Автоматика ограничения повышения напряжения

Автоматика ограничения повышения напряжения (АОПН) предназначена для предотвращения недопустимого по величине и длительности повышения напряжения на оборудовании объектов электроэнергетики, вызванных односторонним отключением (однофазным или трехфазным) линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения.

В общем случае процессы приводящие к повышению напряжения на шинах подстанции могут быть импульсные (протекающие за долю секунды) и квазиустановившиеся (протекающие длительное время).

П.1. Импульсные перенапряжения автоматикой ограничения повышения напряжения – не защищаются, так как для данных целей используются другие устройства в электрической сети. Импульсные перенапряжения могут возникать вследствие удара молнии в воздушную линию электропередачи. При грозовом разряде (ударе молнии) возникает электромагнитный импульс, который создает быстро затухающую колебательную составляющую напряжения с большой крутизной фронта. Данный импульс хоть и кратковременный, но из-за большой амплитуды может повредить оборудование, а также вызвать короткое замыкание. Борьба с данным видом повреждения обеспечивается применением средств молниезащиты и установкой устройств ограничителей перенапряжения (ОПН). Устройства ОПН представляют собой резистор из металлооксидной керамики на основе оксида цинка. Такие резисторы обладают нелинейной воль-амперной характеристикой, которая меняется в зависимости от мгновенного значения напряжения (независимо от полярности напряжения). Таким образом, устройство ОПН срезают импульс перенапряжения и обеспечивают сохранность оборудования. Данная статья данные виды перенапряжений не рассматривает.

П.2. Квазиустановившиеся (квазистационарные) перенапряжения – это перенапряжения, возникающие в электрической сети высокого и сверхвысокого напряжения (330 кВ и выше), которые могут существовать длительное время.

П.2.1. В электрической сети могут возникать квазиустановившиеся перенапряжения из-за возникновения резонансных процессов в электрической сети. Резонансные процессы возникают в основном на линиях электропередачи, на которых установлены неуправляемые шунтирующие реакторы с полной компенсацией зарядной мощности линии электропередачи. Недопущение перенапряжений на таких линиях обеспечивается техническими мероприятиями при проектировании, а также схемно-режимными мероприятиями при эксплуатации. Данная статья данные виды перенапряжений не рассматривает.

П.2.2. В электрической сети могут возникать квазиустановившиеся перенапряжения в процессе полнофазного и неполнофазного включения или отключения линии электропередачи (коммутационные перенапряжения). Для ликвидации данного типа перенапряжений на линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения устанавливаются устройства АОПН.

Перенапряжения в процессе полнофазного и неполнофазного включения или отключения линии электропередачи

В процессе эксплуатации электрической системы возникают ситуации требующие отключения или включение линии электропередачи. В процессе коммутации линии электропередачи может возникнуть квазиустановившееся (квазистационарное) перенапряжение.

Рис.1. Одностороннее трехфазное включение или отключение линии электропередачи и эпюра распределения напряжения вдоль линии электропередачи

Повышение напряжения с отключенной стороны возникает в связи с тем, что односторонне отключенная линия электропередачи генерирует емкостный ток, которые проходя через индуктивность линии создает падение напряжения такое, что напряжение в конце линии становится выше чем со включенной стороны. В результате на линиях высокого и сверхвысокого напряжения большой протяженностью при плановых или аварийных коммутациях может наблюдаться повышения напряжения сверх допустимых значений. Возникшее перенапряжение может привести к повреждению оборудования, а также вызвать короткое замыкание на линии электропередачи. Аналогичные процессы могут возникать в неполнофазных режимах: в циклах ОАПВ или при неполнофазном включении или отключении линии электропередачи.

Рис.2. Схема замещения и векторная диаграмма

Для предотвращения и ликвидации повышения напряжения, опасного для оборудования, на линиях электропередачи устанавливают автоматику ограничения повышения напряжения. Устройства АОПН устанавливаются на всех линиях электропередачи 500 кВ и выше длиной более 200 км. Необходимость и места установки устройств АОПН на линиях электропередачи 500 кВ меньшей длины, а также на линиях электропередачи 330 кВ и ниже должны определяться проектными решениями. 

Подключения к ТТ и ТН

Измерительные цепи по напряжению устройства должны подключаться к ТН с возможностью подключения на резервный ТН (при наличии). Подключение устройства к ТН, который установлен на шинах, допускается с ограничением (при возможности необходимо избегать таких вариантов), так как в случае одностороннего отключения линии со стороны шинного ТН, устройство АОПН останется не работоспособным.

Измерительные цепи по току устройства должны подключаться к релейному керну ТТ с обмоткой класса точности 10Р (или 5Р).

Логика работы

Для обеспечения полноценной защиты линии от перенапряжения устройства АОПН должны устанавливаться с каждой стороны ЛЭП.

Устройство АОПН состоит из двух ступеней срабатывания.

Первая ступень должна контролировать действующее значение напряжения и действовать: с первой выдержкой времени на изменение эксплуатационного состояния СКРМ, а со второй выдержкой времени на отключение ЛЭП с двух сторон с запретом трехфазного автоматического повторного включения.

Вторая ступень должна контролировать действующее значение напряжения и действовать с минимальной выдержкой времени на отключение ЛЭП с двух сторон с запретом трехфазного автоматического повторного включения.

Первая ступень АОПН

Первая ступень автоматики АОПН защищает шины подстанции от повышения напряжения при трехфазном отключении линии с любой стороны. Первая ступень подразделяется на два алгоритма: АОПН включенного конца (АОПН ВК) и АОПН отключенного конца (АОПН ОК) линии электропередачи.

П.1. АОПН включенного конца (АОПН ВК) обеспечивает защиту включенного конца линии электропередачи от повышения напряжения, вследствие отключения линии с противоположной стороны.

Рис.3. Трехфазное отключение линии с противоположной стороны

АОПН включенного конца (АОПН ВК) контролирует фазные напряжения (пофазный контроль напряжения) на линии с проверкой величины и направления реактивной мощности.

Алгоритм АОПН включенного конца (АОПН ВК) основан на факте повышения напряжения на линии выше величины уставки с контролем стока реактивной мощности с воздушной линии к шинам подстанции с блокировкой по активной мощности.

Рис.4. Логика работы первой ступени АОПН: АОПН включенного конца (АОПН ВК)

По факту срабатывания АОПН включенного конца (АОПН ВК) автоматика формирует управляющие воздействия:

с первой и промежуточными выдержками времени на изменение эксплуатационного состояния СКРМ, расположенных со стороны установки устройства АОПН (при наличии СКРМ), а также пуск команды на изменение эксплуатационного состояния СКРМ, расположенных с противоположной стороны ЛЭП (при наличии СКРМ);

с последней выдержкой времени на отключение линии электропередачи с запретом ТАПВ со своей стороны и пуск команды телеотключения линии с запретом ТАПВ с противоположной стороны.

П.2. АОПН отключенного конца (АОПН ОК) обеспечивает защиту отключенного конца линии электропередачи от повышения напряжения, которое возникает из-за отключения линии со своей стороны. Для обеспечения данной цели автоматика АОПН отключенного конца контролирует фазные напряжения (пофазный контроль напряжения) на линии с проверкой отключенного состояния выключателей линии.

Рис.5. Трехфазное отключение линии со своей стороны

Алгоритм АОПН отключенного конца (АОПН ОК) основан на факте повышения напряжения на линии выше величины уставки с контролем отключённого состояния линии со своего конца (сигнал их схемы «ФОЛ»). Автоматика действует на пуск команды телеотключения линии с запретом ТАПВ.

Рис.6. Логика работы первой ступени АОПН: АОПН отключенного конца (АОПН ОК)

В случае вывода для технического обслуживания (из работы) автоматики «ФОЛ» третья ступень автоматики АОПН должна быть выведена, чтобы исключить излишнюю работу устройства.

По факту срабатывания АОПН отключенного конца (АОПН ОК) автоматика формирует управляющие воздействия:

с первой и промежуточными выдержками времени на изменение эксплуатационного состояния СКРМ, расположенных со стороны установки устройства АОПН (при наличии СКРМ), а также пуск команды на изменение эксплуатационного состояния СКРМ, расположенных с противоположной стороны ЛЭП (при наличии СКРМ);

с последней выдержкой времени на пуск команды телеотключения линии с запретом ТАПВ с противоположной стороны.

Вторая ступень АОПН

Вторая ступень автоматики защищает шины подстанции от повышения напряжения. Для обеспечения данной цели вторая ступень автоматики АОПН контролирует фазные напряжения (пофазный контроль напряжения) на линии.

Следует отметить, что вторая ступень АОПН является не селективной, так как контролирует только напряжение в месте установки устройства, из-за этого автоматика может излишне сформировать воздействие на отключение линии электропередачи по факту превышения напряжения уставки срабатывания.

Рис.7. Логика работы второй ступени АОПН

По факту срабатывания второй ступени АОПН автоматика формирует управляющие воздействия с выдержкой времени на отключение линии электропередачи с запретом ТАПВ со своей стороны и пуск команды телеотключения линии с запретом ТАПВ с противоположной стороны.

УРОВ АОПН

С целью обеспечения ближнего резервирования в случае отказа в отключении выключателя вместе с установкой устройства АОПН должны устанавливаться устройства резервирования при отказе в отключении выключателя (УРОВ АОПН). Одновременно с пуском команды на отключение линии автоматика АОПН должна действовать в автоматику УРОВ АОПН.

По факту срабатывания УРОВ АОПН устройство должно действовать с выдержкой времени на отключение с запретом АПВ смежных присоединений, через которые возможна подача напряжения на участок схемы с отказавшим выключателем, а также пуск команды на телеотключение линии электропередачи с противоположной стороны.

Выбор уставок срабатывания автоматики АОПН

Уставки срабатывания АОПН выбираются в соответствии с пунктом 5.11.17 Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации.

В соответствии с данным пунктом в сетях 110-750 кВ при оперативных переключениях и в авариных режимах повышение напряжения промышленной частоты на оборудовании должно быть не выше значений, указанных в таблице.

Таблица.1. Допустимое повышение напряжения промышленной частоты оборудования в электрических сетях 110 - 750 кВ

В числителе таблицы указаны значения для изоляции фаза-земля в долях амплитуды наибольшего рабочего напряжения, а в знаменателях – для изоляции фаза-фаза в долях амплитуды наибольшего рабочего междуфазного напряжения.

Величины наибольшего рабочего напряжения представлены в ГОСТ 721-77 «Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии» для сети с классом напряжения 110 кВ - 750 кВ.

Таблица.2. Величины наибольшего рабочего напряжения в электрических сетях 110 - 750 кВ

Соответственно уставки срабатывания для первой и второй ступени выбираются следующим образом:

П.1.Первая ступень АОПН

Уставки срабатывания первой ступени АОПН выбираются с учетом того, что напряжение со стороны отключенного конца не должно превышать напряжения значения 1,1•Uн.р (наибольшее рабочее напряжение) в течении 20 секунд.

Соответственно:

для сети 330 кВ: 1,1*363/√3 = 230 кВ (фазное напряжение)

для сети 500 кВ: 1,1*525/√3 = 333 кВ (фазное напряжение)

для сети 750 кВ: 1,1*787/√3 = 499 кВ (фазное напряжение)

П.2.Вторая ступень АОПН

Уставки срабатывания второй ступени АОПН выбираются с учетом того, что напряжение в месте замера не должно превышать напряжения значения 1,25•Uн.р (наибольшее рабочее напряжение) в течении 1 секунды.

Соответственно:

для сети 330 кВ: 1,25*363/√3 = 261 кВ (фазное напряжение)

для сети 500 кВ: 1,25*525/√3 = 378 кВ (фазное напряжение)

для сети 750 кВ: 1,25*787/√3 = 567 кВ (фазное напряжение)