1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПАНЕЛИ РЕЗЕРВНЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ ТИПА ПЗ-5 (ПЭ2105)
Общие положения и место защит панели в системе резервирования отключения КЗ. Панели дистанционных защит типа ПЗ-5 (ПЭ2105) применяют для выполнения резервных защит от междуфазных коротких замыканий (КЗ) в электрических сетях высокого напряжения. В основном эти панели используются при выполнении резервных защит мощных автотрансформаторов на подстанциях, соединяющих разветвленные сети 220-330 кВ и мощные питающие сети 500-750 кВ. Панели ПЗ-5 используются так же как резервные защиты на повышающих трансформаторах энергоблоков крупных электростанций. Кроме того, они применяются для выполнения защит секционных и шиносоединительных выключателей. Во всех этих случаях использование дистанционных защит ПЗ-5 значительно повышает надежность и эффективность резервирования отключения коротких замыканий.
Резервирование отключения КЗ [1, 3—5] является важной функцией релейной защиты. Необходимость резервирования возникает в случае отказа защиты поврежденного присоединения, а также в случае отказа его выключателя.
Для уменьшения вероятности отказа защиты широко применяют дублирование защит. С этой целью на линиях электропередачи напряжением 110 кВ и выше устанавливают основную и резервные защиты; трансформаторы и автотрансформаторы имеют две защиты от внутренних повреждений: газовую и дифференциальную; сборные шины крупных электростанций и подстанций защищают двумя дифференциальными защитами. Оба комплекта защит, дублирующих друг друга, действуют на выключатели поврежденного элемента. При таком выполнении защит КЗ при отказе одной защиты отключается другой защитой поврежденного элемента. Наличие основной и резервной зашит называют ближним резервированием. При этом имеется в виду, что обе защиты, отключающие КЗ в этом случае, подключены к измерительным трансформаторам и выключателям одного и того же защищаемого элемента. Ближнее резервирование значительно увеличивает надежность работы защиты при КЗ. Важным свойством ближнего резервирования является его высокая селективность: основная и резервная защиты отключают только поврежденный элемент. Этим определяется высокая эффективность и широкое распространение дублирование защит, особенно на наиболее ответственных элементах напряжение 110кВ и выше.
Однако и при наличии ближнего резервирования возможны такие неисправности в цепях вторичных соединений, которые нарушают работоспособность обеих защит. Примером может служить повреждение оперативных цепей, общих для обеих защит. Могут иметь место и другие неисправности, приводящие к отказу обеих защит, осуществляющих ближнее резервирование. В этом случае КЗ, не отключаемое защитами поврежденного присоединения, должно быть отключено защитами смежных, неповрежденных элементов электрической сети. Такое действие защит смежных элементов также является резервным. В отличие от рассмотренного выше ближнего резервирования этот вид резервирования называется дальним. При дальнем резервировании защиты отключающие КЗ присоединены к измерительным трансформаторам разных элементов и не имеют общих оперативных цепей с отказавшими защитами. Поэтому при дальнем резервировании надежность отключения КЗ значительно выше. Кроме того, дальнее резервирование обеспечивает отключение КЗ на смежном присоединении не только при отказе защит последнего, но и при отказе его выключателя. Высокая надежность дальнего резервирования определила его широкое распространение в электроустановках всех классов.
Одним из факторов, ограничивающих применение дальнего резервирования, является чувствительность, обеспечить которую например при наличии длинных линий или больших подпиток места КЗ от других смежных присоединений достаточно сложно. Дальнее резервирование зашит обладает значительным временем действия, что также нежелательно. Кроме того, оно обладает низкой селективностью. При КЗ на линии Л4 (рис. 1) и отказе в ее отключении со стороны подстанции А работают в условиях дальнего резервирования защиты линий JI1, JI2, и Л3 со стороны подстанций Б и В. В результате такого действия защит подстанция А полностью теряет питание. Отключение линий со стороны подстанций Б и В не является в данном случае селективным: ближайшим к повреждению является шиносоединительный выключатель подстанции А, и отключение его в рассматриваемой ситуации сохранило бы питание подстанции А (или хотя бы ее части).
Рис. 1. Дальнее резервирование отключения КЗ
Наличие существенных недостатков дальнего резервирования (низкая чувствительность, быстродействие и селективность) не позволяет рассматривать его как исчерпывающий и безусловно эффективный способ резервирования отключения КЗ.
Известны два способа повышения эффективности дальнего резервирования. Один способ — применение так называемого устройства резервирования отказа выключателя УРОВ, который исключает действие дальнего резервирования при отказе выключателя поврежденного присоединения. УРОВ запускается при КЗ защитой поврежденного присоединения одновременно с действием ее на отключение выключателя этого присоединения. Если при этом в течение заданного времени не происходит отключение поврежденного присоединения, УРОВ действует на отключение других выключателей, ближайших к отказавшему. В рассмотренном на рис. 1 примере при отказе на подстанции А выключателя поврежденной линии такими выключателями являются выключатель линии JI3 и шиносоединительный выключатель на подстанции А. Ясно, что действие УРОВ в данном случае имеет более высокую селективность. Значительно проще при наличии УРОВ решаются также вопросы чувствительности и быстродействия. Применение УРОВ в целом значительно повышает эффективность резервирования отключения КЗ.
Другой способ повышения эффективности дальнего резервирования - это использование автоматического секционирования сети при возникновении КЗ, не отключаемого защитами поврежденного присоединения. Для этой цели применяют дистанционные защиты на основе панелей типов ПЗ-5 (ПЭ2105).
Применение панели для выполнения резервных защит автотрансформаторов.
Панели дистанционных защит ПЗ-5 (ПЭ2105) чаще всего применяются для выполнения резервных защит на мощных автотрансформаторах с высшим напряжением 220 кВ и более. Это определяется следующими факторами.
Автотрансформаторы на крупных подстанциях являются важным элементом энергосистемы, связывающим развитые сети разных напряжений.
Сети, присоединенные к сторонам высшего и среднего напряжения таких автотрансформаторов, оснащаются ступенчатыми дистанционными защитами. Обеспечение согласования токовых защит автотрансформатора с указанными защитами линий является часто очень сложной задачей. Применение блокировки минимального напряжения в токовых защитах автотрансформаторов помогает в ряде случаев обеспечить требуемую чувствительность защиты, однако решить одновременно с этим вопросы селективности и быстродействия защиты в случае применения на таких автотрансформаторах токовых защит с блокировкой минимального напряжения в большинстве случаев не удается.
С другой стороны, представляет также большую трудность согласование дистанционных защит линий сети одного напряжения автотрансформатора (при отсутствии на нем полноценной дистанционной защиты) с защитами линий сети другого напряжения. Это приводит к возможным неселективным отключениям линий сети одного напряжения при КЗ в сети другого напряжения, что приводит к нежелательному развитию повреждения в энергосистеме.
В связи с изложенным применение дистанционных защит в качестве резервных защит на автотрансформаторах является полезным и обоснованным.
Панели ПЗ-5 (ПЭ2105) содержат две ступени дистанционной защиты. Одним из возможных вариантов является такое выполнение дистанционной защиты автотрансформатора, при котором обе ступени защиты ПЗ-5 (ПЭ2105) направлены в сеть одного напряжения (высшего или среднего). При этом одна ступень защиты для обеспечения высокой чувствительности при удаленных КЗ выполняется по согласованию чаще всего с третьими ступенями дистанционных защит отходящих линий. В этом случае выдержка времени этой ступени защиты оказывается значительной и составляет часто 5 с и более. Такое время отключения КЗ, особенно при близких повреждениях, нежелательно. Увеличение быстродействия резервной защиты при близких КЗ обеспечивается использованием другой ступени защиты ПЗ-5 (ПЭ2105). Выдержка времени этой ступени защиты выбирается по возможности по согласованию с первыми (мгновенными) ступенями дистанционных защит отходящих линий.
Наличие двухступенчатой дистанционной защиты на автотрансформаторе позволяет также значительно повысить селективность при дальнем резервировании. Это осуществляется благодаря тому, что дистанционные защиты автотрансформаторов выполняются с опережающим действием защиты на отключение секционного (шиносоединительного) выключателя. На рис. 2 показано, как улучшается селективность дальнего резервного действия защит в случае, рассмотренном на рис. 1. При наличии на автотрансформаторах ATI нАТ2 подстанции у полноценных резервных защит в случае КЗ на линии Л4, не отключаемого его выключателем на подстанции А, ликвидация указанного КЗ осуществляется опережающим отключением секционного выключателя подстанции А и последующими отключениями выключателя высшего напряжения автотрансформатора АТ2 и выключателя линии JJ3 на подстанции В. После отключения секционного выключателя подстанции А защита линии Л1 на подстанции Б возвращается, так как рассматриваемое КЗ на линии J14 электрически удаляется и пусковые реле защиты линии Л1 возвращаются, что должно быть проверено расчетом (см. гл. 3).
Защиты автотрансформатора ATI и линии Л2 со стороны подстанции В также возвращаются, так как в них изменяется направление тока КЗ или рассматриваемое КЗ также электрически удаляется. Ликвидация рассматриваемого КЗ на пинии Л4 в данном случае осуществлена без полной потери питания подстанции А и разрыва транзитов между подстанциями Б и В, что является результатом повышения селективности действия защит.
Рис. 2. Повышение эффективности дальнего резервирования
Таким образом, выполнение дистанционной защиты автотрансформаторов, при котором обе ее ступени направлены в сеть одного напряжения (рис. 3, а), обеспечивает наилучшее использование положительных свойств этой защиты и является наиболее целесообразным. Однако для такой дистанционной защиты требуется установка двух панелей на каждом автотрансформаторе: одна панель направлена в сторону сети высшего напряжения, другая — в сторону сети среднего напряжения. Для резервирования отключения КЗ на ошиновке и в сети низшего напряжения автотрансформатора устанавливают отдельные защиты.
Панели дистанционных защит типа ПЗ-5 (ПЭ2105) предусматривают и раздельное использование имеющихся в них комплектов дистанционных реле. При этом (рис. 3, б) одна ступень защиты выполняется направленной в сторону сети высшего напряжения автотрансформатора, другая ступень — в сторону сети среднего напряжения. Такое применение панелей не всегда полностью решает вопросы быстродействия, чувствительности и селективности, поэтому может рассматриваться как временное.
Применение панели для резервных защит блоков генератор-трансформатор в соответствии с современными требованиями резервирования отключения КЗ в любой точке блока генератор-трансформатор выполняется на основе принципа ближнего резервирования. Для этого устанавливается не менее двух быстродействующих защит от КЗ в любой точке блока, например, дифференциальная защита генератора, дифференциальная защита ошиновки ВН, дифференциальная и газовая защиты трансформатора блока и общая дифференциальная защита всего блока (охватывающая генератор, трансформатор и шины ВН).
Рис. 3. Характеристики сопротивления срабатывания защиты автотрансформатора:
а - двухступенчатая защита, направленная в сеть среднего напряжения, б - одноступенчатая зашита автотрансформатора; в - одноступенчатые защиты с ускорением
Поэтому на мощных блоках генератор-трансформатор резервные защиты, выполняемые панелями ПЗ-5, предназначаются для резервирования отключения КЗ, внешних для блока. При этом обе ступени защиты выполняются направленными в сторону сети высшего напряжения блока. Как и на автотрансформаторах подстанций, действие каждой ступени выполняется с опережающим делением шин высшего напряжения. Поэтому наличие двухступенчатой дистанционной защиты блока от внешних КЗ значительно улучшает чувствительность защит прилегающей электросети.
Улучшается также быстродействие этих защит, особенно важное при отключении близких внешних КЗ, не отключаемых защитами поврежденного присоединения. Что касается чувствительности второй ступени при удаленных КЗ, то ее не всегда удается обеспечить без принятия особых мер. При наличии нескольких крупных блоков, работающих на общие шины, а также в случае длинных линий электропередачи, отходящих от этих шин, дальнее резервирование отключения КЗ на одной линии индивидуальными защитами каждого присоединения оказывается неосуществимым. Поэтому совершенствование системы резервных защит на крупных электростанциях [1.7—8] в настоящее время осуществляется как установкой двухступенчатых дистанционных защит на блоках генератор-трансформатор, так и применением различных суммарных защит.
Вариант выполнения суммарной дистанционной защиты на стороне высшего напряжения крупной ГРЭС рассмотрен на рис. 4. Показаны шины высшего напряжения этой электростанции, соединенные по схеме "шестиугольника", к которым подключены три крупных блока и три линии электропередачи. На данной ГРЭС кроме обычных основных и резервных защит на каждом присоединении выполнена дополнительная резервная защита. Эта защита предназначена для резервирования отключения КЗ на линиях электропередачи, отходящих от шин ГРЭС. Дополнительная защита содержит суммарный орган, обеспечивающий селективность с индивидуальной защитой каждой линии, и избирательные органы, определяющие, в направлении какой линии имеет место КЗ, не отключаемое ее защитами. Суммарный орган этой защиты выполнен на основе панели ПЗ-5. Эта дополнительная защита селективна не только с индивидуальными защитами линий, но и с УРОВ ее выключателей. Дополнительная защита при срабатывании повторно действует на отключение выключателей поврежденной линии. Если после этого за дополнительное время КЗ не прекращается, то эта защита отключает выключатели, ближайшие к неотключившимся. При действии этой последней ступени защиты сохраняется в работе один блок и транзит мощности по двум линиям из трех.
Рис. 4. Дополнительная резервная защита на шинах ГРЭС
На другой электростанции выполнена дополнительная резервная защита, отличающаяся от описанной выше. Эта электростанция имеет двойную секционированную систему шин с присоединениями, распределенными по каждой секции. Дальнее резервирование отключения КЗ на отходящих линиях, как и во многих других случаях, малоэффективно. Селективность и чувствительность дальнего резервирования на данной ГРЭС увеличены тем, что на каждой секции шин установлена дополнительная защита, включенная на сумму токов блоков генератор—трансформатор данной секции шин и ее шиносоединительного и секционного выключателей. Суммарный дистанционный орган защиты обеспечивает селективность с защитами линий, отходящих от данной секции шин. Эта защита действует только на отключение шиносоединительного и
секционного выключателей данной секции. После такого деления шин защиты неповрежденной части электросети возвращаются, а защиты присоединений секции шин с повреждением осуществляют дальнее резервирование с возросшей чувствительностью.
Применение панели для выполнения защит шиносоединительных и секционных выключателей.
Автоматическое секционирование при КЗ шин электростанций и подстанций, как было показано выше, во многих случаях имеет высокую эффективность. Для автоматического отключения при КЗ шиносоединительных (ШСВ) и секционных (СВ) выключателей крупных подстанций применяются дистанционные защиты, в том числе панели ПЗ-5 (ПЭ2105).
Как и в случае применения этих защит на автотрансформаторах, наиболее полноценно осуществляются быстродействие, чувствительность и селективность защит ШСВ (СВ) при установке двухступенчатой дистанционной защиты в каждую сторону от ШСВ (СВ). Однако установка двух панелей на каждом ШСВ (СВ) считается в настоящее время слишком дорогой как по количеству дефицитного оборудования, так и по трудозатратам на их обслуживание. Поэтому такое выполнение дистанционной защиты на ШСВ (СВ) применяется редко, в случаях выполнения автоматического секционирования шин крупных ГРЭС и подстанций 500-750 кВ.
Гораздо чаще для выполнения защиты ШСВ (СВ) применяют установку одной панели ПЗ-5 (ПЭ2105). При этом одну ступень защиты выполняют направленной в сторону одной, например первой системы (секции) шин, а другую - в сторону второй.
Одноступенчатое выполнение защиты ШСВ (СВ), естественно, ограничивает одновременное выполнение быстродействия, чувствительности и селективности. Чаще всего в таких случаях приходится принимать решение с частичным выполнением указанных основных требований, определенным приоритетом одного из них за счет более низкого качества другого.
При разработке схем и расчете параметров срабатывания защит ШСВ (СВ) следует принять во внимание некоторые особенности. Одной из них является необходимость учета шунтирующего влияния параллельных ветвей сети, в которой установлены эти выключатели (рис. 5). Это влияние сказывается как на селективности и быстродействии, так и на чувствительности защит ШСВ (СВ) (в ряде случаев положительно). Так, селективность этих защит часто повышается от того, что до нарушения симметрии электрической схемы сети эти выключатели обтекаются малым током и их защиты не работают. Например, при КЗ на линии ЛЗ у шин подстанции В до отключения выключателя поврежденной линии этой подстанции защиты ШСВ на подстанции А обтекаются малым током КЗ, а после отключения линии ЛЗ со стороны подстанции В ток в защите ШСВ на подстанции А возрастает и чувствительность защиты увеличивается. Однако этот же факт снижает чувствительность защиты на ШСВ при удаленных КЗ в симметричной сети.
Рис. 5. Шунтирующее влияние сети при каскадном отключении КЗ
Быстродействие этих защит также может быть снижено по этой же причине. Поэтому общую однозначную оценку шунтирующего влияния сети на дистанционную защиту ШСВ дать затруднительно.
Другой особенностью, которую необходимо учитывать при разработке защит на ШСВ (СВ), является следующее. Отключение ШСВ (СВ) при нормальном состоянии электрической сети обычно не приводит к обесточиванию потребителей или потере генерирующих источников. Использование этой особенности защит ШСВ (СВ) позволяет выполнять их более быстродействующими за счет определенного снижения селективности.
Эффективным является применение панелей ПЗ-5 (ПЭ2105) для автоматического секционирования участков сети с параллельными линиями. В этом случае защиты ПЗ-5 (ПЭ2105) включаются на сумму токов параллельных линий и выполняются направленными к шинам. Такие защиты выполняют на отключение ШСВ (СВ). На рис. 6 показано, что в результате автоматического секционирования шин подстанции Б в условиях резервирования отключения поврежденной линии не нарушается транзитная электропередача между подстанциями А и Б, а также сохраняется электропитание части потребителей подстанции Б.
Рис. 6. Секционирование сети с параллельными линиями
В практике применения панелей ПЗ-5 есть случаи реконструкции их с целью улучшения защитных характеристик. На рис. 3, в показаны характеристики срабатывания дистанционной защиты автотрансформатора, выполненной на крупной узловой подстанции. Для ускорения отключения близких КЗ на панели ПЗ-5 установлена дополнительная ступень защиты, выполненная при помощи одного комплекта реле сопротивления типа КРС-2. Контакты промежуточных реле (повторителей дополнительных реле сопротивления) введены в логические цепи стандартной панели так, что при одновременном срабатывании двух комплектов реле сопротивления (эта область заштрихована на рис. 3, е) защита срабатывает с ускорением. Например, при близком КЗ в сети высшего напряжения работают КРС-3 и КРС-2доп. При КЗ в сети среднего напряжения работают КРС-2 и КРС-2доп. На другой крупной подстанции выполнена дистанционная защита с характеристикой срабатывания по рис. 3, б, но также с ускорением стандартных ступеней дистанционной защиты при близких КЗ. Для этой цели использованы два комплекта минимальных реле напряжения, установленных дополнительно на стандартной панели. Один комплект реле напряжения подключен к трансформатору напряжения стороны высшего напряжения. Этот комплект реле высшего напряжения введен в цепи защиты так, что при одновременном срабатывании этого комплекта и дистанционного реле, направленного в сторону сети высшего напряжения, зашита срабатывает с ускорением. Аналогично выполнены цепи Другой ступени защиты, направленной в сторону сети среднего напряжения.
