О компенсации емкостного тока ВЛ в реле направления мощности обратной последовательности
Авторы: Дони Н. А., Левиуш А. И., Наумов А. М., Ужегов В. Т., Травина Ю. Я., Шевелев В. С.
УДК 621.316.925.001.6

Схема компенсации емкостного тока ВЛ в панелях направленной и дифференциально-фазной высокочастотной защиты типа ПДЭ-2003 рассчитана из условий эффективного функционирования при учете составляющих промышленной частоты. Поэтому при использовании панели на длинных ВЛ 1150 кВ необходимо считаться с последствиями неточной компенсации емкостных токов более высокой частоты. При анализе поведения защиты на ВЛ 1150 кВ было выявлено, что она может действовать ложно при частотах свободных составляющих порядка 100 Гц, компенсация которых не точна.
При включении ВЛ ультравысокого напряжения (УВН) длиной более 500 км на холостой ход без реакторов однофазное реле направления мощности обратной последовательности (РНМОП) может кратковременно ложно сработать на отключение несмотря на то, что предусматривается переключение уставки реле, по компенсации емкостного тока ВЛ на компенсацию полного емкостного тока линии. Ложное срабатывание реле обуславливается наиболее низкой (первой) свободной составляющей переходного процесса с частотой порядка 100 Гц. При этом в цепях напряжения величина первой свободной составляющей зависит от сопротивления системы Z_c, и в случае Zc →0 она стремится к нулю. Процесс на выходе частотных фильтров в цепях напряжения РНМОП при этом определяется реакцией системы «фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП) — частотный фильтр» при включении на систему напряжения прямой последовательности и является колебательным с частотой, близкой к промышленной. В цепях тока РНМОП переходный процесс на входе частотных фильтров в этом режиме определяется первой свободной составляющей, так как ток промышленной частоты скомпенсирован, а влияние более высоких частот свободных составляющих оказывает малое дополнительное влияние, поскольку сильно сказывается подавление частотных фильтров и уменьшение амплитуд свободных составляющих с повышением частоты.
Для оценки поведения трехфазного РНМОП [1] в этом режиме необходимо знать возможную амплитуду первой свободной составляющей, которая оказывает наибольшее влияние на поведение реле и зависит от момента включения трех фаз выключателя.
В соответствии с [2] были рассчитаны максимальные величины свободных составляющих прямой и обратной последовательностей (в действующих значениях) в цепях тока защиты при включении ВЛ на холостой ход с компенсирующими реакторами с учетом возможности установки на линии двух или трех реакторов с параметрами Х_р = 1600 Ом (по данным института «Энергосетьпроект»). Коэффициенты трансформации измерительных трансформаторов тока и напряжения выбирались равными соответственно К_т.т. = 2000 и К_т.т. = 1150.
Как следует из проведенных расчетов, значение частоты первой свободной составляющей при включении длинной (более 500 км) ВЛ на холостой ход находится в полосе пропускания частотных фильтров РНМОП (может принимать значение менее 100 Гц) и уменьшается при увеличении длины ВЛ и сопротивления системы. Максимальные значения свободной составляющей прямой и обратной последовательностей превышают уставку срабатывания РНМОП по току с учетом подавления их частотными фильтрами РНМОП, а также фильтрами обратной последовательности, которые по-разному передают эти составляющие [3].
Частотно-компенсированный фильтр обратной последовательности имеет меньший коэффициент передачи свободной составляющей по сравнению с другими типами фильтров обратной последовательности до частоты порядка f_s ≈ 100 Гц, что позволяет лучше отстроить РНМОП от их влияния в полосе пропускания частотных фильтров реле.
На электродинамической модели ВНИИЭ была смоделирована ВЛ УВН. Длина линии могла быть либо 500 км, либо 750 км. Но в обоих случаях суммарное сопротивление системы и силового трансформатора составило 100 Ом (первичное).
Исследовалось поведение РНМОП направленной ВЧ-защиты при включении ВЛ на холостой ход. Поведение РНМОП, а также кривые тока и напряжения в месте уставки реле осциллографировались. Параметры РНМОП по чувствительности:

U_2от = 2 В; U_2бл = 1 В; I_2от = 50 мА; I_2бл = 25 мА.

При компенсации Y_k = 1,25 Y_л, Z_k = Z_л/2.

Включались на холостой ход линии длиной 500 км и 750 км. В обоих случаях наблюдалось срабатывание РНМОП в сторону отключения, что приводило к излишнему срабатыванию направленной высокочастотной защиты в целом.
На рис. 1 показана осциллограмма включения ВЛ длиной 500 км на холостой ход.
На срабатывание РНМОП и в сторону блокировки и в сторону отключения влияют два фактора - переходный процесс в цепях тока и напряжения РНМОП от постановки ВЛ под напряжение и не точная компенсация свободной составляющей тока переходного процесса ВЛ. Причем при Z_c →0 свободная составляющая тока переходного процесса в ВЛ вообще не компенсируется и при наличии Z_k вызывает срабатывание РНМОП в сторону отключения.
Следует отметить, что неточность компенсации свободной составляющей емкостного тока ВЛ и наличие переходного процесса в цепях напряжения при постановке под напряжение даже при отсутствии Z_k приводят к срабатыванию РНМОП в сторону отключения.
На электродинамической модели включение ВЛ на холостой ход осуществлялось тиристорным устройством при изменении начальной фазы включения фазы А от 0° до 360° через 10° (все три фазы включались одновременно). Наблюдается 6 зон начальных углов, где происходит излишнее срабатывание реле.
Во ВНИИР были разработаны программа расчета электромагнитных переходных процессов в энергосистеме [4] и математическая модель РНМОП с компенсацией емкостного тока ВЛ с помощью напряжения на шинах подстанции.
При включении ВЛ УВН длиной 500 км и при изменении от нуля до 500 Ом наблюдалось 6 зон
начальных углов включения фазы А (все три фазы включались одновременно), где происходило излишнее срабатывание реле.
Для более точной компенсации емкостного тока ВЛ предложено компенсировать емкостный ток ВЛ в РНМОП путем моделирования Т-образной схемы замещения ВЛ [5, 6].
Функциональная схема предлагаемого устройства в однофазном исполнении с компенсацией емкостного тока ВЛ по Т-образной схеме замещения ВЛ приведена на рис. 2.
При указанном включении элементов реле выходное напряжение сумматора 10 пропорционально сумме двух напряжений: симметричной составляющей напряжений в месте установки реле и падения напряжения ВЛ от тока линии, т. е.

где Z_т — коэффициент пропорциональности.

Рисунок 1. Осциллограмма включения ВЛ УВН длиной 500 км на холостой ход:  U_{A, B, C}  и I_{A, B, C}   - напряжения и токи на включаемом конце линии

По Т-образной схеме замещения ВЛ с сосредоточенными параметрами (рис. 3) напряжение U_c соответствует напряжению в середине ВЛ. Свободная составляющая напряжения в середине линии в нуль не обращается, что обеспечивает более точную компенсацию емкостных токов. Этим объясняется переход к Т-образной схеме замещения.
Моделирование продольного сопротивления ВЛ Z_т осуществляется с помощью дифференцирующего звена — преобразователя тока в напряжение (трансреактора), что дает в полосе пропускания частотных фильтров такую же зависимость от частоты, как и сопротивление Z_т ВЛ. Уставка по сопротивлению Zт задается аттенюатором 9. Моделирование емкостного тока I_y в
реле осуществляется с помощью фильтра высших частот 5, передаточная функция которого отличается от передаточной функции фильтра низших частот 4 в цепях тока только числителем на величину, пропорциональную  p² т. е. дважды продифференцированному выходному напряжению фильтра низших частот 4. Таким образом, выходное напряжение сумматора 7, являющееся выходной величиной канала тока, пропорционально сумме симметричной составляющей полных токов ВЛ и симметричной составляющей емкостных токов ВЛ соответствующих последовательностей при замещении ВЛ по Т-образной схеме замещения.
Таким образом, предложенное устройство [6] позволяет обеспечить более точную компенсацию емкостного тока ВЛ, что увеличивает надежность несрабатывания защит, в которых применяется предлагаемое реле, при внешних повреждениях и коммутациях на протяженных ВЛ УВН, а также при включении указанных линий на холостой ход. Предложенное устройство внедрено в ВЧ-защиту типа ШЭ-2705, подготавливаемую ЧЭАЗ к серийному выпуску.

Рисунок 2. Фильтровое реле направления мощности в однофазном исполнении с компенсацией емкостной проводимости по Т - образной схем е замещения ВЛ: 1 — преобразователь тока в напряжение (трансреакторы); 2 , 3 — первый и второй фильтры напряжения симметричных составляющих; 4 , 6 — первый и второй фильтры нижних частот; 5 — фильтр высших частот;
7, 10 —первый и второй сумматоры; 3 — фазочувствительная схема; 9 — аттенюатор

Рисунок 3. Схема замещения ВЛ по Т - образной схеме

РНМОП в трехфазном исполнении и с предложенной компенсацией по Т-образной схеме замещения ВЛ (рис. 2) [5, 6] было смоделировано.
Структурная схема разработанной математической модели РНМОП с компенсацией по Т-образной схеме замещения содержит следующее:
1. Ввод исходной информации.
2. Ввод коэффициентов фильтров по цепям тока и напряжения.
3. Расчет переходного процесса в цепях тока по прямой и обратной последовательности.
4. Расчет переходного процесса в цепях напряжения по прямой и обратной последовательности.
5. Расчет переходного процесса в цепях компенсации по напряжению.
6. Расчет переходного процесса в цепях компенсации по току.
7. Формирование и расчет результирующей выходной величины для тока и напряжения в сторону отключения и блокировки.
8. Анализ в логической части реле.
9. Печать результатов — величины токов и напряжений на выходе частотных фильтров и сигналы на выходе в сторону отключения и блокировки.
Математическая модель РНМОП позволяет легко переходить от одного способа компенсации емкостного тока к другому, так как при Z_т = Z_л/2 возможна компенсация по Т-образной схеме, а при Z_т = 0 — по принятой в настоящее время схеме компенсации.
Проведенные расчеты показали, что в тех случаях, в которых наблюдалось срабатывание РНМОП при Z_т = 0, при наличии Z_т = Z_л/2 срабатывания не наблюдалось.
При компенсации по Т-образной схеме замещения ВЛ срабатывания РНМОП при испытании на физической модели также не наблюдалось.
Результаты расчетов на ЭВМ ЕС -1046 качественно и количественно совпали с результатами испытаний на электрической модели ВНИИЭ.
Таким образом, предложенный способ компенсации повышает устойчивость несрабатывания РНМОП при включении ВЛ на холостой ход путем обеспечения компенсации первой свободной составляющей емкостного тока ВЛ.
Следует отметить, что для существующих линий 750 кВ при соответствующих мощностях энергосистем, как показывает опыт эксплуатации и проведенные исследования на математической и физической моделях, РНМОП защиты ПДЭ-2003 ведет себя правильно при включении ВЛ на холостой ход. Это же относится и к ВЛ 1150 кВ при больших Х_сист .
Выводы. 1. Анализ поведения трехфазного РНМОП при включении ВЛ УВН на холостой ход показывает, что РНМОП ложно работает в этом режиме.
2. Исследования на физической и математической моделях подтверждают теоретический анализ.
3. Предложены мероприятия по повышению устойчивости функционирования ВЧ-защиты - способ компенсации емкостных токов в РНМОП по Т-образной схеме замещения ВЛ и его схемная реализация.
4. Предложенное РНМОП со способом компенсации по Т-образной схеме замещения ВЛ внедрено в ВЧ-защиту типа ШЭ-2705, подготавливаемую ЧЭАЗ к серийному выпуску.

Список литертуры

1. Реле направления мощности обратной последовательности / Н. А. Дони , А. И. Левиуш , Л . А. Надель , А. М. Наумов .— Электротехника, 1985, № 8.
2. Лосев С. Б., Чернин А. Б. Расчет электромагнитных переходных процессов для релейной защиты на линиях большой протяженности .— М.: Энергия, 1972.
3. Дони Н. А. Некоторые вопросы применения активных фильтров напряжения обратной последовательности в направленной высокочастотной защите.— Труды ВНИИР , 1981, № 12.
4. Дони Н. А., Шурупов А. А. Моделирование переходных процессов в энергосистеме для анализа устройств релейной защиты.— Электротехника, 1990, № 2,
5. Ужегов В. Т. Повышение устойчивости функционирования высокочастотной защиты ВЛ сверх- и ультравысоких напряжений: Автореф . дисс. канд. техн. наук. М., ВНИИЭ, 1990.
6. А. с. 1384158 (СССР). Фильтровые реле направления мощности / Н. А. Дон и , А. И. Левиуш, Л . А. Надел ь и др. Опубл. в Б. И., 1990, № 31.

Источник: Журнал Электричество 1991, №12 стр. 59 - 61