ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В СЛОЖНОНЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМАХ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Кутлубаев Рустам Шафкатович

Редьков Анатолий Александрович

студенты 5 курса, кафедра ЭПП, МГТУ им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск

E-mail: rustam.kutlubaev@rambler.ru

Панова Евгения Александровна

научный руководитель, кафедра ЭПП, МГТУ им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск

Малафеев Алексей Вячеславович

научный руководитель, канд. техн. наук, доцент, кафедра ЭПП, МГТУ им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск

В настоящее время устройства релейной защиты (РЗ) отстраиваются по режиму короткого замыкания (КЗ). Однако в системах электроснабжения могут возникать такие режимы, в которых КЗ сочетается с обрывом, которые являются сложнонесимметричными. При обрыве фазы питающей линии и КЗ ее на землю со стороны трансформатора, работающего в сети с эффективно заземленной нейтралью, в месте повреждения протекают токи близкие к токам нормального режима, к которым защита оказывается нечувствительной. Это приводит к длительному существованию аварии, что ведет к неблагоприятным последствиям из-за наличия значительной несимметрии напряжения. Несимметрия напряжений оказывает негативное влияние на работу электрооборудования, снижая его срок службы, и вызывает дополнительные потери электроэнергии.

В данной работе проведено исследование поведения устройств РЗ силовых трансформаторов в сложнонесимметричных режимах. Расчет и анализ таких аварийных режимов был произведен с использованием программно-вычислительного комплекса «Комплекс автоматизированного режимного анализа КАТРАН 6.0» [1, с. 500], разработанного на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. Г.И. Носова. Данный комплекс позволяет моделировать работу устройств РЗ в различных аварийных режимах с учетом логики различных комплектов защит и изменения оперативного состояния схемы, обусловленного действием РЗ, в ходе переходного процесса.

В программе расчет исходного симметричного режима производится на основе метода последовательного эквивалентирования. Метод основан на прямой и обратной прогонке при решении системы линейных уравнений. Результатом прямого хода расчета является определение эквивалентных ЭДС, проводимости и коэффициента трансформации. На обратном ходе (развертывание схемы) в схеме замещения элементов сети вычисляются напряжения и токи.

Расчет режима КЗ выполняется путем введения в схему замещения в точке КЗ ЭДС, которая определяется путем разложения напряжения U_исх в данной точке в исходном режиме на симметричные составляющие. ЭДС определяются в зависимости от вида КЗ. Далее формируются схемы замещения для каждой последовательности, рассчитывается режим несимметричного КЗ.

Окончательно методом симметричных составляющих вычисляются токи, напряжения и мощности в фазах. При этом возможно определение параметров режима не только в точке КЗ, но и во всех элементах схемы.

Для расчета сложнонесимметричного режима в схему вводятся дополнительные элементы с Т-образной схемой замещения с ЭДС в поперечной ветви. Рассчитывается неполнофазный режим. Далее рассчитывается режим КЗ в соответствии с граничными условиями. Добавочная ЭДС определяется как разница между напряжениями на элементах-границах поврежденного участка в режиме КЗ, раскладывается на симметричные составляющие и вводится в схему замещения элемента с минимальным напряжением в режиме КЗ.

Для анализа работы РЗ в ходе развития аварии необходимо выполнить расчеты переходных процессов, которые осуществляются на основе метода последовательных интервалов.

Вычисление переходного процесса в режиме сложной несимметрии можно представить в виде алгоритма, при этом необходимо учесть работу РЗ. Для этого разработаны математические модели устройств РЗ силовых трансформаторов на базе электромеханических и микропроцессорных комплектов защит.

Сначала рассчитывается исходный симметричный режим методом последовательного эквивалентирования. Затем на первом интервале производится расчет токов, напряжений на зажимах машин, определение угловой скорости и углов ротора генератора. Далее рассчитывается сверхпереходные параметры режима аварийной несимметрии, определяется небаланс активной мощности на валу генераторов. На следующем этапе в месте установки защит определяются фазные токи и напряжения, а также токи и напряжения симметричных составляющих. Определяется вид защиты. Затем проверяются условия срабатывания защиты пофазно. Если условие выполняется, и время на n-ном интервале больше или равно времени срабатывания, то происходит отключение выключателя и рассчитывается новый установившийся режим с учетом изменения оперативного состояния схемы. Если условие срабатывания не выполняется или время на n-ном интервале меньше, чем время срабатывания защиты, то производится расчет нового установившегося режима без изменения схемы. Далее производится определение небаланса активных мощностей, вычисление скорости, углов ротора и их приращений. Определяется ЭДС от действия возбудителя, с учетом работы АРВ либо форсировки возбуждения. Затем вычисляются токи и ЭДС генераторов и производится задание генератора в новый расчет.

С использованием ПО «КАТРАН 6.0» было произведено исследование работы РЗ силовых понизительных трансформаторов главных понизительных подстанций (ГПП) сети на 110 кВ. Магнитогорского энергетического узла.

МЭУ характеризуется следующими особенностями: 1) собственные источники электроснабжения  вырабатывают больше половины потребляемой мощности; 2) сеть на 110 кВ. образует два полукольца (ранее эти полукольца образовывали единое замкнутое кольцо, однако затем было принято решение о его разделении в связи с возрастанием нагрузок и токов КЗ); 3) разомкнутые сети преобладают над замкнутыми (по сравнению с энергосистемой); 4) крупные электроприемники сконцентрированы на относительно небольших площадях; 5) сети представлены классами напряжений от 500 до 0,4 кВ.

Учитывая эти особенности, можно сделать вывод об актуальности исследования работы РЗ силовых трансформаторов сети 110 кВ., включающей большое число тупиковых и проходных  подстанций в условиях такого объекта.

Рассматриваемые подстанции: № 16, № 23 (комплекты защит «MiCOM P633» и «MiCOM P143»), № 22, № 64, № 80, № 81 (комплекты защит «ЭКРА ШЭ 2607 041»), № 85 (комплект защит «Бреслер ШТ 2108»), № 36, № 41, № 46, № 65, № 66, № 88 (РЗ на базе электромеханических реле ДЗТ-11и РТ-40), № 91, № 94, № 95 (РЗ на базе реле РНТ-565 и РТ-40).

Для выполнения поставленной задачи были смоделированы и рассчитаны различные аварийные режимы, как КЗ, так и сложнонесимметричные режимы.

В результате расчета были получены значения фазных и дифференциальных токов, изображенные на рисунках 1—4. Значения, полученные при расчете режима двухфазного КЗ на землю фаз B и С и в сложнонесимметричном режиме, сочетающим обрыв фаз В и С и замыкание их на землю, аналогичны.

По приведенным графикам можно сделать следующие выводы. Токи в режимах сложной несимметрии на несколько порядков меньше, чем в режимах КЗ. Фазные токи сопоставимы с токами в нормальном режиме. Дифференциальные токи в режимах, сочетающих обрыв линии и КЗ, значительно ниже, чем в режимах только КЗ, что, соответственно, повлияет на работу РЗ.

Рисунок 1. Фазные токи при КЗ на землю фазы А

Рисунок 2. Фазные токи при обрыве фазы А и замыкании ее на землю

Рисунок 3. Дифференциальные токи при КЗ на землю фазы А

Рисунок 4. Дифференциальные токи при обрыве фазы А и замыкании ее на землю

На основании произведенных расчетов выполнена оценка чувствительности РЗ для каждого типа защиты, ее селективности и быстродействия. Чувствительность защит оценивалась по рассчитанным коэффициентам чувствительности, селективность — по журналу работы РЗ, а быстродействие — по графическим зависимостям углов роторов генераторов собственных электростанций.

Расчет коэффициентов чувствительности различных видов защит  производился по приведенным формулам:

· коэффициент чувствительности дифференциальной защиты (ДЗТ):

                                                                            (1)

где: — наибольший фазный дифференциальный ток;

— ток срабатывания ДЗТ.

·  коэффициент чувствительности максимальной токовой защиты (МТЗ):

                                                                             ()2

где: — наибольший  фазный ток;

— ток срабатывания МТЗ.

В качестве примера приведем расчет чувствительности ДЗТ  в режиме сложной несимметрии на подстанции (ПС) № 22, выполненной на базе «ЭКРА ШЭ 2607 041». Контроль параметров срабатывания ведется для каждой фазы. Расчеты приведены для фазы А, т. к. в данном режиме токи в ней наибольшие.

Ток КЗ фазы А со стороны ВН: 

Ток КЗ фазы А со стороны НН1: 

Ток стороны НН1, приведенный к стороне ВН:

Ток со стороны НН2: 

Ток стороны НН2, приведенный к стороне ВН: .

Наибольший из токов сторон, протекающих по фазе А:

                                                                    (3)

Сумма оставшихся токов, протекающих по фазе А:

                                                  (4)

Угол сдвига между токами и :

                                                                  (5)

Угол  ,  тормозной ток  _,

Построим тормозную характеристику (см. рисунок 5) комплекта «ЭКРА ШЭ 2607 041» на ПС №22 c уставками: начальный дифференциальный ток I_Д0 = 0,401 кА; начальный тормозной ток I_Т0 = 0,401 кА; коэффициент торможения К_Т = 0,5; уставка дифференциальной токовой отсечки I_ДТО =2,604 кА.

По формуле (2) коэффициент чувствительности ДЗТ будет равен:

Полученный коэффициент чувствительности значительно ниже требуемого значения по ПУЭ для ДЗТ [2, с. 14]:   = 0,2 < 2 .

Рисунок 5. Тормозная характеристика комплекта «ЭКРА ШЭ 2607 041» на ПС № 22

Остальные результаты для наглядности сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Значения коэффициентов чувствительности РЗ

При однофазном и двухфазном КЗ на землю коэффициент чувствительности у ДЗТ  > 2, т.е. соответствует требуемым по ПУЭ нормам. У МТЗ >1,5, что также соответствует требуемым по ПУЭ нормам [2, с. 54].

В режиме сложной несимметрии: для ДЗТ коэффициент чувствительности находится в пределах  = [0,001; 0,38], что не соответствует требуемым нормам ПУЭ. Соответственно, ДЗТ не срабатывает в данном сложнонесимметричном режиме. Для МТЗ коэффициент чувствительности находится в пределах = [0,003; 0,38]. Требуемое ПУЭ условие  > 1,5 не обеспечивается. МТЗ также не чувствительна к этому аварийному режиму.

Оценка селективности производилась по журналу РЗ, генерируемому программным комплексом в процессе расчета. На рисунках 6 и 7 приведены расчетные схемы ПС №23 из ПВК «КАТРАН» для режимов КЗ (рисунок 6) и КЗ с обрывом (рисунок 7), а также соответствующий им журнал работы РЗ.

Рисунок 6. Расчетная схема и журнал работы РЗ при КЗ на РУ 110кВ ПС №23

В режимах КЗ на всех объектах первой запустилась и сработала дифференциальная защита, т.к. она является быстродействующей защитой, отключив повреждение, находящееся в зоне её действия. Что свидетельствует о селективности защит. В сложнонесимметричном режиме защита не сработала.

Анализ быстродействия РЗ производился на основе оценки углов роторов генераторов собственных электростанций МЭУ. Благодаря соответствующему быстрому срабатыванию РЗ в режимах КЗ, устойчивость генераторов местных электростанций сохранилась, ни один из них не выпал из синхронизма. В режимах сложной несимметрии ни одна из защит не сработала. Следовательно, РЗ силовых трансформаторов не чувствительна к сложнонесимметричным режимам — при сочетании короткого замыкания с обрывом. Данные режимы могут существовать длительное время, создавая неблагоприятные условия для работы подстанции, получающей питание от рассматриваемой ГПП.

В цехах промышленных предприятий, в том числе металлургических, широко используются высоковольтные электродвигатели, которые в аварийных режимах оказывают влияние на уровни токов КЗ  за счет подпитки. Поэтому целесообразно произвести исследование влияния подпитки на коэффициент чувствительности РЗ. Для этого в программном комплексе «КАТРАН 6.0» была составлена расчетная схема тупиковой подстанции (рисунок 10).

Рисунок 8. Расчетная схема для оценки влияния подпитки синхронных двигателей на чувствительность РЗ

На основании параметров схемы был произведен расчет уставок РЗ выбранного силового трансформатора:

·     для дифференциальной защиты на базе реле ДЗТ-11: начальный ток срабатывания I_д0=301 А, число витков обмоток: w_Т =5, w_Д = 7.

·     для МТЗ на базе реле РТ-40: ток уставки I_уст =663 А.

После выбора уставок вычисляются параметры сложнонесимметричного режима при обрыве фазы А и замыкании той же фазы на землю. При этом производится постепенное увеличение двигательной нагрузки с нуля до 100 % с шагом 10 %, а мощность обобщенной нагрузки снижается со 100 % до 0.

Далее рассчитывается коэффициент чувствительности для различных защит, результаты представлены в виде зависимости k_ч = f (%СД) на рисунке 9.

Рисунок 10. Зависимости параметров срабатывания ДЗТ подпитки СД

С увеличением процентного соотношения двигательной нагрузки возрастает тормозной ток, равный току на стороне НН. Т. е при равномерном увеличении подпитки также пропорционально и увеличивается ток срабатывания (рисунок 10). Коэффициент чувствительности ДЗТ в зависимости от уровня подпитки меняется незначительно и остается в пределах [0,3;0,45]. Коэффициент чувствительности МТЗ возрастает прямо пропорционально току срабатывания.

Выводы:

1.Установлено и доказано, что релейная защита силовых трансформаторов не чувствительна к сложнонесимметричным режимам, что приводит к их длительному существованию и созданию неблагоприятных условий для работы электроприемников ГПП.

2.Также было проведено исследование влияние подпитки высоковольтных двигателей на коэффициент чувствительности РЗ и выявлено, что подпитка от двигателей влияет несущественно на коэффициент чувствительности дифференциальной защиты и значительно — на коэффициент чувствительности максимально-токовой защиты.

3.Соответственно, целесообразна разработка и проведение мероприятий по повышению чувствительности РЗ к сложнонесимметричным режимам.

Список литературы:

1.А.с.2012612069 РФ. Программа для ЭВМ «Комплекс автоматизированного режимного анализа КАТРАН 6.0» /В.А. Игуменщев, А.В. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Кондрашева, Е.А. Панова, А.В. Хламова, В.М. Тарасов, Е.Б. Ягольникова, Н.А. Николаев, В.В. Зиновьев // ОБ ПБТ.— 2012. — № 2.— С. 500—501.

2.Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13Б. Релейная  защита понижающих трансформаторов и  автотрансформаторов 110—500 кВ.: Расчеты — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 112 с.