№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.316.925
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ФАЗОПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА С ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ ДЛЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
© 2014 г. В.Ф. ЛАЧУГИН1, Д.И. ПАНФИЛОВ1, И.М. АХМЕТОВ1, М.Г. АСТАШЕВ1, А.В. ШЕВЕЛЕВ2
1Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского (ОАО "ЭНИН"), Москва 2Исследовательский центр "Бреслер" (ООО "ИЦ "Бреслер"), г. Чебоксары E-mail: lachugin@eninnet.ru
Анализируются проблемы функционирования дифференциальных токовых защит фазоповоротных устройств (ФПУ) с механически переключаемым коэффициентом трансформации шунтового трансформатора. Сформулированы требования к устройствам релейной защиты ФПУ с тиристорным коммутатором. На основе использования нелинейных моделей сериесного и шунтового трансформаторов ФПУ исследованы режимы работы основных защит при включении трансформаторов на холостой ход и на нагрузку и при возникновении короткого замыкания при опробовании ФПУ с повреждением. Обосновано применение принципа взаимного дублирования устройствами дифференциальной токовой защиты (с реализацией функции торможения) повреждений отдельных частей ФПУ с тиристорным коммутатором. Для обеспечения требуемой чувствительности защиты к замыканиям в обмотках шунтового трансформатора, в частности к витковым замыканиям, что не реализуется в дифференциальных токовых защитах ФПУ с механическим переключателем, выполнена разработка дифференциальной токовой защиты шунтового трансформатора, реагирующей на сумму первичных ампер-витков обмотки высшего напряжения и обмоток низшего напряжения этого трансформатора. Как показали исследования, использование дифференциальных токовых отсечек вместо максимальных токовых защит для шунтового трансформатора ФПУ позволяет обеспечить чувствительность при отказах в переключении тиристоров коммутатора с образованием короткозамкнутого контура. Приведены результаты моделирования для ФПУ с тиристорным коммутатором при его проектируемой установке в переключательном пункте вблизи от подстанции Восход на транзите ВЛ 220 кВ Восход — Татарская — Барабинск, характеризующие эффективность разработанных решений, обеспечивающих надежность функционирования ФПУ.
Ключевые слова: фазоповоротное устройство, тиристорный коммутатор, релейная защита, дифференциальные защиты, схемы, режимы, моделирование.
RELAY PROTECTION OF PHASE SHIFTING DEVICE WITH THYRISTOR SWITCH FOR HIGH VOLTAGE POWER TRANSMISSION LINES
V.F. Lachugin1, D.I. Panfilov1, ¡.М. Ahmetov1, М.а Astashev1, АЖ Shevelev2
1 G.M. Krzhizhanovsky Power Engineering Institute (JSC "ENIN"), Moscow 2 Research Center "Bresler" ("RC "Bresler", LLC), Cheboksary E-mail: lachugin@eninnet.ru
The problems of differential current protection functioning of phase-shifting devices (PSD) with mechanically switching shunt transformer voltage ratio are analyzed. Requirements for relay protection of PSD with thyristor switch are presented. Based on the use of nonlinear models of the PSD series and shunt transformers the regimes of work of the PSD main protections during PSD transformers energizing or switching on the load and in case of short circuit are investigated. The biased differential current protection duplication principle for the PSD with thyristor switch are substantiated. To ensure the protection sensitivity to the shunt transformer winding short circuit, in particular, to short circuit that is not implemented in the current differential protection for PSD with the mechanical switch the differential current protection reacting to the amount of primary ampere-turns of highvoltage and low-voltage winding of this transformer is designed. Studies have shown that the use of the differential current cutoff instead of overcurrent protection for the shunt transformer windings allows to provide the sensitivity during thyristor failure with the formation of a short circuit. The results of regime modeling for the PSD with thyristor switch, designed to be installed at switching point of the Voskhod—Tatarskaya—Barabinsk 220 kV transmission line are point out the efficiency of the developed solutions that ensure reliable functioning of the PSD.
Key words: phase-shifting device, thyristor switch, relay protection, differential protection, charts, regimes, modeling.
Введение
С развитием электроэнергетических систем распространение получают фазопово-ротные устройства (ФПУ), предназначенные для управления перетоками мощности по линиям электропередачи (ЛЭП) разных классов напряжения. Эти устройства, в частности, осуществляют сдвиг угла передачи ЛЭП путем введения в линию последовательно включенной регулируемой ЭДС. Схема передачи мощности по ЛЭП 500 и 220 кВ с применением ФПУ приведена на рис. 1. При этом передача мощности по ЛЭП 220 кВ, как правило, ограничивается условиями термической стойкости ее проводов, а ЛЭП 500 кВ оказывается недогруженной. Последовательное включение ФПУ в ЛЭП 220 кВ позволяет перераспределить часть мощности из ЛЭП 220 кВ в ЛЭП 500 кВ и таким образом повысить суммарную передаваемую мощность по обеим ЛЭП.
Существует несколько вариантов реализации ФПУ [1, 2]. Наиболее других распространена схема ФПУ (рис. 2), состоящая из сериесного (Т1) и шунтового (Т2) трансформаторов, в которой регулирование ЭДС в ЛЭП 220 кВ осуществляется путем изменения коэффициента трансформации шунтового трансформатора с помощью устройства, выполненного в виде механически переключаемого под нагрузкой устройства
ПС А
ПС В
500 кВ
220 кВ
ФПУ
Рис. 1. Схема передачи мощности по ЛЭП 500 и 220 кВ с применением ФПУ
Сериесный трансформатор
Рис. 2. Схема ФПУ с механическим регулятором
регулирования числа витков в обмотке низшего напряженния (НН) этого трансформатора (рис. 2а).
В качестве основных защит от внутренних повреждений ФПУ (помимо газовой защиты обоих трансформаторов) используются дифференциальные токовые защиты типа 87Р и 878 [3, 4]. Подключение защит к токовым цепям показано на рис. 2а. Эти защиты реагируют практически на все виды коротких замыканий (КЗ), но имеют существенный недостаток — нечувствительность дифференциального тока /диф к внутренним витковым замыканиям в шунтовом трансформаторе Т2 (точки Кв1 и Кв2 на рис. 2б).
Так, дифференциальная защита 87Р реагирует на ток, формируемый, согласно первому закону Кирхгофа для узла в средней точке сетевой обмотки Т1, как векторная сумма токов
^диф,87Р = 11 + 12 + 13.
Таким образом, в зону защиты 87Р включается обмотка высшего напряжения (ВН) Т2 и защита реагирует на многофазные и однофазные КЗ в ней и на вводах ВН Т2. При возникновении виткового замыкания в обмотке ВН Т2 (точка Кв1) первый закон Кирхгофа не нарушается и дифференциальный ток /диф87Р равен нулю. Следовательно, защита 87Р оказывается нечувствительной к указанным витковым повреждениям.
Дифференциальная защита 878 реагирует на векторную сумму ампер-витков обмоток сериесного трансформатора в соответствии с законом полного тока
1диф,878 = Ъ™со — ^^со + Ь^во.
Поэтому в зону защиты 878 включается обмотка НН Т2 и защита реагирует только на многофазные и однофазные КЗ в этой обмотке и на вводах НН Т2. При возникновении виткового замыкания в точке Кв2 (как и в точке Кв1), как видно из рис. 2б, закон полного тока для обмоток сериесного трансформатора не нарушается и дифференциальный ток 1диф878 сохраняется приблизительно равным нулю. Таким образом, защита 878 также оказывается нечувствительной к витковым замыкания в обмотках Т2.
Рис. 3. Схема ФПУ с тиристорным коммутатором
Поэтому функция отключения витковых замыканий в шунтовом трансформаторе Т2 возлагается на газовую защиту, которая, однако, обладает недостаточным быстродействием. Эта особенность функционирования защиты ФПУ противоречит современным требованиям использования для защиты трансформаторов от всех видов КЗ и повреждений, в т.ч. витковых, высокочувствительной продольной дифференциальной токовой защиты без выдержки времени с током срабатывания 0,3—0,5 /ном, существенно меньшим номинального тока трансформатора.
ОАО "ЭНИН" по заданию ОАО "ФСК ЕЭС" разрабатывает ФПУ с тиристорным переключателем коэффициента трансформации шунтового трансформатора. Схема ФПУ (рис. 3) реализует продольно-поперечное регулирование выходного напряжения ФПУ при углах фазового сдвига 20 град. эл. и более и обеспечивает напряжение на ЛЭП 220 кВ, не превышающее допустимого. Первичные обмотки шунтового трансформатора, соединенные в звезду, подключены к средним точкам сетевых обмоток се-риесного трансформатора, включенных в рассечку ЛЭП.
Особенностью выполнения шунтового трансформатора является наличие нескольких обмоток НН, подключенных к высоковольтному тиристорному коммутатору (ВТК), осуществляющему функции изменения коэффициента трансформации шунтового трансформатора. Вторичная (вентильная) обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде четырех, гальванически не связанных секций, причем все они имеют разные коэффициенты трансформации и разное число витков. Отношение числа витков и1 : и2 : и3:...иы секций каждой фазы вторичной обмотки шунтового трансформатора определяется значением 24. При указанном отношении числа витков секций вторичной обмотки шунтового трансформатора обеспечивается дискретно-непрерывное изменение угла фазового сдвига и вольтодобавочного напряжения ФПУ в сторону отрицательных и положительных значений.
Число ступеней регулирования угла фазового сдвига можно определить по выражению
N-1
к с = X 2т ,
т=0
где т = 0, 1, 2, 3... N—1. При числе секций N = 4 число ступеней регулирования оказывается равным 15.
В связи с этим для дифференциальной защиты ФПУ с тиристорным коммутатором необходимо обеспечить:
— требуемую чувствительность защиты к замыканиям в обмотках шунтового трансформатора;
— устойчивость функционирования дифференциальной защиты при повреждениях в ВТК ФПУ.
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ФПУ С ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ
Согласно [5, 6], ФПУ с тиристорным коммутатором должно быть оснащено устройствами релейной защиты:
— сериесного трансформатора Т1;
— шунтового трансформатора Т2;
— в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.