Дальнее резервирование. Вариант резервирования отказа защит или выключателей смежных участков получил наименование дальнего. Такое резервирование выполняется защитами (и отключается выключателями) не на объекте с отказавшими устройствами, а на других удаленных подстанциях. Так, при повреждении на одной из ВЛ, отходящей от подстанции ПС1 (рис. 1), с отказом ее защит или выключателя должны сработать при выполнении функций дальнего резервирования защиты и отключиться выключатели на ПС2-ПС7.
Рис. 1. Схема сети
Дальнее резервирование обеспечивает локализацию аварий, прекращение протекания токов КЗ и развитие повреждения оборудования, однако необходимо считаться со следующими его недостатками.
1. При отказе выключателя присоединения, отходящего от подстанции с двумя системами (секциями) шин, и включенном шиносоединительном или секционном выключателе, работа защит в режиме дальнего резервирования приводит к погашению обеих систем шин или секций и к обесточиванию всех питающихся от данной подстанции потребителей. При этом также происходит погашение отпаечных подстанций, подключенных к линиям, отходящим от подстанции с отказавшим выключателем. Так, при схеме сети, показанной на рис. 1, одновременно с обесточением шин ПС1 происходит погашение отпаечных подстанций и ПС8-ПС12.
2. В режиме дальнего резервирования устройства защиты действуют на значительном числе подстанций. Так, в изображенной на рис. 1 сети отключение происходит на шести подстанциях. Это усложняет диспетчерскую ликвидацию аварий, затрудняет сбор информации об объемах отключений, что в ряде случаев не позволяет оперативно принять нужное решение по ликвидации аварийной ситуации.
3. Дальнее резервирование осуществляется, как правило, последними ступенями защит, т.е. защитами с большими выдержками времени. Во многих случаях их чувствительность обеспечивается только в результате каскадного действия. Например, вначале имеют чувствительность к' данному виду и месту повреждения защиты только на ПС2 и ПС5, после отключения обоих выключателей увеличивается до необходимого значения ток в защите ПС4, после отключения выключателя повышается чувствительность защиты на ПС6 и т.д. В результате полное время отключения КЗ может быть больше 10-20 с. При таких временах отключения возрастает вероятность устойчивых повреждений и неуспешных АПВ с обесточением большого числа потребителей. Даже при неустойчивых повреждениях АПВ большинства присоединений будет неуспешным, поскольку при выборе времени срабатывания АПВ обычно не учитывается столь длительное существование режима КЗ.
4. В ряде случаев при повреждении в конце линии и отказе ее защит или выключателя чувствительность защит в режимах дальнего резервирования вообще не обеспечивается. В первую очередь это касается чувствительности дистанционных защит к междуфазным КЗ на линиях, примыкающих к мощным подстанциям; не резервируются также КЗ за трансформаторами подстанций.
5. При действии защит в режимах дальнего резервирования, когда отключается большое количество выключателей отказ одного из выключателей или одной из защит на противоположном конце (в дальнейшем будем называть такие отказы сопутствующими), создает еще более тяжелые условия для работы смежных устройств релейной защиты. Применительно к рис. 1 при сопутствующем отказе выключателя на ПС7 обеспечить чувствительность защит на ПС13, ПС14 иПС15, как правило, невозможно.
Для повышения чувствительности защит при их работе в режимах дальнего резервирования дополнительно на шиносоединительных (ШСВ) и секционных (СВ) выключателях устанавливаются специальные комплекты защит. Если таким комплектом защиты обеспечить отключение ШСВ, то одна из систем шин, а вместе с ней ряд линий и подстанций отделяются от поврежденного участка системы. В присоединениях, подключенных к другой системе шин с неотключившимся поврежденным элементом, возрастают токи КЗ, повышается чувствительность защит, обеспечивающих дальнее резервирование.
Известны два варианта исполнения защит ШСВ.
Первый вариант. На ШСВ выполняется комплект ступенчатой дистанционной защиты и защиты от замыканий на землю. При необходимости устанавливается два таких комплекта защиты (у одного действие направлено в сторону первой, а у второго - в сторону второй системы шин). Каждая ступень защиты ШСВ выполняется селективной с соответствующими ступенями защит линий, отходящих от данной системы шин. С защитами ШСВ также селективны защиты линий с противоположных сторон. Такое решение при повреждении линий с отказом ее защит или выключателя позволяет с относительно небольшими выдержками времени отключить ШСВ и локализовать аварийную ситуацию. Поскольку при этом также уменьшается количество работающих на КЗ источников питания, то чувствительность их защит повышается, происходит отключение всех необходимых выключателей. С учетом селективного отключения ШСВ практически вдвое уменьшается количество отключившихся выключателей, соответственно вдвое снижается вероятность сопутствующего отказа защит или выключателя. Уменьшается также количество обесточенных отпаечных подстанций.
Однако такое выполнение защит на ШСВ имеет и свои недостатки: значительно усложняются защиты ШСВ, дополнительно требуется установка одной или двух сложных панелей;
увеличиваются выдержки времени всех ступеней резервных защит сети в связи с появлением дополнительного звена - защит ШСВ. При наличии нескольких подстанций в данном узле энергосистемы с введенными защитами ШСВ увеличение выдержек времени защит будет значительным;
при сохранении селективности не всегда удается обеспечить чувствительность защит ШСВ в конце отходящих от шин рассматриваемой подстанции линий;
представляется крайне сложным, а во многих случаях и невозможным обеспечить селективность защит ШСВ с защитами сети и защит со стороны противоположных концов линий с защитами ШСВ в нормальных и ремонтных режимах;
неселективное действие защит и отключение ШСВ с малыми выдержками времени, как правило, недопустимы, поскольку после отключения ШСВ обеспечить селективность защит в прилежащей сети практически невозможно.
Поэтому рассматриваемый способ повышения чувствительности работы защит в режимах дальнего резервирования не нашел широкого применения.
Второй вариант. На ШСВ используется делительная токовая защита с выдержками времени, превышающими времена действия защит линий (обычно принимается 9—15 с) и поэтому не влияющая на времена действия, принципы выбора уставок и на селективность защит сети. С учетом больших выдержек времени защита работает только в тех случаях, когда чувствительность защит прилежащей сети оказалась недостаточной и ликвидация КЗ недопустимо затянулась. Поэтому к защите ШСВ специальных требований в части селективности не предъявляется и для выполнения указанных функций в большинстве случаев используется существующая типовая защита ШСВ с небольшими изменениями.
При неотключаемых длительное время КЗ на землю используется последняя (вторая или третья) ступень токовой защиты нулевой последовательности ШСВ. Уставка по току выбирается из условия чувствительности к КЗ в конце отходящей линии в каскаде после отключения линии с противоположной стороны. Такой выбор уставок выполняется при рассмотрении повреждения поочередно на каждой из отходящих линий. Расчетными режимами являются однофазные и двухфазные КЗ на землю с предварительно выведенным в ремонт одним присоединением, когда по ШСВ протекает минимальный ток повреждения.
Последняя (вторая или третья) ступень защиты ШСВ от междуфазных КЗ реконструируется. Вместо трехфазного трехрелейного исполнения используется одно реле РТ-40, включенное в одну из фаз вторичных цепей ТТ ШСВ, и одно реле тока обратной последовательности РТФ-1М. Параллельно соединительные контакты обоих реле действуют на общее реле времени данной ступени защиты. При такой реконструкции максимальная токовая защита ШСВ не теряет своих качеств и может быть использована по своему прямому назначению. При нормальной схеме подстанции и выполнении защитами ШСВ функции делительной защиты реле РТФ-1М предназначено для обеспечения отключения ШСВ при двухфазных КЗ. Уставки по току выбираются по тем же принципам, что и для защиты от замыканий на землю. Однако с учетом того, что минимальная уставка реле РТФ-1М достаточное грубая (Iicpmin = = 1,5 А с I2ном = 5 А ), не всегда удается обеспечить чувствительность этой защиты при КЗ в конце наиболее протяженной линии. По той же причине чувствительность реле РТФ-1М оказывается ниже чувствительности реле РТ-40 в защите от замыканий на землю при однофазных и двухфазных КЗ на землю.
Для работы при трехфазных КЗ предназначено реле РТ-40, включенное на фазный ток ШСВ. Уставка реле должна быть отстроена от максимально возможного перетока через ШСВ и поэтому в большинстве случаев оказывается нечувствительной к КЗ в расчетных точках и в расчетных режимах. Максимальные токи по ШСВ определяются службой режимов. Коэффициент отстройки целесообразно принимать 1,3.
Достоинствами использования делительной защиты ШСВ являются: простота схемы, простота выбора уставок защиты, а также отсутствие необходимости повышать уставки защит прилежащей сети.
Недостатки делительной защиты: невозможность обеспечения чувствительности при трехфазных и в ряде случаев при двухфазных КЗ; невозможность быстрого и селективного отключения ШСВ с обеспечением нормального функционирования той системы шин, к которой не подключено присоединение с отказавшими защитами или выключателем; при затяжном неотключаемом КЗ вероятность одновременного отключения нескольких ШСВ на разных подстанциях данного узла энергосистемы.
Рассмотренный вариант делительных защит применяется в энергосистемах, на опыт эксплуатации которых опирается автор. Их применение позволило обеспечить дальнее резервирование защит при наиболее часто встречающихся видах повреждения и отказе выключателей на многих подстанциях, где другими способами эти вопросы решить не удавалось.
Некоторое распространение получил также способ включения последних ступеней защит линий с направлением не в линию, а в шины, что практически эквивалентно дальнему резервированию, но перенесенному по своему действию на шины той же подстанции, где отказал выключатель. Более того, при таком выполнении дальнего резервирования не обесточиваются отпаечные подстанции, все отключения происходят на одном объекте, что упрощает и облегчает диспетчерскую ликвидацию аварийной ситуации. При выборе уставок чувствительность рассматриваемой ступени при тех же условиях согласования с защитами других отходящих линий получается несколько выше, чем у аналогичной ступени защиты с противоположной стороны линии. Однако этот способ широкого распространения не получил.
Для повышения качества дальнего резервирования на электростанциях и подстанциях с питающими трансформаторами (автотрансформаторами) выполняется действие каждой ступени резервной защиты этих трансформаторов с тремя выдержками времени:
с первой - на отключение СВ или ШСВ, при этом сеть делится на части; поврежденный участок сети отделяется от неповрежденного, причем на поврежденном участке за счет отделения ряда питающих источников чувствительность работающих в режиме дальнего резервирования защит повышается;
со второй — на отключение выключателя среднего напряжения, что позволяет отделить питающий трансформатор от повредившейся системы шин и сохранить при этом питание нагрузки по третьей обмотке трехобмоточного трансформатора или собственных нужд блока генератор - трансформатор;
с третьей — на полное отключение (со всех сторон) трансформатора; с третьей выдержкой времени защита действует при повреждении в трансформаторе и отказе его основных защит.
Известны также возможности по увеличению уставок последних зон дистанционных защит для повышения их чувствительности в зонах дальнего резервирования для тех случаев, когда определяющим условием при выборе уставки было не согласование с защитами, а отстройка от допустимой нагрузки по линии.
Рис. 2. Характеристики реле сопротивления защиты панелей ЭПЗ-1636
Рис. 3. Характеристики реле сопротивления защит
Характеристика реле сопротивления в комплексной плоскости сопротивлений (кривая 1 на рис. 2) обычно представляет из себя проходящую через начало координат окружность, наклонен к оси активных сопротивлений под углом максимальной чувствительности Упм, соответствующим углу между напряжением и током без земли. Третьи зоны защит типа ЭПЗ-1636 в отдельных случаях имеют характеристики реле, смешенные в третий квадрант Х кривая 1Г на рис. 2). Уставка реле определяется диаметром окружности, а при смещении характеристики в третий квадрант — частью диаметра от начала координат до точки А. Рассматриваемое реле является реле минимального сопротивления, его зона срабатывания находится внутри круга. Нагрузка на линии в тех же осях изображается вектором, проведенным из начала координат под углом нагрузки (рн, обычно составляющим примерно 30° (угол нагрузки должен задаваться службой режимов). Значение нагрузки в омах ZH связано с током нагрузки IН соотношением
где Umin„ - минимальное эксплуатационное линейное напряжение.
Для того чтобы защита не сработала при увеличении нагрузки, расчетное значение сопротивления нагрузки принимается по выражению
где кн - коэффициент надежности, принимаемый 1,1 - 1,2; кв - коэффициент возврата, для реле панелей ЭПЗ-1636 может быть принят 1,05.
Из сопоставления характеристик 1 и 2 видно, что при одинаковых уставках отстройка от нагрузки у реле со смещенной в третий квадрант характеристикой хуже, поскольку у него Zcp больше, а значит, ток нагрузки, при котором реле сработает, меньше.
Для возможности увеличения уставки по условию пропуска нагрузки используются следующие способы.
1. В схемах панелей ЭПЗ-1636 характеристика третьей зоны может выполняться в виде эллипса с соотношением осей 0,5; 0,65; 0,8 и l. Ha кривой 3 (рис. 2) приведена для примера характеристика, проходящая через начало координат с соотношением осей 0,5. Очевидно, что при заданной нагрузке можно задавать на реле значительно большую уставку.
2. В схемах защит типа ДЗ-503 возможен вынос характеристики в первый квадрант - до 50% уставки. Очевидно, что условия отстройки от нагрузок значительно облегчаются (рис. 3, кривая 2).
3. В современных защитах с применением полупроводниковой техники, приходящих на смену панелям ЭПЗ-1636, характеристика третьей зоны — треугольник (кривая 3 на рис. 3), где условия отстройки от нагрузки также не будут определяющими.
При использовании любых вариантов отстройки от токов нагрузки необходимо учитывать, что далеко не всегда угол нагрузки примерно равен 30°. Известны случаи, когда по автотрансформатору переток мощности из сети 500 кВ в сеть 220 кВ при углах примерно 60° был близким к номинальному. В таких условиях эффективность любых методов отстройки от нагрузки будет низкой, необходима только отстройка по сопротивлению. Поэтому в тех случаях, когда отстройка от нагрузки уставок защит выполняется с помощью специальных характеристик и уставки не отстроены по сопротивлению срабатывания при угле максимальной чувствительности, необходимо проанализировать возможность работы передачи при низких cosφ и подбирать статистический материал по имеющимся режимам.
Экспериментально установлено, что эллиптические характеристики реле сопротивления на панелях ЭПЗ-1636 соответствуют заданным соотношениям осей при токах 1,5-2 номинального тока панели и более. При меньших значениях токов эллипсы "утолщаются" на 10-15% и при уставке в соотношении осей 0,5 могут достигать соотношения осей 0,55-0,57, а при уставках в сетях 110-220 кВ 100-150-200 Ом токи КЗ могут быть менее 50% номинального тока. Поэтому целесообразно расчетную эллиптичность характеристики реле сопротивления подтверждать испытаниями и при необходимости вносить корректировку принятых уставок. В [1] даны рекомендации по сохранению заданного соотношения осей эллипса в реле типа КРС-2 при токах от двойного номинального тока до двойного тока точной работы.
Отсутствие дальнего резервирования в ряде случаев приводило к серьезным авариям, поэтому раздел 4.4 [2] посвящен мероприятиям по повышению качеств дальнего резервирования. Однако в связи с тем, что в ряде случаев обеспечить резервирование все же невозможно (см. п. 3.2.17 [3]) допускается применение дальнего резервирования только при наиболее часто встречающихся видах повреждения, без учета редких режимов работы и при учете каскадного действия защиты. При дальнем резервном действии предусматривается также возможность неселективного действия защит при КЗ на смежных элементах, в отдельных случаях допускается обесточивание подстанций, при этом следует по возможности обеспечивать исправление этих неселективных отключений действием АПВ или АВР.
Следует, однако, помнить о том, что в соответствии с п. 3.2.5 [3] релейная защита, действующая на отключение, как правило, должна
быть селективной, а отступление от требований селективности должно утверждаться главным инженером энергосистемы или его заместителем [4].
С учетом перечисленных выше недостатков дальнее резервирование не может считаться достаточным для обеспечения надежного функционирования энергосистемы при повреждениях оборудования, сопровождающихся отказами защит или выключателей. Поэтому в целях повышения надежности и живучести энергосистемы, уменьшения количества обесточенных потребителей, уменьшения времени существования КЗ и резкого сокращения числа объектов, где производятся отключения выключателей, осуществляются мероприятия по ближнему резервированию и устанавливаются УРОВ.
