СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПОВЫШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H02H9/04 H02H9/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к релейной защите и автоматике.

Известен способ защиты от повышения напряжения электропередачи высокого напряжения, при котором измеряют и сравнивают с заданным значением эффективное значение воздействующего напряжения. Недостатком такого способа защиты является то, что при воздействии перенапряжений, содержащих высокочастотные составляющие, точность работы защиты существенно понижается /1/.

Известен также способ защиты от повышения напряжения электропередачи высокого напряжения, при котором измеряют амплитудные значения напряжения на линиях электропередачи и сравнивают их с заданными уровнями, каждому из которых соответствует выдержка времени, определяемая допустимым временем воздействия на изоляцию оборудования напряжения соответствующего уровня. При этом выдержка времени выработки управляющих сигналов на выполнение операции по снижению напряжения для каждого из уровней определяется соответствующим числом, которое накапливают однократно на каждом полупериоде промышленной частоты, независимо от числа реальных превышений измеряемым напряжением величины заданного уровня на данном полупериоде /2/.

Описанный способ правильно отслеживает расходуемый ресурс изоляции при устойчивом превышении измеряемым напряжением величины данного уровня вплоть до срабатывания защиты. Однако при колебательном характере воздействующего напряжения, особенно при его затухающем характере, защита неправильно учитывает расходуемый ресурс оборудования по изоляции.

Действительно, если не объекте появилось повышенное напряжение, значительно превышающее данный уровень, но по длительности воздействия недостаточное для срабатывания защиты более высокого уровня, то при срабатывании защиты на данном уровне реально израсходованный ресурс по изоляции может оказаться значительно большим, чем отвечающий воздействию повышенного напряжения данного уровня. Описанное обстоятельство затрудняет выбор выдержки времени срабатывания защиты с учетом указанных обстоятельств, что может в некоторых случаях приводить к повреждению изоляции оборудования вследствие срабатывания ресурса оборудования по изоляции, соответствующего однократному повышению напряжения данного уровня, выбираемого по вольт-секундной характеристике изоляции.

Более верно учет реально расходуемого ресурса оборудования по изоляции при однократном воздействии напряжения возможен при учете израсходованного ресурса на каждом полупериоде воздействующего напряжения в зависимости от максимального превышенного на данном полупериоде уровня и формирования выдержки времени срабатывания защиты в соответствии с суммарным израсходованным ресурсом оборудования по изоляции в указанных условиях. В этом случае выдержка времени срабатывания защиты оказывается адаптированной к реальному характеру воздействующего напряжения.

Другим недостатком способа является то, что не обеспечивается контроль за расходованием полного ресурса изоляции, в результате чего оборудование может выйти из строя даже при правильной работе защиты при однократном повышении напряжения на изоляции.

Следует отметить, что изоляция оборудования не допускает воздействия повышенных напряжений со скважностью меньше заданной для данного уровня. В противном случае изоляция может быть повреждена в течение времени работы защиты данного уровня. Поэтому оказывается необходимой организация работы защиты по повышению напряжения таким образом, что, если между двумя длительными повышениями напряжения интервал времени окажется меньше заданного, то должно быть введено ускорение действия защиты.

И последнее. Описанный выше способ защиты от повышения напряжения (ЗПН) оборудования не предполагает различного ее действия на понижение напряжения в зависимости от превышенного уровня. В то же время можно существенно повысить эффективность действия ЗПН, если использовать управляющие сигналы, выдаваемые защитой, для принятия мер по снижению напряжения в зависимости от уровня, на котором произошло срабатывание ЗПН.

Цель изобретения - повышение эффективности защиты оборудования от повышения при его колебательном характере путем организации учета реальной способности изоляции защищаемого оборудования выдерживать без повреждения однократное повышение напряжения и обеспечения контроля за расходованием полного ресурса изоляции.

Указанная цель достигается тем, что в способе защиты от повышения напряжения электропередачи высокого напряжения, при котором измеряют амплитудные значения напряжения на линии электропередачи и сравнивают их с заданными уровнями, каждому из которых соответствует выдержка времени, определяемая допустимым временем воздействия на изоляцию оборудования электропередачи напряжения соответствующего уровня, при превышении измеренным напряжением любого из заданных уровней с заданной выдержкой времени формируют управляющую команду на выполнение операции по снижению напряжения, соответствующего превышенному уровню, при этом выдержку времени управляющей команды задают числом, которое накапливают однократно на каждом полупериоде измеряемого напряжения при превышении им по крайней мере одного из заданных уровней, независимо от реального числа таких превышений на полупериоде, согласно изобретению выдержку времени задают числом, соответствующим способности изоляции выдерживать без повреждения однократное непрерывное повышение напряжения выше определенного уровня, выделяют высший из превышенных уровней и накапливают число, соответствующее части израсходованной способности изоляции выдерживать без повреждения однократное непрерывное повышение напряжения при превышении конкретного уровня, при этом числа, накапливаемые на каждом полупериоде при превышении каждого из уровней, связаны между собой заданными соотношениями, зависящими от уровня, для которого задано число, определяющее выдержку времени.

2. Способ защиты по п.1 отличающийся тем, что при колебательном характере повышенного напряжения операцию по снижению напряжения выбирают соответственно уровню, в процессе превышения которого сформирована управляющая команда.

3. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что задают число, соответствующее полному ресурсу изоляции, суммируют накопленные числа высших из превышенных при каждом повышении напряжения уровней, включая случаи, не приведшие к формированию управляющей команды, выдают информацию о накопленном числе на момент запроса и при превышении заданного числа формируют команду о необходимости выполнения ревизии изоляции защищаемого оборудования.

4. Способ защиты от повышения напряжения по п.1, 2, отличающийся тем, что после формирования команды на выполнение операции по снижению напряжения ее не срабатывают в течение заданной для каждого уровня в отдельности выдержки времени, определяемой из допустимого времени повторения повышения напряжения уровня, приведшего к выполнению операции.

5. Способ защиты от повышения напряжения по п.1, отличающийся тем, что контроль за расходованием полного ресурса изоляции на отдельных контролируемых уровнях выполняют заданием для каждого из уровней числа, соответствующего полному ресурсу изоляции при превышении конкретного уровня, суммируют накопленные числа превышений на каждом из контролируемых уровней для всех случаев повышения напряжения, включая случаи, не приведшие к формированию управляющей команды, выдают информацию о накопленном числе на каждом уровне на момент запроса и при превышении заданного числа на любом из уровней формируют команду и необходимости выполнения ревизии изоляции запрещаемого оборудования.

Авторами не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения. Следовательно, заявленное предложение соответствует критерию "новизна".

При изучении других технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное решение, явным образом не следуют из известного уровня техники. Следовательно, заявляемое техническое решение отвечает критерию "изобретательский уровень".

В таблице для примера приведены допустимые в условиях эксплуатации кратковременные повышения напряжения разных уровне для класса изоляции 500 кВ, допустимое число таких повышений напряжения в течение года для каждого из уровней, по которому можно определить временные интервалы между двумя повышениями напряжения данной величины.

На фиг. 1 приведена стилизованная вольт-секундная характеристика изоляции /кривая 1/, кривая 2 отвечает допустимому времени воздействия напряжения данного уровня, кривая 3 характеризует один из возможных характеров воздействия напряжения на изоляцию оборудования и представляет огибающую воздействующего напряжения одной полярности. Горизонтальные прямые соответствуют принятым в качестве примера разным трем уставкам ЗПН - U_ср1, U_ср2, U_ср3. Этим уставкам соответствуют уставки срабатывания по времени t_в1, t_в2, t_в3. Реальное количество защитных уровней и соответствующих им уставок по времени срабатывания может быть значительно большим.

Число, задающее выдержку времени ЗПН, определяется следующим выражением: N = K₁ • n₁ = K₂ • n₂ = ... K_i • n_i
где 1, 2, ... i - номер защитного уровня ЗПН, n_i = t_вi /0,01 - число полупериодов промышленной частоты, при котором происходит срабатывание ЗПН i-го уровня, t_вi - астрономическое время, отвечающее выдержке времени срабатывания ЗПН i-го уровня, K₁, K₂, ... K_i - коэффициенты пропорциональности, переводящие астрономическое время и соответствующую ему реальную способность изоляции защищаемого оборудования выдержать без повреждения однократное непрерывное повышение напряжения своего уровня в единую систему отсчета выдержек времени.

Выбор числа N, определяющего время допустимого воздействия повышенного напряжения на изоляцию оборудования при однократном его повышении, может быть выполнен достаточно произвольно. В то же время выбор коэффициентов K₁, K₂, ... K_i жестко связан с размерностью выбранного числа N. Так, если число N выбрано равным числу полупериодов промышленной частоты, отвечающему выдержке времени срабатывания ЗПН низшего уровня, то есть в данном случае уровня 3, то K₃ окажется равным 1, а K₁ > K₂ > 1. Если N выбрано в соответствии с выдержкой времени уровня 1, то окажется K₁ = 1, а значения K₃ < K₂ < 1 и так далее. При произвольно выбранном значении N коэффициенты K₁, K₂, ... K_i могут быть как больше, так и меньше единицы.

Работа ЗПН при воздействии напряжения с огибающей, приведенной на фиг. 1, поясняется следующим образом.

По прототипу времени срабатывания ЗПН соответствует выдержка времени защитного уровня 3, равная t_в3. Если воздействующее напряжение ко времени, отвечающему истечению времени t_в3, еще немного снизилось, то срабатывания ЗПН вообще не происходит. В то же время расходуемый ресурс оборудования по изоляции вследствие представленного характера воздействия напряжения мог оказаться исчерпанным до момента наступления времени t_в3. Неучет этого обстоятельства мог привести к повреждению изоляции оборудования даже при наличии защиты от повышения напряжения вследствие неэффективности ее работы.

Рассмотрим работу ЗПН по предлагаемому способу. Число M_т, определяющее израсходованное время установки в данном случае, определяется так: M_т = K₁ • m₁ + K₂ • m₂ + K₃ • m₃.

Здесь m₁ = t₁/0,01; m₂ = t₂/0,01; m₃ = t₃/0,01; t₁, t₂, t₃ - текущие времена воздействия повышенного напряжения высшего из превышенных уровней.

Срабатывание ЗПН происходит при выполнении равенства M_т = N. Этому моменту на фиг. 1 соответствует точка t_ср. Как видно t_ср много меньше выдержки времени t_в3 уровня 3, что подтверждает возможность учета реально расходуемого ресурса оборудования по изоляции при однократном воздействии на него повышенного напряжения данного вида и уровня.

Следует отметить, что в соответствии с п.2 предлагаемого решения управляющий сигнал на принятие мер по снижению напряжения определяется в рассматриваемом примере уровнем 3, на котором произошло срабатывание ЗПН.

Если даже не произошло срабатывания ЗПН в случае M_т < N, то по п.3 предлагаемого решения произойдет накопление числа, учитывающего срабатывание полного ресурса оборудования по изоляции, а в данном случае это накопленное число увеличится на значение M_т.

Если повторное повышение напряжения после срабатывания ЗПН произойдет через интервал времени T меньший, чем представлен в таблице для третьего уровня, то управляющий сигнал на снижение напряжения, соответствующий уровню 3, сформируется по предлагаемому решению без выдержки времени.

На фиг. 2 приведен пример реализации способа в виде устройства с тремя уровнями защиты и значениями K₁ > K₂ > 1, где
1, 2, 3 - блоки сравнения;
4 - формирователь импульсов;
5, 6, 7, 8, 9, 10 - элементы "Память";
11, 12, 13, 14 - элементы "Задержка",
16, 17, 18 - логические элементы "НЕ";
19, 20 - генераторы импульсов;
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 - логические элементы "И";
31, 32, 33, 34, 35 - счетчики числа импульсов;
36, 37, 38, 39 - логические элементы "ИЛИ".

Блоки 1, 2, 3 сравнения амплитудного значения напряжения с соответствующими заданными уровнями (уставками). Блоки могут быть реализованы на стандартных элементах релейной защиты с использованием интегральных компараторов.

Формирователь импульсов 4 формирует импульсы малой длительности, фронт которых совпадает с моментом перехода синусоиды входного напряжения через нулевое значение.

Элементы 5, 6, 7, 8, 9, 10 "Память" являются стандартными элементами цифровой техники, в качестве которых можно использовать RS-триггеры.

Элементы 11, 12, 13, 14 "Задержка" являются стандартными элементами цифровой техники. Осуществляют задержку импульса, поступающего его вход. Элемент 11 задерживает импульс на время 5-8 мс. Времена задержки элементов 12, 13, 14 определяются допустимыми интервалами между разовыми воздействиями перенапряжений на изоляцию, в течение которых изоляция восстанавливает свои диэлектрические свойства.

Формирователь счетного интервала 15 предназначен для формирования импульса заданной длительности. Длительность этого импульса выбирается в пределах 1-2 мс. В качестве формирователя может быть использован элемент электронной техники - одновибратор.

Логические элементы "НЕ", "И", "ИЛИ" являются стандартными элементами цифровой техники.

Генераторы 19, 20 являются типовыми элементами цифровой техники. Счетчики числа импульсов являются стандартными элементами цифровой техники.

Устройство работает следующим образом.

Примем в качестве исходных величин, что частоты генераторов 19, 20 соотносятся как f₁₉ > f₂₀ > 50 Гц. Величины уставок блоков сравнения соотносятся как U_уст.1 > U_уст.2 > U_уст.3.

В момент прохождения синусоиды входного напряжения через нулевое значение на выходе блока 4 формируется короткий импульс, который устанавливает элементы 5, 6, 7 в нулевое состояние и запускает элемент 11 "Задержка". Через время 5-8 мс, равное или больше четверти периода промышленной частоты, срабатывает элемент 11 и запускает блок 15, который формирует интервал времени заданной длительности.

Длительность формируемого счетного интервала зависит от частот генераторов 19, 20 и не может превышать 2 мс, т.к. время задержки блока 11 и длительность счетного интервала должны быть меньше длительности полупериода промышленной частоты.

Рассмотрим работу устройства для случая
U_вх > U_уст.1 > U_уст.2 > U_уст.3
В этом случае срабатывают все три блока сравнения 1, 2, 3 и на их выходах появляются импульсы, причем вначале срабатывает блок 3, затем 2 и в последнюю очередь блок 1. Это обусловлено тем, что при синусоидальном входном напряжении первым срабатывает блок сравнения, имеющий наименьшую установку срабатывания. В такой же очереди появляются импульсы на соответствующих входах элементов "И" 23, 22, 21. Чтобы исключить ложное срабатывание устройства в таком случае, при входном напряжении с длительным фронтом или близким к синусоидальному используется элемент 11 "задержка". Использование этого элемента позволяет производить логическую операцию "конъюнкция" в момент, когда входное напряжение уже достигло максимальной величины и блок сравнения соответствующего максимального уровня уже сработал. При срабатывании блока 1, а также блоков 2 и 3 элементы "И" 22 и 23 запираются посредством логических элементов "НЕ" 16 и 17. Для элемента 21 условия, достаточные для срабатывания, и на его выходе в течение счетного интервала следуют импульсы с частотой генератора 19, которые поступают на входы элементов "И" 24, 28 и на вход элемента "ИЛИ" 36. С выхода элемента 36 импульсы поступают на счетный вход счетчика 35. До тех пор пока не произойдет наполнение счетчика 35, элементы "И" 24, 25, 26 не срабатывают. После наполнения счетчика 35 срабатывает тот элемент "И", на вход которого в данный момент поступают импульсы, т.е. элемент 24. После срабатывания элемента 24 сигнал с его выхода проходит через элемент "ИЛИ" 37 на управляющий выход, а также на элемент "Задержка" 12 и на первый вход элемента "Память" 8 устанавливает его в единичное состояние. Поэтому элемент 28 срабатывает и сигнал с его выхода также проходит через элемент "ИЛИ" 37, дублируя основной управляющий сигнал.

Время срабатывания элемента 12 значительно превышает время разового воздействия перенапряжений на объект и соответствует допустимому интервалу между очередными воздействиями перенапряжения на оборудование. Поэтому если очередное воздействие перенапряжения на объект произошло в течение задержки элемента 12, управляющий сигнал будет сформирован без задержки, минуя счетчик 35 и элемент "И" 24 через элементы 28 и 37. Если к очередному воздействию перенапряжения на оборудование элемент 12 сработал, то элемент 8 "Память" устанавливается в нулевое состояние и блокирует схему "И" 28. Поэтому управляющий сигнал может быть сформирован только посредством счетчика 35.

Аналогично работают уровни 2 и 3. Каждый нижестоящий уровень запускается в работу, если входное напряжение становится меньше уставки вышестоящего уровня.

Если входное напряжение становится меньше уставки 3 уровня, то срабатывает элемент "И" 26 и происходит подсчет импульсов блока 4. По истечении заданного счетчиком 33 времени происходит установка счетчика 35 в нулевое состояние.

Счетчики 31, 32, 34 являются ресурсными для соответствующих уровней и предназначены для накопления воздействий перенапряжения на оборудование в течение длительного срока его эксплуатации. При расходовании ресурса оборудования по изоляции с выхода этих счетчиков поступают сигналы на информационные выходы соответствующих уровней.

Источники информации
1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) - 6-е изд-е. М.: Энергоиздат, 1985 г. - с. 349, 3.3.86.

2. Авт.св. N 1669042, Б.И. N 29, 1991 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам релейной защиты и автоматики. Повышение эффективности защиты оборудования от повышения напряжения при его колебательном характере является техническим результатом и осуществляется путем организации учета реальной способности изоляции защищаемого оборудования выдерживать без повреждения однократное повышение напряжения и обеспечения контроля за расходованием полного ресурса изоляции. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ защиты от повышения напряжения электропередачи высокого напряжения, в соответствии с которым измеряют амплитудные значения напряжения на линии электропередачи и сравнивают с заданными уровнями, каждому из которых соответствует выдержка времени, определяемая допустимым временем воздействия на изоляцию оборудования электропередачи напряжения соответствующего уровня, отличающийся тем, что задают число N, соответствующее времени способности изоляции выдерживать без повреждения однократное непрерывное превышение напряжения выше определенного уровня, накапливают число M_т, соответствующее части израсходованной способности изоляции выдерживать без повреждения однократное непрерывное повышение напряжения при превышении им конкретного уровня, путем суммирования чисел, определяемых временем воздействия повышенного напряжения высшего из превышенных уровней напряжения на каждом полупериоде, при выполнении равенства M_т = N формируют управляющую команду на выполнение операции по снижению напряжения. 2. Способ защиты от повышения напряжения по п.1, отличающийся тем, что при колебательном характере повышенного напряжения операцию по снижению напряжения выбирают соответственно уровню, в процессе превышения которого сформирована управляющая команда. 3. Способ защиты от повышения напряжения по п.1, отличающийся тем, что задают дополнительно число, соответствующее полному ресурсу изоляции, суммируют накопленные числа высших из превышенных уровней для всех случаев повышения напряжения, включая случаи, не приведшие к формированию управляющей команды, выдают информацию о накопленном числе на момент запроса и при превышении заданного числа формируют команду о необходимости выполнения ревизии изоляции защищаемого оборудования. 4. Способ защиты от повышения напряжения по п.1 или 2, отличающийся тем, что после формирования команды на выполнение операции по снижению напряжения ее не сбрасывают в течение заданной для каждого уровня в отдельности выдержки времени, определяемой, исходя из допустимого времени повторения повышения напряжения уровня, приведенного к выполнению операции. 5. Способ защиты от повышения напряжения по п.1, отличающийся тем, что контроль за расходованием полного ресурса изоляции на отдельных контролируемых уровнях выполняют заданием для каждого из уровней числа, соответствующего полному ресурсу изоляции при превышении конкретного уровня, суммируют накопленные числа превышений на каждом из контролируемых уровней для всех случаев повышения напряжения, включая случаи, не приведшие к формированию управляющей команды, выдают информацию о накопленном числе на каждом уровне на момент запроса и при превышении заданного числа на любом из уровней формируют команду о необходимости выполнения ревизии изоляции защищаемого оборудования.