Защита от неполнофазного режима работы трансформатора

Защита от неполнофазных режимов в распределительных сетях 6–110 кВ

В распределительных сетях напряжением 6–110 кВ возможны режимы продольно-поперечной несимметрии (ППН), обусловленные разрывом фазных проводов воздушных линий (ВЛ) и одновременным коротким замыканием (КЗ) в сети с эффективно заземленной нейтралью либо замыканием на землю в сети с изолированной (резистивно-заземленной) нейтралью или в сети с компенсацией емкостных токов.
В большинстве случаев защиты ВЛ с ответвлениями и трансформаторов ответвительных (ОП) или проходных подстанций (ПП) недостаточно чувствительны к рассматриваемым режимам [1–3]. Возникновение режимов ППН и их длительное существование не только приводит к потерям энергии в распределительных сетях, но и может вызвать повреждения силовых трансформаторов, электроприемников, чувствительных к несимметрии напряжения (электродвигателей), перенапряжения в незаземленных нейтралях силовых трансформаторов, повреждения измерительных трансформаторов напряжения и т.д.
На параллельных ВЛ возможно излишнее действие релейной защиты неповрежденной линии, что в итоге влечет потерю питания по обеим цепям [2,3]. Разрыв фазы, в которой установлен короткозамыкатель, может привести к отказу защиты дальнего резервирования при его включении защитой трансформатора, т.к. ток КЗ в этом случае изменяется не более чем на 5–10% и его величина недостаточна для срабатывания защиты ДР.
Режимы продольно-поперечной несимметрии достаточно глубоко исследованы в работах отечественных [4] и зарубежных ученых. Однако, несмотря на это, в распределительных электрических сетях 6–110 кВ отсутствует специальная защита от данных видов повреждения. Например, в сетях с эффективно заземленной нейтралью основной защитой от данных видов повреждения является токовая (направленная) защита нулевой последовательности (ТЗНП). Параметры ее срабатывания зачастую выбраны по условиям отстройки от режимов ППН, т.к. в противном случае возможна ее ложная работа при возникновении ППН на смежной линии [2] . Это требует применения защиты с более высокой чувствительностью и возможностью распознавания различных режимов работы защищаемого оборудования, в том числе и ППН.

Работа параллельной ВЛ
Режимы продольно-поперечной несимметрии (обрыв с КЗ) на магистральных участках транзитных ВЛ не являются расчетными, т.к. в этом случае происходит отключение линии по крайней мере с одной стороны и поврежденная линия работает в радиальном режиме.
Таким образом, существенное значение имеет режим работы параллельной ВЛ, что особенно четко проявляется при наличии взаимоиндукции между цепями линий. К таким режимам относятся:

• работа одной из линий в радиальном режиме;
• отключение и заземление одной из линий с одной или двух сторон.

При этом определено влияние переходного сопротивления в месте замыкания на землю, при междуфазных КЗ за трансформаторами ответвительных подстанций, предшествующего нагрузочного режима, взаимоиндукции между цепями защищаемых ВЛ.
При изменении перетока мощности по защищаемым ВЛ (на схеме: от источника G1 к источнику G2) в случае обрыва на магистральном участке линии происходит линейное изменение контролируемых токов, как фазных, так и токов симметричных составляющих. Ситуацию отражает рис. 2а, иллюстрирующий режим обрыва фазного провода О1.
Изменение перетока по ВЛ при сетевом замыкании на одном из ответвлений (скажем, обрыв с одновременным КЗ со стороны трансформатора Т1) практически не вызывает изменение тока нулевой последовательности (рис.2б). В качестве базового тока принят ток металлического трехфазного КЗ за трансформатором Т1.
Контроль токов симметричных составляющих обеспечивает определение вида повреждения и возможный участок с обрывом, а контроль величин и их изменения во времени (динамики) фазных токов и тока прямой последовательности параллельных цепей позволяет выполнить селективный выбор поврежденной цепи. Это справедливо не только для участков ВЛ передающей подстанции, но и для участков линий приемной подстанции.
Для повышения чувствительности рассматриваемых защит их параметры должны изменяться в зависимости от предшествующего нагрузочного режима. Тем более что фактически линейный характер изменения токов аварийного режима в зависимости от тока нагрузки предшествующего режима упрощает формирование уставок срабатывания.

Рис. 1. Cхема защищаемой сети
Рис. 2. Зависимости фазных токов и токов симметричных составляющих со стороны питающей подстанции от тока перетока при сетевом замыкании на первом ответвлении (а) и обрыве на первом участке магистральной линии (б)
а)	б)
Рис. 3. Зависимости токов на входе защиты при включении трансформаторов тока стороны высшего напряжения в треугольник (а) и звезду (б) от тока предшествующего нагрузочного режима
а)	б)

Дополнительные факторы
Существенное значение для распределения тока по параллельным цепям защищаемой линии имеет режим заземления нейтрали трансформаторов и состояние одной из линий (отключение, отключение и заземление с одной или с двух сторон). Кроме того, одним из факторов, снижающих чувствительность защиты, является переходное сопротивление в месте сетевого замыкания на землю.
Однако проведенные исследования, в том числе и натурные эксперименты в сетях напряжением 110 кВ, показывают возможность адаптации защит к подобному режиму и уменьшения его влияния на их чувствительность.
Анализ режимов обрыва одной фазы (в данном случае фазы А) и КЗ на землю этой же фазы или двухфазного КЗ показывает, что максимальная токовая защита (МТЗ), включенная на разность токов, оказывается нечувствительной (рис.3а) при изменении токов в диапазоне от холостого хода до номинального тока трансформатора.
В то же время она обладает достаточной чувствительностью при включении ее на фазные токи (рис.3б). В первом случае области существования находятся ниже тока срабатывания защиты I*сз , а во втором случае – выше.
На рис.3 приняты следующие обозначения видов ППН:

• обрыв и замыкание на землю фазы А участка ответвления W1 с КЗ со стороны трансформатора Т1 (1-режим AY),
• обрыв фазы А и КЗ фаз AB (2-ABY), CA (3-CAY),
• обрыв фазы А и КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора Т1 с группой соединения обмоток «звезда-треугольник» фаз АВ (4-АВD), ВС (5-ВСD), СА (6-САD), АВС (7-АВСD).

Первые три вида сложных повреждений являются развитием одного простого повреждения: 1 – падение оборвавшегося провода на землю, 2 и 3 – схлестывание (или пробой воздушной изоляции) одного оборвавшегося фазного провода с другим. Токи приведены к номинальному току защищаемого трансформатора.

Защита трансформаторов
Если существуют технические ограничения по выполнению МТЗ с контролем фазных токов, то можно дополнить защиту, контролирующую разность токов фаз, токовой защитой нулевой последовательности. Она подключается к трансформаторам тока, установленным в нейтрали защищаемых трансформаторов, например, как это предложено в [2].
Таким образом, можно рекомендовать выполнение МТЗ трансформаторов с контролем фазных токов, что позволит обеспечить надежную работу его резервных защит при любых видах продольно-поперечной несимметрии.
При этом возможен случай обрыва фазы, в которой установлен короткозамыкатель. В таком случае при включении короткозамыкателя под воздействием МТЗ трансформатора практически не происходит изменение режима повреждения.
Предусмотренная на подстанциях система резервирования отказа короткозамыкателя (УРОКЗ), предполагающая ликвидацию повреждения путем отключения отделителя, должна быть модернизирована по указанной выше причине.

Микропроцессорная защита ДР
Использование адаптивных алгоритмов функционирования, обеспечивающих контроль аварийных составляющих токов, напряжений и их динамики, в новочеркасском ЮРГТУ признано наиболее перспективным направлением в построении защит в условиях:

• недостаточной полноты информации о режиме ППН из-за электрической удаленности защиты от места повреждения,
• сопоставимости аварийных составляющих тока и напряжения данного режима с составляющими нагрузочного режима,
• отсутствия измерительных трансформаторов тока во всех фазах ВЛ и трансформаторов тока нулевой последовательности в сетях напряжением 6–10 кВ (воздушные линии).

Данные алгоритмы реализованы в адаптивной микропроцессорной резервной защите дальнего резервирования в распредсетях с ответвительными и промежуточными подстанциями.
Их применение позволяет повысить информационное совершенство защиты и обеспечить достоверность распознавания режимов ППН за электрически удаленными объектами.
Пример выполнения подобной защиты – микропроцессорное устройство типа КЕДР-07, реализующее функции защиты дальнего резервирования КЗ за трансформаторами ОП и защиты от режимов продольной и продольно-поперечной несимметрии.
Защита от неполнофазных режимов – необходимый элемент системы дальнего резервирования в распределительных сетях на напряжение 6–110 кВ.

Литература

1. Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. – Энергоатомиздат, 2002. – 312 с.
2. Маруда и.ф. Релейная защита понижающих трансформаторов от коротких замыканий на линии при разрывах фаз // Электрические станции. – 2003. – № 2. – С. 44–46.
3. Маруда И.Ф. Релейная защита линий 110–220 кВ при разрывах фаз // Электрические станции. – 2002. – №1. – С. 40–42.
4. Чернин А.Б. Вычисление электрических величин и поведение релейной защиты при неполнофазных режимах в электрических системах. – М.: Госэнергоиздат, 1963. – 416 с.
5. Нагай В.В. Оценка селекции режимов продольно-поперечной несимметрии в электрических распределительных сетях с эффективно-заземленной нейтралью // Изв. вузов. Электромеханика. – 2004. – № 3. – С. 51–54.
6. Нагай В.В. Релейная защита элементов распределительных сетей 6-110 кВ от режимов продольно-поперечной несимметрии // Релейная защита и автоматика энергосистем 2004: Сб. докл. конф. ВВЦ РФ. ОАО «ФСК ЕЭС» – М., 2004. – С. 156–160.
7. Нагай В.И. Повышение эффективности резервирования в электрических распределительных сетях 110 кВ // Новости Электротехники. – 2003.– № 6(24).– С. 41–44.