Инновационные решения в энергосистеме в области защиты и управления высоковольтными конденсаторными батареями в энергосистеме Вирджинии (США)
Вашему вниманию предлагаем рассмотреть материал, в котором отражен процесс проектирования конденсаторных батарей, представлено исследование переходных процессов, разобраны вопросы релейной защиты и опыт эксплуатации, связанные с применением высоковольтных конденсаторных батарей. В качестве примеров разработки проектов и систем защиты шунтирующих конденсаторных батарей приведены проекты с конденсаторами на 500 кВ и конденсаторной батареей без предохранителей на 230 кВ. Кроме того, можно изучить наиболее значимые результаты масштабных исследований переходных процессов, выполненных для оценки влияния установки на 500 кВ. Приведены результаты практического применения в установках на 500 кВ контактора нулевого напряжения совместно с резистором предзаряда, используемых для подавления переходных процессов в процессе коммутации. Также произведен анализ отказов разрядников на 500 кВ из-за повторного зажигания дуги, а также результаты эксплуатационных испытаний конденсаторных батарей без предохранителей.
Были реализованы два новых проекта с внедрением в эксплуатацию конденсаторных батарей на 500 кВ со встроенными предохранителями и на 230 кВ без предохранителей. Запуск этих двух конденсаторных установок являются примером разработок в области конструирования и реализации систем защиты заземленных конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности. Батарея на 500 кВ является первой такой установкой в электросети Вирджинии. А конденсаторная батарея без встроенных предохранителей является первой установкой на 230 кВ подобного типа в стране.
Конденсаторная батарея на 500 кВ введена в эксплуатацию с целью обеспечения реактивной мощности (Мвар) при передаче электроэнергии через северную часть сети 500 кВ. Применение конденсаторной батареи позволяет избежать запуска генераторной установки мощностью 882 МВт, работающей на жидком топливе, неоптимального с точки зрения распределения нагрузки и необходимого лишь для поддержания напряжения в процессе обмена мощностью в энергосистеме. Снижение затрат на топливо может компенсировать стоимость конденсаторной батареи всего лишь за несколько лет.
Конденсаторная батарея без предохранителей на 230 кВ предназначена для обеспечения реактивной мощностью территории полуострова с ограниченными возможностями по передаче электроэнергии вблизи Атлантического океана. Из-за ограниченности возможностей по передаче большие нагрузки приводили к необходимости запуска дополнительного генерирующего устройства на жидком топливе мощностью 882 МВт для поддержания напряжения, когда это было необходимо по соображениям оптимизации распределения нагрузок. Близость к морю, имевшие ранее место проблемы с отказами предохранителей, ограниченное пространство на подстанции сделали это место идеальным для применения конденсаторной батареи без предохранителей.
Конденсаторная батарея на 500 кВ
Конденсаторная батарея на 500 кВ имеет типоразмер 367.5 Мвар на 552.9 кВ. Она состоит из конденсаторных сборок емкостью 1050 - 350 кВАр, каждая – на напряжение 22.8 кВ. Конденсаторы объединены в 14 последовательно соединенных групп на фазу по 25 "банок" в группе. Каждая сборка защищена токоограничивающим предохранителем с 35-амперной плавкой вставкой типа К (быстродействующая). Токоограничивающие предохранители необходимы из-за большого количества одномоментно выделяющейся энергии при отказе сборки.
В качестве коммутирующего устройства применен элегазовый (SF6) выключатель с дугогасящей камерой на номинальное напряжение 550 кВ при максимально допустимой длительной нагрузке 3000 А. Выключатель оснащен резисторами, вводимыми в цепь при включении, сопротивлением 200 Ом на фазу и устройством на микропроцессорной основе для обеспечения синхронного включения.
Несмотря на то, что выключатель способен выдержать ударные токи при аварийных отключениях, также устанавливаются и реакторы. Токоограничивающие реакторы необходимы для защиты существующих автоматических воздушных выключателей на 500 кВ на станции. Установлены металлоксидные разрядники на 396 кВ для ограничения перенапряжений, вызванных возможным повторным зажиганием дуги в конденсаторной батарее.
Результаты моделирования электромагнитных переходных процессов
Есть несколько важных вопросов, касающихся переходных процессов, связанных с применением конденсаторных батарей на уровне напряжения линий электропередач. Они включают вопросы обеспечения надлежащей изоляции, необходимых характеристик устройств защиты и распределительного устройства, а также анализ гармоник в системе. Зачастую спектр этих вопросов необходимо расширить, и учесть особенности распредсистемы и чувствительных потребителей. Важные моменты, рассматриваемые применительно к установке на 500 кВ, затрагивают следующие вопросы:
- перенапряжения, связанные с обычным включением конденсатора;
- напряжения переходных процессов на разомкнутых зажимах линии/кабеля;
- межфазные переходные процессы на зажимах трансформатора;
- повышение напряжения на конденсаторных батареях меньшего уровня напряжения;
- соображения о режиме работы разрядника;
- анализ требований к токоограничивающему реактору;
- частотная характеристика системы и гармонические составляющие;
- воздействие на чувствительные нагрузки потребителей;
- анализ вероятности возникновения феррорезонанса.
Переходные процессы, связанные с обычным включением конденсаторной батареи на 500 кВ оценивались с помощью расширенной модели электромагнитных переходных процессов. Модель включает в себя всю энергосистему на 500 кВ, часть системы на 230 кВ и несколько распределительных подстанций и фидеров. На рис.1 изображен наихудший вариант фазного переходного напряжения при обычном включении батареи на 367.5 MВАр.
Результаты моделирования показали, что на степень тяжести переходных перенапряжений при обычном включении влияют несколько факторов.
Мощность источника. Переходный процесс протекает более тяжело при меньшей мощности источника. Обычно, когда мощность короткого замыкания источника мала по сравнению с мощностью конденсаторной батареи, возмущения, вызванные включением конденсаторов, наиболее значительны.
Линии электропередачи. Линии электропередачи и их емкость уменьшают степень влияния переходных процессов при включении конденсаторной батареи. В целом, емкость линии электропередач делает систему «устойчивее» к процессу включения конденсаторов. Обмен энергией между емкостью линии и конденсаторной батареей происходит в широком диапазоне частот. В сочетании, эти частоты склонны демпфировать суммарные переходные процессы.
Другие конденсаторные батареи в распредсистеме. Шунтирующие конденсаторные батареи, расположенные рядом с коммутируемой конденсаторной батареей, уменьшают волновое сопротивление системы и повышают эквивалентную мощность короткого замыкания источника. Это в некоторой степени способствует уменьшению влияния переходных процессов при коммутации батареи. Как правило, конденсаторные батареи, распределенные по системе, поглощают энергию переходных процессов при коммутациях и способствуют снижению суммарных перенапряжений от переходных процессов в системе.
Коммутирующее устройство. Выполнена оценка качества управления переходным процессом при включении батареи при использовании предзарядных устройств (резисторов или реакторов) и асинхронного включения.
Оптимальная величина сопротивления резистора для управления процессом коммутации конденсатора, зависит, главным образом, от емкости конденсатора и мощности источника. Приблизительно эта величина должна быть равна волновому сопротивлению, образованному конденсаторной батареей и источником:
Из-за ограничений автоматического выключателя была выбрана величина предзарядного сопротивления 200 Ом. Введение предзарядного резистора позволило уменьшить величину напряжения в переходном процессе со значения 1.41 отн.ед. до 1.06 отн.ед. (прим.: 1 отн.ед. = 
).
Еще один вопрос, подлежащий рассмотрению, это управление синхронностью включения. Синхронное включение – это замыкание независимых контактов каждой фазы при практически нулевом значении напряжения. Чтобы добиться синхронного включения при нулевом или почти при нулевом значении напряжения (для избежания высоких импульсных перенапряжений), необходимо применение коммутирующего устройства, обеспечивающего диэлектрическую прочность, достаточную, чтобы выдержать напряжение до тех пор, пока контакты не войдут в соприкосновение. И хотя достигнуть высокого уровня точности весьма трудно, возможно добиться синхронности замыкания в диапазоне ± 0.5 мс. Результаты моделирования показали, что при ошибке синхронности замыкания в диапазоне 0–2 мс диапазон перенапряжений составил 1.07–l.34 отн.ед.
Выбранный вариант схемы для оптимального управления переходными процессами при включении состоит из комбинации синхронного включения и применения предзарядного резистора. Оптимальный режим, полученный с помощью моделирования, достигается при включении контакта цепи предзаряда при нулевом напряжении в системе и задержке включения шунтирующего резистор контакта на четверть периода (4.1667 мс). При этих условиях включение конденсатора происходит при нулевом напряжении системы, а закорачивание резистора – при нулевом токе (т.е. нулевом напряжении на резисторе). Такая последовательность изображена на рис.2.
Схема релейной защиты
В качестве основного средства защиты конденсаторной батареи использована схема контроля разности напряжений. Схема контроля разности напряжений состоит из двух измерительных емкостных трансформаторов (CCVT) на фазу, подключенных к дифференциальному реле напряжения на микропроцессорной основе. Микропроцессорное реле отслеживает вторичное напряжение трансформатора CCVT на шине 500 кВ и трансформатора CCVT на отпайке 230 кВ на каждой фазе. Выход из строя конденсатора вызовет изменение напряжения трансформатора на отпайке 230 кВ по сравнению с напряжением трансформатора на шине 500 кВ и приведет к появлению разности напряжений. Для выявления неисправного конденсатора используется три независимых дифференциальных реле напряжения на фазу. Кроме дифференциальных устройств, схема защиты также оснащена тремя однофазными элементами перенапряжения, тремя однофазными элементами пониженного напряжения и элементом максимального фазного перенапряжения. Для управления выходными контактами, осуществляющими функции отключения и генерации сообщения о системном событии, используется логика маскирования программируемых выходов. Реле также генерирует отчет о событии длительностью 11 периодов при срабатывании отключающего устройства и оснащено портами RS-232 для обмена информацией.
Разностная схема контроля напряжений является предпочтительной для конденсаторной батареи в силу своей невосприимчивости к присущей системе асимметрии. Установлено, что из-за нетранспонированости ЛЭП на 500 кВ в системе имеет место небаланс величиной 1%. Схема также отфильтровывает гармоники при дифференциальном сравнении напряжений трансформаторов CCVT. Это делает схему менее чувствительной к солнечным магнитным возмущениям, которые представляли собой проблему до недавнего времени.
Обычно, конденсаторные батареи на уровне линии электропередачи в энергосистеме спроектированы таким образом, что два конденсаторных элемента в последовательно соединенной группе могут выйти из строя, прежде чем напряжение превысит паспортное значение конденсаторного элемента на 10%. С целью достижения наилучших эксплуатационных показателей, конденсаторная батарея спроектирована таким образом, что допускается выход из строя четырех конденсаторных элементов в последовательно соединенной группе, прежде чем напряжение на единичном элементе превысит 110% номинального. При 500 кВ напряжение на отдельном конденсаторном элементе составляет 90% от паспортного значения 22,8 кВ. Отказ одного конденсаторного элемента вызывает повышение напряжения на группе конденсаторов на 4%, тогда как изменение дифференциального сигнала составляет всего лишь 0,3%. Дифференциальное сигнальное устройство настроено таким образом, чтобы обнаружить отказ одного конденсатора и спустя три минуты активировать сигнал тревоги на станции. Для отключения конденсаторной батареи необходимо, чтобы превышение напряжения на последовательной группе достигло 110%. Четыре конденсаторных элемента в последовательно соединенной группе могут выйти из строя, прежде чем превышение напряжения достигнет 110%. В результате отказа четвертого конденсатора изменение дифференциального напряжения составит 1,3%. Устройство дифференциального отключения настроено так, чтобы выполнить отключение, когда выйдет из строя четвертый конденсатор.
Для выявления высоких значенией небаланса по напряжению дифференциальный элемент с высоким порогом срабатывания настроен на срабатывание при половинном значении дифференциального напряжения, эквивалентного закорачиванию одной из последовательно соединенных групп. Блок дифференциального отключения и блок с высокой уставкой «маскированы» на отключения реле блокировки конденсаторной батареи и вывода батареи из эксплуатации.
Блоки превышения фазного напряжения и пониженного фазного напряжения контролируют установившееся напряжение на шине 500 кВ, чтобы оно было в пределах паспортных данных для конденсаторных элементов батареи. Если установившееся напряжение на шине 500 кВ превысит 120% номинального значения конденсаторного элемента батареи, то произойдет мгновенное отключение. Блок установленного времени превышения напряжения обеспечивает временную задержку отключения при превышении установившимся значением напряжения величины 110% номинального значения конденсаторного элемента батареи.
Блоки пониженного фазного напряжения установлены для выявления понижения установившегося значения напряжения на шине 500 кВ. Уставки блока пониженного напряжения скоординированы по времени срабатывания с существующей линейной защитой шины 500 кВ, чтобы позволить ей отключить любые близкие к.з. Если первичная защита линии будет действовать слишком медленно для своевременного устранения неисправности, то блок пониженного напряжения по окончании выдержки времени непосредственно отключит автоматический выключатель без включения реле блокировки. Прямое отключение автоматического выключателя конденсаторной батареи без использования промежуточной блокировки позволяет, при необходимости, дистанционно вновь включить конденсаторную батарею в работу.
За конденсаторной батареей ведется тщательное наблюдение с момента ее выпуска летом 1992 года. Эксплуатационные данные и опыт применения показал, что в дальнейшем емкостные трансформаторы напряжения для РЗА можно использовать вместо емкостных трансформаторов напряжения с измерительным классом точности.
Эксплуатационные испытания системы управления замыканием при нулевом напряжении
Одним из главных инновационных методов, применяемых в управлении конденсаторной батареей на 500 кВ является сочетание предзарядного резистора и системы управления включением при нулевом напряжении для минимизации переходных процессов при коммутации. Автоматический выключатель на шине 500 кВ, применяемый для коммутации конденсаторной батареи, имеет независимые системы управления замыканием каждого полюса, которые вступают в работу с помощью реле нулевого напряжения. Из-за высокой степени важности конденсаторной батареи было принято решение обеспечить резервирование системы замыкания при нулевом напряжении путем установки предзарядного резистора.
В результате тщательного моделирования переходных процессов сформулированы рекомендации, заключающиеся в том, чтобы по сигналу системы управления замыканием при нулевом напряжении замыкать контакт цепи предзаряда через резистор, а затем, спустя четверть периода, шунтировать цепь предзаряда. Такая последовательность позволяет минимизировать коммутационный переходный процесс в резисторе цепи предзаряда и включать закорачивающий эту цепь контакт спустя четверть периода, при прохождении тока через ноль. Такой алгоритм обеспечивает отличную защиту от неблагоприятных явлений при переходных процессах и, в случае, если система замыкания при нулевом напряжении отключена, автоматически вводит в работу предзарядный резистор для минимизации переходных процессов при включении.
Основные принципы, реализованные в системе управления замыканием при нулевом напряжении, изображенной на рис.3, заключаются в поиске точки нулевого напряжения, прогнозировании суммарного времени замыкания контактов с момента начала включения, расчете времени подачи сигнала на замыкание, и, собственно, инициации замыкания в момент, когда напряжение близко к нулевому значению. Для обеспечения работоспособности этой схемы необходимо, чтобы значение времени включения выключателя с независимой коммутацией полюсов было относительно нечувствительным к температуре окружающей среды, рабочему напряжению и старению. Поскольку механизмы автоматического выключателя в известной степени подвержены влиянию этих параметров, система управления замыканием при нулевом напряжении была выполнена таким образом, чтобы иметь возможность адаптироваться к медленному изменению значения времени замыкания. Допустимым значением для этого устройства управления является поддержание времени замыкания в пределах 1 миллисекунды от точки действительного замыкания при нулевом напряжении.
Реле замыкания при нулевом напряжении использует измерение напряжения фазы А для определения точки перехода напряжения через ноль. Время включения прогнозируется на основе времени замыкания контактов, времени срабатывания вспомогательного реле и преддугового времени. Время включения используется для начала замыкания контакта в основной (master) фазе, поэтому он будет скоммутирован при нулевом напряжении. Реле использует значение тока через выключатель для определения реального момента замыкания контактов и корректирует прогнозируемое время для следующего замыкания. Это позволяет реле отслеживать любые медленные изменения времени срабатывания выключателя. Главные контакты, шунтирующие цепь предзаряда, замыкаются через 8–10 мс после замыкания контактов цепи резистора. Конечно, это не так хорошо, по сравнению с оптимальным значением в четверть периода, но, как видно из рис.3, это не создает каких-либо проблем с переходными процессами при замыкании. Два вспомогательных (ведомых, slave) реле используют активацию замыкания контакта фазы. А для начала процесса замыкания оставшихся контактов в моменты, когда напряжение приближается к нулевому значению через одну шестую часть периода.
На рис.4 изображены кривые тока и напряжения в процессе замыкания контактов. Включение цепи предзаряда происходит в интервале погрешности реле, равной 1 мс, что не приводит к большому значению ошибки. Замыкание главных контактов, шунтирующих цепь предзаряда, как видно из рисунка, происходит спустя приблизительно 10 мс после запуска цепи предзаряда.
По результатам эксплуатационных испытаний в схеме было внесено одно изменение. Был добавлен дистанционный сброс аварийной сигнализации, чтобы обеспечить возможность диспетчеру системы дистанционно сбросить сигнал аварии для замыкания контактов вне зоны допуска. Было установлено, что сигнализация неисправности будет регулярно срабатывать при значительных перепадах температуры, но свойства самокоррекции реле обеспечат автоматическую подстройку. Если сигнал аварии получен только один раз, то реле будет возвращено в исходное состояние и будет разрешено исправить проблему. Если в дальнейшем сигналы аварии не поступают, то проблема считается устраненной. Если же сигналы аварии продолжают возникать и далее, то для исправления неисправности будет направлен соответствующий персонал.
В ходе пробного ввода выключателя в эксплуатацию выяснилось, что требуемый допуск в 1 мс не может быть выполнен. Проблемы с выключателем привели к избыточному значению преддугового времени контактов резистора. Это привело к тому, что замыкание контактов стало нестабильным. Было установлено, что сигнализация аварии реле нулевого напряжения является хорошим индикатором корректной работы выключателя. Проблемы с выключателем, как оказалось, вылились в нестабильное время замыкания контактов.
Образование дуги и отказы разрядника
В течение первого года эксплуатации зафиксировано два отказа разрядников 500 кВ на подстанции 500 кВ в процессе отключения конденсаторной батареи. Первый отказ произошел в ходе предпусковых испытаний выключателя конденсаторной батареи после изменений, внесенных в замыкающие контакты предзарядного резистора. Второй отказ произошел в рабочем режиме при отключении конденсаторной батареи.
При первом отказе разрядника, персонал подстанции наблюдал медленный отказ по причине нарушения теплового режима разрядника после отключения конденсаторной батареи. На рис.5 изображены записанные в процессе отказа осциллограммы тока и напряжения на фазе, где произошел отказ.
Верхняя кривая представляет собой остаточный ток в нейтрали конденсаторной батареи. Три нижние кривые – фазные напряжения. Как видно из кривой, остаточный ток был практически равен нулю до момента своего увеличения до 316 А, что соответствует отключению первой фазы выключателя конденсаторной батареи. После небольшой задержки можно видеть внезапный бросок тока повторного зажигания дуги (2895 А) в течение одного периода контура, содержащего конденсатор, после чего ситуация нормализовалась.
Для диагностирования проблемы было выполнено моделирование электромагнитных переходных процессов, чтобы оценить процесс отключения конденсаторной батареи в заданной последовательности до тех пор, пока не было получено близкое совпадение измеренных и смоделированных токов нейтрали. Результаты моделирования приведены на рис.6.
Близкое совпадение было получено, когда первой отключалась фаза А, второй – фаза С, а фаза В отключалась третьей. На основании анализа установлено, что пробой произошел при размыкании контакта вблизи максимального значения напряжения.
В исходном проекте использован подход, предполагающий, что ограничители перенапряжений (ОПН) конденсаторной батареи на основе метал-оксидных варисторов (MOV) будут способны защитить устаревшие ОПН на основе карбида кремния, установленные на трансформаторах подстанции. Защитная уставка метал-оксидных варисторов была значительно ниже защитной уставки ОПН на основе карбида кремния. Метал-оксидные варисторы должны защищать разрядники на основе карбида кремния. После второго отказа оставшиеся разрядники были отправлены производителю на испытания. Было обнаружено, что минимальное напряжение пробоя ОПН на основе карбида кремния оказалось значительно ниже защитной уставки метал-оксидных разрядников.
Было решено, что эта проблема связана со старением карбиднокремниевых ОПН. Поскольку минимальное значение напряжения пробоя не тестировалось количественно, то это была единственная информация, на основе которой сделаны выводы. Решено, что старение ОПН на основе карбида кремния может приводить к снижению уровней их срабатывания, что не позволяет металоксидным ОПН защитить их в процессе образования дуги в выключателе конденсаторной батареи. Исходя из этих соображений, использование метал-оксидных ОПН для защиты ОПН на основе карбида кремния было прекращено, а ОПН на подстанции были заменены на метал-оксидные.
Конденсаторная батарея без предохранителей на 230 кВ
Конденсаторная батарея на 230 кВ энергосистемы представляет собой батарею на 162 МВАр с номинальным напряжением до 239 кВ. Батареи представляют собой блоки по 540–300 кВАр с номинальным напряжением 11.5 кВ. Блоки объединены по 12 последовательных групп на фазу и по 15 конденсаторных элементов в группе. Каждый конденсатор защищен токоограничивающим предохранителем с 25-амперной плавкой вставкой типа T. Для размещения 12 последовательных групп требовалось две отдельных каркасных конструкции на фазу.
Конденсаторная батарея без предохранителей была спроектирована на 192 МВАр при напряжении 249,4 кВ. В батарее применены блоки по 480–400 кВАр с напряжением 7.2 кВ. Установлено восемь параллельных линий конденсаторов на фазу с 20 емкостными элементами в каждой линии. 200 элементов соединены последовательно, чтобы сумма напряжений отдельных элементов в одной линии превышала прикладываемое фазное напряжение. Восемь параллельных линий на фазу необходимы для обеспечения требуемой выходной реактивной мощности. Из-за отсутствия предохранителей и флипперов и исключения необходимого при использовании предохранителей пространства между элементами, 160 конденсаторных элементов на фазу удалось поместить в одну каркасную конструкцию для каждой фазы. По приблизительной оценке, батарея заняла приблизительно треть объема ранее применяемой батареи на 230 кВ. Другим важным преимуществом батареи без предохранителей является отсутствие доступа к токоведущим частям. Это повышает степень защищенности батареи от повреждения животными и загрязнения.
Вопросы релейной защиты
Соображения по вопросам защиты от превышения напряжения на конденсаторных модулях для батареи без предохранителей являются, по существу, такими же, как и для обычных батарей с предохранителями. Для конденсаторной батареи без предохранителей была выбрана дифференциальная схема контроля. Схема контроля разницы напряжений состоит из двух измерительных емкостных трансформаторов CCVT на фазу, подключенных к шине 230 кВ, и специально разработанному модулю защиты от небаланса, подключенному между шасси конденсаторной батареи и нейтралью на каждой фазе. Трансформатор CCVT и защитный модуль подключены к реле дифференциального напряжения на микропроцессорной основе.
Вмодуле защиты от небаланса использованы низковольтные конденсаторы, подключенные к разделительному трансформатору напряжения. Номинальный ток фазы конденсаторной батареи вызывает падение напряжения на низковольтных конденсаторах, которое затем сравнивается с напряжением трансформаторов CCVT, установленных на шине 230 кВ. Отказ конденсаторного элемента вызовет увеличение фазного тока, что приведет к появлению дифференциального напряжения при сравнении с напряжением трансформаторов CCVT, установленных на шине 230 кВ. На рис.7 изображена принципиальная схема дифференциального контроля напряжения.
Модуль защиты от небаланса применяется из-за экономической нецелесообразности установки трансформаторов CCVT в среднюю точку каждой из восьми линий конденсаторов. В защитном модуле использованы пять конденсаторов на фазу мощностью 167 кВАр. Низковольтные конденсаторы имеют номинальное значение напряжения 825 В, сопротивление 4 Ом и не защищены предохранителями. Выбрано именно пять низковольтных конденсаторов на фазу из-за того, что в нормальном режиме работы конденсаторной батареи к конденсаторам не будет прикладываться напряжение более 400 В. Разделительный трансформатор напряжения на 800/250 В с уровнем изоляции на 95 кВ подключен к низковольтным конденсаторам. Любое дифференциальное напряжение небаланса, имеющееся между емкостным трансформатором и защитным модулем в рабочем режиме, может быть сброшено в ноль с помощью средств регулирования в реле дифференциального напряжения.
Отказ одного конденсатора вызовет повышение напряжения в отдельной линии на 5.3% при увеличении фазного тока на 0.7%. Дифференциальное сигнальное устройство настроено таким образом, чтобы обнаружить отказ одного конденсатора и активировать сигнал неисправности на станции. Устройство дифференциального отключения настроено так, чтобы выявить отказ двух конденсаторов в последовательно соединенной линии. Дифференциальное реле с повышенной уставкой настроено на двукратное значение настроек блока дифференциального отключения. Блок дифференциального отключения и блок с высокой уставкой «маскированы» на отключение реле блокировки конденсаторной батареи и вывод батареи из эксплуатации.
Эксплуатационные испытания
Был выполнен визуальный осмотр конденсаторной батареи для проверки установки на правильность подключения. По его завершении были сняты индивидуальные показания для каждого конденсаторного блока. Для проведения испытаний конденсаторной батареи без предохранителей была использована та же установка для испытания конденсаторов, которая применялась для испытаний батареи с предохранителями. Эта испытательная установка состоит из источника напряжения частотой 60 Гц с зажимами, смонтированными на изолирующих штангах для работы под напряжением для выполнения измерений с земли. Испытательное напряжение частотой 60 Гц было приложено к разряженной батарее к фазным выводам. Это позволило подать напряжение на всю фазу целиком, вызывая протекание тока через каждый конденсатор. Затем было измерено падение напряжения на каждом конденсаторе и записано вместе с величиной тока в каждой линии. Эти измерения проводились с целью быстрого обнаружения неисправных элементов.
В случае возникновения неисправности реле на микропроцессорной основе указало бы, в какой из фаз произошел отказ. По величине измеренного тока в каждой линии можно определить, в какой из восьми линий находится неисправный конденсатор. А по данным измерений напряжения на каждом элементе в линии можно обнаружить конкретный неисправный конденсатор.
Перед монтажом дифференциального реле напряжения на микропроцессорной основе в распределительный щит, характеристики реле были испытаны путем подачи смоделированных на компьютере сигналов переходных процессов. Были подготовлены двадцать четыре специально разработанных сигналов переходных процессов и/или установившихся режимов. Смоделированные сигналы были специально подготовлены таким образом, чтобы имитировать нестандартные условия, которым может быть подвергнуто реле. Многие из смоделированных ситуаций создавали такие условия, которые вызывали срабатывание схемы небаланса (смещения) нейтрали.
Полные испытания в рабочих условиях всей дифференциальной схемы напряжения были выполнены на подстанции перед начальным запуском батареи. С помощью переносного компьютера с двумя последовательными портами RS-232 были испытаны каналы обмена информацией и затем загружены новые установки реле в микропроцессорное реле. Затем компьютер использовался одновременно для управления испытательной установкой и для контроля реле в процессе испытаний. Заранее были подготовлены файлы сценариев для управления последовательностью испытаний, которые прикладывали бы к реле соответствующие входные напряжения и одновременно подавали бы команды управления на реле. Каждый отдельный элемент реле был испытан на правильность срабатывания с помощью контроля замыкания контактов с помощью контрольной лампы.
После первоначального заряда, были выполнены испытания для проверки дифференциального реле напряжения путем внешнего короткого замыкания конденсатора. При обесточенной батарее было выполнено короткое замыкание через проходные изоляторы на одном конденсаторном элементе в одной из линий фазы А. Затем батарея была включена на напряжение для проверки работы реле на предмет обнаружения одного вышедшего из строя элемента. Реле сработало и через трехминутную задержку выдало сигнал неисправности на станции. Затем батарея была выведена из эксплуатации и короткое замыкание переместили на фазы В и С, соответственно. Второе короткое замыкание, выводящее из строя два элемента, также было выполнено на каждой фазе для проверки работы устройства дифференциального отключения. В каждом случае реле срабатывало, вызывало срабатывание реле блокировки и корректно отключало автоматический выключатель, выводя батарею из эксплуатации. По завершении этих испытаний батарея конденсаторов была сдана в эксплуатацию.
Итоги эксплуатации и выводы
После исправления проблемы с пробоем разрядника на конденсаторной батарее на 500 кВ в функционирование батареи было превосходным. И управление включением при нулевом напряжении, характеристики отключения были идеальны. Батарея находилась в эксплуатации ежедневно в течение летнего периода больших нагрузок без каких-либо эксплуатационных проблем.
С момента введения в эксплуатацию батареи конденсаторов без предохранителей, ее функционирование было безукоризненным. Она также находилась в работе в периоды больших нагрузок и зимой, и летом без каких-либо проблем. На сегодняшний день не зарегистрировано никаких отказов элементов, что является важным улучшением перед использовавшейся ранее батареей конденсаторов с предохранителями.
Применение управления включением при нулевом напряжении совместно с предзарядным резистором оказалось эффективным методом для управления перенапряжениями, вызванными коммутацией конденсаторной батареи на 500 кВ.
Использование программы для моделирования электромагнитных переходных процессов в качестве инструмента для выявления неисправности автоматического выключателя и разрядника является чрезвычайно выгодным.
Схема защиты на основе дифференциального реле напряжения с использованием реле на микропроцессорной основе может применяться для обеспечения защиты от превышения напряжения там, где необходимы низко чувствительные к вариациям параметров настройки. Для обеспечения входного напряжения для дифференциальной схемы могут быть использованы емкостные трансформаторы напряжения как с измерительным классом точности, так и трансформаторы, предназначенные для использования с РЗА.
Применение конденсаторной батареи без предохранителей в условиях агрессивной внешней среды является оправданным в сетях на 230 кВ и имеет дополнительное преимущество в виде уменьшения занимаемого батареей пространства. Низковольтные конденсаторы могут быть использованы как часть дифференциальной схемы напряжения для обеспечения точности релейной защиты конденсаторной батареи без предохранителей. Проектирование и эксплуатация конденсаторной батареи без предохранителей может быть выполнена без каких-либо изменений существующей схемы релейной защиты и методов эксплуатации.
