УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ С ТРАНСФОРМАТОРАМИ НА ОТВЕТВЛЕНИЯХ Российский патент 2001 года по МПК H02H3/08 

Заявляемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано для релейной защиты радиальных воздушных линий и кабельных линий, имеющих ответвления с трансформаторными подстанциями.

Известны технические решения по выполнению резервной защиты воздушных линий с трансформаторами на ответвлениях, описанные в работах [1, 2, 3].

Так, например, в [1] предлагается техническое решение, принцип действия которого основан на целенаправленном внесении искажений формы тока при коротком замыкании (КЗ) за трансформатором ответвления. Для этого на ответвительной подстанции устанавливается реактор, который насыщается при КЗ, что вызывает срабатывание балансного реле на питающем конце воздушной линии (ВЛ). Такая реализация защиты требует установки дополнительного оборудования на ответвительной подстанции, что усложняет схему защиты и снижает ее надежность.

В [2] предложено построение защиты на основе реле тока обратной последовательности, реле направления мощности и реле тока прямой последовательности, реле приращения и реле спада тока прямой последовательности. Пуск защиты осуществляется от реле тока обратной последовательности, а "подхват" защиты при переходе в симметричное КЗ выполняется по цепям реле тока и реле направления мощности прямой последовательности. Недостатком данного устройства является отказ защиты при кратковременном существовании междуфазного КЗ и недостаточное быстродействие реле тока обратной последовательности. Приращение (спад) токов прямой последовательности также возникает при пуске (самозапуске) электродвигателей и при включении линии в цикле АПВ, что необходимо учитывать при выборе уставок и это ограничивает его чувствительность.

В [3] рассмотрена реализация резервной защиты с переключением уставок на основе измерительных и пусковых реле тока и элементов задержки. Для повышения чувствительности необходимо увеличение количества ступеней защиты, что приводит к усложнению защиты. Кроме того необходима отстройка от режима включения нагруженной линии. Необходимо также загрубление защиты при наличии двигательной нагрузки. Защита выполнена в двухфазном исполнении, что ограничивает ее чувствительность при двухфазном КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора, обмотки которой соединены в треугольник.

В [4] предложено устройство для резервной токовой защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного КЗ, которое состоит из линейного преобразователя тока в напряжение, многоразрядного АЦП, вычитателя, регистра сдвига, блока сравнения, блока уставки, первого, второго логических элементов ИЛИ-НЕ, первого - четвертого элементов времени, первого - третьего логических элементов И, элемента ПАМЯТЬ, генератора тактовых импульсов, исполнительного органа, выключателя линии, преобразователя напряжения в напряжение, усилителя-ограничителя, фильтра низкой частоты, преобразователя реактивной составляющей тока.

Достоинством данного устройства защиты является повышенная чувствительность по сравнению с максимально-токовыми защитами, реагирующими на полные токи. Такое построение позволяет снизить ток срабатывания до уровня меньшего тока нагрузки трансформатора максимальной мощности. Однако недостатком описываемого технического решения является необходимость отстройки от включения линии по времени, снижением чувствительности при наличии мощной двигательной нагрузки на ответвлениях линии.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство дальнего резервирования типа УДР АХ 94.2 [5], состоящее из измерительных органов тока и направления мощности, включенные на токи и напряжения фаз орган выдержки времени, выходной орган, указательное реле, орган контроля и внешней сигнализации. Принцип действия данного устройства защиты основан на контроле тока и фазового угла между током и напряжением. Орган направления мощности имеет угловую характеристику меньше 180^o, что позволяет отличить режим короткого замыкания от нагрузочного режима. Орган тока и направления мощности каждой фазы объединены логическим элементом И, а элементы И подключены ко входам логического элемента ИЛИ, выход которого подключен ко входу органа выдержки времени.

Недостатком описываемого технического решения является необходимость отстройки от включения линии по времени, снижением чувствительности при наличии мощной двигательной нагрузки на ответвлениях линии. Применение данного технического решения также ограничено радиальными линиями и только в отдельных случаях может применяться на транзитных малонагруженных линиях, т. к. при значительных реактивных составляющих мощности перетока усложняются отстройки и как следствие чувствительность защиты при КЗ за трансформаторами малой мощности недостаточна.

Цель изобретения - повышение чувствительности и селективности.

Это достигается тем, что устройство резервной защиты линии с трансформаторами на ответвлениях, содержащие датчики токов всех трех фаз линии, выходы которых соединены с входами фильтров тока обратной, прямой и нулевой последовательности, датчики напряжения, включенные на междуфазные напряжения, выходы которых соединены со входами фильтра напряжения прямой последовательности, а его выход соединен со вторым входом схемы первой сравнения фаз, выход которой соединен с седьмым входом блока логики, шестой вход которого соединен с выходом пятой схемы сравнения модулей, вход которой соединен с выходом фильтра тока нулевой последовательности, выходы первого датчика тока и фильтра обратной последовательности подключены к входам второй и четвертой схем сравнения модулей токов, а их выходы соединены со вторым и четвертым входами блока логики, выход которого соединен с входом выходного органа, дополнительно введены первая и третья схемы сравнения модулей, входы которых подсоединены к выходу первого датчика тока и фильтра тока обратной последовательности, а их выходы к первому и третьему входам блока логики, вторая схема сравнения фаз, входы которой соединены с выходами фильтров тока обратной и прямой последовательности, а ее первый выход соединен с пятым входом блока логики, блок формирования уставки, входы которого соединены с выходами фильтров токов обратной, прямой последовательности и вторым выходом второй схемы сравнения фаз, а его выход соединен с дополнительным третьим входом первой схемы сравнения фаз.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит датчики тока (ДТ) 1 - 3 фаз A, B, C и датчики напряжения (ДН) 4, 5, включенные на линейные напряжения, например на напряжения U_AB и U_BC соответственно, фильтры тока обратной последовательности (ФТОП) 6, прямой (ФТПП) 7 и нулевой последовательности (ФТНП) 8, фильтр напряжения прямой последовательности (ФНПП) 9, первая, вторая, третья, четвертая схемы сравнения модулей (ССМ) 10 - 14, первая и вторая схемы сравнения фаз (ССФ) 15, 16, схема формирования уставки (СФУ) 17, блок логики и выдержки времени (БЛВВ) 18, выходной орган (ВО) 19.

Датчики тока (ДТ) 1 - 3 выполняют преобразование тока в напряжение, датчики напряжения (ДН) 4, 5 обеспечивают преобразование напряжения в напряжение. Фильтры тока симметричных составляющих (ФТОП, ФТПП, ФТНП) 6 - 8 обеспечивают выделение сигналов пропорциональных токам обратной, прямой и нулевой последовательности соответственно, а фильтр напряжения прямой последовательности (ФНПП) 9 выделяет на выходе сигнал, пропорциональный напряжению прямой последовательности.

Схемы сравнения модулей (ССМ1 - ССМ4) 10 - 14 обеспечивают сравнение одной величины (напряжения, пропорционального току) с заданным значением. Схемы сравнения модулей (ССФ1, ССФ2) 10, 11 подключены к выходам датчиков тока ДТ одной из фаз, например фазы A (как показано на структурной схеме). Ток срабатывания ССМ 10 выбран из условия:

где I_КЗmin - ток короткого замыкания (КЗ) за трансформатором наименьшей мощности в минимальном режиме; k_ч - коэффициент чувствительности.

Ток срабатывания ССМ 11 выбран из условия:
I_ССМ11 ≥ k_н·I_КЗmax,
где I_КЗmax - ток КЗ за трансформатором наибольшей мощности в максимальном режиме; k_н - коэффициент надежности.

Схемы сравнения модулей 12, 13 подключены к выходу фильтра тока обратной последовательности. Условия выбора параметров ССМ 12, 13 такие же, как и приведенные выше для ССМ 10, 11.

Схема сравнения модулей 14 обеспечивает контроль тока нулевой последовательности и ток ее срабатывания выбирается из условия отстройки от тока небаланса, обусловленного внешним трехфазным КЗ.

Схема сравнения фаз 15 обеспечивает контроль фазовых соотношений между токами прямой и обратной последовательности.

Схема сравнения фаз 16 обеспечивает контроль фазового угла между напряжением и током прямой последовательности. В отличие от ССФ 15 параметры срабатывания ССФ 16 зависит от вида КЗ (двухфазное или трехфазное КЗ), а также предшествующего нагрузочного режима. Ширина угловой характеристики ССФ 16 определяется выражением:
Δϕ_ССФ16 = Δϕ_max-Δϕ₂(I_2,I₁)-Δϕ₁(I_1нг), (3)
где Δϕ_max - максимальная ширина угловой характеристики ССФ 16; Δϕ₂(I₂,I₁) - составляющая коррекции угловой характеристики ССФ, зависящая от величины тока обратной последовательности и тока прямой последовательности (аварийной составляющей), а также от выходного сигнала ССФ 15; Δϕ₁(I_1нг) - составляющая коррекции угловой характеристики, зависящая от тока прямой последовательности в предшествующем режиме.

Формирование составляющих Δϕ₁ и Δϕ₂ выполняется схемой формирования уставки 17.

Блок логики и выдержки времени 18 обеспечивает формирование выходных воздействий устройства защиты, которые усиливаются и преобразуются выходным органом 19.

Алгоритм формирования выходных воздействий может быть описан, например, выражением:
F₁₈ = F₁₆·[(F₁₁ + F₁₃)·D^t1 + F₁₅·F₁₃·D^t2]·(F₁₀ + F₁₂ + F₁₄)], (4)
где F₁₀ - F₁₆ - выходные сигналы ССМ 10 - 14 и ССФ 15, 16; D^t1 и D^t2 - операторы задержки на срабатывание (орган выдержки времени).

В нормальном режиме работы сети описанное устройство находится в следующем состоянии. Выходные сигналы датчиков тока 1 - 3 определяются величиной нагрузочных токов линии, выходные напряжения датчиков напряжения 4 и 5 близки к номинальным значениям и соответственно близко к номинальному значению напряжения на выходе фильтра напряжения прямой последовательности 9. Выходной сигнал ФТПП 7 также определяется величиной токов нагрузки. Выходные сигналы ФТОП 6 и ФТНП 8 близки к нулю и определяются только токами небаланса.

Схема сравнения модуля 11 может находиться в сработанном состоянии, если I_ССМ11 < I_нг, где I_нг - ток нагрузки. Остальные ССМ (10, 12, 13, 14) находятся в несработанном состоянии и на их выходах присутствует логический сигнал 0.

На выходе ССФ 15, 16 присутствует сигнал 0. В первом случае это обусловлено отсутствием тока обратной последовательности, а во втором - отсутствием условий для срабатывания из-за нахождения вектора тока прямой последовательности в зоне нагрузочных режимов.

На выходе БЛВВ 18 и ВО 19 присутствуют логические сигналы 0.

При двухфазном коротком замыкании за одним из трансформаторов на стороне, соединенной в треугольник, подключенном на ответвлении ВЛ устройство работает следующим образом. Из-за различного сдвига составляющих токов прямой и обратной последовательности обусловленного группой соединения обмоток трансформатора "звезда - треугольник", появляется дополнительный фазовый сдвиг между токами что фиксируется схемой сравнения фаз ССФ 15. При этом также срабатывает схема сравнения модулей (ССМ 4) 13.

Ширина угловой характеристики ССФ 16 в этом случае максимальна, что приводит к надежному ее срабатыванию и формированию сигнала отключения по алгоритму (4).

При двухфазном КЗ на стороне трансформатора на ответвлении с соединением его обмоток в звезду формирование сигнала отключения обеспечивается за счет срабатывания ССМ 13 и ССФ 16. Ширина угловой характеристики ССФ 16 определяется с учетом предшествующего режима и наличия тока обратной последовательности и выходного сигнала ССФ 15, которая не срабатывает в данном случае. В данном случае возможно также срабатывание ССМ 11, что является дополнительным каналом формирования выходного сигнала блока БЛВВ 18, согласно (4).

При трехфазных КЗ за трансформаторами на ответвлениях при любой группе соединений трансформаторов происходит срабатывание ССМ 11 и ССФ 16. Схема СФУ 17 обеспечивает формирование ширины угловой характеристики с учетом только предшествующего режима.

При двухфазных или трехфазных КЗ на линии, когда ток КЗ превышает максимально-возможное значение токов КЗ за трансформатором максимальной мощности, происходит срабатывание ССМ 10 (при трехфазных КЗ) или ССМ 12 (при двухфазных КЗ), что обеспечивает блокирование защиты согласно (4).

При однофазном КЗ, что возможно только на ВЛ, происходит срабатывание ССМ 14, подключенной к фильтру тока нулевой последовательности ФТНП 8, что также приводит к блокированию защиты согласно (4).

При включении линии в цикле АПВ и наличии двигательной нагрузки на трансформаторных подстанциях возможно срабатывание ССМ 11, однако, в этом случае не происходит срабатывание ССФ 16, т.к. ширина ее угловой характеристики устанавливается с учетом предшествующего нагрузочного режима, что обеспечивает надежную отстройку от данного режима.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить чувствительность к междуфазным КЗ за трансформаторами с группой соединения "звезда - треугольник", а также повысить отстройку от нагрузочных режима и как следствие повысить чувствительность к трехфазным КЗ за трансформаторами за счет адаптивного формирования ширины угловой характеристики схемы сравнения фаз токов и напряжений прямой последовательности.

Литература
1. Устройство для резервной защиты отпаечного трансформатора. А.с. СССР 1319144, МКИ H 02 H 7/04. Кузник Ю.С. Опубл. 23.06.87, Бюл. N 23.

2. Устройство для резервной защиты линии с отпаечными трансформаторами. А.с. СССР 1737611, МКИ H 02 H 7/28. Кузник Ю.С. Опубл. 17.10.89, Бюл, N 20.

3. Устройство для токовой защиты от междуфазного короткого замыкания трехфазной электроустановки. А. с. СССР 1116488, МКИ H 02 H 3/08, H 02 H 7/00. Богдан А.В., Клецель М.Я., Никитин К.И. - Опубл. 30.09.84, Бюл. N 36.

4. Устройство для резервной токовой защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного короткого замыкания. А.с. СССР 1361668, МКИ H 02 H 3/08. Клецель М. Я. , Копбаев М.А., Никитин К.А., Поляков В.Е. - Опубл. 23.11.87, Бюл. N 47.

5. Устройство дальнего резервирования УДР АХ - 94.2 /Тез. докл. научно - технической конференции "Релейная защита и автоматика энергосистем - 96" - Москва, 1996 г.

Устройство предназначено для резервной защиты линий с трансформаторами на ответвлениях. Сущность устройства: контроль модулей токов фазы, обратной, прямой, нулевой последовательности, фазных соотношений токов прямой и обратной последовательности, напряжения и токов прямой последовательности с учетом величины тока обратной последовательности и предшествующего нагрузочного тока прямой последовательности. Параметры срабатывания устройства формируются в зависимости от предшествующего аварии режима работы защищаемой сети. Технический результат - повышение чувствительности и селективности. 1 ил.

Устройство резервной защиты линии с трансформаторами на ответвлениях, содержащее датчики токов всех трех фаз линии, выходы которых соединены с входами фильтров тока обратной, прямой и нулевой последовательности, датчики напряжения, включенные на междуфазные напряжения, выходы которых соединены с входами фильтра напряжения прямой последовательности, выход которого соединен с вторым входом первой схемы сравнения фаз, выход которой соединен с седьмым входом блока логики, шестой вход которого соединен с выходом пятой схемы сравнения модулей, выход которой соединен с выходом фильтра тока нулевой последовательности, выходы первого датчика тока и фильтра тока обратной последовательности подключены к входам второй и четвертой схем сравнения модулей, а их выходы соединены с вторым и четвертым входами блока логики, выход которого соединен с входом выходного органа, отличающееся тем, что дополнительно введены первая и третья схемы сравнения модулей, входы которых соединены с выходами первого датчика тока и с выходом фильтра тока обратной последовательности, выходы которых соединены с первым и третьим входами блока логики, вторая схема сравнения фаз, входы которой соединены с выходами фильтров тока обратной и прямой последовательности, а ее первый выход - с пятым входом блока логики, схема формирования уставки, входы которой соединены с выходами фильтров токов обратной, прямой последовательности и вторым
выходом второй схемы сравнения фаз, а ее выход соединен с дополнительным третьим входом первой схемы сравнения фаз, которая обеспечивает контроль фазового угла между напряжением и током прямой последовательности.