ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИИ
Н. А Дони, «ЭКРА»
Используя накопленный опыт эксплуатации микропроцессорных защит линий 110 - 750 кВ (основных и резервных), реализованных на базе терминалов серии БЭ2704, в 2007г. предпринята попытка создания дифференциальной защиты линии (ДЗЛ) с передачей информации между полукомплектами по цифровым каналам связи. Терминалы новой защиты имеют обозначение БЭ2704 091.
Для реализации возможностей защиты, в терминале БЭ2704 применён новый блок контроллера, на основе которого реализованы необходимые для ДЗЛ функции.
Связь между полукомплектами ДЗЛ может осуществляться:
- по выделенному оптическому каналу с использованием двух жил оптического кабеля (многомодовое или одномодовое волокно);
- с использованием стандартного 64 Кбит/с синхронного канала (с подключением к мультиплексору через электрический интерфейс Х21 или G703). При необходимости, скорость передачи между устройствами может быть увеличена до 512 Кбит/с (до 8 тайм – слотов по 64 Кбит/с).
Основным требованием к синхронному каналу связи является ограниченная задержка в передаче данных, которая должна быть не более 30 мс, и симметричность времени передачи и приема в обоих направлениях.
Устройство имеет два независимых канала связи, позволяющих реализовать их полное дублирование или дифференциальную защиту трехконцевой линии.
Физическим интерфейсом каждого из каналов связи являются два оптических преобразователя (длина волны 850 нм) с разъемом типа ST для подключения многомодового оптического кабеля.
В терминалах, установленных на разных концах защищаемой линии (двухконцевой или трехконцевой) осуществляется синхронизация моментов взятия цифровых отсчетов аналоговых сигналов (прежде всего фазных токов) и синхронизация цифровой обработки сигналов. В результате терминалы, при наличии каналов связи, представляют собой одно устройство с единой системой векторов сигналов.
Определение среднего значения времени передачи данных по каналу связи в прямом и обратном направлениях осуществляется непрерывно, с помощью известного метода пинг–понг. Точность синхронизации положения векторов в устройствах на разных концах линии определяется разностью времени передачи данных по каналу связи в прямом и обратном направлениях. Если указанная разность имеет стационарный характер, то она может быть скомпенсирована путем задания параметра (уставки) несимметричности канала. Определить величину несимметричности можно просто с помощью двух приборов типа РЕТОМ 51, генерирующих токи с нулевым фазовым сдвигом благодаря синхронизации через спутниковую систему глобального позиционирования (GPS).
Дифференциальная защита двухконцевой линии A-B основана на пофазном сравнении модуля суммы векторов токов по концам защищаемой линии 
с порогом I0Д, величина которого находится в пределах (0,1…2,0) IБ,
где IБ –базисный ток, задаваемый в первичных величинах, одинаковый для обоих полукомплектов.
Для отстройки от небалансов, вызванных неодинаковостью измерительных трансформаторов тока и условий их работы, применено торможение - увеличение порога сравнения дифференциального тока в зависимости от тормозной величины. В устройстве имеется возможность выбора задания формирования тормозной величины: от модуля разности векторов токов 
или от суммы модулей векторов токов
.
В первом случае имеется зависимость тормозной величины от сдвига фаз токов по концам линии. Торможение максимально при внешних повреждениях и минимально при внутренних КЗ.
Во втором случае величина торможения не зависит от угла сдвига фаз между токами и одинакова для внутренних и внешних КЗ. Степень торможения определяется коэффициентом торможения kT, регулируемым в пределах 0,1…0,9. Срабатывание дифференциальной защиты происходит при условии 
.
При наличии на линии ответвления с трансформаторами, уставка срабатывания дифференциальной защиты должна быть отстроена от тока, протекающего при номинальной нагрузке ответвления. При малой длине защищаемой линии и небольшой мощности трансформаторов ответвления, отстройка от КЗ на стороне низкого напряжения трансформатора может осуществляться использованием пуска ДЗЛ по напряжению обратной последовательности и по минимальному напряжению прямой последовательности. В других случаях может применяться дополнительный комплект измерительных органов, состоящий из трех реле междуфазного сопротивления и реле направления мощности нулевой последовательности, отстроенного от броска тока намагничивания трансформаторов.
Для трехконцевой линии A-B-C и трехтерминальной схеме ДЗЛ вычисление дифференциального тока
и сравнение его с опорной величиной производится только в одном терминале («МАСТЕР»), которому устройства, установленные на других концах линии, передают значения векторов фазных токов. Принятие решения об отключении производится «МАСТЕРом» и он передает команду телеотключения двум другим терминалам. Такой принцип выполнения ДЗЛ для трехконцевой линии позволяет уменьшить время действия защиты по отношению к устройствам, использующим метод взаимной последовательной передачи векторов между тремя терминалами при использовании двух каналов связи.
Емкостной ток кабельной линии длиной более 20 км и воздушных линий напряжением 330-500 кВ длиной более 150 км вызывает дополнительный небаланс ДЗЛ при внешних повреждениях [1], что требует отстройки путем загрубления дифференциальной защиты. Выравнивание токов по концам защищаемой линии при внешних повреждениях производится путем компенсации половины емкостного тока линии по «П» - образной схеме замещения, отражающей частотные свойства проводимости линии по прямой и нулевой последовательности. Компенсация емкостного тока линии позволяет не учитывать эту составляющую небаланса в расчетах уставок ДЗЛ и тем самым повысить чувствительность к внутренним КЗ.
Для исключения ложных отключений линии при неисправностях в цепях напряжения, компенсация емкостного тока автоматически исключается и увеличивается порог срабатывания дифференциальной защиты.
Для обеспечения функций защиты линии при неисправностях в канале связи, в терминале БЭ2704 091 предусмотрен полноценный комплект резервных защит, состоящий из дистанционной защиты (четыре зоны для междуфазных повреждений и одна зона для КЗ на землю), пяти ступеней токовой направленной защиты нулевой последовательности, междуфазной токовой отсечки.
Дистанционная защита имеет возможность работы с двумя типами блокировок при качаниях в энергосистемах, по выбору:
- на принципе ввода и последующего вывода из действия реле сопротивления с помощью пусковых органов, реагирующих на скорость изменения токов обратной и прямой последовательности;
- на принципе блокирования дистанционной защиты в зависимости от скорости изменения вектора сопротивления.
Резервные защиты имеют возможность ускорения соответствующих ступеней (зон) путем передачи и приема команд по своему цифровому каналу связи или от внешней аппаратуры передачи команд противоаварийной автоматики.
В этом случае, действуя на отключение параллельно с ДЗЛ, дистанционная и токовая защиты могут использоваться как вторая основная защита на альтернативном принципе действия с общим каналом или с раздельными каналами связи. Надо отметить, что передача команд по синхронному каналу после установления связи происходит раньше, чем разрешается действие ДЗЛ, так как для синхронизации полукомплектов еще дополнительно требуется определенное время, порядка (0,5…1,0)с. Из сказанного следует, что готовность к действию второй основной защиты после восстановления канала связи наступает раньше.
Дополнительно, в терминале имеется двухступенчатая автоматика разгрузки при перегрузке по току (АРПТ), действующая в зависимости от направления мощности прямой последовательности.
Как и во всех линейных защитах серии ШЭ2607, в новом устройстве имеется функция распределенного УРОВ, включающая в себя логику и специальные токовые реле.
Наличие в терминале ДЗЛ комплекта резервных защит не исключает необходимости применения для защиты ВЛ ещё одного комплекта резервных защит, физически расположенного в другом терминале, включаемого на другие керны трансформаторов тока и имеющего питание от отдельного автомата.
В устройстве реализована система передачи и приема команд между полукомплектами. Четыре из них использованы для ускорения дистанционной и токовой защиты, для передачи сигналов УРОВ и телеотключения.
Дополнительная передача и прием 16 команд позволяет использовать их для обмена сигналами между любыми внешними устройствами, например, для телеуправления выключателями или для обмена внутренними для терминалов логическими сигналами, общими для двух полукомплектов защиты.
Для двухтерминального применениия каналы связи могут дублироваться с использованием разных трасс для прокладки оптического кабеля или с применением каналов разного типа, например, с выделенным оптоволокном и с применением мультиплексоров. Эти мероприятия повышают надежность передачи команд.
Все команды передаются и принимаются параллельно. Максимальное время передачи-приема – 0,015с. Каждый принятая команда имеет возможность продления на индивидуально регулируемое время (0…1,0)с.
В устройстве ДЗЛ, как и во всех новых терминалах серии БЭ2704, представлены три типа логических связей:
-«жесткая» логика, изменение которой возможно только разработчиками на стадии компиляции программы, под управлением которой функционирует терминал. Общее количество логических элементов в схеме может достигать 1000. Возможны любые изменения в логической части защиты. Обычно, изменённая программа пересылается на объект по электронной почте и заносится в терминал эксплуатирующим персоналом, прошедшим обучение. Для загрузки в терминал используется специальное программное обеспечение, входящее в стандартный комплект поставки. Такой метод изменения логической части защиты на практике применяется довольно часто, его явной положительной стороной является возможность контроля схемных решений со стороны разработчиков;
- «ранжирование» (назначение) свободных логических входов, выходных реле, светодиодных сигналов. Назначение производится как на стадии настройки устройств (подгонки к индивидуальному проекту), так и в эксплуатации, наладочным или эксплуатирующим персоналом. Операции очень простые, специальное обучение не требуется. Количество назначаемых элементов ограничено;
- система «гибкой логики». Позволяет создавать произвольные логические связи, действующие параллельно с «жесткой» логикой и «ранжированием». Перезагрузка исполняющей программы в терминал не требуется. Используется специальный графический редактор со своей библиотекой логических элементов. Подготовленная логическая схема заносится в терминал, может быть вычитана, отредактирована и вновь загружена. В настоящее время используется при производстве устройств с «нестандартной» логикой. «Гибкая» логика позволяет значительно сократить количество типоисполнений выпускаемых устройств.
Все внешние свойства терминалов серии БЭ2704 сохранены. Имеется три порта для связи с компьютером, внешним АСУ, технологической системой мониторинга «EKRASMS». Количество регистрируемых дискретных сигналов увеличено до 256.
Встроенный аварийный осциллограф позволяет производить запись 16 аналоговых сигналов, в том числе дифференциальных и тормозных токов по всем трем фазам, а также до 128 дискретных сигналов. Число цифровых отсчетов – 24 на период промышленной частоты.
Два полукомплекта защиты типа БЭ2704 091 введены в опытную эксплуатацию на линии электропередачи 110 кВ «Тольяттинская ТЭЦ » - ПС «Левобережная» в сентябре 2007г. Длина линии 8 км, использован выделенный оптический канал. Линия имеет два ответвления.
Опыт наладки и эксплуатации защиты – положительный. В настоящее время два полукомплекта шкафов ШЭ2607 на базе терминалов БЭ2704 091 устанавливаются в эксплуатацию в Казанских ЭС.
Литература
1. , , О предельных длинах ВЛ, защищаемых дифференциально-фазными защитами без устройств компенсации емкостных токов. - Электрические станции, № 2, 2003 г.
