Релейная защита в Японии

Авторы: Фил Бьюмо, Тадаши Накамура и Нориоши Суга

Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич

История

Ни одна из статей по истории Релейной Защиты в Японии не будет полной без краткого представления некоторых уникальных особенностей японской энергосистемы.

Пиковое потребление в Японии составляет 180 ГВт. Как показано на рисунке 1, Япония состоит из четырех основных островов: Хоккайдо, Хонсю, Сикоку и Кюсю вместе с Окинавой и множества других небольших островов.

Рисунок 1. Схема энергосистемы Японии

Основные острова связаны между собой с помощью преобразователей тока, а острова Кюсю и Хонсю, 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, центр Японии,  имеется обратимый ~/= конвертор мощностью 300 МВт, который улучшает устойчивость энергосистемы в районе транзита Хокурики-Кансай-Чубу.

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 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.

Самое начало

Релейная Защита 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.
 

Рисунок 2. Первое реле плунжерного типа в Японии (реле МТЗ 1907 г) Рисунок 3. Индукционное реле дискового типа

Впервые они применялись для линии 55 кВ Яцузава в Токио. После этого появилась МТЗ с индукционным дисковым реле, 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, что привело, к резкому увеличению количества  линий электропередач. Для повышения надежности передачи электроэнергии было одобрено строительство большого количества двухцепных линий. В начале 20-х начали применять реле «поперечной» дифференциальной защиты.

Рисунок 3. Токовое балансное реле для ВЛ 154 кВ (примерно 1945 г) Рисунок 4. Поперечная дифференциальная защита

Реле «поперечной» дифференциальной защиты в своей работе 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, но на настолько распространен в Японии, что может считаться отличительной особенностью в области релейной защиты 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, привело к созданию 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.5. 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 5. Индукционное реле с цилиндром

В направлении увеличения надежности

В результате резкого экономического роста увеличилось потребление мощности, и были построены большие электростанции, достаточно удаленные от мест потребления электроэнергии (ЛЭП500кВ Фукушима). По мере развития связей, энергосистема стала более сложной, что привело к большим авариям 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. 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 7. Многофазное АПВ (автоматическое повторное выключение)
O = Open (Отключить)
C = Close (Включить)
FT = Final Trip (Окончательное отключение)
Этот рисунок показывает все типы повреждений, которые могут быть на «двухцепных» параллельных линиях, возможность АПВ для этих повреждений и условия когда в наличии есть две различных «здоровых» фазы.

 

 

 

 

Многофазное АПВ позволяет осуществить быстрое АПВ при многофазных повреждениях без проверки синхронизма и напряжений и минимизирует перерывы питания при двойных повреждениях на «двухцепных» линиях. При использовании АПВ, можно избежать полное отключение в случае нескольких повреждений на двух линиях, поэтому оно было рекомендовано к применению для важных линий СВН.

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 .

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. Так как такие линии сложны в техническом обслуживании, были разработаны дифференциальные токовые реле с импульсно-кодовой модуляцией (PCM -PulseCodeModulation current differential relay), которые на сегодняшний день являются основным типом защиты.

Вспомним о его предшественнике – токовом дифференциальном реле с  частотной модуляцией (FM – Frequency Modulation), которое было выпущено в 1977 г.  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, после чего определялось, является ли повреждение внутренним или внешним по отношению к защищаемой цепи. Подобная защита также применялась в Великобритании в качестве защиты линии 400 кВ с отпайкой после ее испытаний с имитацией повреждений в 1985 г.

В 1970-х появились микро-ЭВМ и в Японии начали активно изучать возможности применения такой техники в релейной защите.

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.

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:

первый, был основан на использовании основной гармоники

второй основывался на явлении «бегущей волны».

Для создания алгоритма, который бы был одновременно и быстродействующим и обладал бы превосходными защитными свойствами, 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, 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, совместимость достигалась унификацией формата данных и характеристик аналоговых фильтров различных производителей.

В1989 г в цифровые устройства РЗ добавили возможность фиксировать информации о повреждении. Сегодня эта функция очень помогает при анализе аварий и применяется в «интеллектуальных» устройствах РЗ – (IED) повсеместно.

Рисунок 8. Принцип дифференциально-фазной защиты


Рисунок 9. Первое поколение цифровой дифференциальной токовой защиты

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».

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.
 

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).
 

На всю поставляемую продукцию предоставляется гарантия 12 месяцев с момента установки

Подробнее

Поставки осуществляются по всей территории СНГ, а также ближнего и дальнего зарубежья.
Подробнее

Проверьте свое оборудование

Участились случаи продажи оборудования, ранее бывшего в эксплуатации и продаваемого под видом нового.
ООО «ВТ-Энерго», как официальный представитель заводов-изготовителей, в целях борьбы с мошенниками, поможет установить, было ли ранее в эксплуатации закупаемое Вами оборудование.
Вы можите проверить достоверность вашего оборудования по серийному номеру и наименованию продукта, и мы уточним историю поставки.

Сертификаты