В работе представлен анализ высокочастотной дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) линий электропередач. Изучены её принцип действия, структурная схема и поведение при различных видах коротких замыканий. С помощью ПО REPEAT разработана имитационная модель ДФЗ, включающая необходимые функциональные блоки. Модель может применяться в учебном процессе для подготовки специалистов, а также для испытаний усовершенствованных алгоритмов защиты.
Под абстрактным названием «Защитный барьер: фазовый контраст» скрывается высокочастотная дифференциально-фазная защита линии.
Созданная в первые послевоенные годы небывалого творческого подъема научного и инженерно-технического персонала бурно развивавшейся электроэнергетики ДФЗ явилась и до сих пор остается образцом как технического воплощения, так и уникальных экплуатационных качеств. В 1951 году в ЦНИЭЛ МЭС (Центральной научно-исследовательской электротехнической лаборатории Министерства электростанций СССР), под руководством Е.Д. Сапира была разработана защита типа ДФЗ-2, предназначенная для ВЛ 110-220 кВ с трехфазным и однофазным отключением. Эта защита, претерпев не принципиальные усовершенствования, выпускается на Чебоксарском электроаппаратном заводе (ЧЭАЗ) по сей день под названием ДФЗ-201 [2]. Время действия этой защиты составляет 40-80 мс.
Также сейчас выпускаются МП ДФЗ следующих производителей:
1. Релематика ТОР 300 ДФЗ 56X.
2. ЭКРА ШЭ2710 582.
3. Сириус-3-ДФЗ-01.
4. БЭМП-ДФЗ.01.
Цели создания модели ДФЗ в Repeat:
1. Изучение обучающимися принципов построения дифференциально-фазной защиты. Модель позволяет наглядно изучить, как работает ДФЗ, основанная на сравнении фаз токов на разных концах линии. Обучающиеся могут понять, как формируются сигналы, как происходит анализ фазовых сдвигов и как принимается решение о срабатывании защиты.
2. Обучение работе защиты при различных видах короткого замыкания.
Модель позволяет выполнить разные виды коротких замыканий (однофазные , двухфазные и трехфазные) и изучать, как ДФЗ реагирует на каждое из них. Обучающиеся могут наблюдать, как защита отличает внутреннее КЗ от внешних.
3. Исследование и оптимизация работы защиты. Обучающиеся могут предлагать и тестировать улучшения в алгоритмах работы защиты, что способствует развитию инновационных подходов в релейной защите.
Описание принципа работы высокочастотной дифференциально-фазной защиты.
Высокочастотные защиты линий являются основными быстродействующими защитами и они предназначены для линий средней и большой протяженности напряжением 110 кВт и выше в тех случаях, когда по условиям сохранения устойчивости требуется быстрое двустороннее отключение короткого замыкания, возникшего в любой точке линии. Этим условиям удовлетворяют также и продольные дифференциальные защиты линий, но они непригодны для применения на протяженных длинных линиях из-за высокой стоимости ВОЛС, то есть оптоволокна. А вот высокочастотные защиты по сравнению с ДЗЛ они более просты и экономичны.
Защита состоит из двух одинаковых панелей, расположенных по концам защищаемой ВЛ. Особенность ДФЗ состоит в том, что связь между полукомплектами осуществляется токами высокой частоты по высокочастотному каналу, организованному непосредственно по проводам защищаемой линии. Высокочастотная дифференциально-фазная защита не реагирует на внешние короткие замыкания, не имеет выдержки времени, то есть это быстродействующая защита с абсолютной селективностью.
Принцип действия ДФЗ основан на сравнении фаз токов промышленной частоты по концам защищаемой линии при помощи высокочастотного канала.
Для трёхфазной защиты используется только один высокочастотный канал, организованный только по одному из трех проводов линии.
ДФЗ выполнена из двух одинаковых полукомплектов, состоящих из релейной и вч части, расположенных на одной панели. В ДФЗ предусматриваются комбинированные фильтры, которые преобразуют трехфазную систему токов в однофазную. И применение этих фильтров позволяет не сравнивать между собой фазы всех трех линейных токов, то есть значительно упрощает выполнение защиты. В защите используются два фильтра. Это фильтр обратной последовательности в пусковом органе и комбинированный фильтр прямой и обратной последовательности в органе манипуляции.
Схема организации высокочастотной дифференциально-фазной защиты.
Релейная часть полукомплекта ДФЗ состоит из:
1. Пускового органа, предназначенного для запуска вч приемопередатчика;
2. Органа манипуляции, предназначенного для управления приемопередатчиком;
3. Отключающего органа, предназначенного для подготовки цепей отключения;
4. Органа сравнения фаз, предназначенного для сравнения сдвига по фазе между высокочастотными импульсами передатчиков по концам линии. Т.е. от противоположного приемопередатчика и от своего в приемник поступают вч импульсы и далее направляются в орган сравнения фаз;
5. Выходного реле, предназначенного для отключения выключателя и пуска УРОВ.
Для передачи токов высокой частоты производится вч обработка одной из фаз линии, по которой текут токи промышленной частоты 50 Гц. Для того, чтобы разделить токи промышленной частоты и вч сигналы, генерируемые вч передатчиками производится вч обработка фазы линии.
Высокочастотная часть полукомплекта состоит из:
1. Приемопередатчика, работающего на частоте от 16 до 1000 кГц;
2. Вч кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом( РК 75);
3. Фильтра присоединения служащего для согласования сопротивления ВЛ( для ВЛ 110 кВ 400 Ом и сопротивления вч приема 75 Ом);
4. Конденсатора связи, запирающего токи промышленной частоты и свободно пропускающего токи высокой частоты;
5. Высокочастотного заградителя, который свободно пропускает токи промышленной частоты и запирает токи высокой частоты.
Пусковой орган при всех видах повреждения активирует работу передатчика, управляемого органом манипуляции. Орган манипуляции управляет работой вч передатчика с интервалами около половины промышленной частоты. Фаза импульсов определяется фазой на выходе фильтра токов прямой и обратной последовательности( I1+kI2). Орган сравнения фаз определяет, где находится повреждение: на защищаемой линии или вне ее. Это орган сравнивает сдвиг по фазе между вч импульсами передатчиков, расположенных по концам линии. Но так как каждый приемопередатчик управляется органом манипуляции, то в конечном счете сравниваются фазы между токами I1+kI2 по концам защищаемой ЛЭП.
Диаграмма токов высокочастотной дифференциально-фазной защиты:
Внешнее кз, вне зоны защиты.
Итак, если за положительное принять направление токов от шин в линию, то мы видим, что ток на п/ст А направлен от шин в линию и ток на п/ст В направлен от линии к шинам. Ну и благодаря соответствующему включению полярности трансформаторов тока по концам линии, вторичные токи при внешнем коротком замыкании будут иметь разные знаки знаки, то есть сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов. Соответственно вч сигналы, генерируемые передатчиками только в течении положительных полупериодов промышленной частоты будут сдвинуты на 180 градусов. На приемнике мы можем наблюдать сплошной вч импульс, что говорит о том, что короткое замыкание внешнее.
Внутреннее кз, в зоне защиты.
Мы видим, что ток на п/ст А направлен от шин в линию и ток на п/ст В тоже направлен от шин в линию. Благодаря соответствующему включению полярности трансформаторов тока по концам линии, вторичные токи при внутреннем коротком замыкании будут иметь одинаковые знаки, то есть они совпадают по фазе. Соответственно, вч сигналы, генерируемые передатчиками только в течении положительных полупериодов промышленной частоты совпадают по фазе. На приемнике мы можем наблюдать прерывистый вч импульс, что говорит о том, что короткое замыкание внутреннее.
Схема высокачастотной ДФЗ на платформе REPEAT:
Для разработки модели были использованы блоки библиотек автоматика и электроника. В модели реализованы две ВЛ-110 кВ, с двумя источниками напряжения 110 кВ. На стороне подстанции А и подстанции В есть трансформаторы тока и напряжения, необходимые для работы защит. Можно задавать параметры линии, такие как: длина линии, погонное сопротивление (активное, индуктивное, емкостное).
На основе пользовательских блоков были созданы блоки, которые ранее отсутствовали в стандартных библиотеках REPEAT:
1. Блоки короткого замыкания, позволяющие создать любой вид короткого замыкания;
2. Пусковые органы прямой и обратной последовательности для сторон подстанции А и подстанции В;
3. Отключающие органы прямой и обратной последовательности;
4. Реле сопротивления;
5. Орган манипуляции и приёмопередатчик;
6. Орган сравнения фаз;
7. Логика отключения;
8. Орган пуска приемопередатчика.
Трёхфазное КЗ в зоне работы защиты
Анализируя осциллограммы токов фаз, токи фаз А,В и С наблюдаем, что в режиме нагрузки токи находятся в противофазе, а в момент возникновения КЗ фазы совпадают. Это говорит о том, что КЗ является внутренним.
Токи в органе манипуляции в режиме нагрузки находятся в противофазе, а в режиме КЗ начинает совпадать по фазе. На осциллограмме ВЧ приемника мы видим пакет ВЧ импульсов, который произошел после запуска приемопередатчика от пусковых органов защит. По фронту пропадания ВЧ импульса мы видим, что защита отработала на отключение.
На следующих графиках видно время работы, время пуска защиты и положение выключателя на стороне А
Аналогично на стороне В
Трёхфазное КЗ вне зоны работы защиты
Анализируя осцилограммы токов фаз, токи фаз А,В и С наблюдаем, что в токи всегда находятся в противофазе. Это говорит о том, что КЗ является внешним.
Токи в органе манипуляции также находятся в противофазе. На осциллограмме ВЧ приемника мы видим пакеты ВЧ импульсов, который произошел после запуска приемопередатчика от пусковых органов защит. По фронту ВЧ импульса мы видим, что защита не отработала на отключение.
На следующих графиках видно время работы, время пуска защиты и положение выключателя на стороне А
Аналогично на стороне В
Итог
1. Изучены принципы построения дифференциально-фазной защиты;
2. Изучена работа защиты при различных видах короткого замыкания;
3. Разработана модель с реализацией дифференциально-фазной защиты на ПО REPEAT
4. Модель может использоваться для обучения студентов и инженеров принципам работы дифференциально-фазной защиты, а также для тестирования возможных модернизаций защиты.