Защита энергосистемы - Power system protection

Защита системы питания является филиалом электрической энергетики , которая занимается защитой электроэнергетических систем от сбоев через разъединение частей от ошибочно работающих остальной части электрической сети . Целью схемы защиты является поддержание стабильности энергосистемы за счет изоляции только неисправных компонентов, при этом максимально возможная часть сети остается в работе. Таким образом, схемы защиты должны применять очень прагматичный и пессимистический подход к устранению сбоев системы. Устройства, которые используются для защиты энергосистем от неисправностей, называются защитными устройствами .

Компоненты

Системы защиты обычно состоят из пяти компонентов:

  • Трансформаторы тока и напряжения для понижения высоких напряжений и токов в системе электроснабжения до уровней, удобных для реле.
  • Защитные реле для определения неисправности и инициирования отключения или отключения.
  • Автоматические выключатели для размыкания / замыкания системы на основе команд реле и автоматического повторного включения
  • Аккумуляторы для обеспечения питания в случае отключения питания в системе
  • Каналы связи, позволяющие анализировать ток и напряжение на удаленных клеммах линии и позволять дистанционное отключение оборудования.

Для частей распределительной системы предохранители способны как обнаруживать, так и отключать неисправности.

Отказ может произойти в каждой части, например, нарушение изоляции, обрыв или обрыв линий электропередачи, неправильная работа автоматических выключателей, короткие замыкания и обрыв цепи. Устройства защиты устанавливаются с целью защиты активов и обеспечения непрерывной подачи энергии.

Распределительное устройство - это комбинация электрических разъединителей, предохранителей или автоматических выключателей, используемых для управления, защиты и изоляции электрического оборудования. Переключатели можно безопасно размыкать при нормальном токе нагрузки (некоторые переключатели небезопасно работать при нормальных или ненормальных условиях), в то время как защитные устройства можно безопасно размыкать при токе короткого замыкания. Очень важное оборудование может иметь полностью резервированные и независимые системы защиты, в то время как второстепенная распределительная линия может иметь очень простую и недорогую защиту.

Цифровое (цифровое) многофункциональное реле защиты распределительных сетей. Одно такое устройство может заменить множество однофункциональных электромеханических реле и обеспечивает функции самотестирования и связи.

Виды защиты

Сеть передачи высокого напряжения

Защита в системе передачи и распределения выполняет две функции: защиту растений и защиту населения (включая сотрудников). На базовом уровне защита отключает оборудование, которое испытывает перегрузку или короткое замыкание на землю. Некоторым элементам на подстанциях, например трансформаторам, может потребоваться дополнительная защита, в частности, в зависимости от температуры или давления газа.

Генераторные установки

На электростанции защитные реле предназначены для предотвращения повреждения генераторов переменного тока или трансформаторов в случае ненормальных условий работы из-за внутренних отказов, а также отказов изоляции или сбоев регулирования. Такие отказы необычны, поэтому реле защиты должны срабатывать очень редко. Если защитное реле не обнаруживает неисправность, в результате повреждения генератора или трансформатора может потребоваться дорогостоящий ремонт или замена оборудования, а также потеря дохода из-за невозможности производить и продавать энергию.

Перегрузка и резерв на расстояние (перегрузка по току)

Для защиты от перегрузки требуется трансформатор тока, который просто измеряет ток в цепи и сравнивает его с заданным значением. Существует два типа защиты от перегрузки: мгновенная максимальная токовая защита (IOC) и максимальная токовая защита с выдержкой времени (TOC). Мгновенная перегрузка по току требует, чтобы ток превышал заданный уровень для срабатывания автоматического выключателя. Максимальная токовая защита с выдержкой времени работает на основе зависимости тока от времени. На основании этой кривой, если измеренный ток превышает заданный уровень в течение заданного времени, сработает автоматический выключатель или предохранитель. Функции обоих типов описаны в разделе «Ненаправленная максимальная токовая защита» на YouTube .

Замыкание на землю / замыкание на землю

Для защиты от замыкания на землю также требуются трансформаторы тока и она определяет дисбаланс в трехфазной цепи. Обычно три фазных тока сбалансированы, то есть примерно равны по величине. Если одна или две фазы будут подключены к земле через путь с низким импедансом, их амплитуда резко возрастет, как и дисбаланс тока. Если этот дисбаланс превышает заданное значение, должен сработать автоматический выключатель. Ограниченная защита от замыканий на землю - это тип защиты от замыканий на землю, которая ищет замыкание на землю между двумя наборами трансформаторов тока (следовательно, ограничивается этой зоной).

Расстояние (реле импеданса)

Дистанционная защита определяет как напряжение, так и ток. Неисправность в цепи обычно вызывает падение уровня напряжения. Если отношение напряжения к току, измеренное на клеммах реле, которое соответствует импедансу, упадет до заданного уровня, сработает автоматический выключатель. Это полезно для достаточно длинных линий, длиннее 10 миль, потому что их рабочие характеристики основаны на характеристиках линии. Это означает, что при возникновении неисправности на линии, значение полного сопротивления реле сравнивается с кажущимся импедансом линии от клемм реле до места повреждения. Если установлено, что уставка реле ниже кажущегося импеданса, это означает, что неисправность находится в пределах зоны защиты. Когда длина линии передачи слишком мала, менее 10 миль, дистанционную защиту становится труднее координировать. В этих случаях лучший выбор защиты - это дифференциальная защита по току.

Резервное копирование

Цель защиты - удалить только пораженную часть растения и ничего больше. Автоматический выключатель или реле защиты могут не сработать. В важных системах отказ первичной защиты обычно приводит к срабатыванию резервной защиты. Удаленная резервная защита обычно удаляет как затронутые, так и незатронутые элементы установки, чтобы устранить неисправность. Локальная резервная защита удалит затронутые элементы установки для устранения неисправности.

Низковольтные сети

В низковольтной сети обычно используются предохранители или низковольтные автоматические выключатели для устранения перегрузки и замыканий на землю.

Компьютерная безопасность

Основная система, которая представляет собой большую взаимосвязанную электрическую систему, включая систему передачи и управления, ежедневно сталкивается с новыми угрозами кибербезопасности. («Кибербезопасность электрических сетей», 2019 г.). Большинство этих атак нацелены на системы управления в сетях. Эти системы управления подключены к Интернету и позволяют хакерам легко атаковать их. Эти атаки могут привести к повреждению оборудования и ограничить возможности специалистов по управлению системой.

Координация

Согласование защитных устройств - это процесс определения «наилучшего» времени прерывания тока при возникновении ненормальных электрических условий. Цель состоит в том, чтобы минимизировать простои в максимально возможной степени. Исторически согласование защитных устройств производилось на полупрозрачной бревенчатой ​​бумаге. Современные методы обычно включают подробный компьютерный анализ и отчетность.

Координация защиты также осуществляется путем разделения энергосистемы на защитные зоны. Если в данной зоне произойдет сбой, будут выполнены необходимые действия для изоляции этой зоны от всей системы. Определения зон включают генераторы , автобусы, трансформаторы , линии передачи и распределения , а также двигатели . Кроме того, зоны обладают следующими характеристиками: зоны перекрытия, области перекрытия обозначают автоматические выключатели, и все автоматические выключатели в данной зоне с повреждением отключаются, чтобы изолировать повреждение. Перекрывающиеся области создаются двумя наборами измерительных трансформаторов и реле для каждого автоматического выключателя. Они предназначены для резервирования для устранения незащищенных участков; тем не менее, перекрывающиеся области должны оставаться как можно меньшими, так что, когда неисправность возникает в области перекрытия, и две зоны, которые охватывают неисправность, изолированы, сектор энергосистемы, который теряется из-за отсутствия обслуживания, все еще невелик, несмотря на две зоны. быть изолированным.

Оборудование для контроля нарушений

Оборудование для контроля нарушений в работе (DME) отслеживает и записывает системные данные, относящиеся к неисправности . DME выполняет три основные задачи:

  • проверка модели,
  • расследование нарушений и
  • оценка эффективности защиты системы.

К устройствам DME относятся:

  • Последовательность регистраторов событий, фиксирующих реакцию оборудования на событие
  • Регистраторы отказов, которые записывают фактические данные о форме сигналов первичных напряжений и токов системы.
  • Регистраторы динамических возмущений (DDR), которые регистрируют инциденты, которые отражают поведение энергосистемы во время динамических событий, таких как колебания низкой частоты (0,1 Гц - 3 Гц) и аномальные колебания частоты или напряжения.

Показатели эффективности

Инженеры по защите определяют надежность как способность системы защиты работать правильно при внутризонных повреждениях. Они определяют безопасность как тенденцию не работать при сбоях вне зоны. И надежность, и безопасность - это вопросы надежности. Анализ дерева отказов - это один из инструментов, с помощью которого инженер по защите может сравнить относительную надежность предложенных схем защиты. Количественная оценка надежности защиты важна для принятия оптимальных решений по улучшению системы защиты, управления надежностью и компромиссами безопасности, а также для получения наилучших результатов при минимальных затратах. Количественное понимание важно в конкурентной отрасли коммунальных услуг.

Критерии производительности и проектирования устройств защиты системы включают надежность, избирательность, скорость, экономичность и простоту.

  • Надежность: устройства должны работать стабильно при возникновении неисправностей, независимо от того, могут ли они простаивать в течение нескольких месяцев или лет. Без такой надежности системы могут вызвать дорогостоящие повреждения.
  • Селективность: устройства должны избегать неоправданных ложных срабатываний.
  • Скорость: устройства должны работать быстро, чтобы уменьшить повреждение оборудования и продолжительность отказов, только с очень точными преднамеренными задержками по времени.
  • Экономия: устройства должны обеспечивать максимальную защиту при минимальных затратах.
  • Простота: устройства должны минимизировать количество схем и оборудования защиты.


Надежность: надежность vs безопасность

Есть два аспекта надежной работы систем защиты: надежность и безопасность. Надежность - это способность системы защиты срабатывать, когда требуется удалить неисправный элемент из энергосистемы. Безопасность - это способность системы защиты удерживать себя от работы во время внешней неисправности. Выбор подходящего баланса между безопасностью и надежностью при проектировании системы защиты требует инженерной оценки и варьируется в зависимости от конкретного случая.

Смотрите также

Примечания

использованная литература