Релейная защита в Японии
Авторы: Фил Бьюмо (Phil Beaumont) , Тошиба, Великобритания, Тадаши Накамура (Tadashi Nakamura) и Нориоши Суга (Noriyoshi Suga), Тошиба, Япония
Статья была опубликована в мартовском номере журнала в 2012 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Краткая история
Введение
Ни одна из статей по истории РЗ в Японии не будет полной без краткого представления некоторых уникальных особенностей японской энергосистемы. Пиковое потребление в Японии составляет 180 ГВт и, как показано на рисунке 4, Япония состоит из четырех основных островов: Хоккайдо, Хонсю, Сикоку и Кюсю вместе с Окинавой и множества других небольших островов. Основные острова связаны между собой с помощью преобразователей переменного/постоянного тока, за исключением соединения между островами Кюсю и Хонсю, которые соединены линией 500 кВ ~ тока с мощностью передачи в 5570 МВт. Подводные связи между Хонсю и Хоккайдо и Сикоку-Хонсю имеют пропускную номинальную мощность 600 МВт и 1400 МВт соответственно. Сикоку также соединена с Хонсю ВЛ 500 кВ мощностью 2400 МВт.
В Минами-Фукумитцу (Minami-Fukumitsu), центр Японии, имеется обратимый ~/= конвертор мощностью 300 МВт, который улучшает устойчивость энергосистемы в районе транзита Хокурики-Кансай-Чубу (Hokuriku-Kansai-Chubu). Преобразователи частоты установлены примерно посередине острова Хонсю для соединения систем 50 и 60Гц, каждый из которых обслуживает половину Японии. Станции преобразования частоты расположены в Сакума(Sakuma) (300 МВт) и Син-Синано(Shin-Shinano) (600 МВт). Третий преобразователь частоты мощностью 300 МВт также расположен в Чубу(Chubu), в Хигаши-Симизу (Higashi-Shimizu),(не показан на Рисунке 4).
Японских инженеров часто спрашивают, почему Япония разделена на системы 50Гц и 60Гц. Причина очень логична и связана с историей. До 1890г район Токио снабжался от сети постоянного тока, которой владела и управляла компания Токио-Денту (Tokyo-Dentoy), поставлявшая электроэнергию с 1887г. В начале 1890-х она купила генератор ~ тока у компании AEG (Германия). Генератор был 3-х фазным, номинальным напряжением 3 кВ и мощностью 265 кВт, частотой 50 Гц и был установлен в районе Токио. В Осаке, на западе Японии, компания Осака-Денту (Osaka-Dentou) купила генератор частотой 60 Гц, номинальным напряжением 2,3 кВ и мощностью 150 кВт у компании GE (США). Из этих двух мини-систем и выросла современная энергосистема Японии. Другой интересной особенностью энергосистемы Японии является то, что ее топография развивалась от радиальной системы к многоконцевой с параллельными линиями, что и привело к широкому распространению дифференциальной токовой защиты и многофазным АПВ, что будет описано далее.
Рисунок 1. Индукционное реле дискового типа
Рисунок 2. Первое реле плунжерного типа в Японии (реле МТЗ 1907 г)
Рисунок 3. Токовое балансное реле для ВЛ 154 кВ (примерно 1945 г)
Рисунок 4. Схема энергосистемы Японии
Рисунок 5. Поперечная дифференциальная защита
Самое начало
РЗ в Японии появилась более 100 лет назад, в 1907 г с выпуска первого реле защиты плунжерного типа (с «втягивающимся» сердечником) и показанного на Рисунке 2. Впервые они применялись для линии 55 кВ Яцузава (Yatsuzawa) в Токио. После этого появилась МТЗ с индукционным дисковым реле, показанное на Рисунке 1, которое начало выпускаться в 1920 г. По сравнению с плунжерными реле чувствительность и точность выдержки времени были значительно увеличены.
В этот период, резкий спрос на электроэнергию привел к строительству больших электростанций, и, как следствие, к резкому увеличению количества линий электропередач. Для увеличения надежности передачи электроэнергии было одобрено строительство большого количества двухцепных линий. Что касается защиты, очень большое внимание было уделено селективности, поэтому в начале 20-х начали применять реле «поперечной» дифференциальной защиты - схеме, в то время имеющей значительно лучшую селективность по сравнению с МТЗ.
Реле «поперечной» дифференциальной защиты использует тот факт, что токи в параллельных линиях при нагрузке и внешнем КЗ имеют примерно одинаковые величины, в то время как при внутреннем повреждении на одной из линий этот баланс нарушается, как показано на Рисунке 5, при этом по поврежденной линии течет бОльший ток. Этот тип защиты применялся и в других странах, таких как США, еще с 1938 г, но сейчас она так широко распространена в Японии, что может считаться отличительной особенностью в области РЗ по сравнению с другими странами. Этот принцип используется и в цифровых защитах и является типовым решением для защит на напряжении 66/77 кВ.
Развитие технологий, начавшееся с разработки плунжерных и дисковых индукционных электромеханических реле, привело к созданию в послевоенный период индукционных реле цилиндрового типа, имеющих значительно лучшие характеристики: более короткое время срабатывания, улучшенную точность и селективность.
Устройство реле с индукционным цилиндром (индукционным стаканом) показано на Рис.6. Это реле имеет магнитные полюса, состоящие из железных сердечников и катушек, окружающих расположенный в центре вращающийся цилиндр. Вращающийся поток, образованный магнитными полюсами приводит во вращение цилиндр. Быстрое время срабатывания может быть достигнуто за счет того, что цилиндр полый и поэтому момент инерции маленький. Исходя из опыта, полученного при применении МТЗ, конструкция с индукционным цилиндром начала применяться и в «дистанционном реле MHO-типа», разработанного в 1951 г.
Рисунок 6. Индукционное реле с цилиндром
Рисунок 7. Токовая дифференциальная защита с частотной модуляцией
Рисунок 8. Статическое реле (Т-серия)
Рисунок 9. Принцип схемы «сравнения направлений»
Рисунок 10. Схема «сравнения направлений»
Из-за увеличения потребности в мощности, в послевоенный период началось планирование в части строительства сети сверхвысокого напряжения и в 1951 г была введена в работу магистральная ЛЭП напряжением 275 кВ между электростанцией Наруде (Narude) в префектуре Тояма (Toyama) и подстанцией Хираката (Hirakata) в префектуре Осака. В качестве защиты использовалось дистанционное реле MHO-типа с ВЧ-ускорением на основе принципа «сравнения направлений», показанное на Рисунке 10.
Схема «сравнения направлений» с использованием ВЧ-канала показана на Рисунке 9. Схема позволяет «отделить» поврежденный участок, когда реле защиты считают, что повреждение находится внутри защищаемой зоны. Поэтому требуется, чтобы каждый терминал имел возможность передавать на противоположный конец результат определения направления повреждения. На ЛЭП использовалась ВЧ-связь по проводам самой линии. В 1952 г на линии электропередач Син Хокурику (Shin Hokuriku) в районе Кансай (Kansai) впервые в Японии было применено ОАПВ.
Принцип сравнения направлений использовался в Японии много лет для защиты ЛЭП СВН. В 1958 г на магистральой ЛЭП Куширо (Kushiro) в Хоккайдо впервые в качестве среды передачи между терминалами была применена СВЧ-радиосвязь. В дальнейшем, по мере накопления опыта эксплуатации и развития технологий в 1956 г появилась ДФЗ на вакуумных лампах. В 1959 г появилась защита с применением транзисторов.
Эту защиту можно считать относящейся к статическому типу, если сравнивать с вышеуказанными реле, которые были электромагнитными механическими реле с подвижными частями. В 1962 г была выпущена дистанционная защита с использованием германиевых транзисторов. Это было устройство с большими габаритами и с большим потреблением мощности и не стало популярным. Однако, к 1971 г, по мере эволюции, были разработаны меньшие по размерам устройства со значительно меньшим потреблением и дистанционные защиты на транзисторах получили широкое распространение.
В направлении увеличения надежности
В результате резкого экономического роста увеличилось потребление мощности, и были построены большие электростанции, достаточно удаленные от мест потребления электроэнергии. Это привело к необходимости развития сети 500 кВ. Одной из них стала ЛЭП500кВ Фукушима (Fukushima) на северо-востоке Японии. По мере развития связей энергосистема тоже стала более сложной, что привело к большим авариям («погашениям») как на отдельно взятом острове, так и за его пределами, поэтому в 1965 г было принято решение увеличить надежность реле защиты. Были внедрены автоматический контроль и непрерывный мониторинг в качестве мер, повышающих надежность релейной защиты. Эти функции присутствовали как в основной, так и в резервной защитах. Мониторинг включал в себя цепи от ТТ и ТН, а также дискретные входы и выходные сигналы отключения. Также начали использоваться реле обнаружения повреждения. В такой схеме выходы отключения от каждой из двух основных защит соединялись последовательно с выходными контактами от каждого из двух реле обнаружения повреждения, что уменьшало вероятность ложного отключения. Такое соединение позволяет также индивидуально проверять выходные контакты отключения без отключения силового выключателя. Этот новый подход уменьшил время, необходимое для обнаружения и устранение повреждений, уменьшил количество ручных проверок и объемы техобслуживания и значительно уменьшил количество «человеческих» ошибок.
Рисунок 11. Панель РЗ полностью на статике с ВЧ приемопередатчиками
Рисунок 12. Параллельные «двухцепные» линии и принцип «поперечного» реле (1923 г)
Возможности при 2 и 3 фазном соединении
Рисунок 13. Многофазное АПВ
O = Open (Отключить)
C = Close (Включить)
FT = Final Trip (Окончательное отключение)
Рисунок 13 показывает все типы повреждений, которые могут быть на «двухцепных» параллельных линиях, возможность АПВ для этих повреждений с помощью многофазных АПВ и условия, необходимые для разрешения АПВ, когда в наличии есть две различных «здоровых» фазы.
Система статических реле, показанная на Рисунке 11, имеет функцию автоматического мониторинга и многофазное АПВ. Этот тип АПВ широко применяется в Японии для повторного включения на «двухцепных» линиях. При таком АПВ отключаются и включаются только поврежденные фазы, в то время как концы «двухцепной» линии продолжают быть соединенными в процессе набора выдержки времени АПВ по крайней мере двумя или тремя различными фазами. Многофазное АПВ позволяет осуществить быстрое АПВ при многофазных повреждениях без проверки синхронизма и напряжений и минимизирует перерывы питания при двойных повреждениях на «двухцепных» линиях. На Рисунке 13 показаны все возможные типы повреждений на параллельных линиях, возможность АПВ при таких повреждениях с помощью многофазного АПВ и условия, разрешающие АПВ для случая, когда в работе остаются две независимые «здоровые» фазы.
Кроме того, на этот тип АПВ можно полагаться, чтобы избежать полного «погашения» в случае нескольких повреждений на двух линиях, поэтому оно было рекомендовано к применению для важных линий СВН. Необходимо отметить, что устройства защиты, работающие совместно с многофазным АПВ должны иметь селектор поврежденной фазы.
В 1969 г для системы 275 кВ в Фукусиме была разработана схема сравнения фаз на статических реле, имевшая улучшенную селективность по сравнению со схемой сравнения направлений. Эта защита использует принцип, что фазы тока по обоим концам защищаемой линии стремятся «быть в фазе» при внутренних повреждениях(в «защищаемой зоне») и в «противофазе» при нагрузке или внешнем повреждении (Рисунок 16). Это была пофазная (фазоселективная) схема, позволяющая осуществлять многофазное АПВ, а также включала в себя схему самоконтроля. Продолжением этой защиты стала «многоуровневое» реле сравнения фаз, которое было разработано с целью преодоления трудностей, возникших при применении первого реле на «многоконцевых» линиях. Оно было представлено на Летней Конференции IEEE PES ( Institute of Electric and Electronic Engineers Power & Energy Society, США) в Мехико в 1977 г.
Так как схемы электрических сетей стали очень сложными, широко распространилось применение «многоконцевых» линий. Хотя на таких линияхи вызывают большие затруднения операции по техобслуживанию, но преимущества в вопросах устойчивости и времени устранения повреждения, бОльшая готовность к работе, наряду со стоимостью земли и первичного оборудования привели к их широкому применению. Проблемы, связанные с такими линиями, привели к разработке дифференциальных токовых реле с импульсно-кодовой модуляцией (PCM -PulseCodeModulation current differential relay), которые на сегодняшний день являются основным типом защиты. Перед тем, как мы рассмотрим такие реле, необходимо упомянуть о его предшественнике – токовом дифференциальном реле с частотной модуляцией (FM – Frequency Modulation), которое было выпущено в 1977 г и показано на Рисунке 7. Схема сравнения фаз не могла работать правильно при внутренних повреждениях, если ток «вытекал» из защищаемого участка, поэтому и появились схемы токовой дифференциальной защиты с кодо-импульсной модуляцией, имевшие повышенную селективность и устранявшие эффект «выходящего» тока на трехконцевых линиях при повреждениях «в зоне». В новой схеме также было повышено быстродействие реле при повреждениях на линиях, смежных с подземными силовыми кабелями, где требовалась задержка, вызванная возникновением переходных гармонических колебаний. Технология модуляции частоты использовалась для передачи информации о токе по концам линии с векторным суммированием токов на каждом конце, после чего определялось, является ли повреждение внутренним или внешним по отношению к защищаемой цепи. Необходимо указать, что подобная защита также применялась в Великобритании в качестве защиты линии 400 кВ с отпайкой после ее испытаний с имитацией повреждений в 1985 г.
Рисунок 14. Система предотвращения каскадного развития повреждения
Рисунок 15. Второе поколение цифровых реле (1985)
Цифровая техника РЗ
Далее на развитие техники РЗ начало влиять появление микро-ЭВМ, и в 1970-х в Японии начали активно изучать возможности применения такой техники в РЗ. В 1968г, с целью получения опыта в этой новой технологии, были проведены полевые испытания с участием производителей и энергокомпаний, где проверялось применение токовых дифференциальных реле на протяженных многоконцевых ЛЭП. Для передачи формы волны с одного конца на другой была применена система с цифровой передачей данных с использованием высококачественной и высокоточной кодово-импульсной модуляции. Но, в качестве входной величины реле, использовалась демодулированная аналоговая форма волны. Хотя было проведено очень много практических испытаний, это не привело напрямую к практическому применению такой системы. Но тесты дали ценную информацию как энергокомпаниям так и производителям при дальнейшем развитии цифровых реле. Полученный опыт показал необходимость высококачественного и высокоточного аналого-цифрового преобразования, технологий цифровой передачи данных, и то, как возмущения в сети СВЧ-связи влияют на передачу данных в цифровых реле.
В 1973г японские производители начали разрабатывать цифровые реле, используя новый элемент: микропроцессор. Два способа были одобрены для применения в алгоритмах цифровых реле:
■ Один был основан на использовании основной гармоники
■ другой основывался на явлении «бегущей волны»
Для создания алгоритма, который бы был одновременно и быстродействующим и обладал бы превосходными возможностями как защита, были проведены интенсивные модельные исследования.
В области «железа», из-за требований высокой производительности, было принято развивать биполярные микропроцессоры с разрядно-модульной архитектурой. Примерно в то же время появилась технология передачи данных по оптическому каналу, свободному от влияния помех.
Основываясь на этих технологиях, в июле 1977 г были проведены испытания токового дифференциального реле на линиях СВН, а в 1978г к испытаниям добавили и цифровое дистанционное реле. Первые цифровые реле были введены в работу в 1980-х (Рисунок 17), когда дифференциальное реле с кодовой импульсной модуляцией было установлено на линии 275кВ, а цифровое дистанционное реле – на линии напряжением 66 кВ. С течением времени применение цифровых реле увеличивалось, и к середине 80-х появились устройства на основе 16-битных процессоров и частотой выборок 600/720 Гц при частотах 50/60 Гц. Стали доступны цифровые реле защиты трансформаторов и в 1990 г ввели в работу цифровые защиты шин. В этих защитах применялись децентрализованные периферийные блоки различных производителей, с принятием специальных мер, учитывающих насыщение ТТ. Аналоговая информация о токе и дискретная информация о положении коммутационных аппаратов передавались по оптической LAN-сети по протоколу IEEE 802.4 (Token-Bus – сеть с маркёрным доступом), совместимость достигалась унификацией формата данных и характеристик аналоговых фильтров различных производителей.
Перед тем как идти дальше, необходимо отметить добавление в 1989 г в цифровые устройства РЗ функции записи информации о повреждении. Сегодня эта функция очень помогает при анализе аварий и применяется в «интеллектуальных» устройствах РЗ – (IED) повсеместно.
Рисунок 16. Принцип дифференциально-фазной защиты
Рисунок 17. Первое поколение цифровой дифференциальной токовой защиты
Рисунок 18. Система защиты на основе сравнения фаз (учитывающая переходные гармонические колебания, 1969-1977)
Следующий шаг в технологии произошел в середине 1990-х с внедрением новых высокотехнологичных процессоров, таких как 32-битные устройства с 16-ти разрядными АЦП. Стали применяться более высокие уровни дискретизации 4800/5760 Гц для устройств с частотой 50/60 Гц. Можно сказать, что все остальное ушло в небытие. Линейки устройств расширились, позволяя охватить все устройства РЗ, управления и автоматики на подстанции. Появились новые технологии, такие как протокол IEC61850, позволяющие совмещать устройства различных производителей, постоянно повышалась как надежность устройств, так и показатель «затраты-эффективность».
Перед тем как закончить обзор, следует отметить развитие схем ПА (SIP – Special Integrity Schemes) в Японии. Их история началась в 1968г с внедрения реле предотвращения каскадного развития аварий с использованием операционных усилителей. В 1978г для управления частотой в системе был введен в работу цифровой контроллер SSC ( System Stabilizing Controller). По мере развития энергосистем и цифровых технологий развивались и другие системы ПА, например устройства «деления» системы и системы поддержания напряжения в сети, основанные на анализе переходных режимов, которые начали применяться в 1980-х; можно упомянуть Систему деления на основе управления балансом активной и реактивной мощностей (Islanding Protection System). В 1999г были продемонстрированы преимущества такой системы, когда 29 ноября одна из входящих в единую систему подсистем –«Metropolitan power system», управляемая компанией «Tokyo Electric Power Company» была отделена от основной системы при аварии, вызванной падением реактивного учебного самолета Сил Самообороны (Air Self-Defence Force) на межсистемную линию 275кВ. Успешная работа Системы деления на основе управления балансом активной и реактивной мощностей (Islanding Protection System) обеспечила бесперебойную работу наиболее важных потребителей при аварии. Новейшие системы обеспечивают выполнение функций ПА как на основе анализа переходных процессов, так и других факторов: это системы – Transient Stability Control and Integrated Stability Control, SPS/FACTS (Stand-alone Power System/ Flexible AC Transmission Systems), STATCOM –Static Synchronous Compensator.
Сегодня Япония гордится цифровыми реле, отображающими развитие микропроцессорных технологий на протяжении более 30лет, начиная с биполярных микропроцессоров с разрядно-модульной архитектурой и заканчивая серийными устройствами на основе 64-битных высокопроизводительных процессоров.
Если кто-либо захотел узнать больше об истории развития РЗА в Японии, мы с удовольствием поделимся техническими статьями, использованными при подготовке данного обзора.
Об авторах статьи
Фил Бьюмо (Phil Beaumont) изучал электротехнику в Лидсе, Великобритания и получил степень бакалавра (диплом с отличием). Он 14 лет работал инженером в компании “Центральное электроэнергетическое управление» («Central Electricity Generating Board”), занимаясь устойствами РЗА, управления и измерений. Он работал в компаниях АВВ, Reyrolle (Англия) и VA Tech (Австрия), где занимал различные инженерные должности в области продаж и маркетинга, применений, главного инженера департамента R&D, технического директора.
Сейчас Фил – Главный специалист в компании Тошиба, старший член комиссии МЭК, действительный член Института IET(Institution of Engineering and Technology), Великобритания. Он принимает активное участие в ряде рабочих групп SIGRE и IEE, является секретарем в группе МЭК IEC TC95 MT4
Тадаши Накамура (Tadashi Nakamura) получил степени бакалавра и магистра в области электроэнергетики в 1982г в Университете Осака, Япония. Он работал в корпорации Тошиба (Toshiba Corporation), занимался разработкой , проектированием и техническим сопровождением устройств РЗ и управления для энергосистем. Он является членом Японского института инженеров-электриков (Institute of Electrical Engineers of Japan – IEE). Он является менеджером высшего звена инженерного департамента систем автоматизации в энергетике компании Тошиба.
Нориоши Суга (Noriyoshi Suga) получил степень бакалавра в области энергетики в 1975г после окончания Токийского Института Технологии, Токио, Япония. Он работал в корпорации Тошиба, Япония, где занимался разработкой реле защиты и аппаратуры для РЗ. Он является членом Японского института инженеров-электриков (Institute of Electrical Engineers of Japan – IEE) и председателем японского национального комитета в IEC/TC95 (Измерительные реле и защитное оборудование).
Авторы: Фил Бьюмо (Phil Beaumont) , Тошиба, Великобритания, Тадаши Накамура (Tadashi Nakamura) и Нориоши Суга (Noriyoshi Suga), Тошиба, Япония
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в мартовском номере журнала в 2012 году