Предотвращение ложного срабатывания защит при качаниях

Наличие системы релейной защиты и режимной противоаварийной автоматики является важнейшим условием сохранения устойчивой работы энергообъединений при возникновении возмущений. При этом релейная защита — это её первый эшелон, предназначенный для максимально быстрой локализации наиболее тяжёлого вида возмущений — коротких замыканий. Следствием таких возмущений являются возникающие качания, которые могут вызывать нарушения устойчивости электроэнергетической системы (ЭЭС), предотвращением чего занимается противоаварийная автоматика.

Возникшие качания обусловливают периодическое изменение электрических величин, которые могут достигать значений, приводящих к ложным срабатываниям защит в произвольных точках энергосистемы, что в свою очередь утяжеляет аварийную обстановку и способствует нарушению устойчивости.

Для исключения ложного срабатывания защиты при качаниях предусматриваются необходимые меры, в том числе использование специальных модулей «блокировки при качаниях», обеспечивающих правильное функционирование защиты. Реализация указанных модулей является весьма сложной задачей, поскольку нет чёткого разграничения областей качаний и КЗ. В частности, следует иметь в виду, что ЭДС и сопротивления фаз элементов энергосистем по объективным причинам не могут быть абсолютно одинаковыми. Это обусловливает возникновение определённой несимметрии токов и напряжений в нормальных эксплуатационных режимах. Дополнительная несимметрия электрических величин, используемых защитами, возникает из-за погрешностей преобразователей токов и напряжений (трансформаторов тока, напряжения и пр.). Кратковременное увеличение несимметрии в трёхфазных режимах также возможно: при коммутациях с разновременностью замыкания/размыкания фаз выключателей, при неполнофазных режимах цикла ОАПВ на смежных с защищаемой линиях, а также при качаниях. Таким образом, в эксплуатационных режимах имеют место составляющие электрических величин, характерные для режимов КЗ. Следует обратить внимание на возможное наложение КЗ на режим качаний и наоборот. При нарушении устойчивости в системе возможно возникновение асинхронного режима, являющегося колебательным процессом с малым периодом. Этот режим определяет весьма высокую скорость изменения электрических величин, близкую к скорости их изменения при КЗ. Ликвидация режима асинхронного хода обычно осуществляется системой противоаварийной автоматики.

В статье рассмотрены традиционные решения, предотвращающие ложное действие защит при качаниях. При этом особое место уделено рассмотрению блокировки при качаниях, основанной на контроле скорости изменения сопротивления.

Предотвращение срабатывания защит, подверженных ложным действиям при качаниях, принципиально возможно путём:
• выбора параметров срабатывания реагирующих органов защит по условию исключения их ложного действия. Это наиболее простой и надёжный способ, обладающий тем преимуществом, что реагирующие органы защит не блокируются и могут действовать при возникновении КЗ в режиме качаний. Однако его использование, как правило, приводит к снижению чувствительности и/или быстродействия защиты, что не всегда приемлемо. Этот путь находит широкое использование для формирования резервных каналов функционирования защит;
• использования специальных программных/ физических модулей (М), исключающих ложное действие защит в указанных режимах качаний без ограничения их быстродействия и чувствительности при КЗ.

Известные в настоящее время модули по принципу функционирования можно подразделить на две группы:
• модули, кратковременно вводящие в действие защиты при КЗ (МКЗ);
• модули, кратковременно блокирующие защиты при качаниях (МБ).

Указанные группы модулей существенно разнятся между собой, однако в дальнейшем, в связи с общностью их задач, использующие их модули будут именоваться блокировками при качаниях.

В настоящее время известны различные алгоритмы выявления качаний, однако общим для них является использование критерия различия скорости изменения электрических величин при КЗ и качаниях, что, однако, не всегда обеспечивает необходимую дифференциацию.

Для обеспечения полноценного функционирования алгоритмы модулей блокировок должны учитывать режимы возможного совмещения областей качаний и КЗ. Модули обеих групп исключают действие блокируемых ступеней защит при возникновении КЗ в режиме качаний. Их деблокирование с помощью отдельных органов, фиксирующих возникновение КЗ в этом режиме, может вызвать ложное действие защит линий, смежных с повреждённой, при наличии качаний и неуспешном АПВ последней.

В связи с изложенным модули должны также формировать указанные ранее резервные каналы функционирования блокируемых ступеней защит.

Модули первой группы осуществляют ввод в действие блокируемых защит/ступеней при КЗ на ограниченное время, достаточное для самоудерживания сигналов срабатывания реагирующих органов, обеспечивающее их автономное функционирование. Затем осуществляется достаточно длительное самоблокирование, необходимое для предотвращения излишнего срабатывания защит при развившихся качаниях и неуспешном повторном включении внешних присоединений, которые могут вызвать повторный ввод в действие защит.

Этот способ при сравнительной простоте реализации достаточно эффективен, благодаря чему он нашёл широкое распространение в энергосистемах России, где до начала 90-х годов прошлого столетия был практически единственным. В последних модификациях устройств данного типа для эффективного выявления КЗ и отстройки от остальных режимов предусматриваются органы, использующие скорость изменения токов обратной последовательности (dI2/dt) для несимметричных КЗ и скорость изменения полных токов (dI/dt) для симметричных КЗ. Благодаря использованию указанных параметров, значения которых определяются изготовителем, обеспечивается отстройка от качаний и асинхронных режимов, соответствующих наиболее вероятному периоду скольжения. При этом обычно предусматриваются две ступени разной чувствительности для защит, действующих в пределах защищаемой линии и за её пределами. К недостаткам данного способа относятся:
• излишний пуск и последующее блокирование большого числа защит/ ступеней при развивающихся КЗ (изменение вида, переходного сопротивления), так как реагирующие органы модуля блокировки, при их высокой чувствительности, не обладают избирательностью действия, в отличие от органов защит, выполненных к тому же на других принципах. В частности, при переходе однофазного КЗ в междуфазное может произойти блокирование быстродействующих ступеней междуфазных защит. Для предотвращения полного отказа ступеней обычно предусматривается «обходной» путь их действия с выдержкой времени, отстроенной от полупериода качаний;
• возможность ложного/излишнего срабатывания защит, если первоначальное возмущение, вызывающее качания и последующее срабатывание органов блокируемых ступеней, не приводит в действие их блокировки, а последующая несимметрия, спонтанное увеличение токов КЗ, разновременность размыкания/замыкания фаз выключателя, перераспределение токов из-за отключения шунтирующей связи и др. вызывает срабатывание блокировок и ввод в действие ступеней;
• неоправданный вывод из действия блокируемых ступеней большого числа защит неповреждённых элементов на время самоблокирования, если КЗ или спонтанное увеличение тока, разновременность размыкания/замыкания фаз выключателя, перераспределение токов из-за отключения шунтирующей связи и др. вызвали срабатывание их блокировок при качаниях. В результате при КЗ в течение этого времени указанные ступени будут полностью заблокированы, если не предусмотрены «обходные» пути действия. Использование двух ступеней выявительных органов в модулях блокировок из-за необходимости обеспечения их высокой чувствительности практически не снижает число блокируемых защит в рассматриваемом случае.

Модули второй группы выявляют опасные для данной защиты качания и блокируют соответствующие ступени на время, необходимое для затухания качаний до безопасного уровня. Этот способ получил широкое распространение за рубежом. В прошлом веке в России были разработаны и реализованы устройства, основанные на аналогичных принципах, однако они не нашли широкого применения. Зарубежные фирмы используют различные модификации таких модулей. Большинство из них для выявления качаний используют два дистанционных органа/функции, области действия которых охватывают области действия блокируемых ступеней при качаниях. При этом между границами областей срабатывания этих органов предусматривается регулируемый интервал — Δz, и блокирование производится, когда электрический центр энергосистемы «проходит» указанный интервал за время, большее устанавливаемого пользователем t_Б. Таким образом определяется предельная скорость изменения сопротивления (Δz/Δt) в месте установки защит, при которой обеспечивается блокирование. Следует отметить, что блокировки данного типа при правильном выборе параметров срабатывания избирательно блокируют ограниченное число защит только при возникновении опасности излишнего действия из-за перемещения электрического центра в область их срабатывания. К недостаткам способа следует отнести:
• возможность длительного блокирования защит, когда электрический центр находится в пределах интервала Δz, т.е. между границами областей срабатывания выявительных органов. Для уменьшения вероятности возникновения такого режима целесообразно максимально возможно сократить указанный интервал, что, наряду с некоторыми другими мерами, используется на практике;
• вероятность излишнего блокирования защит при медленном развитии КЗ, например уменьшении сопротивления закорачивающей субстанции под воздействием тока (КЗ на дерево и пр.).

Для определения параметров срабатывания дистанционных органов выявления качаний и оценки их эффективности рассмотрим двухмашинную схему, которая достаточно представительна для этого. В симметричном режиме входное фазное сопротивление прямой последовательности линии в месте установки защиты может быть определено как:

U_m = E_m – I_mZ_m , (1)

I_m = (E_m – E_n) / Z_Σ , (2)

Z_mp = U_m / I_m = Z_Σ /(1 – Ke^jθ) – Z_m , (3)

Z_mp(t) = [Z_Σ / (1 – Ke^j2П(t/Т))] – Z_m , (4)

где E_m, E_n и E_n / E_m = Ke^jθ — ЭДС генерирующих источников и их отношение;

U_m и I_m — напряжение и ток в месте установки защиты;

Z_Σ и Z_m — сумма полных сопротивлений цепи и полного сопротивления источника;

θ = 2π(t / T_c),

T_c — период скольжения.

Годографом этого вектора является окружность с центром на прямой вектора суммы полных сопротивлений, которая вырождается в перпендикуляр, проходящий через середину последнего при К = 1.

Положение центра окружности на указанной прямой относительно начала вектора Z_Σ и её радиус могут быть определены как:

Z = Z_Σ / (1 – K²) , (5)

R = | KZ_Σ / (1 – K²) | , (6)

Производные этого сопротивления по углу расхождения ЭДС или по времени не зависят от места расположения защиты и определяются выражением:

dZ_mp / dθ = ( jZ_Σ Ke^jθ) / (1 – Ke^jθ)² , (7)

Для избирательного блокирования в устройстве обычно используются два дистанционных органа, фиксирующих положение электрического центра и одновременно скорость его перемещения. Режим качаний выявляется по величине разновременности срабатывания этих органов, характеристика одного из которых (наружная) охватывает характеристику другого (внутреннюю). Принятые значения интервала между граничными линями областей и разновременности срабатывания дистанционных органов определяют предельную скорость (Δz/Δt) выявления качаний. В настоящее время характеристики дистанционных органов — это два подобных четырёхугольника, симметрично расположенных относительно общей оси, совпадающей с сопротивлением линии. Максимально возможная область, охватываемая наружной характеристикой, ограничивается требованием отстройки от эксплуатационных режимов работы линии. При этом минимально возможная область внутренней характеристики определяется необходимостью охвата характеристик блокируемых ступеней. Пренебрегая в целях упрощения расчётов активными сопротивлениями, а также различием модулей ЭДС, что несущественно сказывается на точности, если последнее не превышает 30%. С учётом указанного найдём углы расхождения ЭДС, соответствующие пересечению наружной (θ_H) и внутренней (θ_B) характеристик траекторией перемещения электрического центра. При этом для четырёхугольных характеристик необходимо определить прямые, ограничивающие области срабатывания, которые обычно образуют параллелограмм, охватывающий начало координат.

С учётом принятых допущений наружная и внутренняя области срабатывания ограничиваются прямыми вида:

R = ±R_ун/в , Х = +Х_ун/в , Х = –Х_ун/в , (8)

Для задания предельно необходимой скорости изменения сопротивления необходимо, помимо указанных уставок, определяющих согласование с блокируемыми защитами и Δz, задать также время контроля скольжения t_cy.

Интерес представляет режим, когда входное сопротивление попадает во внутреннюю область модуля блокировки, охватывающую область срабатывания блокируемой защиты. Вероятность этого достоверна, если удовлетворяется неравенство:

(0,5Х_Σ – Х_m) ≤ + Х_ув , (9)

Таким образом, при скольжении углы расхождения ЭДС в момент пересечения годографом входного сопротивления граничных линий областей модуля блокировки могут быть определены как:

θ_H/B = arctg (R_ун/в / 0,5X_Σ) , (10)

Изложенное позволяет вычислить критическую частоту скольжения f_k данного модуля при заданных уставках и определить её соответствие требуемой f_Т:

f_k = (θ_B – θ_H ) / 2πt_СУ > f_т , (11)

где θ_H и θ_B в радианах, а Δt_Б в секундах.

Если неравенство не удовлетворяется, то следует рассмотреть возможность соответствующего изменения уставок блокирующего модуля.