Wie ist der Relaisschutz von Stromleitungen?

Der kontinuierliche und zuverlässige Transport von Strom zu den Verbrauchern ist eine der Hauptaufgaben, die Energietechniker ständig lösen. Zur Bereitstellung wurden Stromnetze bestehend aus Umspannwerken und Verbindungsleitungen geschaffen. Um Energie über große Entfernungen zu transportieren, werden Stützen verwendet, an denen Verbindungsdrähte aufgehängt sind. Sie sind zwischen sich und dem Boden durch eine Umgebungsluftschicht isoliert. Aufgrund der Art der Isolierung werden solche Leitungen Freileitungen genannt.

Wenn die Entfernung der Transportstraße kurz ist oder es aus Sicherheitsgründen erforderlich ist, die Stromleitung im Boden zu verstecken, kommen Kabel zum Einsatz.

Freileitungen und Kabelstromleitungen stehen ständig unter Spannung, deren Wert durch die Struktur des Stromnetzes bestimmt wird.

Zweck des Relaisschutzes von Stromleitungen

Im Falle eines Isolationsfehlers an einer beliebigen Stelle eines Kabels oder einer erweiterten Freileitung erzeugt die an der Leitung anliegende Spannung einen Leck- oder Kurzschlussstrom durch den beschädigten Abschnitt.

Die Gründe für den Bruch der Isolierung können verschiedene Faktoren sein, die ihre zerstörerische Wirkung beseitigen oder fortsetzen können. Beispielsweise erzeugt ein Storch, der zwischen den Drähten einer Freileitung fliegt, mit seinen Flügeln einen Phase-zu-Phase-Stromkreis und verbrennt, indem er in der Nähe fällt.

Oder ein Baum, der während eines Sturms sehr nahe an der Stütze wuchs, wurde durch einen Windstoß auf die Drähte geschleudert und verursachte einen Kurzschluss.

Im ersten Fall trat der Kurzschluss nur für kurze Zeit auf und verschwand, im zweiten Fall war die Isolationsverletzung langfristiger Natur und musste durch Wartungspersonal behoben werden.

Solche Schäden können in Kraftwerken großen Schaden anrichten. Die Ströme der resultierenden Kurzschlüsse haben eine enorme thermische Energie, die nicht nur die Drähte der Stromleitungen durchbrennen, sondern auch die Energieausrüstung der Umspannwerke zerstören kann.

Aus diesen Gründen müssen auftretende Schäden an Stromleitungen umgehend behoben werden. Dies wird erreicht, indem die Spannung von der fehlerhaften Leitung auf der Versorgungsseite entfernt wird. Wenn eine solche Stromleitung von beiden Seiten mit Strom versorgt wird, müssen beide stromlos geschaltet werden.

Die Funktionen der ständigen Überwachung der elektrischen Parameter des Zustands aller Stromleitungen und der allseitigen Spannungsfreigabe im Notfall sind komplexen technischen Systemen zugeordnet, die traditionell als Relaisschutz bezeichnet werden.

Das Adjektiv „Relais“ leitet sich von der elementaren Basis elektromagnetischer Relais ab, deren Bauformen mit dem Erscheinen der ersten Stromleitungen entstanden und bis heute weiterentwickelt werden.

Modulare Schutzgeräte, die in der Praxis der Energietechniker weit verbreitet sind basierend auf Mikroprozessortechnologie und Computertechnologie schließen einen vollständigen Austausch von Relaisgeräten nicht aus und werden nach alter Tradition auch in Relaisschutzgeräten eingeführt.

Prinzipien des Relaisschutzes

Netzwerküberwachungsbehörden

Um die elektrischen Parameter von Stromleitungen zu überwachen, sind Instrumente zu deren Messung erforderlich, die in der Lage sind, Abweichungen vom Normalbetrieb im Netz ständig zu überwachen und gleichzeitig die Voraussetzungen für einen sicheren Betrieb zu erfüllen.

In Stromleitungen mit allen Spannungen wird diese Funktion den Messtransformatoren zugewiesen. Sie werden in Transformatoren eingeteilt:

• Strom (TT);

• Spannung (VT).

Da die Qualität des Schutzbetriebs für die Zuverlässigkeit des gesamten elektrischen Systems von größter Bedeutung ist, werden an die Messstrom- und Spannungswandler, die durch ihre messtechnischen Eigenschaften bestimmt werden, erhöhte Anforderungen an die Betriebsgenauigkeit gestellt.

Genauigkeitsklassen von Messwandlern für den Einsatz in Relaisschutz- und Automatisierungsgeräten (Relaisschutz und Automatisierung) werden durch die Werte „0,5“, „0,2“ und „P“ genormt.

Instrumentenspannungswandler

Eine Gesamtansicht der Installation von Spannungswandlern an der 110-kV-Freileitung ist auf dem Foto unten dargestellt.

Hier ist zu erkennen, dass Spannungswandler nicht irgendwo entlang einer Verlängerungsleitung, sondern an der Schaltanlage eines Umspannwerks installiert sind. Jeder Transformator ist mit seinen Primäranschlüssen an den entsprechenden Leiter der Freileitung und des Erdkreises angeschlossen.

Die von den Sekundärwicklungen umgewandelte Spannung wird über die Schalter 1P und 2P über die entsprechenden Leiter des Stromkabels ausgegeben. Für den Einsatz in Schutz- und Messgeräten werden die Sekundärwicklungen nach dem „Stern“- und „Dreieck“-Schema angeschlossen, wie auf dem Foto für VT-110 kV dargestellt.

Verringern Spannungsverlust und präzisen Betrieb des Relaisschutzes wird ein spezielles Stromkabel verwendet und es werden erhöhte Anforderungen an dessen Installation und Betrieb gestellt.

Mess-Spannungswandler werden für jede Art von Netzspannung erstellt und können nach unterschiedlichen Schemata geschaltet werden, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen. Sie alle basieren jedoch auf dem allgemeinen Prinzip, den linearen Wert der Übertragungsleitungsspannung in einen Sekundärwert von 100 Volt umzuwandeln und alle Eigenschaften der Primärharmonischen in einem bestimmten Maßstab genau zu kopieren und hervorzuheben.

Das Übersetzungsverhältnis des Spannungswandlers wird durch das Verhältnis der Netzspannungen des Primär- und Sekundärkreises bestimmt. Für die betrachtete 110-kV-Freileitung wird beispielsweise wie folgt geschrieben: 110000/100.

Instrumentenstromwandler

Diese Geräte wandeln auch die primäre Leitungslast in sekundäre Werte um, wobei alle Änderungen der Harmonischen des Primärstroms maximal wiederholt werden.

Zur einfacheren Bedienung und Wartung elektrischer Geräte werden sie auch auf Verteilergeräten von Umspannwerken installiert.

Stromtransformatoren Sie werden auf andere Weise als VT in den Freileitungskreis eingebunden: Sie werden mit ihrer Primärwicklung, die meist nur durch eine Windung in Form eines Gleichstromdrahtes dargestellt wird, einfach in jeden Draht der Leitungsphase eingeschnitten.Dies ist auf dem obigen Foto deutlich zu erkennen.

Das CT-Transformationsverhältnis wird durch das Verhältnis der Auswahl der Nennwerte in der Entwurfsphase der Stromleitung bestimmt. Wenn die Stromleitung beispielsweise für 600 Ampere ausgelegt ist und 5 A von der Sekundärseite des Stromwandlers abgezogen werden, wird die Bezeichnung 600/5 verwendet.

In der Elektrizitätswirtschaft werden zwei Standards für die Werte der verwendeten Sekundärströme akzeptiert:

• 5 A für alle Stromwandler bis einschließlich 110 kV;

• 1 A für Leitungen 330 kV und höher.

Sekundäre TT-Wicklungen werden zum Anschluss an Schutzgeräte nach verschiedenen Schemata angeschlossen:

• voller Stern;

• unvollständiger Stern;

• Dreieck.

Jede Verbindung hat ihre eigenen spezifischen Eigenschaften und wird für bestimmte Schutzarten auf unterschiedliche Weise verwendet. Auf dem Foto ist ein Beispiel für den Anschluss von Stromwandlern und Stromrelaisspulen an eine Vollsternschaltung dargestellt.

Dies ist der einfachste und am häufigsten verwendete Oberschwingungsfilter, der in vielen Schutzrelaisschaltungen verwendet wird. Darin werden die Ströme jeder Phase von einem separaten gleichnamigen Relais gesteuert, und die Summe aller Vektoren fließt durch die Spule, die im gemeinsamen Neutralleiter enthalten ist.

Die Verwendung von Strom- und Spannungsmesstransformatoren ermöglicht es, die an den Leistungsgeräten ablaufenden Primärprozesse maßstabsgetreu auf den Sekundärkreis zu übertragen, um sie in der Relaisschutzhardware zu verwenden und Algorithmen für den Betrieb der Logik zu erstellen Geräte zur Eliminierung von Notfallausrüstungsprozessen.

Behörden zur Verarbeitung der erhaltenen Informationen

Beim Relaisschutz ist das Hauptarbeitselement ein Relais – ein elektrisches Gerät, das zwei Hauptfunktionen erfüllt:

• überwacht die Qualität des beobachteten Parameters, beispielsweise des Stroms, und behält im Normalmodus den Zustand seines Kontaktsystems stabil bei und ändert ihn nicht;

• Wenn ein kritischer Wert, der als Sollwert oder Ansprechschwelle bezeichnet wird, erreicht wird, ändert er sofort die Position seiner Kontakte und bleibt in diesem Zustand, bis der beobachtete Wert wieder in den Normalbereich zurückkehrt.

Die Prinzipien der Schaltungsbildung zum Schalten von Strom- und Spannungsrelais in Sekundärkreisen helfen, die Darstellung sinusförmiger Harmonischer durch Vektorgrößen mit ihrer Darstellung in einer komplexen Ebene zu verstehen.

Im unteren Teil des Bildes ist ein Vektordiagramm für einen typischen Fall der Verteilung von Sinuskurven in drei Phasen A, B, C im Betriebsmodus der Verbraucherstromversorgung dargestellt.

Überwachung des Zustands von Strom- und Spannungskreisen

Das Prinzip der Verarbeitung sekundärer Signale wird teilweise in der Schaltung zum Einschalten der CT- und Relaiswicklungen gemäß dem Vollstern- und VT-Schema des ORU-110 dargestellt. Mit dieser Methode können Sie Vektoren auf folgende Weise hinzufügen.

Durch die Einbeziehung der Relaisspule in eine der Harmonischen dieser Phasen können Sie die darin ablaufenden Prozesse vollständig steuern und den Stromkreis bei Unfällen außer Betrieb setzen. Dazu reicht es aus, geeignete Bauformen von Relaisgeräten für Strom oder Spannung zu verwenden.

Die oben genannten Schemata sind ein Sonderfall der vielseitigen Verwendung unterschiedlicher Filter.

Methoden zur Steuerung der durch die Leitung fließenden Leistung

Relaisschutzgeräte steuern den Leistungswert basierend auf den Messwerten aller Strom- und Spannungswandler.In diesem Fall werden bekannte Formeln und Verhältnisse der Gesamt-, Wirk- und Blindleistung zwischen ihnen und ihren durch die Vektoren von Strömen und Spannungen ausgedrückten Werten verwendet.

Es versteht sich, dass der Stromvektor durch die an den Leitungswiderstand angelegte EMK gebildet wird und dessen Wirk- und Blindanteil gleichermaßen überwindet. Gleichzeitig kommt es aber in den Abschnitten mit den Komponenten Ua und Up zu einem Spannungsabfall nach den durch das Spannungsdreieck beschriebenen Gesetzmäßigkeiten.

Strom kann von einem Ende der Leitung zum anderen übertragen und beim Stromtransport sogar umgekehrt werden.

Richtungsänderungen sind das Ergebnis von:

• Schalten von Lasten durch Bedienpersonal;

• Leistungsschwankungen im System aufgrund der Auswirkungen von Transienten und anderen Faktoren;

• Entstehung von Notfallmodi.

Leistungsrelais (PMs), die als Teil des Relaisschutz- und Automatisierungssystems arbeiten, berücksichtigen Schwankungen in seinen Richtungen und sind so konfiguriert, dass sie bei Erreichen des kritischen Werts in Betrieb gehen.

Methoden zur Leitungswiderstandskontrolle

Relaisschutzgeräte, die anhand elektrischer Widerstandsmessungen den Abstand zum Kurzschlussort berechnen, werden als Distanzschutz oder kurz DZ-Schutz bezeichnet. Bei ihrer Arbeit nutzen sie auch Strom- und Spannungswandlerschaltungen.

Um den Widerstand zu messen, verwenden Sie Ein Ausdruck des Ohmschen Gesetzesfür den betrachteten Schaltungsabschnitt beschrieben.

Wenn ein sinusförmiger Strom durch aktive, kapazitive und induktive Widerstände fließt, weicht der Spannungsabfallvektor an ihnen in verschiedene Richtungen ab. Dies wird durch das Verhalten des Schutzrelais berücksichtigt.

Nach diesem Prinzip arbeiten viele Arten von Widerstandsrelais (RS) in Relaisschutz- und Automatisierungsgeräten.

Methoden zur Netzfrequenzsteuerung

Um die Stabilität der Schwingungsperiode der Harmonischen des durch die Stromleitung übertragenen Stroms aufrechtzuerhalten, werden Frequenzsteuerrelais verwendet. Sie arbeiten nach dem Prinzip, die vom eingebauten Generator erzeugte Referenz-Sinuswelle mit der von den linearen Messtransformatoren erhaltenen Frequenz zu vergleichen.

Nach der Verarbeitung dieser beiden Signale bestimmt das Frequenzrelais die Qualität der beobachteten Harmonischen und ändert bei Erreichen des eingestellten Wertes die Position des Kontaktsystems.

Merkmale der Leitungsparametersteuerung durch digitale Schutzvorrichtungen

Auch Mikroprozessorentwicklungen, die Relaistechnologien ersetzen, können ohne Sekundärwerte von Strömen und Spannungen, die den Messwandlern TT und VT entnommen werden, nicht funktionieren.

Für den Betrieb digitaler Schutzvorrichtungen werden Informationen über die sekundäre Sinuswelle durch Abtastmethoden verarbeitet, die darin bestehen, einem analogen Signal eine Hochfrequenz zu überlagern und die Amplitude des gesteuerten Parameters am Schnittpunkt der Diagramme festzulegen.

Aufgrund des kleinen Abtastschritts, der schnellen Verarbeitungsmethoden und der Verwendung der mathematischen Näherungsmethode wird eine hohe Genauigkeit der Messung von Sekundärströmen und -spannungen erreicht.

Die so berechneten Zahlenwerte werden im Algorithmus für den Betrieb von Mikroprozessorgeräten verwendet.

Der logische Teil des Relaisschutzes und der Automatisierung

Nachdem die Anfangswerte der Ströme und Spannungen des entlang der Stromleitung übertragenen Stroms durch Messtransformatoren modelliert wurden, die zur Verarbeitung durch Filter ausgewählt und von den empfindlichen Organen der Relaisgeräte für Strom, Spannung, Leistung, Widerstand und Frequenz empfangen wurden, Jetzt sind die Schaltkreise der Logikrelais an der Reihe.

Ihr Design basiert auf Relais, die von einer zusätzlichen Quelle konstanter, gleichgerichteter oder Wechselspannung betrieben werden, die auch als Betriebsspannung bezeichnet wird, und die von ihr gespeisten Stromkreise sind betriebsbereit. Dieser Begriff hat eine technische Bedeutung: sehr schnell, ohne unnötige Verzögerungen, ihre Umstellungen durchzuführen.

Die Arbeitsgeschwindigkeit der Logikschaltung bestimmt maßgeblich die Geschwindigkeit der Notabschaltung und damit das Ausmaß ihrer zerstörerischen Folgen.

Relais, die in Betriebsstromkreisen arbeiten, werden aufgrund ihrer Aufgaben als Zwischenrelais bezeichnet: Sie empfangen ein Signal von der messenden Schutzeinrichtung und übermitteln es durch Schalten ihrer Kontakte an Organe: Ausgangsrelais, Magnetspulen, Elektromagnete zum Trennen oder Schließen der Leistungsschalter .

Zwischenrelais verfügen normalerweise über mehrere Kontaktpaare, die einen Stromkreis schließen oder unterbrechen. Sie werden verwendet, um Befehle zwischen verschiedenen Relaisschutzgeräten gleichzeitig zu reproduzieren.

Im Betriebsalgorithmus des Relaisschutzes wird häufig eine Verzögerung eingeführt, um das Prinzip der Selektivität sicherzustellen und die Reihenfolge eines bestimmten Algorithmus zu bilden. Es blockiert den Schutzvorgang während der Einrichtung.

Dieser Verzögerungseingang wird mithilfe spezieller Zeitrelais (RVs) erzeugt, die über einen Uhrmechanismus verfügen, der die Geschwindigkeit ihrer Kontakte beeinflusst.

Der Logikteil des Relaisschutzes verwendet einen von vielen Algorithmen, die für verschiedene Fälle entwickelt wurden, die auf einer Stromleitung einer bestimmten Konfiguration und Spannung auftreten können.

Als Beispiel können wir nur einige Namen für die Funktionsweise der Logik zweier Relaisschutzvorrichtungen nennen, die auf der Steuerung des Stroms der Stromleitung basieren:

• Stromunterbrechung (Geschwindigkeitsanzeige) ohne Verzögerung oder mit Verzögerung (garantiert HF-Selektivität), unter Berücksichtigung der Stromrichtung (aufgrund des RM-Relais) oder ohne;

• Der Überstromschutz kann mit den gleichen Steuerungen wie der Trennschalter ausgestattet werden, komplett mit oder ohne Leitungsunterspannungsprüfungen.

In den Betrieb der Relaisschutzlogik werden häufig Elemente der Automatisierung verschiedener Geräte einbezogen, zum Beispiel:

• Wiedereinschaltung des einphasigen oder dreiphasigen Leistungsschalters;

• Einschalten der Notstromversorgung;

• Beschleunigung;

• Frequenzentladung.

Der Logikteil des Leitungsschutzes kann in einem kleinen Relaisraum direkt über dem Leistungsschalter erfolgen, was typisch für externe Komplettschaltanlagen (KRUN) mit Spannungen bis 10 kV ist, oder mehrere 2x0,8 m große Schalttafeln im Relaisraum belegen .

Beispielsweise kann die Schutzlogik für eine 330-kV-Leitung auf separaten Schutzfeldern platziert werden:

• Reservieren;

• DZ – entfernt;

• DFZ – Differentialphase;

• VCHB – Hochfrequenzblockierung;

• OAPV;

• Beschleunigung.

Ausgangskreise

Die Ausgangskreise stellen das letzte Element des linearen Relaisschutzes dar. Ihre Logik basiert ebenfalls auf der Verwendung von Zwischenrelais.

Die Ausgangskreise bilden die Betriebsreihenfolge der Leitungsschalter und bestimmen die Interaktion mit benachbarten Anschlüssen, Geräten (z. B. Schalterversagerschutz – Notauslösung des Schalters) und anderen Elementen des Relaisschutzes und der Automatisierung.

Einfache Leitungsschutzvorrichtungen verfügen möglicherweise nur über ein Ausgangsrelais, das den Leistungsschalter auslöst. In komplexen Systemen mit verzweigtem Schutz entstehen spezielle Logikschaltungen, die nach einem bestimmten Algorithmus arbeiten.

Die endgültige Spannungsfreischaltung im Notfall erfolgt über einen Leistungsschalter, der durch die Kraft des auslösenden Elektromagneten aktiviert wird. Für den Betrieb werden spezielle Kraftketten mitgeliefert, die starken Belastungen standhalten.Ki.