powyższym zdjęciu.

Współczynnik transformacji CT jest określany przez stosunek doboru wartości nominalnych na etapie projektowania linii elektroenergetycznej. Na przykład, jeśli linia energetyczna jest zaprojektowana do przenoszenia 600 amperów, a 5 A zostanie usunięte z wtórnego przekładnika prądowego, wówczas stosuje się oznaczenie 600/5.

W elektryczności akceptowane są dwa standardy wartości stosowanych prądów wtórnych:

• 5 A dla wszystkich przekładników prądowych do 110 kV włącznie;

• 1 A dla linii 330 kV i wyższych.

Uzwojenia wtórne TT są połączone w celu podłączenia do urządzeń ochronnych według różnych schematów:

• pełna gwiazda;

• niekompletna gwiazda;

• trójkąt.

Każdy związek ma swoje specyficzne cechy i jest używany do niektórych rodzajów ochrony na różne sposoby. Przykład podłączenia przekładników prądowych i cewek przekaźników prądowych do pełnego obwodu gwiazdy pokazano na zdjęciu.

Jest to najprostszy i najbardziej powszechny filtr harmonicznych stosowany w wielu obwodach przekaźników ochronnych. W nim prądy z każdej fazy są kontrolowane przez oddzielny przekaźnik o tej samej nazwie, a suma wszystkich wektorów przechodzi przez cewkę zawartą we wspólnym przewodzie neutralnym.

Sposób wykorzystania przekładników pomiarowych prądu i napięcia umożliwia przeniesienie procesów pierwotnych zachodzących w urządzeniach elektroenergetycznych do obwodu wtórnego w dokładnej skali w celu ich wykorzystania w zabezpieczeniach sprzętowych przekaźników oraz tworzenia algorytmów działania układów logicznych urządzenia eliminujące procesy urządzeń awaryjnych.

Organy odpowiedzialne za przetwarzanie otrzymanych informacji

W ochronie przekaźników głównym elementem roboczym jest przekaźnik — urządzenie elektryczne, które spełnia dwie główne funkcje:

• monitoruje jakość obserwowanego parametru, na przykład prądu, aw trybie normalnym stabilnie utrzymuje i nie zmienia stanu swojego układu styków;

• po osiągnięciu wartości krytycznej zwanej wartością zadaną lub progiem odpowiedzi natychmiast przełącza położenie swoich styków i pozostaje w tym stanie do czasu powrotu obserwowanej wartości do normalnego zakresu.

Zasady tworzenia obwodów do przełączania przekaźników prądowych i napięciowych w obwodach wtórnych pomagają zrozumieć reprezentację harmonicznych sinusoidalnych za pomocą wielkości wektorowych z ich reprezentacją na płaszczyźnie zespolonej.

W dolnej części rysunku przedstawiono wykres wektorowy dla typowego przypadku rozkładu sinusoid w trzech fazach A, B, C w trybie pracy zasilania odbiorczego.

Monitorowanie stanu obwodów prądowych i napięciowych

Częściowo zasada przetwarzania sygnałów wtórnych jest pokazana w obwodzie do włączania uzwojeń CT i przekaźnika zgodnie ze schematem pełnej gwiazdy i VT ORU-110. Ta metoda umożliwia dodawanie wektorów w następujący sposób.

Włączenie cewki przekaźnika w którąkolwiek z harmonicznych tych faz pozwala w pełni kontrolować zachodzące w niej procesy i wyłączyć obwód z pracy w przypadku awarii. W tym celu wystarczy zastosować odpowiednie konstrukcje urządzeń przekaźnikowych na prąd lub napięcie.

Powyższe schematy są szczególnym przypadkiem wszechstronnego zastosowania różnych filtrów.

Metody sterowania mocą przechodzącą przez linię

Zabezpieczenia przekaźnikowe kontrolują wartość mocy na podstawie odczytów wszystkich tych samych przekładników prądowych i napięciowych.Wykorzystuje się w tym przypadku dobrze znane wzory i stosunki mocy całkowitej, czynnej i biernej między nimi oraz ich wartości wyrażone wektorami prądów i napięć.

Rozumie się, że wektor prądu jest tworzony przez przyłożoną siłę elektromotoryczną do rezystancji linii i w równym stopniu pokonuje jego aktywną i reaktywną część. Ale jednocześnie w sekcjach ze składowymi Ua i Up następuje spadek napięcia zgodnie z prawami opisanymi przez trójkąt napięcia.

Energia może być przenoszona z jednego końca linii na drugi, a nawet odwracana podczas przesyłania energii elektrycznej.

Zmiany w jej kierunku są wynikiem:

• przełączanie obciążeń przez personel obsługujący;

• fluktuacje mocy w systemie spowodowane efektami stanów nieustalonych i innymi czynnikami;

• pojawienie się trybów awaryjnych.

Przekaźniki mocy (PM) pracujące w ramach przekaźnikowego systemu zabezpieczeń i automatyki uwzględniają wahania jej kierunków i są skonfigurowane do zadziałania po osiągnięciu wartości krytycznej.

Metody kontroli rezystancji linii

Zabezpieczenia przekaźnikowe, które obliczają odległość do miejsca zwarcia na podstawie pomiarów rezystancji elektrycznej, nazywane są w skrócie zabezpieczeniami odległościowymi lub DZ. W swojej pracy wykorzystują również obwody przekładników prądowych i napięciowych.

Aby zmierzyć rezystancję, użyj Wyrażenie prawa Ohmaopisane dla rozważanego odcinka obwodu.

Gdy prąd sinusoidalny przepływa przez rezystancję czynną, pojemnościową i indukcyjną, wektor spadku napięcia na nich odchyla się w różnych kierunkach. Jest to uwzględniane przez zachowanie przekaźnika ochronnego.

Zgodnie z tą zasadą wiele typów przekaźników rezystorowych (RS) pracuje w przekaźnikowych urządzeniach zabezpieczających i automatyce.

Metody kontroli częstotliwości linii

Aby utrzymać stabilność okresu oscylacji harmonicznych prądu przesyłanego przez linię elektroenergetyczną, stosuje się przekaźniki kontroli częstotliwości. Działają na zasadzie porównania sinusoidy wzorcowej wytwarzanej przez wbudowany generator z częstotliwością uzyskiwaną przez liniowe przekładniki pomiarowe.

Po przetworzeniu tych dwóch sygnałów przekaźnik częstotliwości określa jakość obserwowanej harmonicznej i po osiągnięciu zadanej wartości zmienia położenie układu styków.

Cechy sterowania parametrami linii przez zabezpieczenia cyfrowe

Rozwój mikroprocesorów, które zastępują technologie przekaźnikowe, nie może również działać bez wtórnych wartości prądów i napięć, które są usuwane z przekładników pomiarowych TT i VT.

Do działania zabezpieczeń cyfrowych informacja o sinusoidzie wtórnej jest przetwarzana metodami próbkowania, które polegają na nałożeniu wysokiej częstotliwości na sygnał analogowy i ustaleniu amplitudy kontrolowanego parametru na przecięciu wykresów.

Dzięki małemu krokowi próbkowania, szybkim metodom przetwarzania oraz zastosowaniu metody aproksymacji matematycznej uzyskuje się wysoką dokładność pomiaru prądów i napięć wtórnych.

Obliczone w ten sposób wartości liczbowe są wykorzystywane w algorytmie działania urządzeń mikroprocesorowych.

Logiczna część zabezpieczenia przekaźników i automatyki

Po początkowych wartościach prądów i napięć energii elektrycznej przesyłanej wzdłuż linii elektroenergetycznej modeluje się transformatory pomiarowe wybrane do przetwarzania przez filtry i odbierane przez czułe narządy urządzeń przekaźnikowych dla prądu, napięcia, mocy, rezystancji i częstotliwości, jest to kolej obwodów przekaźników logicznych.

Ich konstrukcja oparta jest na przekaźnikach pracujących z dodatkowego źródła napięcia stałego, wyprostowanego lub przemiennego, które jest również nazywane operacyjnym, a zasilane nim obwody są sprawne. Termin ten ma techniczne znaczenie: bardzo szybko, bez zbędnych opóźnień, wykonać swoje przełączenia.

Szybkość działania układu logicznego w dużej mierze determinuje szybkość wyłączenia awaryjnego, a tym samym stopień jego destrukcyjnych skutków.

Ze względu na sposób wykonywania swoich zadań przekaźniki pracujące w obwodach wykonawczych nazywane są pośrednimi: odbierają sygnał z zabezpieczenia pomiarowego i przekazują go poprzez przełączenie swoich styków na organy wykonawcze: przekaźniki wyjściowe, elektromagnesy, elektromagnesy do rozłączania lub zamykania wyłączników mocy .

Przekaźniki pośrednie mają zwykle kilka par styków, które tworzą lub przerywają obwód. Służą do jednoczesnego odtwarzania poleceń między różnymi przekaźnikowymi urządzeniami zabezpieczającymi.

W algorytmie działania zabezpieczenia przekaźnikowego często wprowadza się opóźnienie, aby zapewnić zasadę selektywności i uformować sekwencję określonego algorytmu. Blokuje działanie ochrony podczas konfiguracji.

To wejście opóźniające jest tworzone za pomocą specjalnych przekaźników czasowych (RV), które mają mechanizm zegarowy, który wpływa na szybkość ich styków.

Część logiczna zabezpieczenia przekaźnika wykorzystuje jeden z wielu algorytmów zaprojektowanych dla różnych przypadków, które mogą wystąpić na linii elektroenergetycznej o określonej konfiguracji i napięciu.

Jako przykład możemy podać tylko niektóre nazwy działania logiki dwóch zabezpieczeń przekaźnikowych opartych na sterowaniu prądem linii elektroenergetycznej:

• przerwanie prądu (wskazanie prędkości) bez opóźnienia lub z opóźnieniem (gwarantuje selektywność RF), z uwzględnieniem kierunku zasilania (dzięki przekaźnikowi RM) lub bez niego;

• zabezpieczenie nadprądowe może być wyposażone w te same elementy sterujące, co odłącznik, z lub bez kontroli niskiego napięcia linii.

W działanie logiki zabezpieczeniowej przekaźnika często wprowadzane są elementy automatyki różnych urządzeń, np.:

• ponowne załączenie wyłącznika jednofazowego lub trójfazowego;

• włączenie zasilania rezerwowego;

• przyśpieszenie;

• rozładowanie częstotliwości.

Część logiczna zabezpieczenia linii może być wykonana w małym przedziale przekaźnikowym bezpośrednio nad wyłącznikiem mocy, co jest typowe dla zewnętrznych rozdzielnic kompletnych (KRUN) o napięciu do 10 kV lub zajmować kilka pól 2x0,8 m w pomieszczeniu przekaźnikowym .

Przykładowo logikę zabezpieczeniową dla linii 330 kV można umieścić na osobnych polach zabezpieczeniowych:

• rezerwa;

• DZ — zdalny;

• DFZ — faza różnicowa;

• VCHB — blokowanie wysokich częstotliwości;

• OAPV;

• przyśpieszenie.

Obwody wyjściowe

Końcowym elementem zabezpieczenia przekaźnika liniowego są obwody wyjściowe, których logika również opiera się na zastosowaniu przekaźników pośredniczących.

Obwody wyjściowe tworzą kolejność działania wyłączników liniowych i określają współdziałanie z sąsiednimi połączeniami, urządzeniami (np. zabezpieczenie przed awarią wyłącznika — awaryjne wyłączenie wyłącznika) oraz innymi elementami zabezpieczenia przekaźnikowego i automatyki.

Proste zabezpieczenia linii mogą mieć tylko jeden przekaźnik wyjściowy, który wyzwala wyłącznik. W złożonych systemach z ochroną rozgałęzioną tworzone są specjalne układy logiczne, które działają według określonego algorytmu.

Ostateczne odłączenie napięcia z linii w przypadku awarii realizowane jest za pomocą wyłącznika sieciowego, który uruchamiany jest siłą elektromagnesu wyzwalającego. Do jego działania dostarczane są specjalne łańcuchy napędowe, które mogą wytrzymać potężne obciążenia.Ki.