100
СЕТИ
РОССИИ
р
е
л
е
й
н
а
я
з
а
щ
и
т
а
и
а
в
т
о
м
а
т
и
к
а
релейная защит
а и автома
тика
ВВЕДЕНИЕ
Устойчивое
функционирование
современных
электроэнергетических
систем
невозможно
без
оснащения
их
релейной
защитой
и
автоматикой
(
РЗА
),
обеспечивающих
отключение
повреждённых
элементов
при
корот
-
ких
замыканиях
(
КЗ
),
неполнофазных
режимах
и
недопустимых
перегруз
-
ках
.
Как
правило
,
релейная
защита
(
РЗ
)
выполняется
в
виде
автономных
устройств
,
объединённых
в
систему
защиты
,
хотя
сейчас
в
связи
с
раз
-
витием
микропроцессорной
техники
и
применением
современных
каналов
связи
и
протоколов
коммуникации
,
например
,
МЭК
61850,
рассматрива
-
ется
возможность
защиты
нескольких
объектов
вплоть
до
всей
подстанции
(
ПС
)
одним
комплексом
РЗА
.
Однако
отличие
традиционного
подхода
за
-
ключается
в
том
,
что
объединение
отдельных
защит
в
систему
не
ис
-
ключает
их
автономного
действия
.
Принцип
действия
РЗ
выбирается
с
учётом
исключения
«
мёртвых
»
зон
,
а
философия
построения
релейной
защиты
предполагает
многократное
резервирование
,
что
практически
ис
-
ключает
невозможность
ликвидации
аварийной
ситуации
.
При
этом
резервной
(
лат
.
reservare
—
сберегать
,
сохранять
)
является
та
-
кая
защита
,
которая
предусмотрена
для
работы
вместо
основной
защиты
рассматриваемого
элемента
в
слу
-
чаях
отказа
или
вывода
из
работы
(
ближнее
резервирование
)
или
вме
-
сто
защит
смежных
элементов
при
их
отказе
,
или
в
случае
отказов
комму
-
тационных
аппаратов
смежных
эле
-
ментов
(
дальнее
резервирование
).
Резервирование
осуществляется
путём
введения
избыточности
и
/
или
использования
других
принципов
по
-
строения
РЗ
по
сравнению
с
защита
-
ми
с
абсолютной
селективностью
для
решения
задачи
повышения
эффек
-
тивности
функционирования
релей
-
ной
защиты
.
Системы
релейной
защиты
мо
-
гут
строиться
на
основе
следующих
компонент
:
ближнее
резервирование
(
БР
),
устройства
резервирования
при
отказе
выключателей
(
УРОВ
),
даль
-
нее
резервирование
(
ДР
).
В
настоящее
время
в
части
ре
-
зервных
защит
объектов
энергети
-
ки
накоплен
значительный
мировой
опыт
,
многие
задачи
и
проблемы
ре
-
шены
.
Совершенствованию
резерв
-
ных
защит
способствовали
развитие
теории
РЗ
и
адаптивных
алгоритмов
функционирования
,
активное
внедре
-
ние
микропроцессорной
техники
,
рас
-
ширение
использования
и
улучшение
каналов
связи
,
конкуренция
произво
-
дителей
.
Проблемы и
технические
решения
резервирования
Владимир НАГАЙ, профессор, д.т.н.,
Южно-Российский государственный политехнический
университет (НПИ) имени М.И. Платова,
Иван НАГАЙ, к.т.н.,
филиал ЭНЕКС (ОАО) — «Южэнергосетьпроект»
101
№
4 (31) 2015
Определённые
вызовы
представляет
обеспече
-
ние
должного
технического
совершенства
резерв
-
ных
защит
с
относительной
селективностью
.
Рас
-
пространение
новых
принципов
построения
сетей
приводит
к
необходимости
решения
проблем
обе
-
спечения
защитных
функций
для
сетей
с
распреде
-
лённой
генерацией
,
активно
-
адаптивных
сетей
и
т
.
д
.
Однако
некоторые
вызовы
для
резервных
защит
вы
-
званы
не
текущим
развитием
и
новациями
объектов
защиты
,
а
наследием
бурно
развивавшейся
в
тяжё
-
лых
условиях
советской
энергетики
,
в
частности
,
в
форме
подстанций
с
упрощёнными
схемами
первич
-
ных
и
вторичных
соединений
.
В
условиях
сокраще
-
ния
инвестиций
в
энергетику
и
нарастающего
износа
основного
оборудования
и
РЗА
возможен
рост
ава
-
рийности
,
что
требует
соответственно
эффективных
технических
решений
,
позволяющих
обеспечить
ре
-
зервирование
защит
и
коммутационного
оборудова
-
ния
таких
подстанций
.
Проблема
усугубляется
для
подстанций
с
трансформаторами
малой
мощности
менее
10
МВА
и
на
транзитных
ВЛ
.
В
настоящей
статье
рассматриваются
вопросы
повышения
эффективности
резервных
защит
от
-
ветвительных
и
промежуточных
подстанций
,
яв
-
ляющихся
одним
из
основных
источников
питания
потребителей
,
что
предполагает
обеспечение
их
высокой
надёжности
и
требует
применения
систе
-
мы
резервирования
с
высоким
техническим
совер
-
шенством
.
Распознавание
аварийных
режимов
за
трансформаторами
мощностью
2,5—25
МВА
(
рис
. 1)
защитами
дальнего
резервирования
(
ДР
)
затруд
-
нено
из
-
за
сопоставимости
токов
КЗ
за
резервиру
-
емыми
трансформаторами
с
токами
нагрузки
,
бро
-
сками
намагничивающего
тока
(
БНТ
),
токами
пуска
и
самозапуска
мощных
высоковольтных
электро
-
двигателей
(
ЭД
) [1—8],
токами
коммутации
батарей
конденсаторов
(
БК
),
наличия
переходных
сопротив
-
лений
в
месте
повреждения
,
малых
уровней
напря
-
жений
симметричных
составляющих
на
шинах
в
ме
-
сте
установки
защит
.
Замена
короткозамыкателей
и
отделителей
на
выключатели
на
данных
подстан
-
циях
не
привела
к
кардинальному
решению
пробле
-
мы
резервирования
.
Эффективность
резервирования
трансформа
-
торов
рассматриваемых
подстанций
защитами
на
электромеханической
и
микроэлектронной
базе
ори
-
ентировочно
представлены
в
табл
. 1.
В
существен
-
ной
степени
чувствительность
защит
ДР
определя
-
ется
максимальными
нагрузками
питающих
линий
,
наличием
двигательной
нагрузки
на
стороне
низше
-
го
напряжения
(
НН
)
трансформаторов
,
двух
-
и
мно
-
гостороннего
питания
как
со
стороны
высшего
на
-
пряжения
(
ВН
),
так
и
со
стороны
низшего
(
среднего
)
напряжения
,
что
особенно
актуально
при
внедрении
систем
распределённой
генерации
.
Иллюстрацией
актуальности
проблемы
рас
-
познавания
повреждений
за
трансформаторами
являются
области
допустимых
и
аварийных
режи
-
Рис
. 1.
Схема
защищаемой
сети
Табл
. 1.
Эффективность
резервирования
повреждений
за
трансформаторами
ответвительных
подстанций
ВЛ
и
тип
нагрузки
подстанций
Дальнее
резервирование
:
эффективно
—
■
неэффективно
—
■
Мощность
трансформаторов
,
МВА
2,5
4
6,3
10
16
25
32
Транзитная
с
ЭД
без
ЭД
Радиальная
с
ЭД
без
ЭД
102
СЕТИ РОССИИ
мов
рассматриваемых
подстанций
,
подключённых
к
транзитной
ВЛ
(
рис
. 2).
При
этом
отмечено
пере
-
сечение
областей
токов
нагрузочных
и
аварийных
режимов
при
трёхфазном
коротком
замыкании
за
трансформатором
мощностью
10
МВА
ответвитель
-
ной
подстанции
как
со
стороны
питающей
подстан
-
ции
(
области
1, 2),
так
и
со
стороны
приёмной
под
-
станции
(
области
3, 4).
За
базовый
ток
принят
ток
металлического
КЗ
за
упомянутым
трансформато
-
ром
.
Данные
области
построены
с
учётом
влияния
переходного
сопротивления
в
месте
повреждения
,
не
превышающего
30%
от
полного
сопротивления
защищаемого
трансформатора
.
РАСПОЗНАВАЕМЫЕ
РЕЖИМЫ
И
ВЛИЯЮЩИЕ
ФАКТОРЫ
Как
упоминалось
выше
,
распознаваемыми
ре
-
жимами
резервных
защит
трансформаторов
ответ
-
вительных
и
промежуточных
подстанций
являются
:
максимальные
нагрузочные
режимы
,
пуски
(
само
-
запуски
)
высоковольтных
электродвигателей
,
вклю
-
чение
нагрузки
в
режиме
АПВ
,
коммутации
батарей
конденсаторов
,
включение
трансформаторов
на
хо
-
лостой
ход
,
сопровождающееся
БНТ
,
междуфазные
короткие
замыкания
(
двухфазные
и
трёхфазные
),
неполнофазные
режимы
(
НПФР
),
а
также
сочетание
указанных
выше
режимов
(
рис
. 3).
Кроме
этого
,
необходимо
учитывать
влияющие
факторы
,
например
,
наличие
переходного
сопро
-
тивления
в
месте
КЗ
,
погрешности
измерительных
трансформаторов
тока
и
напряжения
.
Наличие
на
подстанциях
мощной
двигательной
нагрузки
приводит
к
увеличению
модулей
и
аргумен
-
тов
токов
и
движению
их
векторов
в
сторону
области
аварийных
режимов
.
Так
,
модуль
пускового
тока
I
*1
со
стороны
питающей
ПС
в
базисе
тока
металличе
-
ского
короткого
замыкания
I
T
i
за
защищаемым
транс
-
форматором
равен
[1]:
I
*1
=
√
m
2
+ 1 + 2
m
cos(
φ
H
-
φ
T
) ,
где
m =
I
П
/
I
T
i
= -
k
U
cos(
φ
П
-
φ
T
) +
√
k
2
U
cos(
φ
П
-
φ
T
) - (
k
2
U
-1),
аргументы
токов
нагрузки
I
НГ
находятся
в
диапазоне
φ
H
= -(10
o
—30
o
),
аргументы
токов
пуска
I
n
и
КЗ
транс
-
форматора
I
T
i
соответственно
—
φ
П
= -(50
o
—70
o
)
и
φ
Т
= -85
o
,
напряжение
успешного
пуска
(
самозапуска
)
ЭД
U
ДВ
≥
k
U
U
ном
, k
U
= 0,55—0,7;
U
ном
—
номинальное
значение
напряжения
.
Наличие
же
переходного
сопротивления
при
-
водит
к
смещению
области
аварийных
режимов
к
области
пусковых
режимов
ЭД
и
возможному
их
пересечению
.
Переходное
сопротивление
при
меж
-
дуфазных
КЗ
определяется
параметрами
электри
-
ческой
дуги
,
горящей
между
токоведущими
частя
-
ми
.
Как
правило
,
напряжение
на
ней
не
превышает
U
Д
= (0,3 — 0,4)
U
ном
,
а
сопротивление
короткозам
-
кнутой
цепи
Z
ТП
с
трансформатором
с
учётом
пере
-
ходного
сопротивления
электрической
дуги
[1]
будет
равно
:
Z
ТП
= Z
Т
┌
│
└
j
2
A
Д
sin
φ
Т
+ cos
φ
Т
(
2
A
Д
- 6U
2
*
Д
) +
√
(6
U
2
*
Д
cos
φ
Т
)
2
-12
A
Д
U
2
*
Д
┐
│
┘
/ 2
A
Д
,
где
z
Т
, R
T
, X
T
—
полное
,
активное
и
реактив
-
ное
сопротивления
трансформатора
;
А
Д
= 3
U
2
*
Д
-1;
U
*
Д
=
U
Д
/
U
ном
—
напряжение
на
столбе
дуги
,
отнесён
-
ное
к
номинальному
напряжению
.
Эффективность
распознавания
аварийных
и
пу
-
сковых
режимов
увеличивается
при
контроле
пара
-
метров
не
только
модулей
и
аргументов
токов
,
но
Рис
. 2.
Области
токов
нагрузочных
(1, 3)
и
аварийных
(2, 4, 5, 6)
режимов
транзитной
воздушной
линии
с
ответвительными
ПС
для
передающей
(1, 2, 5)
и
приёмной
(3, 4, 6)
её
сторон
Рис
. 3.
Допустимые
и
аварийные
режимы
,
распознаваемые
резервной
защитой
103
№
4 (31) 2015
и
параметров
других
информационных
признаков
,
приведённых
на
рис
. 4.
При
этом
контроль
свето
-
вого
потока
от
столба
дуги
(
освещённости
) (4)
и
на
-
пряжения
нулевой
последовательности
на
сторонах
среднего
и
низшего
напряжения
(8)
возможен
при
построении
защит
ближнего
резервирования
или
дуговых
защит
.
Необходимо
отметить
относитель
-
ную
стабильность
реактивной
составляющей
сопро
-
тивления
(2)
короткозамкнутой
цепи
и
изменение
её
активной
составляющей
из
-
за
нестационарности
горения
электрической
дуги
(1, 3).
Зачастую
повреж
-
дения
на
стороне
низшего
напряжения
,
особенно
в
ячейках
КРУ
,
имеют
развивающийся
характер
(7, 8),
а
при
горении
дуги
при
трёхфазных
КЗ
наблюдается
несимметрия
(
ток
обратной
последовательности
до
-
стигает
15%
от
тока
прямой
последовательности
(6)).
Из
-
за
нелинейного
характера
вольт
-
амперной
харак
-
теристики
столба
электрической
дуги
в
напряжении
наблюдаются
высшие
гармонические
составляющие
(
наибольшее
значение
имеют
вторая
,
третья
и
пятая
гармоники
(5)).
Безусловно
,
высшие
гармонические
составляющие
уменьшаются
по
мере
удаления
от
места
повреждения
,
что
затрудняет
их
контроль
.
В
рассматриваемых
сетях
также
не
исключены
режимы
продольно
-
поперечной
несимметрии
НПФР
,
обусловленные
разрывом
фазных
проводов
воз
-
душных
линий
и
одновременным
КЗ
в
сети
высшего
или
низшего
напряжения
.
Например
,
обрыв
фазно
-
го
провода
с
одновременным
КЗ
со
стороны
транс
-
форматора
ответвительной
ПС
не
сопровождается
повышением
токов
до
уровней
,
сопоставимых
с
то
-
ками
КЗ
.
При
этом
в
большинстве
случаев
релейные
защиты
ВЛ
с
ответвительными
или
проходными
ПС
не
обладают
достаточной
чувствительностью
к
рас
-
сматриваемым
режимам
[1—8],
несмотря
на
то
,
что
это
может
привести
не
только
к
потерям
энергии
в
распределительных
сетях
,
но
и
вызвать
поврежде
-
ния
трансформаторов
из
-
за
длительного
протекания
токов
,
превышающих
их
номинальные
токи
в
2—4
раза
[1, 4, 6, 8],
электродвигателей
,
перенапряжения
в
незаземлённых
нейтралях
силовых
трансформа
-
торов
,
повреждения
измерительных
трансформато
-
ров
напряжения
,
возможное
излишнее
действие
РЗ
на
смежной
параллельной
линии
.
Разрыв
фазы
и
даже
её
КЗ
со
стороны
питаемой
подстанции
,
в
кото
-
рой
установлен
короткозамыкатель
,
может
повлечь
невозможность
отключения
повреждённой
ПС
со
стороны
питающей
подстанции
.
Это
обусловлено
,
с
одной
стороны
,
как
правило
,
недостаточной
чувстви
-
тельностью
РЗ
,
питающей
ПС
,
и
малым
изменени
-
ем
тока
КЗ
при
включении
короткозамыкателя
,
т
.
к
.
в
этом
случае
его
уровень
изменяется
не
более
чем
на
5—10% [1, 7, 8].
ПУТИ
РЕШЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ
Анализ
аварийных
и
допустимых
режимов
,
про
-
ведённый
выше
,
свидетельствует
о
наличии
пробле
-
мы
их
распознаваемости
на
основе
использования
традиционных
информационных
признаков
(
модули
,
аргументы
токов
и
сопротивлений
,
см
.,
например
,
рис
. 2).
В
то
же
время
использование
других
инфор
-
мационных
признаков
,
в
том
числе
и
аварийных
со
-
ставляющих
токов
,
сопротивлений
(
их
приращений
,
см
.
рис
. 2)
позволяет
разделить
данные
области
(1
и
5)
и
(3
и
6)
соответственно
.
На
основании
это
-
го
можно
сделать
вывод
,
что
эффективными
путя
-
ми
повышения
чувствительности
релейной
защиты
дальнего
резервирования
является
расширение
информационной
базы
(
использование
принципа
многопараметрических
защит
)
и
реализация
её
из
-
мерительных
органов
на
основе
адаптации
к
режиму
защищаемой
сети
и
с
контролем
аварийных
состав
-
ляющих
токов
и
сопротивлений
[1, 2, 7—9].
При
реализации
многопараметрических
защит
(
рис
. 5)
предполагается
расширение
пространства
информационных
признаков
(1—4)
с
контролем
их
параметров
во
взаимосвязи
друг
с
другом
.
В
част
-
ности
,
это
позволяет
выявлять
развивающиеся
по
-
вреждения
(
переход
двухфазных
КЗ
в
трёхфазные
Рис
. 4.
Информационные
признаки
КЗ
через
переходное
сопротивление
электрической
дуги
104
СЕТИ РОССИИ
(5))
и
обеспечивать
коррекцию
контролируемых
сиг
-
налов
(6)
из
-
за
изменения
параметров
нагрузки
как
на
повреждённой
ПС
,
так
и
на
смежных
под
-
станциях
,
в
частности
с
учётом
статических
характеристик
нагрузки
.
Весьма
важным
явля
-
ется
контроль
состояния
коммутационных
ап
-
паратов
и
устройств
смежных
устройств
РЗА
на
защищаемой
ПС
(7),
что
позволяет
обеспе
-
чить
снижение
выдержек
времени
резервных
защит
и
в
ряде
случаев
повысить
их
чувстви
-
тельность
.
Наличие
обмена
информацией
между
подстанциями
транзитных
ВЛ
с
помо
-
щью
устройств
передачи
аварийных
сигналов
и
команд
(
УПАСК
) (
рис
. 1)
также
позволяет
до
-
стичь
указанного
выше
результата
.
Рассмотренные
подходы
к
построению
резервных
защит
реализованы
в
ряде
ми
-
кропроцессорных
шкафов
ШЭ
2607 021/3
и
«
Бреслер
-0104.030»
отечественных
электро
-
Рис
. 5.
Построение
многопараметрических
резервных
защит
технических
фирм
ООО
«
НПП
«
ЭКРА
»
и
ООО
«
НПП
«
Бреслер
»
и
терминалов
КЕДР
-07
и
МСРЗ
-01
ДР
,
МСРЗ
-01
БР
,
разработанных
под
руководством
авто
-
ров
данной
работы
в
НИИ
энергетики
ЮРГПУ
(
НПИ
)
в
рамках
НИОКР
ДЗО
ОАО
«
Россети
» [9]
и
Согла
-
шения
№
14.579.21.0083
с
Минобрнауки
России
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Нагай
В
.
И
.
Релейная
защита
ответвительных
подстанций
электрических
сетей
. —
Энерго
-
атомиздат
, 2002. — 312
с
.
2.
Нагай
И
.
В
.
Формирование
характеристик
сра
-
батывания
резервных
защит
воздушных
линий
с
ответвлениями
//
Изв
.
ВУЗов
.
Электромехани
-
ка
. —
№
2. — 2011. —
с
. 56—61.
3.
Маруда
И
.
Ф
.
Решение
проблемы
релейной
защи
-
ты
тупиковых
ВЛ
110—220
кВ
параллельного
следования
со
взаимоиндукцией
//
Энергетик
. —
2001. —
№
6. —
с
. 28—29.
4.
Маруда
И
.
Ф
.
Релейная
защита
линий
110—220
кВ
при
разрывах
фаз
//
Электрические
станции
. —
2002. —
№
1. —
с
. 40—42.
5.
Маруда
И
.
Ф
.
Релейная
защита
проходных
под
-
станций
без
трансформаторов
напряжения
на
стороне
110
кВ
//
Электрические
станции
. —
1999. —
№
4.—
с
. 52—56.
6.
Маруда
И
.
Ф
.
Релейная
защита
понижающих
трансформаторов
от
коротких
замыканий
на
линиях
при
разрывах
фаз
//
Электрические
стан
-
ции
. — 2003. —
№
2. —
с
. 44—46.
7.
Нагай
В
.
В
.
Анализ
распознаваемости
несим
-
метричных
коротких
замыканий
за
транс
-
форматорами
ответвительных
и
проходных
подстанций
//
Изв
.
вузов
.
Технические
науки
. —
2003. —
Спецвыпуск
. —
с
. 46—49.
8.
Нагай
И
.
В
.
Обеспечение
функций
дальнего
ре
-
зервирования
релейной
защиты
трансформа
-
торов
в
условиях
продольно
-
поперечной
не
-
симметрии
//
Изв
.
ВУЗов
.
Сев
-
Кав
.
регион
.
Техн
.
науки
. — 2011. —
№
5. —
с
. 19—24.
9.
Харун
Г
.,
Литаш
Б
.
Инновационная
защита
дальнего
и
ближнего
резервирования
трансфор
-
маторов
//
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
.
Передача
и
рас
-
пределение
. — 2015. —
№
2(29)
март
-
апрель
. —
с
. 88—92.
Оригинал статьи: Проблемы и технические решения резервирования
Устойчивое функционирование современных электроэнергетических систем невозможно без оснащения их релейной защитой и автоматикой (РЗА), обеспечивающих отключение повреждённых элементов при коротких замыканиях (КЗ), неполнофазных режимах и недопустимых перегрузках. Как правило, релейная защита (РЗ) выполняется в виде автономных устройств, объединённых в систему защиты, хотя сейчас в связи с развитием микропроцессорной техники и применением современных каналов связи и протоколов коммуникации, например, МЭК 61850, рассматривается возможность защиты нескольких объектов вплоть до всей подстанции (ПС) одним комплексом РЗА. Однако отличие традиционного подхода заключается в том, что объединение отдельных защит в систему не исключает их автономного действия. Принцип действия РЗ выбирается с учётом исключения «мёртвых» зон, а философия построения релейной защиты предполагает многократное резервирование, что практически исключает невозможность ликвидации аварийной ситуации.
