УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЗАЩИТ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ Российский патент 2002 года по МПК H02H3/26 H02H3/28 H02H3/93 

Предлагаемое устройство относится к релейным защитам линий электропередачи 110-220 кВ, и предназначено для резервирования защит тяговых подстанций при коротком замыкании за трансформатором.

Одним из требований, предъявляемых к устройствам релейной защиты, является резервирование защит предыдущих электрических присоединений. Для защиты линии электропередачи основной зоной защиты является участок линии между местом установки защиты и точкой подключения тяговой подстанции, а резервной - между точкой подключения подстанции и смежными шинами системы. Защита линии должна резервировать также и защиты тяговой подстанции при коротком замыкании на стороне низшего напряжения понизительного трансформатора со схемой соединения обмоток звезда-треугольник (Y/Δ-11). Сущностью резервирования является дублирование действий защит предыдущих электрических присоединений, в частности защит тяговых подстанций защитами линии.

Для оценки чувствительности защиты при коротком замыкании как в основной, так и в резервной зоне в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) нормируется коэффициент чувствительности, который должен быть для основной зоны зашиты не менее 1,5, а для резервной зоны не менее 1,2 [1].

Существуют несколько видов защит, применяемых на линиях электропередачи: основные это токовые и дистанционные, а также дифференциально-фазные. Токовыми называются защиты, реагирующие на величину тока, протекающего в линии, а дистанционными - на величину сопротивления линии до точки короткого замыкания. В основном, в настоящее время, для защиты линий электропередачи применяются дистанционные защиты, состоящие из трех ступеней. При этом, вторая и третья ступени защиты являются резервными для защит тяговой подстанции, питающейся от данной линии электропередачи. Вторая ступень защиты линии должна резервировать защиты подстанции при коротком замыкании на шинах высокого напряжения подстанции, на вводах понизительного трансформатора и части обмотки высокого напряжения. Третья ступень должна резервировать защиты подстанции при коротком замыкании на шинах 27,5 кВ, то есть за трансформатором. При этом уставки срабатывания дистанционной защиты линии, питающей тяговую подстанцию, первой, второй и третьей ступени составляют соответственно, как правило, 16-20, 25-40 и до 120 Ом, а сопротивление понизительного трансформатора при различных положениях РПН составляет 100-216 Ом при напряжении сети 220 кВ и 30-66 Ом при напряжении 110 кВ. Так как сопротивление понизительного трансформатора больше максимальной уставки защиты, то защита питающей линии не срабатывает при отказе защиты подстанции, а следовательно, не обеспечивается требование ПУЭ по резервированию защит подстанции. При таких сопротивлениях понизительного трансформатора только на линиях 110 кВ третья ступень защиты линии сможет, в некоторых случаях, резервировать защиту подстанции. На линиях 220 кВ защита линии никогда не резервирует защиту тяговой подстанции.

Известна максимальная токовая защита с блокировкой по напряжению, относящаяся к токовым защитам, которая резервирует защиту предыдущих электрических присоединений [2]. Устройство содержит реле тока, реле напряжения, логический элемент И, реле времени и выходной элемент. Входы реле тока и реле напряжения соединены с цепями тока и напряжения защищаемого присоединения. Выходы реле тока и реле напряжения соединены с входами логического элемента И. Выход логического элемента И соединен с входом реле времени, выход которого соединен с входом выходного элемента.

Основными достоинствами данного устройства является возможность надежной отстройки уставки срабатывания от нагрузочного режима и высокий коэффициент чувствительности при коротких замыканиях в основной и резервной зонах защиты линии электропередачи. Это обусловлено тем, что токи при коротком замыкании как в основной, так и в резервной зонах при коротком замыкании в линии намного больше токов нормального режима. При этом коэффициент чувствительности достигает 4,5-6,0 для основной и 1,8-2,3 для резервной зон. Резервной зоной, в данном случае, является часть линии электропередачи расположенная за точкой присоединения тяговой подстанцией.

Недостатком устройства является низкая чувствительность при коротком замыкании в другой резервной зоне - на стороне низшего напряжения трансформатора с относительно малой мощностью по сравнению с мощностью системы внешнего электроснабжения.

При таком коротком замыкании токи в линии составляют порядка 300-650 А, что сравнимо с токами транзита (перетока энергии) по линии 400-600 А. При этом коэффициент чувствительности равен 0,3-0,5. Так как коэффициент чувствительности меньше нормируемого для резервной зоны, то это приводит к несрабатыванию защиты линии и, следовательно, к полному отсутствию резервирования защит подстанции.

Низкое значение коэффициента чувствительности обусловлено тем, что устройство контролирует только две электрические величины: ток и напряжение. Реле тока, входящее в устройство, контролирует ток в линии, а реле напряжения - напряжение в месте установки защиты. Для токовой защиты коэффициент чувствительности определяется как отношение тока минимального короткого замыкания к току срабатывания защиты. Ток срабатывания защиты определяется исходя из величины тока нагрузочного режима с учетом коэффициента отстройки от нагрузки. Реле тока и реле напряжения создают так называемую токовую защиту с блокировкой по минимальному напряжению. При коротком замыкании за трансформатором остаточное напряжение на шинах высокое, поэтому блокировка по напряжению не работает. Блокировка будет работать только при близких коротких замыканиях, когда уровень напряжения на шинах снижается до величины ниже 60% от номинального. Следовательно, при коротком замыкании за трансформатором, единственной контролируемой электрической величиной является ток, значение которого ниже уставки срабатывания. Результатом этого как раз и является низкая чувствительность при коротком замыкании за трансформатором.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для резервирования защит тяговой подстанции, которым является устройство третьей ступени дистанционной защиты линии [3]. Устройство резервирования содержит три параллельных ветви, каждая включает сумматор тока, пороговый элемент, представляющий собой в данном устройстве реле сопротивления, и логический элемент ИЛИ, реле времени и выходной элемент. Выход соответствующего сумматора соединен с входом соответствующего порогового элемента, второй вход порогового элемента соединен с цепями напряжений. Выходы пороговых элементов соединены с входами логического элемента ИЛИ, выход которого присоединен к входу реле времени, а выход реле времени присоединен к входу выходного элемента.

Достоинством данного устройства является то, что при двухфазном коротком замыкании за трансформатором коэффициент чувствительности превышает коэффициент чувствительности аналога и достигает 0,5-0,7. Это достигается за счет контроля не просто величин напряжения и тока, а их отношения, представляющего собой сопротивление линии до точки короткого замыкания.

Тем не менее, недостатком устройства является то, что коэффициент чувствительности ниже нормируемого, равного 1,2, а это ведет к отказам защиты при коротком замыкании за понизительным трансформатором. Это происходит потому, что в результирующее сопротивление, измеряемое защитой, как одно из составляющих, входит сопротивление понизительного трансформатора, равное 100-216 Ом. Следовательно, коэффициент чувствительности снижается ниже нормируемого как раз потому, что сопротивление, собственно, понизительного трансформатора больше уставки резервной ступени защиты.

Наиболее вероятным аварийным режимом за понизительным трансформатором тяговой подстанции является двухфазное замыкание, поскольку вывод обмотки С трансформатора постоянно заземлен на землю (контур заземления подстанции). Такой режим работы трансформатора является особенностью нормального режима работы тяговой подстанции переменного тока. При двухфазном коротком замыкании за трансформатором токи в первичной линии электропередачи распределяются по фазам следующим образом: в двух фазах - а в одной фазе - Таким образом, в фазах протекает только часть тока короткого замыкания.

Дополнительное снижение тока в каждой фазе вызывает увеличение измеряемого защитой сопротивления, что влечет за собой снижение коэффициента чувствительности и увеличивает вероятность отказа резервной ступени защиты.

Отсутствие резервирования приводит к повреждению оборудования тяговой подстанции, в том числе, как правило, к полному выходу из строя понизительного трансформатора при коротком замыкании. Вследствие чего необходимы большие материальные затраты, связанные с ремонтом оборудования подстанции.

Решаемая задача, стоящая перед изобретателем, заключалась в создании устройства для резервирования защит тяговых подстанций, имеющего достаточную чувствительность для надежного резервирования защит тяговых подстанций за счет измерения косвенных электрических величин, позволяющих при измерении полностью исключить влияние большого сопротивления понизительного трансформатора и учесть неравномерное распределение токов в линии электропередачи при коротком замыкании за трансформатором.

Для решения поставленной задачи в известное устройство для резервирования защит тяговой подстанции, содержащее три параллельных ветви, каждая из которых включает сумматор токов, пороговый элемент и логический элемент ИЛИ, реле времени и выходной элемент, при этом вход реле времени присоединен к выходу логического элемента ИЛИ, а выход - к входу выходного элемента, дополнительно введены три датчика приращения тока, три инвертора, три логических элемента И, при этом выход каждого сумматора соединен с входом соответствующего датчика приращения тока, выход которого соединен с входом соответствующего порогового элемента, а выход каждого порогового элемента соединен через соответствующий инвертор с входом соответствующего логического элемента И и с одним из входов двух других логических элементов И, выход каждого логического элемента И подключен к входу логического элемента ИЛИ.

Введение в устройство защиты дополнительно трех датчиков приращения токов, трех инверторов и трех логических элементов И обеспечивает надежное резервирование защит подстанции при коротком замыкании за трансформатором.

Это обусловлено тем, что устройство контролирует косвенные электрические величины и выделяет при этом специфические признаки короткого замыкания за трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Δ. Косвенными величинами, измеряемыми устройством, являются разности векторов токов двух фаз. Поскольку устройство не контролирует непосредственно ток и напряжение в линии, то величина сопротивления понизительного трансформатора на него не влияет, так как его изменение одинаково изменяет токи во всех фазах. При двухфазном коротком замыкании за трансформатором распределение токов в линии происходит следующим образом - в двух фазах по а в одной фазе причем токи протекающие в двух фазах не только равны по величине, но и одинаковы по направлению.

Таким образом, благодаря совокупности отличительных признаков и их взаимосвязи, устройство для резервирования защит тяговых подстанций обеспечивает дублирование защит тяговой подстанции при коротком замыкании за понизительным трансформатором. Это обеспечивает защиту оборудования подстанции при отказе ее защит.

На фиг.1 представлена схема устройства для резервирования защит тяговых подстанций.

На фиг.2 представлена схема электроснабжения тяговой подстанции.

На фиг. 3 приведена схема измерения токов при двухфазном коротком замыкании за трансформатором.

На фиг.4 приведены векторные диаграммы токов и напряжений при двухфазном коротком замыкании за трансформатором подстанции при различных фазовых углах токов нагрузки (транзита) линии и величинах тока короткого замыкания.

Устройство для резервирования защит тяговых подстанций содержит три параллельных ветви, состоящие из сумматора 1, датчика приращения токов 2, порогового элемента 3, инвертора 4, логического элемента И 5 и, кроме того, логический элемент ИЛИ 6, реле времени 7 и выходной элемент 8. Выходы сумматоров 1 присоединены к входам соответствующих датчиков приращения токов 2, выходы которых подключены к входам соответствующих пороговых элементов 3. Выход каждого порогового элемента подключен к одному из входов трех логических элементов И 5, причем к одному из них через инвертор 4, а к двум другим напрямую. Выходы логических элементов И 5 подключены к входам логического элемента ИЛИ 6, выход которого подключен к реле времени 7. Выход реле времени 7 подключен к входу выходного элемента 8.

Работа заявляемого устройства при двухфазном коротком замыкании за трансформатором заключается в следующем. В нормальном режиме работы питающей сети токи фаз одинаковы по величине и имеют фазовый сдвиг 120^o относительно друг друга. Сумматор, входящий в устройство, производит сложение векторов двух токов, подаваемых на его входы от цепей тока. При этом у одного из токов, подводимого к сумматору, изменяется направление. Таким образом сумматор измеряет разность токов. При этом на выходе сумматоров образуются разности токов двух фаз I_A-I_B, I_B-I_C и I_C-I_A. Если их величина не изменяется, то датчики приращения токов не срабатывают, соответственно не срабатывают и пороговые элементы, на выходах которых устанавливаются сигналы уровня логического нуля. На каждом логическом элементе И 5 имеются сигналы уровня логического нуля на двух входах, а на одном входе - уровень логической единицы с инверторов 4 соответствующей ветви. При этом на выходе логических элементов И 5 установлены сигналы уровня логического нуля, которые подаются на входы логического элемента ИЛИ 6. Сигнал уровня логического нуля с выхода логического элемента ИЛИ 6 поступает на вход реле времени 7, запрещая его работу.

Принцип идентификации двухфазного короткого замыкания за понизительным трансформатором со схемой соединения обмоток Y/Δ рассмотрим на примере двухфазного короткого замыкания за трансформатором, получающим питание от линии электропередачи (фиг.2).

До короткого замыкания за трансформатором каждый сумматор измеряет разность токов двух фаз, эти разности одинаковы по величине, но сдвинуты друг относительно друга на 120^o. На векторных диаграммах фиг.4 эти разности показаны сплошными линиями. При изменении величины тока транзита изменяются и их разности, измеряемые сумматорами. При изменении величины фазных токов нагрузки (транзита) линии будет изменяться и величина их разности. Если величина изменения разностей токов превысит уставку пороговых элементов, произойдет их срабатывание. После срабатывания пороговых элементов на их выходах появятся сигналы уровня логической единицы. При этом на один из входов логических элементов И приходит сигнал уровня логического нуля от инвертора, что приводит к их запиранию. Сигналы уровня логического нуля с выходов логических элементов И поступают на входы логического элемента ИЛИ. Поскольку логический элемент ИЛИ при этом не сработает, то сигнал уровня логического нуля, с его выхода, поступает на вход реле времени, запрещая его работу. Соответственно устройство не срабатывает.

При коротком замыкании за трансформатором, между фазами В и С на его первичной стороне протекают токи фаз А, В и С, равные относительно тока соответственно 0,5; 0,5; 1,0 (фиг.3), причем токи фаз А и В равны как по величине, так и одинаковы по направлению. Ток фазы С находится с ними в противофазе. На выходе сумматоров 1 образуются разности токов двух фаз. На фиг. 4 представлены векторные диаграммы токов и напряжений в линии электропередачи при коротком замыкании за трансформатором: а,б - для токов нагрузки (транзита) с фазовым углом относительно своих напряжений 0^o, в,г - 50^o, д,е - 90^o, причем а,в,д - для минимального тока короткого замыкания, приведенного к напряжению первичной системы, равного 300-350 А, б,г,е - для максимального, равного 550-600 А. Разности токов, измеряемые сумматорами после короткого замыкания показаны на фиг.4 пунктирными линиями. Как видно из векторных диаграмм на фиг.4, при двухфазном коротком замыкании за трансформатором разность фазных токов двух фаз изменится только в тех сумматорах, в которых одним из входящих токов является I_C. При этом не происходит срабатывания датчика приращения токов 2 на входе которого не будет изменения разности фазных токов с выхода соответствующего сумматора 1. Но при этом происходит срабатывание двух других датчиков приращения токов 2, что вызывает срабатывание двух пороговых элементов 3. Таким образом, на выходе одного порогового элемента 3 появляется сигнал уровня логического нуля, а на выходах двух других пороговых элементов 3 - сигнал уровня логической единицы. При этом сигналы уровня логической единицы подаются на все три входа только одного из трех логических элементов И 5. На других логических элементах И 5 только на один из входов подается сигнал уровня логической единицы. После срабатывания одного из логических элементов И 5 сигнал уровня логической единицы с его выхода подается на один из входов логического элемента ИЛИ 6, вызывая его срабатывание. После этого сигнал уровня логической единицы с выхода ИЛИ 6 поступает на вход реле времени 7, вызывая запуск его работы. Через определенный промежуток времени, определяемый выдержкой времени устройства, происходит срабатывание реле времени 7 и разрешающий сигнал с его выхода поступает на вход выходного элемента 8, обеспечивая срабатывание устройства.

В отличие от этого режима, при двухфазном коротком замыкании в линии электропередачи 110(220) кВ разность токов в относительных единицах, но уже относительно тока двухфазного короткого замыкания в линии I_к ⁽²⁾ на выходе одного из сумматоров 1 будет равна 2,0, на выходах двух других - 1,0. При этом устройство не работает, поскольку происходит срабатывание всех трех пороговых элементов 3, а соответственно, на одном из входов логических элементов И 5 появляется сигнал уровня логического нуля, что производит его запирание.

Таким образом, отличительным признаком двухфазного короткого замыкания за трансформатором является отсутствие изменения разности токов в одном из сумматоров 1.

Применение предлагаемого устройства обеспечивает надежное резервирование защит тяговых подстанций при коротком замыкании за трансформатором за счет учета неравномерного распределения токов в линии и контролирования косвенных электрических величин. Кроме того, отсутствие непосредственного влияния большого сопротивления понизительного трансформатора на устройство резервирования позволяет увеличить коэффициент чувствительности выше нормируемого для резервной зоны, то есть выше 1,2. При этом оборудование подстанции останется неповрежденным.

Источники информации
1. Правила устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Беркович М. А., Семенов В.А. Основы техники и эксплуатации релейной защиты. - М.: Энергия, 1965, с. 295-299.

3. Устройства дистанционной и токовой защит типов ШДЭ 2801, ШДЭ 2802 / А. Н. Бирг, Г.С. Нудельман, Э.К. Федоров и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 3-17.

Изобретение относится к релейным защитам линий электропередачи, в частности для резервирования защит тяговых подстанций. Технический результат, направленный на создание устройства, имеющего достаточную чувствительность для надежного резервирования защит тяговых подстанций, достигается путем того, что в устройство для резервирования защит тяговых подстанций, содержащее три параллельных ветви, каждая из которых включает сумматор токов, пороговый элемент и логический элемент ИЛИ, реле времени, вход которого присоединен к выходу логического элемента ИЛИ и выход - к входу выходного элемента дополнительно введены три датчика приращения тока, три инвертора и три логических элемента И, при этом выход каждого сумматора токов соединен с входом соответствующего датчика приращения тока, выход которого соединен с входом соответствующего порогового элемента, выход каждого порогового элемента соединен через соответствующий инвертор с входом соответствующего логического элемента И и одним из входов двух других логических элементов И, выход каждого логического элемента И подключен к входу логического элемента ИЛИ. 4 ил.

Устройство для резервирования защит тяговых подстанций, содержащее три параллельных ветви, каждая из которых включает сумматор токов, пороговый элемент и логический элемент ИЛИ, реле времени, вход которого присоединен к выходу логического элемента ИЛИ, а выход - к входу выходного элемента, отличающееся тем, что в него дополнительно введены три датчика приращения тока, три инвертора и три логических элемента И, при этом выход каждого сумматора токов соединен с входом соответствующего датчика приращения тока, выход которого соединен с входом соответствующего порогового элемента, выход каждого порогового элемента соединен через соответствующий инвертор с входом соответствующего логического элемента И и одним из входов двух других логических элементов И, выход каждого логического элемента И подключен к входу логического элемента ИЛИ.