Устройства релейной защиты в энергосистемах

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухуд­шать их характеристики. Характер нарушения зависит от принци­па работы устройства. Цифровые реле и алгоритмы, основанные на анализе выборки данных или точки пересечения нуля, особен­но чувствительны к гармоникам.

Для электромеханических реле в большинстве случаев изменения характеристик несуществен­ны. Испытания показали, что большинство типов реле нормально работает при коэффициенте искажения до 20 %. Однако увеличе­ние доли мощных преобразователей в сетях может в будущем из­менить ситуацию.

Проблемы, возникающие из-за гармоник, различны для нормальных и аварийных режимов и ниже рассмотрены отдельно.

Влияние гармоник в аварийных режимах. Устройство защиты обычно реагируют на напряжение или ток основной частоты, а все гармоники в переходном режиме либо отфильтровываются, либо не оказывают воздействие на устройство. Последнее характерно для электромеханических реле, особенно используемых в макси­мальной токовой защите. Эти реле имеют большую инерцию, что делает их практически нечувствительными к высшим гармоникам.

Более существенным оказывается влияние гармоник на работу защиты, основанной на измерении сопротивлений. Дистанцион­ная защита, основанная на измерении сопротивлений на основ­ной частоте, может давать существенные ошибки в случае наличия в токе КЗ высших гармоник (особенно 3-го порядка). Большое со­держание гармоник обычно наблюдается в случаях, когда ток КЗ течет через землю (сопротивление земли доминирует в общем со­противлении контура). Если гармоники не отфильтровываются, вероятность ложной работы весьма велика.

В случае металлического КЗ в токе и напряжении преобладает основная частота. Однако в связи с насыщением трансформатора тока возникает вторичное искажение кривой, особенно в случае большой апериодической составляющей в первичном токе. В этих случаях также возникают проблемы обеспечения нормальной ра­боты защиты.

В установившихся режимах работы нелинейность, связанная с перевозбуждением трансформатора тока, вызывает только гармо­ники нечетного порядка. В переходных режимах могут возникнуть любые гармоники, причем наибольшие амплитуды имеют обычно вторая и третья.

Однако, все эти проблемы являются проблемами правильного проектирования. Правильный выбор оборудования устраняет множество трудностей, связанных с измерительными трансфор­маторами.

Фильтрация гармоник, особенно в цифровых защитах, наиболее важна для дистанционных защит. Ряд работ, выполненных в обла­сти цифровых способов фильтрации, показал, что хотя алгоритмы такой фильтрации частот достаточно сложны, получение нужного результата не представляет особых трудностей.

Влияние гармоник на системы защиты в нормальных режимах ра­боты электрических сетей. Низкая чувствительность устройств за­щиты к параметрам режима в нормальных условиях обусловливает практическое отсутствие проблем, связанных с гармониками в этих режимах. Исключение составляет проблема, обусловленная включением в сеть мощных трансформаторов, сопровождающим­ся броском намагничивающего тока. На практике высокое содер­жание высших гармоник в намагничивающем токе трансформато­ра в большинстве случаев используется для блокировки отключе­ния выключателей высокого напряжения защитой трансформатора, несмотря на исключительно высокий пик намаг­ничивающего тока.

Амплитуда тока зависит от индуктивности трансформатора, сопротивления обмотки и момента времени, в который происхо­дит включение. Остаточный поток в воздушном зазоре в момент перед включением несколько увеличивает или уменьшает трудно­сти в зависимости от полярности потока по отношению к началь­ному значению мгновенного напряжения. Так как ток на вторич­ной стороне во время намагничивания отсутствует, большой первич­ный ток может вызвать ложное срабатывание дифференциальной защиты.

Наиболее простым способом является использование задержки времени, однако это может привести к серьезному повреждению трансформатора, если авария произойдет во время его включения На практике нехарактерную для сетей вторую гармонику, присут­ствующую в токе включения, используют для блокировки защиты, хотя защита остается достаточно чувствительной к внутренним повреждениям трансформатора во время включения.

Оборудование потребителей

Телевизоры. Гармоники, увеличивающие пик напряжения, мо­гут вызвать искажения изображения и изменение яркости.

Флюоресцентные и ртутные лампы. Балластные устройства этих ламп иногда содержат конденсаторы, и при определенных условиях может возникнуть резонанс, приводящий к выходу ламп из строя.

Компьютеры. Существуют пределы на допустимые уровни ис­кажений в сетях, питающих компьютеры и системы обработки данных. В некоторых случаях они выражаются в процентах от но­минального напряжения (например, для компьютера Honeywell DEC - 3 %, IBM — 5 %) либо в виде отношения пика напряжения к действующему значению.

Преобразовательное оборудование. Провалы на синусоиде напряжения, возникающие во время коммутации вентилей, могут влиять на синхронизацию другого подобного оборудования или устройств, управление которыми осуществляется в момент пере­хода кривой напряжения нулевого значения.

Оборудование с регулируемой тиристорами частотой вращения. Теоретически гармоники могут влиять на такое оборудование несколькими способами: провалы на синусоиде напряжения вызывают неправильную работу из-за пропусков зажигания тиристоров; гармоники напряжения могут вызвать зажигание не в требуемый момент; резонанс между различными типами оборудования может привести к перенапряжениям и качаниям машин.

Описанные выше воздействия могут ощущаться и другими потребителями, присоединенными к той же сети. Если потреби­тель не испытывает затруднений с тиристорно управляемым обо­рудованием в своих сетях, он вряд ли окажет влияние на других потребителей. Потребители, питающиеся от разных шин, теорети­чески могут влиять друг на друга, однако электрическая удален­ность снижает вероятность такого взаимодействия.