СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ И НАСТРОЙКИ ТОКОВОЙ ОТСЕЧКИ Российский патент 2008 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к релейной защите электрооборудования и электрических сетей и может быть использовано для построения более эффективной токовой отсечки без выдержки времени для объектов электрических сетей, шунтированных параллельными или обходными связями.

Известен способ построения и настройки первой ступени, например, ступенчатой токовой защиты нулевой последовательности (СТЗНП) [1. Руководящие указания по релейной защиты. Вып.12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. - М.: Энергия, 1980. - 88 с. 2. Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 с.], состоящий в том, что на каждом конце защищаемого объекта к трансформаторам тока подключается релейный измерительный орган (ИО) с разрешением действия в направлении защищаемого объекта. Уставка каждого ИО отстраивается от максимального тока помехи, протекающего через измерительный орган (ИО) при коротких замыканиях (КЗ) на противоположных концах (выводах) указанного объекта и анормальных (асинхронных и неполнофазных) режимах. Далее проверяется чувствительность при минимальном токе через ИО при КЗ на конце/выводе размещения защиты. Так как токи через ИО при КЗ на пространстве защищаемого объекта, начиная от конца (вывода) размещения отсечки, уменьшаются, указанная проверка чувствительности для рассматриваемой отсечки неполно характеризует защитную функцию в целом по объекту.

По этой причине предусматривается дополнительная проверка зоны действия в виде длины защищаемой линии или сопротивления прямой последовательности цепи от места установки аппаратуры до места КЗ на пространстве защищаемого объекта, при котором фактический ток, протекающий через ИО, еще превышает или равен уставке. Благодаря названному превышению уставки происходит срабатывание или действие рассматриваемой токовой отсечки. Названная зона или область действия (ОД) пространства объекта в относительных единицах характеризует эффективность функционирования токовой отсечки без выдержки времени. Чем больше ОД, тем более эффективна токовая отсечка.

Каждая ОД характеризуется ближними и дальними границами. Ближние границы определяются местом расположения аппаратуры на защищаемом объекте. С этих границ начинается отсчет ОД и им присваивается нулевая координата пространства защищаемого объекта. Дальние границы характеризуются местом КЗ на пространстве защищаемого объекта, при котором фактический ток, протекающий через ИО, еще превышает или равен уставке. Таким образом, дальние границы и ОД количественно характеризуются одной и той же мерой пространства защищаемого объекта в виде длины в километрах для защищаемой линий или сопротивления прямой последовательности в Омах для любых защищаемых объектов электрической сети.

Выраженные в относительных единицах дальние границы и ОД относительно меры пространства защищаемого объекта определяют эффективность токовой отсечки. Дальние границы, ОД и эффективность, как определяемые величиной токов через ИО, сильно зависят от режима источников, коммутационного состояния сети и вида КЗ. В результате минимальная граница ОД, равно как и минимальная ОД, определяющая расчетный показатель эффективности отсечки без выдержки времени, при неблагоприятных сочетаниях названных факторов может оказаться неприемлемо малой, что обусловит невозможность практического применения токовой отсечки как канала защиты и тем самым исключит возможность использования быстродействующей токовой отсечки при благоприятных сочетаниях факторов.

Особенно указанное положение усугубляется при наличии параллельных, шунтирующих и обходных связей. В этом случае при настройке отсечки согласно рекомендациям [1] токи через аппаратуру отсечки при КЗ вдоль защищаемого объекта становятся еще более резко изменяющимися на головном и периферийных участках ОД защищаемого объекта. Это приводит к еще большей разнице минимальной и максимальной дальних границ ОД и, как следствие, потере расчетной эффективности отсечки (сокращению минимальной ОД или уменьшению расчетного пространства защищаемого объекта до минимальной границы) вследствие неблагоприятных сочетаний факторов: режима источников, коммутационного состояния сети и видов КЗ. Это еще в большей степени вынуждает отказаться от использования токовой отсечки и, как следствие, исключает возможность использования быстродействующей токовой отсечки при благоприятных сочетаниях факторов.

Описанный способ построения и настройки отсечки характеризуется следующими операциями: подключением релейного измерительного органа к датчику тока на интересующем конце/выводе защищаемого объекта электрической сети и сравнением измеренного тока при коротком замыкании в области действия на защищаемом объекте с расчетной уставкой. В результате сравнения формируется потенциальный сигнал срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце (выводе) защищаемого объекта тока, протекающего через датчик тока к месту короткого замыкания, и таким образом решается задача. Данный способ с указанными выше недостатками: малой эффективностью токовой отсечки и большим разбросом (нестабильностью) дальних границ области действия названной отсечки рассматривается прототипом предлагаемого способа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы токовой отсечки (минимальной относительной величины защищаемого пространства объекта или области действия отсечки) и уменьшение разброса дальних границ области действия или стабилизация области действия отсечки для случаев шунтирования защищаемого объекта параллельными элементами и обходными связями электрической сети.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе построения и настройки токовой отсечки, так же как и в прототипе, путем подключения релейного измерительного органа к датчику тока на интересующем конце/выводе защищаемого объекта электрической сети, сравнивают ток датчика при коротком замыкании в области действия на защищаемом объекте с расчетной уставкой и получают потенциальный сигнал срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце/выводе защищаемого объекта тока, протекающего через датчик тока к месту короткого замыкания.

Согласно изобретению суммируют токи датчиков защищаемого объекта с токами датчиков других параллельных и ближайших компонентов обходных связей электрической сети, шунтирующих защищаемый объект, сравнивают полученную сумму токов с расчетной уставкой и получают потенциальный сигнал срабатывания для отключения тока через датчик защищаемого объекта, протекающего к месту короткого замыкания.

Суммирование с током защищаемого объекта токов параллельных и обходных связей обусловливает эффект изобретения. Суммирование приводит к количественному преобразованию суммарного тока по сравнению с током только защищаемого объекта, причем это преобразование является неоднозначным. По мере движения точки КЗ вдоль пространства защищаемого объекта от конца/вывода, где расположен датчик тока, к противоположным концам/выводам защищаемого объекта токи параллельных и обходных связей или добавляемые токи сначала направлены противоположно току поврежденного объекта и уменьшают его, затем названный эффект снижается так, что при КЗ в некоторой точке этого пространства добавляемые токи становятся равными нулю, а далее по мере продвижения точки КЗ к противоположным концам/выводам защищаемого объекта снова возрастают по величине, но теперь они совпадают по знаку с током защищаемого объекта. По сравнению с использованием только тока защищаемого объекта кривая суммарного тока с добавляемыми токами при КЗ вдоль пространства защищаемого объекта выравнивается, т.е. менее заметно изменяется. Степень данной стабилизации определяется добавляемыми токами, которые зависят от ряда факторов: мощности и режима источников, коммутационных состояний сети, видов КЗ и др. Уставка отсечки согласно рекомендациям [1] должна быть на 30% выше максимального тока при КЗ на противоположных относительно размещения датчика тока концах/выводах.

Эти рекомендации применимы и для максимального суммарного тока с добавлением токов параллельных и обходных связей при КЗ на противоположных относительно размещения датчика тока концах/выводах. Так как эти значения больше значений тока только защищаемого объекта при существующем обычном построении и настройке отсечки, уставка при учете токов параллельных и обходных связей будет больше. Учитывая характер выровненной кривой суммарного тока и большую уставку отсечки по предлагаемому способу, максимальная дальняя граница ОД (точка пересечения уставки с суммарным током) отсечки будет меньше, чем, если бы она была при построении и настройке отсечки с использованием только тока защищаемого объекта. Действительно, в последнем случае кривая максимального тока при КЗ вдоль защищаемого объекта будет резко изменяющейся. Причем при КЗ на противоположных концах/выводах токи будут заметно меньше и соответственно будет меньше уставка и, следовательно, больше максимальная дальняя граница ОД.

Минимальные значения токов при КЗ вдоль пространства защищаемого объекта при построении и настройке отсечки по предлагаемому и существующему способам будут аналогично противоположными, однако эта противоположность оказывается обратной. Минимальные значения кривой суммарного тока по предлагаемому способу будут существенно больше и резко изменятся, т.к. в минимальном режиме источников сети параллельные и обходные связи должны быть разорваны (самый неблагоприятный случай по минимальности токов в предлагаемом способе). Но такая топология шунтирующих параллельных и обходных связей неизбежно приводит, с одной стороны, к резкому изменению измеряемых токов при КЗ вдоль пространства защищаемого объекта (как при построении отсечки по существующему способу), а именно к увеличению токов через отсечку при КЗ на головных участках пространства защищаемого объекта (параллельные и обходные связи отключены), а с другой стороны, к незначительному уменьшению всех значений токов через отсечку только за счет минимального режима источников. Минимальные значения токов при КЗ вдоль пространства защищаемого объекта при построении и настройке отсечки по существующему способу будут реализовываться наоборот при всех включенных параллельных и обходных связях, но токи этих связей не суммируются с током защищаемого объекта. Поэтому токи через отсечку будут небольшими. Таким образом, минимальная дальняя граница ОД отсечки по предлагаемому способу возрастет по сравнению с минимальной дальней границей по существующему способу.

Эффективность токовой отсечки или ОД отсечки оценивается минимальной дальней границей. Чем больше величина дальней границы ОД отсечки, тем выше эффективность токовой отсечки или ОД отсечки. Следовательно, факт увеличения минимальной дальней границы или ОД отсечки доказывает повышение эффективности ее работы. Совместно с этим фактом другой факт уменьшения максимальной дальней границы или максимальной ОД, отмеченный ранее, доказывает снижение разброса дальних границ или стабилизацию ОД отсечки, построенной и настроенной по предлагаемому способу.

Таким образом, благодаря в целом операциям по построению и настройке отсечки по рекомендациям увеличивается минимальная дальняя граница области действия защищаемого объекта, что приводит к повышению эффективности отсечки, и одновременно уменьшается максимальная дальняя граница области действия, что вместе с увеличением минимальной дальней границы приводит к сокращению разброса границ и стабилизации как области действия, так и эффективности токовой отсечки. Так как уставка отсечки по предлагаемому способу оказывается больше по сравнению с уставкой по существующему способу, то отсечка по предлагаемому способу имеет преимущество в части лучшей отстроенности от помех и надежности работы.

На фиг.1 показан пример схемы электрической сети с параллельными и обходными связями и структурой построения токовой отсечки на одном из концов защищаемой линии, шунтированной одной параллельной линией и одной обходной связью, состоящей из двух линий. На фиг.2 представлены кривые утроенных токов нулевой последовательности, протекающие через токовую отсечку защищаемой линии, установленной на одном из ее концов при КЗ на этой линии, также уставки при существующем индивидуальном (штрихпунктирная графика) и предлагаемом (сплошная графика) способе построения и настройки токовой отсечки без выдержки времени.

Предлагаемый способ поясняется примером. На фиг.1 показан фрагмент высоковольтной электрической сети, состоящей из двухконцевых линий: защищаемой 1, параллельной 2, образующих обходную связь 3 и 4, шин 5 и 6 двух подстанций, шины 7 промежуточной подстанции обходной связи, источников 8 и 9, соответственно через двухконцевые линии 10 и 11, присоединенных к шинам 5 и 6 подстанций сети. В составе сети могут быть также многоконцевые линии, двухобмоточные и многообмоточные трансформаторы и автотрансформаторы, другие компоненты. В рассечку линий (фиг.1) на каждом их конце включены коммутационные аппараты и датчики высоковольтного тока. На фиг.1 показаны один коммутационный аппарат и три датчика тока: датчик тока 12 (Д1) защищаемой линии 1, сумматор 13 (СУ), измерительный орган 14 (ИО) и коммутационный аппарат 15, датчики тока 16 (Д2) параллельной линии 2 и 17 (Д3) на обходной связи через сумматор 13 (СУ). Коммутационный аппарат 15 и датчик 12 защищаемой линии 1, а также датчики 16 параллельной линии 2 и 17 линии 3, входящей в обходную связь, размещены на территориально близких концах линий 1, 2, 3, присоединенных к шине 5 подстанции. Другие концы линий 1 и 2 и один конец линии 4 соединены с шиной 6 подстанции. Другие концы линий 3 и 4 обходной связи подсоединены к шине 7 промежуточной подстанции. Через включенные в рассечки на концах линий коммутационный аппарат 15 и датчики 12, 16 и 17 посредством шины 5 объединяются линии 1, 2, 3: через датчик 12 с коммутационным аппаратом 15, а через последний с линией 1, через датчик 16 с линией 2, через датчик 17 с линией 3. Выходы датчиков тока 12 (Д1), 16 (Д2) и 17 (Д3) соединены через сумматор 13 (СУ) с релейным измерительным органом 14 (ИО), выход последнего подключен на вход коммутационного аппарата 15 защищаемой линии 1.

Функционирование варианта реализации предлагаемого способа по фиг.1 осуществляется следующим образом. В трехфазной симметричной электрической сети, показанной на фиг.1 в однофазном изображении, источники 8 и 9 (трехфазные синхронные генераторы) вырабатывают трехфазную электрическую мощность, которая по линиям 10 и 11 поступает в сеть через шины 5 и 6 подстанций, объединяющих линии 1 и 2, а также 3 и 4 через шины 7 промежуточной подстанции. Мощность в рабочих режимах распределяется на нагрузки, подключенные к сети (не показаны). Все представленные на фиг.1 линии являются двухконцевыми. На каждом конце линий установлены трехфазные коммутационные аппараты (выключатели), способные отключать линию от сети у конца, где расположены. На фиг.1 показан только один выключатель 15, который отключает линию 1 от шин 5 подстанции. Датчики высоковольтного тока 12, 16 и 17 соответственно на защищаемой 1, параллельной 2 и входящей в обходную связь линии 3 преобразуют первичные высоковольтные токи во вторичные безопасные. Вторичные токи поступают на входы сумматора 13, где они суммируются и поступают на вход релейного измерительного органа 14, который, если сумма превышает уставку, срабатывает и подает сигнал на отключение выключателя 15. В противном случае отсечка не работает и находится в состоянии ожидания.

На фиг.2 представлены кривые токов через ИО при КЗ вдоль защищаемой линии 1 как зависимости от длины L_л или сопротивления прямой последовательности Z_л короткозамкнутой линии от места установки отсечки у выключателя 15 в направлении ее действия до места КЗ на линии. Кривые максимальных (нижний индекс «а») и минимальных (нижний индекс «и») даны для токов через аппаратуру левого конца защищаемой линии 1 при КЗ вдоль этой линии в направлении ее правого конца:

- при использовании в защите токов шунтирующих защищаемую линию параллельных и обходных связей (сплошные линии, наличие нижнего индекса «р» в обозначениях токов):

I_ра - максимальная величина тока в ИО при всех включенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

I_ри - минимальная величина тока через ИО при отключенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

I_p ^I - уставка отсечки без выдержки времени с учетом шунтирующих параллельных и обходных связей,

Z_л, L_л - сопротивление и длина защищаемой линии,

L_ра и L_ри - максимальная и минимальная границы области действия отсечки без выдержки времени при настройке с подключением к сумматору 13 СУ всех датчиков тока: защищаемого объекта и шунтирующих параллельных и обходных связей;

- при неиспользовании токов шунтирующих параллельных и обходных связей (штрихпунктирные линии при отсутствии какого-либо дополнительного нижнего индекса):

I_а - максимальная величина тока через ИО, имеющая место при всех отключенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

I_и - минимальная величина тока в ИО при всех включенных шунтирующих параллельных и обходных связях,

I^I - уставка отсечки без выдержки времени при использовании ее по способу индивидуальных построения и настройки,

L_a и L_и - максимальная и минимальная дальние границы области действия без выдержки времени при индивидуальной ее настройке.

Кривые токов фиг.2 при КЗ вдоль защищаемой линии Л1 построены для двух сочетаний факторов, обусловливающих максимально- и минимально-наблюдаемые значения токов. Уставки отсечки, представленные на фиг.2 по известному способу индивидуального ее построения и настройки I^I и предлагаемому способу суммирования с током защищаемого объекта токов шунтирующих параллельных и обходных связей I_p ^I, определяются по рекомендациям [1] обычным порядком в обоих случаях по ряду условий, в том числе по условию отстройки от максимальных токов в ИО при КЗ на противоположном конце защищаемого объекта относительно места (конца) расположения аппаратуры.

Настройка отсечки по предлагаемому способу суммирования с током защищаемого объекта токов шунтирующих параллельных и обходных связей принципиально не отличается от настройки по широко применяемому способу использования только тока защищаемого объекта. Однако имеют место особенности. Одна весьма очевидная особенность состоит в величине тока через аппаратуру. В первом случае это суммарный ток, протекающий как по защищаемому объекту, так и по шунтирующим параллельным и обходным связям. Во втором случае используется только ток, протекающий по защищаемому объекту. Согласно [1] определение уставки осуществляется путем увеличения на 30% максимального тока через аппаратуру защиты при КЗ на противоположных концах (выводах) защищаемого объекта, также при асинхронном режиме в случае реагирования отсечки на полные фазные токи или фильтровой ток, например, нулевой последовательности при неполнофазном разрыве в защищаемой линии тока асинхронного режима, если защита реагирует на токи нулевой последовательности. Проверка чувствительности при КЗ на конце защищаемого объекта, где размещена аппаратура отсечки, производится при минимальном токе через аппаратуру в направлении ОД защищаемого объекта. При этом ток КЗ должен превышать уставку не менее чем на 30%. Вторая особенность, как показывает анализ, состоит в противоположности коммутационных состояний шунтирующих параллельных и обходных связей при реализации максимальных и минимальных токов через аппаратуру, что отражено на кривых токов и уставках (фиг.2) и конкретно указано в словесном описании кривых токов.

Точки пересечения уставок с максимально- и минимально-наблюдаемыми значениями токов формируют однозначно максимальные и минимальные границы ОД отсечки в сравнении: по индивидуальному способу построения и настройки L_a и L_и, по предлагаемому способу суммирования токов защищаемого объекта с токами шунтирующих параллельных и обходных связей L_ра и L_ри. Видно, что ОД (L_ри, L_ра) по предлагаемому способу принадлежит ОД (L_и, L_a) по существующему способу построения и настройки отсечки. Благодаря тому, что левые границы областей действия соотносятся в соответствии с неравенством L_и<L_ри, построение и настройка отсечки по предлагаемому способу обеспечивает большую ОД и, следовательно, эффективность действия по сравнению с существующим индивидуальным способом. Благодаря принадлежности ОД (L_ри, L_ра) области действия (L_и, L_а), т.е. L_и<L_ри, но L_ра<L_a (границы L_ри и L_ра сближены с обеих сторон по сравнению с границами L_и и L_a), имеет место большая стабилизация (меньший разброс дальних границ) ОД (L_ри, L_ра) по предлагаемому способу по сравнению с ОД или дальними границами (L_и, L_a) по существующему способу.

Описанный способ построения и настройки токовой отсечки без выдержки времени может быть применен для разных защищаемых объектов электрических сетей и в первую очередь линий, трансформаторов и автотрансформаторов, шунтированных параллельными и обходными связями. Применение изобретения не только увеличивает эффективность и стабилизирует область действия отсечки без выдержки времени, но также при этом возрастают помехоустойчивость и надежность действия защиты, т.к. сигналы, на которые реагирует ИО, больше по сравнению со случаем построения и настройки защиты по существующему индивидуальному способу. При этом имеет место как технический, так и экономический эффект предлагаемого способа построения и настройки отсечки без выдержки времени за счет снижения количества отказов.

Изобретение относится к релейной защите электрооборудования и электрических сетей для объектов, шунтированных параллельными или обходными связями. Технический результат заключается в повышении и стабилизации эффективности действия токовой отсечки для защищаемых объектов, шунтированных параллельными или обходными связями. Способ заключается в том, что подключают релейный измерительный орган к датчику тока на интересующем конце/выводе защищаемого объекта электрической сети, суммируют токи датчиков защищаемого объекта с токами датчиков других параллельных и ближайших компонентов обходных связей электрической сети, шунтирующих защищаемый объект, сравнивают полученную сумму токов с расчетной уставкой и получают потенциальный сигнал срабатывания для отключения тока через датчик защищаемого объекта. 2 ил.

Способ построения и настройки токовой отсечки путем подключения релейного измерительного органа к датчику тока на интересующем конце/выводе защищаемого объекта электрической сети, сравнения тока датчика при коротком замыкании в области действия на защищаемом объекте с расчетной уставкой и получения потенциального сигнала срабатывания для отключения коммутационным аппаратом на указанном конце/выводе защищаемого объекта тока, протекающего через датчик тока к месту короткого замыкания, отличающийся тем, что суммируют токи датчиков защищаемого объекта с токами датчиков других параллельных и ближайших компонентов обходных связей электрической сети, шунтирующих защищаемый объект, сравнивают полученную сумму токов с расчетной уставкой и получают потенциальный сигнал срабатывания для отключения тока через датчик защищаемого объекта.