Исследование и разработка системы защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Капитула, Юлия Владимировна

• Капитула, Юлия Владимировна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Капитула, Юлия Владимировна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ППТ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПРОВОДОМ ДЛЯ ВОЗВРАТА ТОКА

1.1 Назначение и основные задачи системы защиты и автоматики передачи постоянного тока. Система ликвидации аварий

1.2. Критерий оценки эффективности функционирования системы защиты линии постоянного тока

1.3 Обзор систем защит линии на отечественных и зарубежных передачах постоянного тока

1.3.1 Система защиты линии постоянного тока передачи Экибастуз -Центр

1.3.2 Система защиты полюсных проводов линии на зарубежных ППТ

1.3.3 Защита «металлического» возврата тока на зарубежных ППТ

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ

2.1 Определение параметров и схемы замещения биполярной воздушной линии постоянного тока с обратным проводом для возврата тока

2.1.1 Общая характеристика и исходные данные воздушного участка линии постоянного тока

2.1.2 Основные положения теории распространения электромагнитных волн вдоль однородной многопроводной линии

2.1.3 Обоснование эквивалентной схемы воздушного участка линии постоянного тока

2.2 Определение параметров и схемы замещения биполярной кабельной линии постоянного тока с обратным проводом для возврата тока

2.2.1 Первичные параметры кабельной линии однофазного исполнения коаксиальной конструкции

2.2.2 Обоснование эквивалентной схемы замещения кабельного участка с обратным проводом для возврата тока

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ ПОЛЮСНЫХ И ОБРАТНЫХ ПРОВОДОВ КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ Г1ПТ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ

3.1 Математическая модель кабельно-воздушной передачи постоянного тока

3.1.1 Схема и параметры основных элементов математической модели кабельно-воздушной ППТ

3.1.2 Система быстродействующего регулирования

3.1.3 Выбор числа ячеек цепочечной схемы замещения для кабельного и воздушного участков линии

3.2 Исследования аварийных процессов при коротких замыканиях полюсного провода на землю

3.2.1 Качественный анализ напряжения при пробое изоляции на кабельном участке линии постоянного тока

3.2.2 Качественный анализ изменения напряжения при перекрытии полюса на землю на воздушном участке линии постоянного тока

3.2.3 Выявление участка повреждения при коротких замыканиях на кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока

3.2.4 Выбор бестоковой паузы АПВ

3.2.5 Исследование дифференциальной защиты линии

3.3 Исследования аварийных процессов при повреждениях на обратных проводах

3.3.1 Исследования аварийных процессов при коротких замыканиях на обратных проводах

3.3.2 Исследования аварийных процессов при обрывах на обратных проводах

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ППТ

4.1 Разработка системы защиты линии постоянного тока

4.1.1 Избирательная защита линии (ИЗ КВЛ)

4.1.2 Дифференциальная защита линии (ДЗ КВЛ)

4.1.3 Защита минимального напряжения

4.1.4 Защита от повышения напряжения полюса линии (ЗПНЛ)

4.1.5 Защита обратных проводов от обрыва (3 ОП при обрывах)

4.1.6 Защита обратных проводов от коротких замыканий (ДЗ ОП от коротких замыканий)

Выводы по главе 4

ГЛАВА 5 ПРОВЕРКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ЗАЩИТ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.1 Проверка функционирования алгоритма избирательной защиты

5.2 Проверка функционирования алгоритма дифференциальной защиты

линии

5.3 Проверка функционирования алгоритма защиты обратных проводов от обрыва

Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка системы защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока»

ВВЕДЕНИЕ

Передачи и вставки постоянного тока (ПИТ и ВПТ) обладают большими возможностями по повышению уровня устойчивости, надежности и управляемости энергосистемы. В условиях промышленного центра целесообразно использование 1111Т и 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 энергосистем островных территорий возможно использование передач постоянного тока с кабельно-воздушной линией [1-3].

Существенную роль в обеспечении надежной и устойчивой работы любого объекта ППТ играет система защиты и автоматики (СЗА), входящая в состав многоуровневой системы управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) [4]. При этом к системе защиты линии постоянного тока, являющейся одной из составляющих СЗА объекта постоянного тока, должны предъявляться следующие требования:

- выявление всех аварийных и нештатных условий работы;

- резервирование защит;

- селективность;

- отстройка от ложных срабатываний.

К основным аварийным режимам на линии передачи постоянного тока относятся:

- повышение напряжения на линии вследствие обрыва проводов либо включения передачи на неподготовленный инвертор из-за сбоя системы связи между подстанциями;

- понижение напряжения при наличии тока в линии из-за возникновения к.з. на линии либо по причине нарушения работы инвертора (например, двухфазное опрокидывание).

Наличие в схеме линейного реактора и работа регулятора тока выпрямителя в аварийных режимах при к.з. на линии способствуют существенному ограничению нарастания тока, и токовые воздействия на оборудование практически отсутствуют. 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.

Из мировой практики эксплуатации энергосистем известно, что аварии на воздушных линиях вызваны в основном атмосферными воздействиями, приводящими к нарушению изоляции воздушного промежутка. Для устранения таких повреждений достаточно обеспечить бестоковую паузу. На кабельных участках 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 выше в 3-5 раз, чем при возникновении внутренних повреждений кабеля. Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что помимо задачи локализации повреждения ГИТ (преобразовательные подстанции или линия) актуальной является и задача выявления участка повреждения кабельно-воздушных линий ППТ.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок [5] при выявлении повреждения на воздушных и смешанных (кабельно-воздушных) линиях всех типов напряжением выше 1 кВ должно предусматриваться автоматическое повторное включение (АПВ) независимо от участка повреждения. Отказ от АПВ должен быть обоснован в каждом конкретном случае.

Для передачи постоянного тока с кабельно-воздушной линией, являющейся, например, составляющей энергетического кольца энергосистемы, обоснованием для запрета АПВ при возникновении повреждений на кабельном участке могут явиться конкретные условия на поставку электроэнергии в приемную энергосистему, когда сброс мощности опасен с точки зрения системной устойчивости. Селективное выявление участка повреждения позволит ускорить алгоритм изменения конфигурации схемы передачи с целью обеспечения соответствующих условий на поставку электроэнергии.

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. Система защиты линии должна включать защиты полюсных (прямых) проводов и защиты обратных проводов. При этом особое внимание уделяется разработке и исследованию действия новой защиты полюсных проводов линии, способной выявлять участок повреждения (кабельный либо воздушный) и формировать сигнал отключения в автоматику передачи с АПВ или без АПВ.

В условиях кабельно-воздушной передачи постоянного тока проводится исследование работы дифференциальной защиты линии, защиты минимального напряжения, защиты линии от повышения напряжения.

Для кабельно-воздушной линии ППТ с обратными проводами для возврата тока исследуются аварийные процессы, возникающие при обрыве одного и двух обратных проводов, и определяется алгоритм выявления такого повреждения. Для выявления короткого замыкания на обратных проводах применяется дифференциальный принцип.

Работа базируется на результатах исследований Чернобровова Н.В., Федосеева A.M., Поссе A.B., Крайчика Ю.С., Костенко М.В., Перельмана JI.C., Кадомской К.П., Евдокунина Г.А. и др.

Цель работы и задачи исследования

Целью настоящей диссертации является разработка системы защиты для кабельно-воздушной линии биполярной передачи постоянного тока с

выполнением возврата тока по двум обратным проводам. Основное внимание в диссертации уделяется 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 выявления закономерностей протекания аварийных процессов при коротких замыканиях в различных точках кабельного и воздушного участков линии;

- разработка методики определения схем замещения кабельного и воздушного участков для отображения зависимости параметров линии от частоты;

- разработка математической модели передачи постоянного тока, включающая 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 аварийных процессов при коротких замыканиях и обрывах на кабельно-воздушной линии с целью определения способов выявления повреждений полюсных и обратных проводов;

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

Методы исследования

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 работы состоит в следующем:

- исследованы аварийные процессы при моделировании различных повреждений на биполярной кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока с «металлическим» возвратом тока;

- разработан и на математической модели передачи исследован алгоритм избирательной защиты кабельно-воздушной линии, определяющий участок повреждения;

- в условиях кабельно-воздушного исполнения линии исследован алгоритм дифференциальной защиты линии, компенсирующий разрядный ток кабельного участка при вычислении тока небаланса;

- разработан и исследован алгоритм защиты обратных проводов при обрывах.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

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

- разработана математическая модель передачи постоянного тока, позволяющая исследовать установившиеся и аварийные режимы при повреждениях на стороне постоянного и на стороне переменного тока.

Положения, выносимые на 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 быстродействия, селективности и резервирования.

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

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

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

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

Практическая значимость результатов работы

Материалы диссертационной работы использовались в научно-исследовательских работах [6-9]:

- «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»;

- «Разработка алгоритма защиты неоднородных линий постоянного тока с использованием волновых методов».

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.

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ КАБЕЛБНО-ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ППТ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПРОВОДОМ ДЛЯ ВОЗВРАТА ТОКА

1.1 Назначение и основные задачи системы защиты и автоматики передачи постоянного тока. Система ликвидации аварий

В процессе проектирования и эксплуатации любого энергообъекта приходится учитывать практическую возможность возникновения в нем повреждений и аварийных режимов работы.

Как показала многолетняя практика эксплуатации энергосистем, аварии наступают в основном в результате нарушения изоляции электрического оборудования, приводящего к коротким замыканиям. Нарушения электрической изоляции могут вызываться следующими причинами: перенапряжениями, прямыми ударами молнии, пробоем изоляции вследствие понижения ее диэлектрических свойств, механическим повреждением оборудования и др. Воздушные линии электропередачи, в которых происходит значительное число повреждений, являются одним из наиболее уязвимых мест в электроэнергетике [10, 11].

Основным назначением системы защиты и автоматики передач постоянного тока является выявление и ликвидация аварий и ненормальных режимов работы посредством автоматического отключения соответствующих элементов или изменения режима работы передачи, обеспечение по сигналам от защит выполнения всех операций, необходимых для включения или отключения элементов передачи. В зону действия СЗА передач входит оборудование, расположенное на стороне постоянного тока, т.е. включенное между вентильными обмотками трансформаторов выпрямителя и инвертора. Сюда относятся преобразовательные мосты, ограничители перенапряжений, линейные реакторы, фильтры постоянного тока, линия постоянного тока,

распределительное устройство средней точки и др. [12]. В число задач СЗА передачи постоянного тока входит:

- обеспечение в аварийных режимах и переходных процессах выполнения требований по ограничению воздействующих на оборудование токов и напряжений;

- обеспечение при ликвидации аварий максимальной локализации и минимального снижения мощности передачи, что достигается отключением только поврежденного элемента, автоматическим повторным его включением и т.д.;

- обеспечение максимального быстродействия при ликвидации аварий, вызывающих протекание по оборудованию сверхтоков;

- обеспечение выполнения необходимых операций в нужной последовательности при включении или отключении элементов передачи по командам от защит [4].

В соответствии с классификацией [4] все аварии на стороне постоянного тока можно разделить на три группы по характерным зонам возникновения повреждений. К первой группе относятся аварии, возникающие в зоне двенадцатифазного преобразователя («мостовые» аварии), которые вызваны либо перекрытиями изоляции, либо нарушениями порядка чередования коммутаций вентилей. Вторую группу составляют повреждения, охватывающие полюс преобразовательной подстанции ППТ («полуцепные» аварии) и возникающие в результате коротких замыканий на землю любой точки подстанции на стороне постоянного тока. К третьей группе относятся аварии, вызванные повреждениями на линии постоянного тока («линейные» аварии).

При осуществлении возврата тока передачи по обратным проводам «линейные» аварии можно разделить дополнительно на повреждения полюсных проводов и повреждения обратных проводов.

На рисунке 1.1 представлена принципиальная схема рассматриваемой передачи постоянного тока. Выпрямительную (преобразователи П1 и П2) и инверторную (преобразователи ПЗ и П4) подстанции связывает линия

Рисунок 1.1- Принципиальная схема передачи постоянного тока с кабельно-воздушной линией

постоянного тока, в состав которой входит два однородных участка: кабельный и воздушный.

Линейная часть ППТ состоит из двух полуцепей как на воздушном, так и на кабельном участках. Возврат тока несимметрии осуществляется по двум обратным проводам (нейтралям). Заземление такого «металлического» возврата выполняется инверторной подстанции. Подключение преобразователей выпрямителя к обратным проводам осуществляется с помощью выключателей В1, В2, ВЗ и В4 (рисунок 1.1), которые в нормальном режиме замкнуты на оба обратных провода. Средняя точка выпрямительной подстанции снабжена заземляющими выключателями - В5 и В6.

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.

В рассматриваемой передаче аварии первой и второй групп практически совпадают (за исключением защиты фильтров постоянного тока и защиты ошиновки распредустройства средней точки) [7, 13].

Согласно [4], основным отключаемым элементом при авариях на линии постоянного тока является полуцепь биполярной передачи. Установка системы защиты линии полуцепи на выпрямительной подстанции позволит существенно повысить надежность своей работы и передачи в целом.

При перекрытии на землю обратного провода воздушного участка оказывается достаточным кратковременно включить заземляющий выключатель (В5 или В6), подключенный к шинам распредустройства средней точки, для перевода тока с места перекрытия на этот заземляющий выключатель на время, достаточное для погасания дуги постоянного тока с последующим возвращением в исходное состояние. При сохранении устойчивого перекрытия на одном из обратных проводов необходимо отключить соответствующую секцию шин распредустройства средней точки при работающей передаче. Таким образом, повреждения обратных проводов,

связанные с возникновением перекрытий на землю, ликвидируются отключением части оборудования самого распредустройства средней точки (секции шин средней точки) без отключения преобразователей и без снижения мощности передачи [4].

При работе биполярной передачи с одним обратным проводом при его обрыве и при невозможности ввода второго обратного провода необходимо отключение всей передачи.

1.2. Критерий оценки эффективности функционирования системы защиты линии постоянного тока

Одна из основных задач ППТ состоит в передаче энергии в соответствии с заданным графиком нагрузки. Безусловно, этому должна способствовать составляющая СЗА передачи - система защиты линии постоянного тока [14-18].

В общем случае, аварийные сбросы мощности ППТ могут приводить к нарушению устойчивости межсистемных связей переменного тока при работе ППТ, соизмеримой по пропускной способности с энергосистемами. В случае сбросов мощности передачи постоянного тока в результате аварийных процессов в ППТ (к.з. полюса линии постоянного тока) степень опасности нарушения устойчивости энергосистем и степень отклонения от заданного графика нагрузки может быть оценена интенсивностью переходного режима передачи. Интенсивность переходного режима представляет собой импульс воздействия / на энергосистему, определяемый изменением мощности ППТ во время переходного процесса [19]:

J = folpo~ Py]dt. (1.1)

где Р0 - значение передаваемой мощности в предаварийном режиме;

Ру - значение передаваемой мощности в течение всего переходного процесса от начала аварии до восстановления исходного режима после прекращения аварии;

t — время сброса мощности.

При отключении передачи с АПВ имеет место отклонение мощности электропередачи в течение времени паузы АПВ - 1Апв от предаварийной мощности ППТ. Количественная оценка воздействия в случае аварийного отключения передачи будет зависеть от длительности существования аварийного режима - 1:. В данном случае эта длительность обусловлена следующими слагаемыми:

¿кз - время выявления защитой факта повреждения на линии от начала возникновения короткого замыкания;

¿пир - время, необходимое для отключения полюса передачи; ¿апв - время паузы АПВ;

¿пвр - время, необходимое для включения полюса передачи. На основании зависимости (1.1) может быть получен критерий эффективности функционирования системы защиты линии передачи: по условиям обеспечения заданного графика нагрузки ППТ и устойчивости связываемых энергосистем требуется минимизация длительности аварийных сбросов мощности. Данный критерий может быть записан в следующем виде:

К=штО} (1.2)

Для удовлетворения критерия (1.2) система защиты линии должна обеспечить своим действием минимальное время существования возмущающих воздействий. При этом для исключения опасности возникновения перенапряжений на оборудовании переменного тока недопустима минимизация значений ¿пир и ¿пвр- Время оптимальной паузы АПВ ¿Апв выбирается из условия отстройки от времени гашения дуги и от времени, необходимого на деионизацию среды в месте короткого замыкания [20]. Обоснование выбора длительности паузы АПВ приведено в разделе 3.2.4.

Таким образом, для минимизации длительности аварийного режима необходимо одновременно обеспечить высокое быстродействие защиты и локализацию участка повреждения на линии для формирования соответствующего требования отключения (с АПВ либо без АПВ).

1.3 Обзор систем защит линии на отечественных и зарубежных передачах постоянного тока

1.3.1 Система защиты линии постоянного тока передачи Экибастуз -

Центр

Структура системы защиты линии проектируемой в 80-е годы XX века передачи постоянного тока Экибастуз-Центр (±750 кВ, длина 2500 км) определялась следующим составом: избирательная защита линии (ИЗЛ), неизбирательная защита линии (НЗЛ) и резервная защита линии (РЗЛ). Избирательная защита линии должна была включаться в работу только на выпрямителе и была предназначена для выявления коротких замыканий на землю проводов линии и перекрытий линейной изоляции. Неизбирательная защита линии должна была срабатывать как при коротких замыканиях на землю, так и при повреждениях на противоположной подстанции, эквивалентных замыканиям полюса преобразователя на землю. Защита должна была включаться в работу на обеих подстанциях. Резервная защита линии была предназначена для выявления и ликвидации коротких замыканий на линии и должна была включаться в работу также на обеих подстанциях [12].

Разработка избирательной защиты линии проводилась в Московском энергетическом институте (МЭИ) [21, 22]. Принцип действия избирательной защиты был построен на анализе скорости снижения напряжения линии, оценке знака волны напряжения контура «провод-земля» и знака волны напряжения контура «провод-провод», сравнении скорости спада напряжения в начале линии и скорости нарастания выпрямленного тока линии при повреждениях на самой линии и при повреждениях на инверторной подстанции.

НЗЛ устанавливалась как на выпрямителе, так и на инверторе. Принцип действия защиты был основан на выявлении факта устойчивого снижения напряжения на линии при наличии тока в линии, т.е. использовался принцип защиты минимального напряжения с токовой блокировкой. Защита с выдержкой времени действовала на отключение полуцепи без АПВ. Принцип

действия H3JI использован автором при разработке комплекса защиты линии в качестве резервной защиты.

P3JI была построена на принципе защиты минимального сопротивления. Входными сигналами этой защиты являлись ток и напряжение полюса полуцепи. P3JI резервировала C3JI и H3JI и имела большую, чем H3JI, выдержку времени. При срабатывании резервная защита линии действовала на отключение полуцепи без АПВ.

Как показали исследования [21], недостатками избирательной защиты, разработанной для передачи Экибастуз - Центр, являлись некорректная работа одного из блоков защиты, которая приводила к неправильному действию защиты, и слишком сложный алгоритм взаимодействия всех блоков защиты в целом.

1.3.2 Система защиты полюсных проводов линии на зарубежных

ППТ

На рисунке 1.2 представлена структура построения системы защиты линии, реализованная на объектах постоянного тока компании SIEMENS [23, 24], на примере биполярной передачи с возвратом тока по земле.

Ur Ui

Рисунок 1.2 - Схема биполярной передачи Структура системы защиты линии включает в себя защиту линии и защиту полюса полуцепи. При этом защита линии состоит из трех составляющих:

а) Traveling wave protection - волновая защита линии. Является основной защитой без выдержки времени. Алгоритм этой защиты строится на анализе изменения токов и напряжений. При этом осуществляется:

- контроль скорости снижения напряжения линии и сравнение с уставкой

dUR dU ~dt > ~dtyCT'

- контроль снижения напряжения линии UR

AUR > i/yCTl;

- контроль превышения тока линии

I А/« I > W

При одновременном выполнении всех трех условий производится срабатывание защиты.

б) Voltage variation protection - защита от скачков напряжения. Резервирует волновую защиту линии и выполняется с выдержкой времени, равной 50 мс. Анализируются следующие входные сигналы:

- контроль скорости снижения напряжения линии и сравнение с уставкой

dUR dU ~dt > Л ^

- контроль напряжения линии

UR < t/ycT2-

Срабатывание защиты происходит при одновременном выполнении условий.

в) Line longitudinal differential protection - продольная дифференциальная защиты линии. Является резервной защитой с выдержкой времени 500 мс. Производит сравнение токов по концам защищаемой линии:

11\ > ^уст2.

Защита полюса полуцепи представляет собой совокупность следующих защит:

а) Under voltage protection - защита от низкого напряжения с выдержкой времени 300 мс. Производит контроль снижения напряжения линии ниже уставки:

UR < f/yCT3;

б) Under current protection - защита от минимального тока с выдержкой времени 3 с. Производит контроль снижения тока линии ниже уставки:

Ir < ^устЗ ■

Защиты линии являются селективными, т.е. выходной сигнал защит формируется при повреждении непосредственно на линии.

Защиты полюса полуцепи являются неселективными и работают как при повреждениях на линии, так и при повреждениях на подстанциях.

Похожую структуру имеет система защиты линии на передачах постоянного тока, построенных компанией ABB [25, 26]. Система защиты линии включает:

а) Voltage derivative protection — защита по производной напряжения. Является основной защитой линии. Алгоритм одновременно анализирует

dUd

скорость изменения напряжения полюса линии и скорость изменения тока

линии При этом производится вычисление суммы этих производных и сравнение ее с уставкой. Для выявления зоны повреждения (линия либо преобразовательная подстанция) определяется знак производной где Id —

ток линии. Выдержка времени защиты не превышает 2^3 мс.

б) Traveling wave protection - волновая защита линии. Является основной защитой без выдержки времени. Принцип действия защиты основан на анализе крутизны фронта падающей волны напряжения, вычисленной по мгновенным значениям тока и напряжения линии.

в) Current differential protection - токовая дифференциальная защита. Является резервной защитой. Защита построена на сравнении токов по концам линии.

г) DC voltage level protection - защита от снижения напряжения. Выполняет функцию резервной защиты. Защита используется для выявления длительного понижения напряжения на линии.

Аналогично вышеприведенным структурам построения защит линии выполняется структура защиты линии на передачах постоянного тока фирмы Alstom. При этом можно отметить, что основная защита линии строится на следующем принципе: короткие замыкания в линии выявляются по

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Капитула, Юлия Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.В диссертации показана актуальность разработки системы защиты кабельно-воздушной линии постоянного тока. Конкретные условия на поставку электроэнергии в энергосистему Финляндии и трехподстанционная конфигурация рассматриваемой передачи постоянного тока определяют необходимость применения различных способов ликвидации аварий: при к.з. на кабельном участке - отключение линии без АПВ, а при к.з. на воздушном участке - отключение линии с последующим АПВ.

2. Разработана схема замещения и метод расчета ее параметров для кабельного участка биполярной линии с дополнительным проводом для возврата тока с учетом зависимости параметров от частоты. С учетом ожидаемой минимальной частоты процессов, возникающих при к.з. на кабельном участке, определены параметры схемы замещения, при которых обеспечивается адекватное отображение этих процессов на математической модели.

3. На основе положений теории распространения электромагнитных волн вдоль воздушной однородной линии разработана методика расчета параметров эквивалентной схемы замещения биполярной воздушной линии с «металлическим» возвратом тока. Разработанная схема замещения позволяет отобразить при моделировании поверхностный эффект как в земле, так и в проводах линии.

4. Создана математическая модель кабельно-воздушной передачи, включающая в себя регулируемые преобразователи, сглаживающие реакторы, фильтро-компенсирующие устройства, фильтры постоянного тока, кабельный и воздушный участки линии, примыкающие линии переменного тока и эквиваленты энергосистем Северо-Запада и Финляндии.

5. Графоаналитическим методом для линии без потерь выполнен качественный анализ форм кривой напряжения полюса при к.з. на кабельном и на воздушном участках.

6. В результате выполненных исследований установлены основные закономерности протекания процессов при коротких замыканиях в различных точках кабельного и воздушного участков.

7. Проведены расчеты аварийных процессов при моделировании пробоев изоляции кабеля на металлическую оболочку и при моделировании перекрытий на землю воздушного участка линии.

8. 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.

9. 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.

10. Разработан алгоритм защиты обратных проводов от обрыва, принцип действия которого основан на сравнении напряжения шин распредустройства средней точки с напряжением уставки защиты для данного режима передачи. Сравнение токов обратных проводов позволяет определить поврежденный провод.

11. 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.

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

12. На основе выполненных исследований можно заключить, что предложенная система защиты линии удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям избирательности и функционального резервирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Капитула, Юлия Владимировна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кощеев Л.А., Кутузова Н.Б. К вопросу создания интеллектуальной электрической сети в центральной части ОЭС Северо-Запада с использованием элементов постоянного тока/ Сборник научн. трудов НТЦ ЕЭС.- СПб., 2012.-Вып.2(67) - С.93-104.

2. Исследование режимов Объединённой энергетической системы Северо-Запада при сооружении передачи постоянного тока «Ленинградская атомная электростанция-2 - ПС Выборгская»: отчет о НИР/ Шаргин Ю.М. — СПб: ОАО «НИИПТ», 2010.-253с.

3. Разработка главной схемы электропередачи постоянного тока ЛАЭС-2 - ПС Выборгская с учетом реконструкции ПС Выборгская: отчет о НИОКР / Кощеев Л.А. - СПб: ОАО «НИИПТ»; 2010,- 156 с.

4. Выбор и обоснование принципиальных решений по системе управления, регулирования, защиты и автоматики объектов постоянного тока (ВПТ и ПИТ): Разработка отраслевых руководящих методических материалов (ОРММ) для создания электропередач и вставок постоянного тока в ЕЭС России: отчет о НИР / Берх И.М. - СПб: ОАО «НИИПТ», 1994.- 54 с.

5. ПУЭ, 7-е изд. изд. «ЭНАС».

6. Технические требования к системе управления, регулирования, защиты и автоматики на стороне постоянного тока// Разработка технико-экономического обоснования передачи постоянного тока от ЛАЭС-2 в части основных технических решений с учетом реконструкции ПС Выборгская. Разработка технических требований к реконструкции Выборгского преобразовательного комплекса: отчет о НИОКР/ Л.А.Кощеев. - СПб: ОАО «НИИПТ», 2011.- 135 с.

7. Технические требования к системе быстродействующего регулирования, автоматики и защиты//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»: отчет о НИР/ Л.А.Кощеев. - СПб: ОАО «НТЦ ЕЭС», 2012.- 70 с.

8. Технические требования к системе управления, регулирования, защиты и автоматики преобразователей ЛАЭС-2 и к системе защит линии постоянного тока// Разработка разделов проектной документации по титулу проектирования: «Передача постоянного тока Ленинградская АЭС-2 - Выборгская»: отчет о НИР/ Л.А.Кощеев. - СПб: ОАО «НТЦ ЕЭС», 2012.- 102 с.

9. Результаты разработки алгоритма и способа защиты неоднородной линии постоянного тока с применением теории распространения электромагнитных волн// Разработка алгоритма защиты неоднородных линий постоянного тока с использованием волновых методов: отчет о НИР/ Л.А.Кощеев. - СПб: ОАО «НТЦ ЕЭС», 2012.- 75 с.

10. Атабеков Г.И. Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей. - М.: Госэнергоиздат, 1957.-342 с.

11. Чернобровое Н.В. Релейная защита.- Изд. 2-е, Л.-М., Госэнергоиздат, 1959 с. с илл.

12. Система управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) в ППТ и ВПТ: учебный курс// НИИПТ.-Л., 1989.-88 с.

13. Комплекс аппаратуры управления, регулирования, защиты и автоматики преобразовательного блока, модернизированный для реверса направления передачи мощности (КУРБ-Р): Техническое задание// ВЭИ им. В.И. Ленина; Руководитель Мазуренко А.К.- М., 2007.- 63 с.

14 Э.П. Смирнов, A.M. Федосеев. Об основных свойствах релейной защиты от коротких замыканий.- Сборник научн. трудов// Труды МЭИ.-Вып.145, 1972, с.3-11.

15. Е.Д. Зейлидзон, Э.П. Смирнов, A.M. Федосеев. Основные свойства релейной защиты от коротких замыканий электроэнергетических систем.-«Электричество», №4, 1975, с 1-7.

16. Шалин А. И., Трофимов А.С. Эффективность и надежность релейной защиты энергосистем// CIGRE Relay Protection and Substation Automation of Modern Power System, 2007.

17. Шмойлов A.B. Селективность и техническая эффективность релейной защиты и автоматики: Известия Томского политехнического университета. 2008. Т.312. № 4.

18. Шалин А.И. Надежность и диагностика релейной защиты энергосистем: Учебное пособие.- Новосибирск: Изд-во НГТУ.- 2003.- 384 с.

19. JI.A. Кощеев, Ю.Д. Садовский. Определение требований к регулированию и автоматике электропередачи постоянного тока по условиям устойчивости и надежности работы энергообъединения// Передача энергии постоянным и переменным током: Сборник научн. трудов НИИПТ.-JL, 1974.-Вып.20 - С.74-82.

20. Бочкарев В.Н. О выборе критерия эффективности защиты/ Труды ВНИИР: Сборник научных трудов ВНИИР.-Чебоксары,1974.-Вып.2 - С. 12-19.

21. Проверка действия избирательной защиты линии, разработанной МЭИ, на цифровой модели электропередачи постоянного тока 1500 кВ Экибастуз - Центр: отчет о НИР/ Е.М. Берлин.- СПб: ОАО «НИИПТ», 1973.60 с.

22. Разработка цифровой модели передачи постоянного тока Экибастуз -Центр для проверки действия селективной защиты линии: отчет о НИР/ Берлин Е.М. - Д.: НИИПТ, 1972, 51 с.

23. Study on protective performance of HVDC transmission line protection with different types of line faultll Kunlun Han, Zexiang Cai, Yang Liu// Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011, 4th International Conference, p.358 - 361.

24. Simulation and analysis of HVDC line protection under the single pole to ground fault with high transition resistance!I Shuo Zhang, Yongli Li// Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011 4th International Conference, p.926 - 929.

25. HVDC line protection for the proposed future HVDC systems// D. Naidoo and N.M. Ijumba// Power System Technology, 2004, p. 1327 - 1332 Vol.2.

26. A protection system for long HVDC transmission lines// D. Naidoo and N.M. Ijumba// Power Engineering Society Inaugural Conference and Exposition in Africa, 2005, p.150- 155.

27. Carl Barker, Colin Davidson and other. HVDC: Connecting for the future -Alstom Grid// &images&forms.- France, 201 Or.

28. Cable section fault detection for HVDC line protection/7 Kato, Y., Watanabe Atsumi, Konishi Hiroo, Kawai Tadao, Inoue, Y.// IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. PRWD-1, №3, July 1986.

29. New protection method for HVDC lines including cables// Takeda Hideo, Ayakawa H., Tsumenaga M.// Developments in Power Systems Protection, 2012. DPSP 2012, 11th International Conference, Page(s): 1 - 5.

30. J.Liang, S.Elangovan, J.B.X. Devotta. Application of wavelet transform in travelling wave protection.- Electrical Power and Energy Systems, 2000.

31. Zheng Xiao-Dong, Nai Neng-Ling. A transient harmonic current protection scheme for HVDC transmission line // IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 27, №4, October 2012.

32. L. Shang, G. Herold, J. Jaeger, R. Krebs, A. Kumar. High-Speed Fault Identification and Protection for HVDC Line Using Wavelet Technique - Porto Power Tech 2001, Porto (Portugal), 2001.

33. Xiaolei Liu, A.H. Osman, O.P. Malik. Hybrid Travelling Wave Boundary Protection for Monopolar HVDC Line.- IEEE TRANSACTION ON POWER DELIVERY, vol.24, №2,2009.

34. Yong Chang, Quian Chen, Jinke Wu, Ping Zhang, Yusheng Wang. The Theory and Field Test of HVDC Travelling Wave Protection Based on Hilbert-Huang Transform.- HVDC Users Conference, China, 2011.

35. Совершенствование алгоритмов оценки параметров переходных процессов для релейной защиты и автоматики с использованием современных методов цифровой обработки сигналов// Т.Г. Климова, А.И. Расщепляев.- 3-я

Международная научно-техническая конференция «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», Санкт-Петербург, 2011.

36. Y. Kato, A. Watanabe, H. Konishi, T. Kawai. Neutral line protection system for HVDC transmission. IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. PWRD-1, №3, July 1986.

37. Крайчик Ю.С., Пинцов A.M. Электрические параметры линий электропередач постоянного тока с одножильными кабелями в металлических оболочках.- «Известия НИИПТ», вып.З, 1958, с.289-299 с ил.

38. Поссе А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. JL: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1973. 302 с.

39. П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. Расчет индуктивностей: Справочная книга.-3-e изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.488 с.*.ил.

40. Крайчик Ю.С., Пинцов А.М. Параметры и схемы замещения воздушных линий передач постоянного тока.- «Изв. НИИПТ», 1957, вып.2. С.112-128.

41. Герцик К.А. Исследования внутренних перенапряжений и выбор средств по их ограничению в длинных линиях электропередачи постоянного тока. Дисс... канд.техн. наук.- Л., 1969.-254с.

42. Сахно О.И. Ограничение гармоник тока в воздушных линиях постоянного тока сглаживающими устройствами в грозозащитных тросах. Дисс... канд.техн. наук.- Л., 1983.-169с.

43. Шлайфштейн А.Х. Перенапряжения в воздушной линии постоянного тока при коротких замыканиях на землю. Дисс... канд.техн. наук.- Л., 1987.-238с.

44. К.А. Герцик, Д.Е. Кадомский, А.Х. Шлайфштейн. Некоторые особенности решения уравнений линии электропередачи постоянного тока методом «бегущих волн»: Сборник научн. трудов, Труды НИИПТ, №19, 1973, с.102-113.

45. К.А. Герцик, А.Х. Шлайфштейн. Перенапряжения в двухпроводных воздушных линиях электропередачи постоянного тока при коротком замыкании на землю одного из ее проводов: Сборник научн. трудов, Труды НИИПТ, № 28, 1979, с.42-57.

46. Костенко М.В., Перельман JI.C., Шкарин Ю.П. Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения. М.: «Энергия», 1973.-272 с. с ил.

47. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. М.-Л; «Энергия», 1967.

48. П.Л. Калантаров, Л.Р. Нейман. Теоретические основы электротехники.- Л.-М., 1948, том 2.- 411 с.

49. Перельман Л.С. «Уточнение теории распространения волн вдоль длинной многопроводной линии в связи с некоторыми техническими вопросами».- Известия НИИПТ. 1963, вып.10.

50. Перельман Л.С. Таблица интегралов Карсона для использования в расчетах волновых процессов в линиях с учетом земли // Известия НИИПТ. 1965, № И.

51. Джуварлы Ч.М., Джафаров Э.П. «Математическое моделирование поверхностного эффекта в земле при расчетах переходных процессов в ЛЭП на ЭЦВМ». - Изв. высш. уч. завед. Нефть и газ, 1970, №6.

52. Голдобин Д.А., Кадомская К.П., Лавров Ю.А. Волновые процессы и перенапряжения в кабельных линиях высокого напряжения: Учеб. пособие //Новосиб. электротехн. ин-т. - Новосибирск, 1987.-75 с.

53. Wedepohl L.M., Welcox D.J. Transient analysis of underground power transmission systems. Proc. Inst. El. Eng., 1973, vol.120, N2, pp.253-260.

54. Евдокунин Г.А., Дмитриев M.B. Заземление экранов однофазных силовых кабелей высокого напряжения. - 2009. URL: http://www.ruscable.ru/doc/analytic/statva-191.html.

55. Разработка общих принципов управления постоянного тока различной конфигурации: отчет о НИР/ Л.Л. Кощеев. - СПб: НИИПТ, 1996.- 91с.

56. Предварительное технико-экономическое обоснование воздушно-кабельной линии электропередачи постоянного тока от ЛАЭС-2 до ПС Выборгская в части основных технических решений: Отчет о НИОКР/ ОАО «НИИПТ»; Л.Л. Владимирский.- СПб., 2010.- 152 с.

57. Левинштейн М.Л. Операционное исчисление в задачах электротехники. Изд. 2-е, доп., Л., «Энергия», 1972.-360 с. с илл.

58. Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети. Учебное пособие.-СПб: Издательство Сизова М.П., 2001.-304 е., с илл.

59. Техника высоких напряжений. Под ред. Д.В. Разевича. М.-Л.-Госэнергоиздат, 1963.- 472 с. с черт, и илл.

60. Долгинов А.И. Техника высоких напряжений в электроэнергетике. М., «Энергия», 1968.- 464 с. с черт.

61. Герцик К.А. Экспериментальное исследование перенапряжений в линии электропередачи Волгоград - Донбасс при однополюсном коротком замыкании: Сборник научн. трудов НИИПТ; № 35, 1983, Л.- С.37-44.

62. A.M. Федосеев. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: Учеб. пособие для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1984.520 е., ил.

63. СТО 56947007-29.120.70.032-2009 «Методические указания по выбору параметров срабатывания дифференциально-фазной и высокочастотной микропроцессорных защит сетей 220 кВ и выше, устройств АПВ сетей 330 кВ и выше производства ООО Hi 111 «Экра»»/Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС».

64. Мелик-Саркисов Б.С. Защита электропередачи постоянного тока: Сборник научн. трудов НИИПТ; № 2, 1957, Л.- С.84-95.

65. К.А. Герцик, В.А. Капустин, В.П. Тетерин. Исследование переходных процессов в распределительном устройстве средней точки преобразовательных подстанций при отключении заземляющего выключателя/Передача энергии постоянным и переменным током: Сборник научн. трудов НИИПТ.-Л., 1974.-Вып.20 - С.39-47.

66. Приложение 1 к Приказу ОАО РАО «ЕЭС России» от 11.02.2008г. №57 «Общие требования к системам противоаварийной и режимной автоматики, релейной защиты и автоматики, телеметрической информации, технологической связи в ЕЭС России», Москва, 2008.

67. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита.-М.: Энергоатомиздат, 2007. 549с.:ил.

68. Андронов В.А. Исследование особенностей построения системы защиты и автоматики мощных выпрямительно-инверторных подстанций. Дисс... канд. техн. наук,- JL, 1979.-202с.

69. Исследование переходных и аварийных процессов и разработка основных научно-технических решений по системе защиты и автоматики преобразовательных подстанций электропередачи Экибастуз - Центр: Отчет о НИР; Исп.: В.А. Андронов, К.Б. Гусаковский, С.Ф. Фунтикова - Арх. №0-3963.-Л., 1975,- 196 с.

70. ЕМТР Rule book and ЕМТР Theory book. Bonneville Power Administration, Branch of System Engineering. Portland, Oregon 97208-3621, United States of America (www.emtp.org).