Опыт применения программно-аппаратного комплекса RTDS при разработке измерительного органа контроля погасания дуги

Основные способы определения факта погасания дуги строятся на анализе напряжения в отключенной фазе воздушной линии (ВЛ). Известны измерительные органы (ИО), реагирующие на модуль напряжения отключенной фазы, угол напряжения и частоту напряжения отключенной фазы.

Цикл однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ) подразумевает, что фаза с коротким замыканием отключена с двух сторон, но из-за наличия электростатических связей через поперечные проводимости и электромагнитного взаимодействия с неотключенными фазами в поврежденной фазе присутствует напряжение. Повторное включение должно быть произведено после погасания дуги, иначе ОАПВ будет неуспешным и произойдет трехфазное отключение воздушной линии от сети.

Авторы:

  • О.М. Иванова, инженер 3 категории отдела СРЗиА ООО НПП «ЭКРА»;
  • Д.В. Ильин, инженер 1 категории отдела СРЗиА ООО НПП «ЭКРА»;
  • А.В. Бычков, руководитель группы отдела СРЗиА ООО НПП «ЭКРА»;
  • к.т.н. Н.А. Дони, директор по науке – заведующий отделом СРЗиА ООО НПП «ЭКРА».

Воздействие электрической дуги на элементы линий электропередачи практически сводится к пережогу проводов и ожогам изоляторов. Следует по возможности уменьшать продолжительность короткого замыкания и время повторного включения, для того чтобы сократить до минимума опасность нарушения режима работы энергосистемы и уменьшить вероятность пережога проводов дугой короткого замыкания [1]. 

Время горения дуги подпитки и минимальная пауза ОАПВ определяются током подпитки и восстанавливающимся напряжением на отключенной фазе. Кроме этого влиять могут такие факторы, как величина и длительность протекания тока короткого замыкания, номинальное напряжение линии, скорость ветра. 

На осциллограммах фазного напряжения, представленных на рисунке 1, можно наблюдать просадку напряжения во время короткого замыкания, отключение выключателей и непосредственно сам момент погасания дуги, дальнейшее восстановление напряжения. После гашения дуги подпитки при отключении короткого замыкания с двух сторон поврежденной фазы на линии с шунтирующими реакторами (ШР) начинается восстановление напряжения в форме биений (рисунок 1). Это обусловлено наложением на наведенное неповрежденными фазами напряжение колебательного процесса, обусловленного энергией, запасенной элементами схемы к моменту гашения дуги подпитки. [1].

Рис. 1. Осциллограммы мгновенного значения и модуля первой гармоники напряжения отключенной фазы при погасании дуги на 600 мс (через 350 мс после отключения фазы): а) – на ВЛ без ШР, б) – на ВЛ с ШР

Погасание дуги не всегда бывает успешным. В теории, открытая дуга подпитки в установках высокого напряжения продолжает гореть пока дуговой столб, растягиваясь, не увеличит свое сопротивление до критического значения, при котором тепловая энергия, отдаваемая дугой в окружающую среду, не станет больше, чем энергия от подпитки через неповрежденные фазы. Таким образом, в замкнутом контуре с током подпитки нарушается баланс энергий. 

Сопротивление дуги нелинейное и помимо многих факторов зависит еще и от мгновенного значения тока. Чем ближе мгновенное значение к нулю, тем больше сопротивление дугового промежутка и тем больше вероятность гашения. Наличие апериодической составляющей в токе подпитки ухудшает условия гашения, не давая сопротивлению увеличиться до критического значения. 

Согласно опытным данным [2] повторный пробой дугового промежутка происходит преимущественно в первые 20 мс после погасания, пока воздушная среда не успела деионизироваться. Время полной деионизации принято равным 200 мс, после этого повторный пробой считается маловероятным. 

Моделирование процессов производилось с помощью программно-аппаратного комплекса RTDS (ПАК RTDS). В программном обеспечении RSCAD для управления симулятором RTDS создана модель электроэнергетического объекта для исследований измерительного органа контроля погасания дуги (ОКПД). В состав модели, приведенной на рисунке 2, входит воздушная линия электропередачи с двухсторонним питанием номинальным напряжением 500 кВ с шунтирующими реакторами. Общая длина воздушной линии равна 430 км. Параметры модели линии эквивалентны параметрам реальной ВЛ 500 кВ «Ростовская АЭС – Буденновск».

Рис. 2. Модель электроэнергетического объекта для исследований

Для исследования дуговых замыканий в литературе часто используются модели электрической дуги, основанной на балансе энергий в столбе дуги [3,4]. В данной работе для исследования дуговых замыканий на различных расстояниях линии была использована встроенная в RSCAD модель дуги [5]. Эта модель описывает поведение дуги на основе дифференциальных уравнений. Дуга, возникающая в первый момент времени короткого замыкания, и дуга после коммутации моделируются одинаково. При этом для каждого случая изменяются только константы, связанные с постоянной времени дуги. Дополнительно задается длина дуги и скорость её изменения при повторном пробое. На рисунке 3 сигнал SWF используется для начала моделирования повреждения на линии и последующего процесса горения дуги. Сигнал SECAL - выходной сигнал схемы регулирования длины дуги, амплитуда которого пилообразно увеличивается до критического значения, приводящего к гашению дуги. Пилообразность обеспечивает промежуточные неуспешные попытки гашения. Этот элемент управления моделируемой схемы соответствует реальным процессам горения дуги.

Рис. 3. Моделирование параметров дуги

На рисунке 4 представлена осциллограмма напряжения при повторном пробое. Рассмотрим подробнее происходящие процессы. Момент времени Т1 – момент короткого замыкания, Т2 – отключение выключателей, Т3 – неуспешная попытка гашения дуги и повторный пробой.

Рис. 4. Осциллограмма напряжения с повторным пробоем

Для экспериментальной проверки работы измерительного ОКПД и обработки осциллограмм повреждений для дальнейшего исследования использовалась программная среда RSCAD. 

На начальных этапах разработки ПАК RTDS позволяет производить разработку моделей цифровых ИО без совместного использования с устройством релейной защиты, а также быстро корректировать алгоритмы ИО, логику работы и структуру защиты в целом. 

Проверка правильности настройки схемы замещения ВЛ производилась путем сравнения осциллограмм в формате comtrade, полученных на модели, с осциллограммами, записанными на ВЛ 500 кВ. 

Принцип действия измерительного ОКПД – определение приращения вектора первой гармоники напряжения отключенной фазы за время равное половине уставки по периоду биений [6]. Поясняющая схема работы измерительного органа контроля погасания дуги представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Поясняющая схема работы модели измерительного ОКПД

Для определения приращения используются два отсчета, измеренные в разные моменты времени. На выходе измерительного органа теоретически получится нулевое значение в период времени горения дуги. В режиме восстановления напряжения разница будет максимальной. 

На рисунке 6 представлена осциллограмма напряжения отключенной фазы, где Т3.1, Т3.2, Т3.3 – неуспешные попытки гашения дуги и повторный пробой, Т4 – успешное гашение дуги и восстановление напряжения. Моделирование дуги производилось с помощью ПАК RTDS. Приведен так же дискретный сигнал срабатывания измерительного ОКПД (DUout). Выходной дискретный сигнал срабатывания (Extinction), действующий в логическую схему включения от устройства ОАПВ, происходит через выдержку времени после окончательного гашения дуги. Измерительный ОКПД зафиксировал три неудачные попытки гашения дуги и одну удачную. Факт погасания дуги определен верно. После гашения дуги подпитки восстановление напряжения происходит с биениями, обусловленными колебательным процессом разряда энергии, запасенной к моменту гашения дуги подпитки элементами схемы.

Рис. 6. Анализ работы ОКПД (осциллограмма, записанная при моделировании дуги с помощью ПАК RTDS)

На рисунке 7 представлен пример результата работы ИО при подаче осциллограммы, записанной на ВЛ 500 кВ. Она по характеру процесса схожа с осциллограммой (рисунок 6), полученной на модели RSCAD. Таким образом можно говорить о соответствии модели RSCAD реальному объекту. На данной осциллограмме обозначена одна неуспешная попытка гашения дуги Т3 и в момент времени T4 успешное гашение дуги с последующим восстановлением напряжения. Об успешности гашения дуги можно судить по модулю напряжения |DU| и выходному сигналу (Extinction), который возникает через выдержку времени деионизации среды после устойчивого гашения дуги. Сигнал (Extinction) указывает на окончательное гашение дуги. Время деионизации средыхарактеризует время, после которого дуговой промежуток способен выдержать максимальное восстанавливающееся напряжение, а значит обеспечить успешное повторное включении линии. Факт погасания дуги определен верно.

Рис. 7. Анализ работы ПО контроля погасания дуги (осциллограмма, записанная на ВЛ 500 кВ)

На рисунке 8 представлена работа устройства контроля погасания дуги при подаче сигналов, соответствующих той же осциллограмме, записанной на ВЛ 500 кВ. В момент времени T1 появляется дискретный сигнал 341, который разрешает работу устройства ОКПД. Дискретный сигнал 177 – это сигнал срабатывания исследуемого измерительного ОКПД. Сигнал 349 – выходной сигнал срабатывания логики контроля погасания дуги, действующий на включение выключателя. Факт погасания дуги также определен верно. 

На заключительных этапах разработки нового устройства ПАК RTDS позволяет оперативно подключать/отключать реальное устройство без изменения модели энергосистемы и сравнивать его работу с работой модели. В результате сокращается время разработки нового устройства.

Рис. 8. Анализ работы устройства

Выводы

  1. Для повышения надежности выявления факта погасания дуги в цикле ОАПВ был разработан и экспериментально исследован измерительный ОКПД.
  2. На начальных стадиях разработки нового устройства ОКПД средства ПАК RTDS позволяют создать его алгоритмическую модель и быстро вносить коррективы в алгоритмы работы по текущим результатам анализа.
  3. На стадии финального тестирования работы устройства ОКПД комплекс RTDS позволяет в реальном времени проводить испытания микропроцессорного терминала РЗ с функцией ОАПВ и осуществлять сравнение результатов работы реального устройства с результатами, полученными на основе его алгоритмической модели.
  4. Анализ результатов испытаний устройства ОКПД подтверждает надежное определение момента погасания дуги в цикле успешного ОАПВ.

Литература:

  1. Майкопар А.С. Дуговые замыкания на линиях электропередачи. М.- Л.: Энергия, 1965. – 200 с.
  2. Беляков Н.Н., Кадомская К.П., Левинштейн М.Л. и др.; Под ред. Левинштейна М.Л. Процессы при однофазном автоматическом повторном включении линий высоких напряжений. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 256 с.
  3. M. Kizilcay, T. Pniok. Digital Simulation of Fault Arcs in Power Systems. ETEP Journal, vol., 1, no.1, pp. 55-60, 1991.
  4. Титов И.Т. Учёт влияния открытой электрической дуги на параметры срабатывания дистанционной защиты. / И.Т. Титов, А.В. Бычков, Н.А. Дони // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева - Нижний Новгород. - 2020. - №2 (129) – С. 85 - 93.
  5. J. Giesbrecht, D.S. Ouellette and C.F. Henville. Secondary Arc Extinction and Detection Real and Simulated, 2008 IET 9th International Conference on Developments in Power System Protection (DPSP 2008), Glasgow, 2008, pp. 138-143.
  6. Патент РФ № 2695890 С1. Способ контроля состояния отключенной в цикле ОАПВ фазы линии электропередачи с шунтирующими реакторами и устройство для его осуществления. // Дони Н.А., Ильин Д.В., Бычков А.В. – Опубл. 30.07.2019. Бюл. № 22.
  7. Ильин Д.В. Повышение надёжности определения факта погасания дуги в цикле ОАПВ / Д.В. Ильин, А.В. Бычков, Н.А. Дони // Энергетик. – 2019. – №11. – С. 9-13.

Опубликовано в журнале «Релейная защита и автоматизация» №2 (39) 2020

выбрано
energybase

Компания
Разделы каталога