Защита линий постоянного тока

Установка защиты источников электрической энергии первичной распределительной сети и фидеров потребителей не решает до конца задачу обеспечения живучести системы электроснабжения, если шины распреде­лительных устройств остаются без защи­ты. Действительно, при коротком замыка­нии на них возможен выход из строя всей системы электроснабжения и прекраще­ние работы всех потребителей. В связи с этим установка защиты шин распредели­тельных устройств весьма целесообразна, несмотря на то, что вероятность повреж­дения невелика.

Из большого количества известных схем защиты шин рассмотрим, в качестве примера, несколько вариантов.

Схема с использованием изолированного кожуха. Прин­цип построения и действия схемы рис. 17.39 заключается в следующем.

Шина распределительного устройства помещается в металлической коробке (ко­жухе) изолированной от корпуса. Ли­нии Л и Л_2у подводящие питание к шине, снабжаются дифференци­альной защитой ДР-1 и ДР-2_У которая имеет дополнительные отклю­чающие катушки, соединенные с кожухом К. При повреждении рас­пределительного устрой­ства и замыкании между шиной и -кожухом сраба­тывает предохранитель Я, напряжение с кожуха по­падает на отключающие катушки реле ДР-1 и ДР-2_У последние срабаты­вают и изолируют аварий­ную шину от остальной сети.

Схема с поляри­зованными реле. Обмотки поляризованных реле ПР-1 и ПР-2 (рис. 17.40), соединенные последовательно, включаются между шинами достаточно удаленных друг от друга распределительных устройств РУ-1 и РУ-2. В нор­мальных условиях напряжения на шинах РУ-1 и РУ-2 одинаковы и

реле ПР-1 и ПР-2 не работают. При коротком замыкании, например на шинах РУ-2, ток в обмотках поляризованных реле течет в на­правлении от РУ-1 к РУ-2, срабатывает реле ПР-1 и, замыкая свои контакты, посылает сигнал на отключение линий, питающих РУ-2.

Недостатком такой защиты является возможность ложного срабатывания при коротком за­мыкании в линии или на соседнем распределительном устройстве, когда напряжение на шинах крат­ковременно понижается.

Схема импульсной защ и т ы. По этой схеме (рис. 17.41) все провода, присоединенные к шине распределительного устрой­ства, пропускаются сквозь ферро­магнитный тороид, вторичная об­мотка которого присоединяется к реле. В нормальных условиях ско­рость изменения суммарного пер­вичного тока всегда равна нулю и защита не работает. При корот­ком замыкании на шинах РУ появляется импульс э. д. с. во вторич­ной обмотке торой да, срабатывает реле и посылает сигнал на от­ключение питающих линий.

Питание отключающей цепи осуществляется от конденсатора С, который в нормальных условиях заряжается от шин через вентиль, а во время аварии этот вентиль отделяет конденсатор от аварийной шины.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Системы передачи постоянного тока

Линии электропередачи постоянного тока (ППТ) находят всё большее применение в мировой практике. В кабельном исполнении их целесообразно использовать для преодоления значительных водных пространств либо для ввода мощности в мегаполисы. Воздушное исполнение позволяет снизить стоимость строительства ППТ. Соответственно сочетание кабельных и воздушных участков дает наиболее экономичный вариант линии постоянного тока.
Для обеспечения надежной работы кабельно-воздушной линии необходима разработка защит, учитывающих различия в протекании переходных процессов при коротких замыканиях на однородных участках. Об этом рассуждает Юлия Владимировна Капитула.

Юлия Капитула,
научный сотрудник,
ОАО «НИИПТ»,
г. Санкт-Петербург

КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Особенности разработки защиты от коротких замыканий

На кабельно-воздушных линиях постоянного тока наиболее частым видом повреждения является перекрытие изоляции воздушного участка, носящее в большинстве случаев проходящий характер. Для устранения таких повреждений достаточно обеспечить бестоковую паузу в месте повреждения.
При повреждениях на кабельном участке необходимо отключение линии без автоматического повторного включения (АПВ).

При этом защита линии должна быть отстроена от ложной работы при перекрытиях вне защищаемой зоны (короткие замыкания на выпрямительной либо инверторной подстанции).

В связи с этим возникла необходимость в разработке специальных избирательных защит, способных не только выявлять КЗ на линии, но и определять участок повреждения для выбора соответствующего способа ликвидации аварии.

ИЗМЕРЕНИЯ

Для формирования принципов построения одного из алгоритмов избирательных защит на начальном этапе были проведены аналитические исследования изменения напряжения полюса в начале кабельно-воздушной линии, т.е. со стороны выпрямительной подстанции в двух случаях:

• при КЗ на кабельном участке;
• при КЗ на воздушном участке.

На рис. 1 представлена схема униполярной передачи постоянного тока с неоднородной линией, в которой длина кабельного участка составляет 40 км, а длина воздушного – 70 км.

Рис. 1. Схематичное изображение местоположения точек перекрытий на кабельном (КЛ) и воздушном (ВЛ) участках линии постоянного тока

Пусть линия заряжена до номинального значения U _ном = U .

КАБЕЛЬНЫЙ УЧАСТОК

При возникновении короткого замыкания в точке КЗ на расстоянии КЗК возникает скачок напряжения Δ U = – U кВ. При этом рассматриваются только те волны напряжения, которые будут распространяться между точкой КЗ и точкой установки делителя напряжения (ДН) со стороны выпрямителя.

Изменение напряжения полюса U _дн при приходе возмущения в начало линии в моменты t₁, t₂, … отражено в выражении из [1]:

где Δ U – скачок напряжения в месте КЗ;
– время пробега волны вдоль кабельной линии;
КЗК – расстояние от начала линии до места КЗ на кабельном участке;
δ(t – n_τ), где n = 1, 3, 5… – обобщенная единичная функция, принимающая значение 0 при t τ.

На оси 1 рис. 2 показан график движения фронта волны напряжения при КЗ в середине кабельного участка, а на оси 2 – процесс изменения напряжения полюса непосредственно в точке измерения. На оси 3 показана осциллограмма напряжения полюса линии, полученная при математическом моделировании КЗ в середине кабельного участка линии передачи постоянного тока.

Рис. 2. График движения фронта волны напряжения вдоль линии при КЗ в середине КЛ (ось 1), напряжение полюса в начале линии при приходе фронта волны напряжения в начало КЛ (ось 2), напряжение полюса в точке подключения делителя напряжения при моделировании КЗ в середине КЛ на математической модели (ось 3).

ВОЗДУШНЫЙ УЧАСТОК

Аналогичным образом можно рассмотреть процесс изменения напряжения в начале линии при приходе возмущения от точки КЗ, расположенной в середине воздушной линии на расстоянии КЗВ (рис. 1). Для качественного анализа примем допущение о равенстве нулю сопротивления дуги в месте КЗ. Примем, что срез напряжения в момент КЗ происходит мгновенно. Здесь также рассматриваются волны, распространяющиеся между точкой КЗ и точкой установки делителя напряжения со стороны выпрямителя.

Особенностью рассмотрения данного процесса является наличие места сопряжения кабельного участка с воздушным. Волна напряжения, бегущая от места КЗ по участку воздушной линии с волновым сопротивлением Z _вл, при достижении точки сопряжения с кабельным участком, имеющим волновое сопротивление Z _кл (где Z _вл > Z _кл), претерпевает изменения: часть этой волны преломляется, а другая ее часть отражается в соответствии с выражениями для коэффициентов преломления и отражения волн, приведенными в [2].

На оси 1 рис. 3 представлен один из вариантов переходного процесса. Можно видеть, что КЗ на воздушном участке кабельно-воздушной линии постоянного тока приводит в общем случае к наложению волн, возникающих при многократном преломлении волны напряжения в месте сопряжения двух участков и многократном отражении от места сопряжения холостого начала линии и точки КЗ. При приходе тех или иных волн в соответствующие моменты времени t₁, t₂… происходит скачкообразное изменение напряжения (рис. 3, ось 2). На оси 3 рис. 3 представлена осциллограмма напряжения полюса линии в результате математического моделирования перекрытия на землю в середине воздушного участка линии передачи постоянного тока.

Рис. 3. График движения фронта волны напряжения вдоль линии при КЗ в середине ВЛ (ось 1), напряжение полюса в начале линии при приходе фронта волны напряжения в начало КЛ (ось 2), напряжение полюса в точке подключения делителя напряжения при моделировании КЗ в середине ВЛ на математической модели (ось 3)

По полученным аналитическим кривым и осциллограммам процессов при КЗ линии можно видеть, что при повреждении в середине кабельного участка частота перехода напряжения полюса через ноль определяется частотой собственных колебаний линии, соответствующей полному циклу процесса движения и отражения волн [2]:

где L КЛ , С КЛ – погонные индуктивность и емкость кабельного участка. При параметрах кабельного участка, соответствующих значениям L КЛ = 0,18 мГн/км и С КЛ = 0,31 мкФ/км, эта частота равна 1700 Гц.

При КЗ в середине воздушного участка частоту переходов напряжения полюса через ноль приблизительно можно оценить как:

где L ВЛ , С ВЛ – погонные индуктивность и емкость воздушного участка, Δ = КЗВ – КЛ .

При значении L ВЛ = 0,98 мГн/км, принимая во внимание, что С КЛ >> С ВЛ , частота переходов напряжения через ноль при КЗ в середине воздушного участка примет значение около 355 Гц.

АЛГОРИТМ ЗАЩИТЫ

Таким образом, КЗ на участках линии с разной физической структурой приводят к протеканию переходных процессов, отличных друг от друга. Алгоритм избирательной защиты построен на измерении переходов сигнала напряжения через ноль, последующего вычисления среднего значения частоты процесса и сравнения ее с уставкой f_уст. Значение уставки f_уст в этом случае определяется как обратно пропорциональное периоду полного движения и отражения волн на всей длине кабельного участка.

На рис. 4 показана блок-схема избирательной защиты кабельно-воздушной линии. Входным сигналом защиты является сигнал напряжения от делителя напряжения защищаемой полуцепи, установленного в начале кабельно-воздушной линии – U _дн. Запуск алгоритма происходит при выполнении условия U _дн ≤ U _уст, где U _уст = (0,6…0,8) · U _ном – значение уставки деблокировки защиты. По абсолютному значению скорости изменения напряжения определяется зона повреждения: линия или преобразовательная подстанция.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма избирательной защиты кабельно-воздушной линии передачи постоянного тока

Далее производится измерение моментов перехода сигнала через ноль – t_n, где n = 1…5. На рис. 5 на примере осциллограммы напряжения линии при КЗ в середине воздушного участка показаны моменты перехода через ноль t₁…t₅.

Рис. 5. Осциллограмма напряжения полюса линии при КЗ в середине воздушного участка

Исходя из того, что КЗ полюса кабельного участка всегда сопровождается переходами напряжения через ноль, то отсутствие требуемого количества переходов t_n может происходить только при возникновении КЗ на воздушном участке, например, при перекрытии воздушного участка через значительное переходное сопротивление (до 100 Ом). Если требуемое количество переходов через ноль не зафиксировано, то алгоритм формирует сигнал «Отключение с АПВ».

Если требуемое количество моментов t_n зафиксировано, то в интервалах между следующими друг за другом переходами через ноль производится фиксация минимального и максимального значений напряжения X ₁, Х ₂, Х ₃ и Х ₄ (рис. 5). Эта фиксация необходима для отстройки от неправильной работы защиты при повреждениях на воздушном участке, сопровождающихся изменениями с малой амплитудой (до нескольких десятков киловольт) напряжения линии, но с частотой переходов, характерной для повреждений на кабельном участке. Если после зафиксированного момента времени перехода t_n+1 сумма модулей максимальных и минимальных значений сигнала | Х _n| + | Х _n+1| на соответствующих интервалах становится меньше уставки X _уст = (0,1…0,3) · U _ном, то алгоритм формирует сигнал «Отключение с АПВ».

При фиксации первых пяти моментов перехода входного сигнала через ноль и сумме модулей максимальных и минимальных значений сигнала | Х _n| + | Х _n+1| на соответствующих интервалах больше уставки X _уст производится вычисление среднего значения частоты по следующей формуле:

Если значение f_ср ≥ f_уст, то формируется сигнал «Отключение без АПВ».
Если значение f_ср

Защита Постоянного Тока ЗППТ — 02 предназначена для отключения вводных и отходящих присоединений постоянного тока от токов короткого замыкания и перегрузки. ЗППТ-02 может применяться как в составе щитов постоянного тока, так и отдельно с автоматическими выключателями, размещенными на панелях релейной защиты, автоматики и т.д.

ЗППТ-02 воздействует на автоматический выключатель постоянного тока (с независимым расцепителем). Контроль токов короткого замыкания и перегрузки, защита осуществляет от датчика постоянного тока (ДПТ). Может применяться вместо БУРП на выключателях А3793С при реконструкции существующих щитов постоянного тока.

Защита постоянного тока

1 Защита постоянного тока реализует следующие функции:
1.1 Максимальную токовую защиту (МТЗ) от короткого замыкания (К.З).
1.2 Токовую отсечку для защиты от сверхтоков – (ТО).
1.3 Защиту от перегрузки с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания определяется характеристиками автоматических выключателей и предохранителей (в ЗППТ-02 заложены 4 вида характеристик).

Характеристика тип 0

Характеристика тип 1

Характеристика тип 2

Характеристика тип 3

1.4 Измерение и фиксацию (осциллографирование) токов – включения высоковольтных выключателей (по согласованию), перегрузки, короткого замыкания и передачу этой информации в систему АСУ.
1.5 Оперативное выставление и изменение уставок по току и времени срабатывания защит.
1.6 Оперативное (вручную) или автоматическое с определенной периодичностью (один раз в час) тестирование схемы ЗППТ-02, начиная от аналогового ввода и заканчивая выходным исполнительным реле.
1.7 Контроль целостности цепи независимого расцепителя (н.р.).
1.8 Контроль состояния автоматического выключателя (Вкл., Откл.).
1.9 Фиксацию (запоминание) количества срабатываний защиты от короткого замыкания.
1.10 Передача информации о срабатывании или неисправности ЗППТ-02 в информационную систему АСУ (существующую на объекте) по интерфейсу RS 485.
1.11 Светодиодную индикацию работы защиты, возникновения неисправности и положения автоматического выключателя.
1.12 ЗППТ-02 обеспечивает общее время импульса на отключение автоматического выключателя (длительность протекания тока через н.р.) не более 0,1с.
1.13 ЗППТ-02 ведёт архив событий по всем контролируемым параметрам.

2 Параметры срабатывания защиты постоянного тока:

№	Наименование параметра	Значение
1	Ток запуска защиты от перегрузки	не менее 1,2Iном
2	Диапазон токов, на которые реагирует защита	от 0,2 Iном.дпт до 50 Iном.дпт
3	Максимальный ток короткого замыкания, который измеряет и фиксирует ЗППТ-02	не более 30 Iном.дпт
4	Время срабатывания МТЗ с независимым от тока полным временем отключения автоматического выключателя, задается в диапазоне, с	0,05 — 0,5
5	Время срабатывания ТО, с	0,01 — 0,02
6	Коэффициент возврата токовых измерительных органов	0,95
7	Разброс по току срабатывания	5%
8	Разброс по времени срабатывания	5%
9	Основная погрешность измерения тока при входном токе 0,2Iном и более	5%
10	Основная погрешность отсчета временных уставок защит	5%

I ном. – номинальный ток нагрузки.
I ном. дпт. — номинальный ток датчика постоянного тока.

Датчика постоянного тока выбирается исходя из необходимости измерения минимального тока присоединения и максимального тока "к.з." с учетом перегрузочной способности (ДПТ) (рекомендуется не более 30 Iном.дпт).
Время срабатывания защиты от перегрузки с зависимой времятоковой характеристикой срабатывания — в ЗППТ-02 заложены 4 вида характеристик.

3 Технические характеристики:

№	Наименование параметра	Значение
1	Напряжение питания, В	= 220В (+ 80 В, — 44 В)
2	Потребляемая мощность в момент срабатывания, не более	5 Вт
3	Датчик постоянного тока	определяется по заказной спецификации
4	Степень защиты: по оболочке по клеммам	IР40 IР20
5	Габаритные размеры, (высота, ширина, глубина), мм	75х100х100
6	Масса, не более, кг	0,4

ЗППТ-02 сохраняет работоспособность при снижении питающего напряжения на время существования "к.з." до 0,6*Uном.

4 Комплектность.
4.1 В комплект поставки изделия входят:
• ЗППТ-02 – 1 шт.;
• Датчика постоянного тока (шунт измерительный типа ШС –75 на определенный ток по заказу) — 1 шт. (для присоединения с двусторонним питанием – 2 шт.);
• При заказе от 2-х до 4-х ЗППТ-02 для обмена данными с ПК в комплект поставки бесплатно входит преобразователь RS485–USB – 1 шт.;
• Программное обеспечение на CD – 1 шт.;
• Руководство по эксплуатации – 1 шт.;
• Паспорт – 1 шт.

5 Монтаж.
5.1 ЗППТ-02 и измерительный шунт монтируются в непосредственной близости от автоматического выключателя, на независимый расцепитель которого, она воздействует.
5.2 ЗППТ-02 монтируется на Дин рейку.

6 Сбор данных.
6.1 Для считывания информации с ЗППТ-02 необходимо подключится к ЗППТ-02 персональным компьютером и в основном окне выбрать данные которые необходимы для просмотра.

если нажать строчку записи, появится график процесса отключения АВ с предысторией 0.5 секунды.