Разработка модели релейной защиты, способной анализировать внешние факторы и корректировать величину уставки

Page 1

Page 2

релейная защита и автоматика

Разработка модели
релейной защиты, способной
анализировать внешние
факторы и корректировать
величину уставки

УДК 621.311:621.316.925

Ахмедова

старший преподаватель

кафедры «Электро-

снабжение промыш-

ленных предприятий»

Камышинского техно-

логического института

(филиала) ФГБОУ ВО

«ВолгГТУ»

Сошинов

к.т.н., доцент, замести-

тель директора инсти-

тута по учебной работе,

заведующий кафедрой

«Электроснабжение

промышленных пред-

приятий» Камышин-

ского технологического

института (филиала)

ФГБОУ ВО «ВолгГТУ»

Устройства

релейной

защиты

автоматики

обладают

не

только

функциями

защит

но

дополнительными

возможностями

такими

как

определение

места

повреждения

запись

осциллограмм

аварийных

ситуаций

контроль

параметров

сети

заложенными

производителями

отличие

от

предшественников

ми

кропроцессорные

терминалы

обладают

высокой

точностью

установке

параме

тров

защиты

Но

несмотря

на

это

устройства

релейной

защиты

до

сих

пор

могут

срабатывать

ложно

», «

излишне

или

же

не

сработать

».

Причина

такого

по

ведения

микропроцессорных

терминалов

заключается

отсутствии

учета

внеш

них

факторов

воздействующих

на

воздушные

линии

электропередачи

связи

чем

при

определенных

условиях

погрешность

может

превышать

нормируемое

5%-

ное

значение

рассчитанное

лишь

для

нормальных

погодных

условий

Ключевые

слова

релейная защита,

коэффициент чувстви-

тельности, микропро-

цессорные терминалы,

адаптивная уставка

араметры воздушных линий электропередачи (ВЛЭП)

используются алгоритмами многих устройств релейной

защиты и автоматики. Правильное их определение не-

обходимо для обеспечения корректного функциониро-

вания систем релейной защиты и автоматики. При определении

продольных и поперечных параметров ВЛЭП используют усреднен-

ные данные, такие как проводимость грунта, физические свойства

проводников, атмосферные условия и геометрическое расположе-

ние фазных проводников относительно поверхности земли и друг

друга, которые принимаются неизменными. Устройства релейной

защиты и автоматики (УРЗА) могут функционировать некорректно

(сработать ложно или излишне, или неверно определить расстоя-

ние до места повреждения), если их уставки не отражают реального

состояния контролируемой ВЛЭП. Актуальным является уточнение

параметров воздушных линий электропередачи для верного опре-

деления уставок релейной защиты с применением имитационных

моделей.

АНАЛИЗ

ЗАВИСИМОСТИ

ПОГОННЫХ

ПАРАМЕТРОВ

ВОЗДУШНОЙ

ЛИНИИ

ОТ

ПОГОДНЫХ

УСЛОВИЙ

Традиционно в качестве резервных защит, устанавливаемых на ли-

ниях электропередачи, применяются максимально-токовые защиты

(МТЗ), дистанционные защиты (ДЗ) и токовые защиты нулевой по-

следовательности (ТЗНП). При этом МТЗ и ДЗ предназначены для

выявления междуфазных коротких замыканий, а ТЗНП — для выяв-

ления однофазных и двухфазных КЗ на землю [1, 2, 3–5, 6].

Рассмотрим традиционный алгоритм работы дистанционной за-

щиты, основанный на контроле изменения сопротивления.

Контролируя изменение сопротивления, можно определить факт

возникновения короткого замыкания и оценить удаленность точки ко-

роткого замыкания.

Page 3

Известно, что сопротивление грунта в большин-

стве регионов РФ значительно изменяется в течение

года, но при расчетах уставки срабатывания данное

колебание никак не учитывается и принимается по-

стоянное табличное значение.

На рисунке 1 представлены зависимости реактив-

ного сопротивления провода при различных сопро-

тивлениях грунта от сезонных колебаний влажности

и температуры по месяцам.

При взаимном проецировании зависимостей, гра-

фически представленных на рисунке 1, наблюдается

совпадение трендов кривых от изменения по меся-

цам, следовательно, независимо от структуры грунта

сохраняется четкая сезонная зависимость, которую

необходимо учитывать при расчете сопротивления

провода.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ

ВЛИЯНИЯ

ВНЕШНИХ

ПОГОДНЫХ

УСЛОВИЙ

НА

СОПРОТИВЛЕНИЕ

ГРУНТА

Измерение сопротивления заземления прибором

М-416 основано на компенсационном методе с при-

менением вспомогательного заземлителя и потен-

циального электрода (зонда). Лабораторная экс-

периментальная установка также содержит блок

измерения влажности грунта.

Из анализа экспериментальных данных про-

слеживается четкая зависимость между сопротив-

лением грунта и влажностью почвы, на основании

которых были построены следующие зависимости

(рисунок 2).

Любые виды грунтов в абсолютно сухом состо-

янии имеют большое удельное сопротивление, так

как сухие соли, безводные кислоты, твердые осно-

вания практически не проводят электрический ток.

При увлажнении грунта из-за растворения в воде со-

лей, кислот и оснований, а также из-за проводимости

воды удельное сопротивление грунта уменьшится

на несколько порядков. На основании эксперимен-

тальных данных, резкое снижение удельного сопро-

тивления грунта происходит при влажности 15–20%

для песка и 20–30% для суглинка. Дальнейшее уве-

личение влажности грунта (независимо от его вида)

практически не влияет на его сопротивление, но при

достижении увлажненности более 70–80% снизится

концентрация растворимых в воде веществ и, соот-

ветственно, сопротивление немного увеличится.

Анализ зависимости величины сопротивления

грунта от температуры представлен на рисунке 3,

эксперимент проводился в диапазоне температур

грунта от –15 до +15°С. Изменение удельного сопро-

тивления грунта по месяцам приведено на рисунке 4.

Из экспериментальных данных следует, что с уве-

личением температуры удельное сопротивление

грунта уменьшается, так как возрастает концентра-

ция ионов в растворе, но данный процесс прослежи-

вается до момента начала испарения влаги, затем

сопротивление грунта резко возрастет. Стремитель-

ный нагрев грунта до 100°С происходит при про-

хождении тока короткого замыкания, высушивание

грунта за счет быстрого испарения влаги приводит

к резкому увеличению сопротивления в верхнем слое

Рис

. 1.

Зависимости

реактивного

сопротивления

прово

да

при

различных

сопротивлениях

грунта

от

сезонных

колебаний

влажности

температуры

по

месяцам

Рис

. 2.

Изменение

удельного

сопротивления

грунта

зависимости

от

содержания

нем

влаги

Рис

. 3.

Зависимость

удельного

сопротивления

грунта

(

суглинок

)

от

температуры

Рис

. 4.

Изменение

удельного

сопротивления

грунта

по

месяцам

№

4 (61) 2020

Page 4

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

почвы толщиной около 50–60 см, следовательно, не-

обходимо рассматривать сопротивление грунта как

многослойного. Анализ слоистой структуры грунта

был экспериментально исследован при различных

погодных условиях, и экспериментальные данные

представлены на рисунке 4. Для исследования со-

противления на глубине 2,5 метров использовался

изолированный электрод по всей поверхности, за

исключением 10 см на конце электрода, для произ-

ведения измерений сопротивления грунта на требу-

емой глубине без распределения по всей площади

погруженного в грунт электрода.

На рисунке 4 представлены данные анализа

с июля по декабрь, за оставшиеся полгода — данные

аналогичные, так как идет смена сухого и влажного

сезонов.

Уменьшение удельного сопротивления прослежи-

валось осенью и весной, так как в эти периоды про-

исходит таяние снега и обильные дожди, которые

увеличивают содержание влаги в почве. А в зимний

и летний периоды сопротивление грунта возрастает

из-за вымерзания либо испарения влаги. Из анализа

экспериментальных данных следует, что наибольше-

му влиянию сезонных колебаний подвержены верх-

ние слои грунта, более глубокие слои обладают бо-

лее стабильным сопротивлением.

При замерзании влаги в грунте (при температуре

0°С и ниже) удельное сопротивление льда выше, чем

сопротивление воды из-за содержания в воде солей.

Поэтому образовавшийся в грунте лед в виде тонких

прослоек не проводит ток и препятствует его прохож-

дению по грунту, тем самым уменьшая проводящее

сечение и удлиняя путь тока. Дальнейшее пониже-

ние температуры также приводит к увеличению со-

противления грунта, но с меньшей интенсивностью.

АНАЛИЗ

ЗАВИСИМОСТИ

УСТАВКИ

СРАБАТЫВАНИЯ

РЗ

ПРИ

РАЗЛИЧНЫХ

ВИДАХ

ПОВРЕЖДЕНИЙ

ОТ

ВЕЛИЧИНЫ

СОПРОТИВЛЕНИЯ

ГРУНТА

В дистанционной защите (рисунок 5) измерительным

органом является орган сопротивления. Характери-

стической величиной, на которую он реагирует, яв-

ляется отношение подводимых напряжения и тока.

Исполнительный орган сопротивления выполняется

минимальным и срабатывает при снижении характе-

ристической величины

до сопротивления сраба-

тывания

ср

, а возвращается при возрастании

до

сопротивления возврата

вр

. Выполнение измери-

тельного органа сопротивления минимальным опре-

деляется изменением характеристической величины

при изменении режима от рабочего к режиму корот-

кого замыкания (КЗ) [6].

При однофазных КЗ сопротивление на входе из-

мерительного органа сопротивления больше чем

при многофазных КЗ в той же точке, поэтому из-

мерительный орган сопротивления не

может сработать излишне [7]. Но появ-

ляется вопрос, сработает ли защита при

данном виде повреждения корректно,

если ее уставка напрямую зависит от со-

противления, то есть при определенных

условиях является пропорциональной

расстоянию от места установки защиты

до места КЗ при условии, что изменчивы-

ми внешними параметрами окружающей

среды пренебрегают? Динамика измене-

ния сопротивления уставки защиты при

однофазном КЗ и изменении сопротив-

ления грунта представлена на рисунке 6.

Из анализа полученных данных видно,

что изменение сопротивления устав-

ки защиты находится в пределах от 14%

(сопротивление грунта 20 Ом∙м) до 28%

(сопротивление грунта 1000 Ом∙м) отно-

сительно сопротивления, рассчитанного

при симметричном повреждении. Следо-

вательно, дистанционная защита, являю-

щаяся минимальной, может не сработать

при несимметричных КЗ при условии вы-

сыхания грунта и увеличения его сопро-

тивления.

Анализ зависимостей выявил необхо-

димость разработки алгоритма функцио-

нирования устройств релейной защиты,

позволяющего производить расчет уста-

вок тока срабатывания в зависимости от

вида повреждения, а также производить

селекцию коротких замыканий с опреде-

лением поврежденных фаз.

Рис

. 5.

Структурная

схема

дистанционной

защиты

AKB

kBV

Рис

. 6.

Изменения

сопротивления

уставки

защиты

при

однофазном

КЗ

при

изменении

сопротивления

грунта

ВЛ

ПС

Красный

Яр

» —

Рудня

Волгоградской

области

100

110

120

130

-40

-30

-20

-10

Сопротивлени

е, Ом

Температура окружающей среды, °С

= 1000

= 600

= 100

= 20

Page 5

РАЗРАБОТКА

УСТРОЙСТВА

УПРАВЛЯЮЩЕЙ

СИСТЕМЫ

РЕЛЕЙНОЙ

ЗАЩИТЫ

АДАПТИВНОЙ

УСТАВКОЙ

Структурная схема системы релейной защиты

с адаптивной уставкой представлена на рисунке 7.

Головная подсистема состоит из принимающе-

го модема и компьютера диспетчера с установлен-

ным программным обеспечением. Периферийная

подсистема состоит из постов измерения и пере-

дачи.

Посты измерения планируется устанавливать на

опорах воздушных линий электропередачи. Выбор

места установки измерительного поста основыва-

ется на топологии прохождения ЛЭП: в местах, наи-

более подверженных гололедообразованию, и на

неоднородных рельефах грунта. За основу берется

многолетний опыт эксплуатации ВЛ.

Пост измерения состоит из трех гальванически

не связанных частей с обеспечением раздельного

питания: одна из них (модуль измерения темпера-

туры провода) крепится к проводу, вторая распо-

лагается на теле опоры, третья находится в грунте

у опоры, непосредственно под воздушной линией

электропередачи.

ВЫВОДЫ

В статье предложено решение проблемы более

точного определения уставок срабатывания за-

щиты воздушных линий электропередачи за счет

многопараметрической системы расчета. Из при-

веденных данных следует, что использование

блока коррекции уставки, учитывающего измене-

ние внешних климатических факторов, позволяет

уменьшить суммарную погрешность определения

тока срабатывания, тем самым увеличить точность

срабатывания, повысить надежность функциони-

рования части электрической системы, а также

увеличит зону чувствительности защиты.

Рис

. 7.

Структурная

схема

системы

релейной

микропроцессорной

защиты

адаптивной

уставкой

Пост передачи данных,

оснащенный датчиками

температуры провода

и воздуха, датчиком

тока в линии

Датчик влажности почвы

Радиосвязь

GSM-связь

Порт связи

USB или RS485

ЛИТЕРАТУРА
1. Рубинчик В.А. Резервирование отключения коротких

замыканий в электрических сетях. М.: Энергоатомиз-

дат, 1985. 120 с.

2. Фигурнов Е.П., Жарков Ю.И., Петрова Т.Е. Релейная

защита сетей тягового электроснабжения переменного

тока: учеб. пособие для студентов вузов железнодо-

рожного транспорта. М.: Издательство Маршрут, 2006.

272 с.

3. Фигурнов Е.П. Релейная защита устройств электро-

снабжения железных дорог: учебн. для вузов ж.д.

трансп. М.: Транспорт, 1981. 215 с.

4. Фигурнов Е.П. Релейная защита: учебн. для студентов

электротехнических и электромеханических специ-

альностей трансп. и др. вузов. К.: Транспорт Украины,

2004. 565 с.

5. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита

энергетических систем: учеб. пособие для техникумов.

М.: Энергоатомиздат, 1998. 800 с.

6. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электро-

энергетических систем: учеб. пособие. Под ред.

А.Ф. Дьякова. М.: Издательство МЭИ, 2002. 296 с.

7. Крючков И.П., Старшинов В.А., Гусев Ю.П., Пираторов

М.В. Переходные процессы в электроэнергетических

системах: учебник для вузов. Под ред. И.П. Крючкова.

М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 416 с.

8. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических

системах: учеб. пособие. Новосибирск: НГТУ, М.: Мир:

ООО «Издательство АСТ», 2003. 283 с.

9. Akhmedova O.O. Review of operation algorithms of sen-

sitive protection systems. Modern Science Progress, 2017,

no. 4, vol. 4, pp. 68-71.

10. Akhmedova O.O. Development of the algorithm of func-

tioning of the managing system of high-speed relay pro-

tection of the air-line of the electricity transmission. Modern

Science Intensive Technologies, 2018, no. 3, pp. 7-13.

11. Akhmedova O.O. The speciﬁ ed algorithm of calculation

of active resistance of the air-line of the electricity trans-

mission taking into account weather

conditions. International applied and

fundamental research journal, 2016,

no. 12(3), pp. 387-398.
12. Hai Yang Zhang, Shan De Li. Design

of adaptive line protection under smart

grid. International Conference on Ad-

vanced Power System Automation and

Protection, 2011, no. 1, pp. 599-603.
13. Zapata-Castro J., López-Lezama J.M.

Optimal coordination of directional

overcurrent relays operating as backup

protection in electrical power system /

IEEE Central America and Panama

Convention (CONCAPAN XXXIV),

2014, pp. 1-6.
14. Wen Hao Zhang, Li Jun Jin, Shu Jia

Yan. Ann adaptive relaying algorithm for

the protection of distribution networks in-

tegrated with wind farms / International

Conference on Advanced Power Sys-

tem Automation and Protection, 2011,

no. 1, pp. 564-567.
15. Ming-yu Yang, Yong-li Zhu. A Co-

operative Protection System with

№

4 (61) 2020

Page 6

Как

реализовать

гибкость

системе

распределения

энергии

Присоединяйтесь

онлайн

22–23

сентября

2020

года

Приглашаем

участию

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

И АВТОМАТИКА

Multi-Agent System / IEEE/PES Transmission & Distri-

bution Conference & Exposition: Asia and Paciﬁ c, 2005,

pp. 1-4.

16. Akhmedova O.O. The analysis of running parameters of air-

line of the electricity transmission in case of the accounting

of ﬁ nite conductivity of the Earth. Modern Science and

Education Success, 2017, no. 4, is. 4, pp. 130-132.

17. Гуревич В.И. Микропроцессорные реле защиты. Устрой-

ство, проблемы, перспективы. М.: Инфра-Инженерия,

2011. 336 с.

REFERENCES
1. Rubinchik V.A. Backup of short-circuit clearing in electrical

networks. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985. 120 p.

(In Russian)

2. Figurnov E.P., Zharkov Yu.I., Petrova T.E. Relay protection

of AC traction power supply networks: study guide for stu-

dents of railway transport universities. Moscow, Marshrut

Publ., 2006. 272 p. (In Russian)

3. Figurnov E.P. Relay protection of railway power supply

equipment: study guide for railway transport universities.

Moscow, Transport Publ., 1981. 215 p. (In Russian)

4. Figurnov E.P. Relay protection: study guide for students of

electromechanics of transport and other universities. Kiev,

Transport Ukrainy Publ., 2004. 565 p.

5. Chernobrovov N.V., Semenov V.A. Relay protection of

power systems: study guide for technical colleges. Mos-

cow, Energoatomizdat Publ., 1998. 800 p. (In Russian)

6. Bass E.I., Dorogutsev V.G. Relay protection of power sys-

tems: study guide. Edited by Diyakov A.F. Moscow, MEI

Publ., 2002. 296 p. (In Russian)

7. Kryuchkov I.P., Starshinov V.A., Gusev Yu.P., Piratorov

M.V. Transients in power systems: study guide for universi-

ties. Edited by Kryuchkov I.P. Moscow, MEI Publ., 2008.

416 p. (In Russian)

8. Kulikov Yu.A. Transients in electrical systems: study guide.

Novosibirsk, NSTU Publ., Moscow, Mir Publ., OOO AST

Publishing company, 2003. 283 p. (In Russian)

9. Akhmedova O.O. Review of operation algorithms of sensi-

tive protection systems. Modern Science Progress, 2017,

no. 4, vol. 4, pp. 68-71.

10. Akhmedova O.O. Development of the algorithm of func-

tioning of the managing system of high-speed relay pro-

tection of the air-line of the electricity transmission. Modern

Science Intensive Technologies, 2018, no. 3, pp. 7-13.

11. Akhmedova O.O. The speciﬁ ed algorithm of calculation of

active resistance of the air-line of the electricity transmis-

sion taking into account weather conditions. International

applied and fundamental research journal, 2016, no. 12(3),

pp. 387-398.

12. Hai Yang Zhang, Shan De Li. Design of adaptive line pro-

tection under smart grid. International Conference on Ad-

vanced Power System Automation and Protection, 2011,

no. 1, pp. 599-603.

13. Zapata-Castro J., López-Lezama J.M. Optimal coordina-

tion of directional overcurrent relays operating as backup

protection in electrical power system / IEEE Central Amer-

ica and Panama Convention (CONCAPAN XXXIV), 2014,

pp. 1-6.

14. Wen Hao Zhang, Li Jun Jin, Shu Jia Yan. Ann adaptive

relaying algorithm for the protection of distribution networks

integrated with wind farms / International Conference on

Advanced Power System Automation and Protection,

2011, no. 1, pp. 564-567.

15. Ming-yu Yang, Yong-li Zhu. A Cooperative Protection Sys-

tem with Multi-Agent System / IEEE/PES Transmission &

Distribution Conference & Exposition: Asia and Paciﬁ c,

2005, pp. 1-4.

16. Akhmedova O.O. The analysis of running parameters of

air-line of the electricity transmission in case of the ac-

counting of ﬁ nite conductivity of the Earth. Modern Science

and Education Success, 2017, no. 4, is. 4, pp. 130-132.

17. Gurevich V.I. Microprocessor-based protection relays. De-

sign, problems, perspectives. Moscow, Infra-Inzheneriya

Publ., 2011. 336 p. (In Russian)

Оригинал статьи: Разработка модели релейной защиты, способной анализировать внешние факторы и корректировать величину уставки

Ключевые слова: релейная защита, коэффициент чувствительности, микропроцессорные терминалы, адаптивная уставка

Читать онлайн

Устройства релейной защиты и автоматики обладают не только функциями защит, но и дополнительными возможностями, такими как определение места повреждения, запись осциллограмм аварийных ситуаций, контроль параметров сети и т.д., заложенными производителями. В отличие от предшественников микропроцессорные терминалы обладают высокой точностью в установке параметров защиты. Но несмотря на это, устройства релейной защиты до сих пор могут срабатывать «ложно», «излишне» или же «не сработать». Причина такого поведения микропроцессорных терминалов заключается в отсутствии учета внешних факторов, воздействующих на воздушные линии электропередачи, в связи с чем при определенных условиях погрешность может превышать нормируемое 5%-ное значение, рассчитанное лишь для нормальных погодных условий.