СПОСОБ, СИСТЕМА И УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ Российский патент 2011 года по МПК H02H3/28 H02H7/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области систем передачи и распределения электроэнергии, в частности к способам защиты и к защитному оборудованию в таких системах.

Предшествующий уровень техники

Система передачи или распределения электроэнергии содержит системы защиты, предназначенные для защиты, контроля и управления функционированием устройств, образующих часть энергетической системы. Защитные устройства детектируют, помимо прочего, короткие замыкания, перегрузки по току и перегрузки по напряжению в линиях электропередачи, трансформаторах и других частях системы распределения электроэнергии.

В таких электрических системах для защиты и управления используется оборудование защиты. Это оборудование защиты детектирует и изолирует отказы, например, на линях передачи и распределения, с помощью размыкающих прерывателей, и после устранения отказа восстанавливает протекание тока. Альтернативно оборудование защиты можно настроить на выбор альтернативного пути протекания энергии при детектировании отказа.

Дифференциальная защита по току является относительно новым и надежным способом защиты сетей электроснабжения. Она основана на идее сравнения токов по обе стороны от защищаемой зоны или защищаемого блока. Защищаемым блоком или зоной может быть любая часть сети электроснабжения, например, линия передачи, трансформатор, генератор или шина трансформаторной подстанции.

На фиг.1 схематически показан принцип дифференциальной защиты по току. В нормальных рабочих условиях сумма всех токов I₁, I₂, входящих и выходящих из защищенного устройства 1, например линии передачи, равна нулю. Если в защищаемом блоке 1 возникнет отказ, сумма токов на различных концах больше не будет равна нулю. В нормальных рабочих условиях вторичные токи в трансформаторах 3а и 3b тока, подключенных между защищаемым блоком 1 и токовыми реле 2 и предназначенных для понижения первичного тока системы электроснабжения, также равны, т.е. i₁=i₂, и через токовое реле 2 ток не течет. Если в защищаемом блоке 1 возникнет отказ, токи больше не будут равны и через токовое реле 2 потечет ток. Дифференциальное реле 2 в этом случае размыкает прерыватели (не показаны), расположенные на обоих концах защищаемого блока 1. Разомкнутый прерыватель (прерыватели) тем самым изолирует(ют) неисправный защищаемый блок от остальной сети электроснабжения.

В настоящее время для определения, функционируют ли цепи токового трансформатора, используют локальные измерения. На фиг.2 показана защищенная линия L электропередачи. Общепринятой практикой является использование для защиты двух главных защитных устройств, например, устройства 4 дифференциальной защиты по току и устройства 5 дистанционной защиты. Для детектирования отказов устройство 4 дифференциальной защиты по току использует измеренные величины от своего токового трансформатора СТ1 и эталонную величину от токового трансформатора СТ2 другого главного защитного устройства 5. То есть используются измеренные величины от локальных токовых трансформаторов СТ1 и СТ2, что требует смешивания токов двух защитных устройств 4 и 5. Недостаток такого решения заключается в том, что трудно определить, возник ли детектированный отказ в реальном защищаемом устройстве или в эталонном защищаемом устройстве.

Дополнительно возникают трудности при определении, является ли возникший отказ отказом первичной сети или отказом вторичной сети. Если произошел отказ во вторичной сети, например, отказы, возникающие в цепях трансформатора тока, очень нежелательным является размыкание прерывателя, при котором первичные линии передачи отключаются без необходимости, прерывая подачу электроэнергии потребителям.

Ввиду вышеизложенного, желательно создать усовершенствованный способ дифференциальной защиты. В частности, желательно обеспечить способ дифференциальной защиты, в котором осуществляется контроль цепей трансформатора тока. Дополнительно желательно создать соответствующую систему дифференциальной защиты.

Краткое изложение сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа защиты сети электроснабжения, в котором устранены или, по меньшей мере, уменьшены вышеописанные недостатки предшествующего уровня техники. В частности, задачей настоящего изобретения является создание способа дифференциальной защиты, при котором можно легко и надежно определить отказ внутри системы защиты, в частности, в цепях трансформатора тока.

Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа дифференциальной защиты, в котором отказы в трансформаторах тока устройства защиты можно детектировать независимо от трансформаторов тока другого защитного оборудования.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа дифференциальной защиты, в котором первичные отказы можно надежно отличать от вторичных отказов.

Эти и другие задачи решаются способами и системами, описанными в независимых пунктах формулы изобретения.

Согласно настоящему изобретению предлагается способ дифференциальной защиты от определенного типа отказов, возникающих в сети электроснабжения. Сеть электроснабжения содержит защищаемый объект, имеющий два или более конца, и устройство дифференциальной защиты по току, установленное на каждом конце. Способ содержит этапы, на которых: получают на устройстве дифференциальной защиты по току, расположенном на первом конце защищаемого объекта, измеренные величины от устройства дифференциальной защиты по току, установленного на втором конце защищаемого объекта; сравнивают в устройстве дифференциальной защиты по току на первом конце изменения измеренных величин у первого конца с изменениями измеренных величин, полученных у второго конца; и определяют, на этапе сравнения изменений измеренных величин, показывающих различные результаты, тип отказа, возникшего в сети электроснабжения. Согласно настоящему изобретению, поскольку измеренные величины получены у второго конца защищаемого объекта, отказ в цепи трансформатора тока устройства дифференциальной защиты по току можно определить независимо от другого локального оборудования защиты. Тем самым, можно избежать нежелательного смешивания цепей двух разных защитных систем и надежно определять отказы, возникающие в реальном устройстве защиты. Дополнительно в настоящем изобретении сравнивают изменения измеренных величин и на основании результатов сравнения определяют тип отказа. Тем самым, предотвращается не являющееся необходимым размыкание первичных линий трансформатора, поскольку первичный отказ можно надежно отличить от вторичного отказа в токовых цепях. Кроме того, согласно настоящему изобретению повышенная безопасность обеспечивается за счет того, что команды на размыкание выдаются только тогда, когда это необходимо. Однако такая повышенная безопасность обеспечивается не за счет снижения надежности системы. То есть надежность защищенной системы электроснабжения сохраняется, и, если произойдет отказ в системе электроснабжения, команда на размыкание будет выдана с высокой степенью надежности. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает и повышенную безопасность, и повышенную надежность.

Согласно другому варианту настоящего изобретения этап определения типа отказа содержит этап, на котором определяют возникновение первичного отказа, если этап сравнения изменений измеренных величин показывает изменения на двух или более концах. Если этап сравнения изменений измеренных величин показывает изменения только на одном конце, детектируется вторичный отказ. Таким образом, предлагается надежный способ детектирования и определения типа отказа.

Согласно другому варианту настоящего изобретения способ содержит дополнительный этап, на котором размыкают прерыватель в ответ на этап сравнения измеренных величин, показавший изменение измеренных величин на двух или более концах, т.е. первичный отказ. Способ также может содержать дополнительный этап, на котором блокируют команду на срабатывание, если на этапе определения будет показано, что изменение измеренных величин произошло только на одном конце, т.е. возник вторичный отказ. Таким образом, предотвращается ненужное размыкание первичных линий передачи.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система дифференциальной защиты, которая дает преимущества, аналогичные вышеописанным.

Дополнительные варианты настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы. Дополнительные варианты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает известную схему дифференциальной защиты по току;

фиг.2 - схему известной системы дифференциальной защиты линии передачи;

фиг.3 - схему сети электроснабжения, в которой может применяться настоящее изобретение;

фиг.4 - схему другой сети электроснабжения, в которой может применяться настоящее изобретение;

фиг.5 - блок-схему последовательности этапов способа по настоящему изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Фиг.1 и 2 уже были описаны в связи с описанием предшествующего уровня техники и дополнительного пояснения не требуют.

На фиг.3 схематически показан вариант настоящего изобретения и, в частности, сеть 9 электроснабжения. Способ дифференциальной защиты согласно настоящему изобретению защищает объект сети, которым в показанном примере является линия 10 передачи. Способ дифференциальной защиты по току реализован посредством, например, соответствующего компьютерного аппаратного средства и другого оборудования, и в нижеследующем описании в качестве иллюстративного средства, реализующего способ по настоящему изобретению, используется устройство 12 дифференциальной защиты по току.

Устройство 12 дифференциальной защиты по току соединено с линией 10 передачи через трансформатор 11 тока. Устройство 12 дифференциальной защиты по току расположено на первом конце, обозначенном позицией А, линии 10 передачи. Трансформатор 11 тока известным способом понижает ток до уровня, пригодного для подачи на устройство 12 дифференциальной защиты по току. На противоположном конце, обозначенном позицией В, линии 10 передачи расположено устройство 14 дифференциальной защиты по току вместе с соответствующим трансформатором 13 тока. Расстояние между двумя устройствами 12, 14 дифференциальной защиты по току может, например, составлять от нескольких километров до сотен километров.

Устройства 12, 14 дифференциальной защиты по току содержат средства 19 и 20 связи, соответственно, с помощью которых между устройствами 12, 14 дифференциальной защиты по току можно создать два или более канала 15 связи. Средства связи предпочтительно содержат цифровые средства связи, посредством которых можно осуществлять обмен величинами измерений в цифровом формате между разными концами защищаемого объекта. Канал 15 связи может быть волоконно-оптическим каналом связи, т.е. устройства 12, 14 дифференциальной защиты по току соединены посредством волоконно-оптического кабеля 15. Средства 19, 20 связи устройств 12, 14 дифференциальной защиты по току могут дополнительно содержать, например, средства волоконно-оптических кабельных муфт. Необходимо создать два (или более) канала 15 связи, по одному в каждом направлении, т.е. обеспечить дуплексную связь.

Каналы 15 связи используются для отправки измеренных величин и других данных между устройствами 12, 14 дифференциальной защиты по току. Поэтому, согласно настоящему изобретению, никакие локальные эталонные измерения не нужны. Следовательно, можно избежать смешивания цепей локальных устройств защиты. Второе защитное устройство 16, 17, расположенное на первом конце А линии 10 передачи, таким образом, является совершенно независимым от устройств 11, 12 дифференциальной защиты по току.

Устройства 12, 14 дифференциальной защиты по току измеряют токи и другие параметры. В соответствии с настоящим изобретением устройство 12 дифференциальной защиты по току на первом конце А линии 10 передачи выполнено с возможностью сравнения своих измерений с эталонными данными, полученными от устройства 14 дифференциальной защиты по току на втором конце В линии 10 передачи для определения возникновения отказа.

Величины тока на конце А линии 10 передачи сравниваются с величинами тока на конце В линии 10 передачи. В нормальных рабочих условиях на обоих концах А и В токи равны.

Для выполнения вышеописанных измерений и сравнений устройства 12, 14 дифференциальной защиты по току содержат средства 22, 23 обработки, подходящие для выполнения этой задачи. Разные концы должны иметь одинаковые логические цепи, и все концы должны иметь обратную логику.

Сравнивая величины тока или другие измеренные величины на обоих (или нескольких) концах друг с другом, можно определить тип отказа. Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что непрерывно используются цифровые величины, что дает более точные результаты, чем в случае сравнения измеренных величин с заданными пороговыми величинами. Если в реальном устройстве защиты ток не изменяется, но происходит изменение тока на другом конце, команда на размыкание на локальном конце выдана не будет, а будет лишь выдано предупреждение о неисправности удаленного трансформатора тока.

В варианте настоящего изобретения ток на одном конце измеряется и сравнивается с более ранней величиной тока на этом же конце, di/dt. На другом конце (концах) проводят соответствующие расчеты. Величины, полученные на одном конце, сравнивают с соответствующими величинами на другом конце (концах), при этом соответствующие величины получают по каналу 15 связи. Например, величину, измеренную на конце А, можно сравнить с величиной, полученной на этом же конце А за один или два цикла системы электроснабжения до нее, например, за 20-40 мс в системе, работающей с частотой 50 Гц. Если изменение тока наблюдается только на одном конце, например на конце А линии передачи, но не наблюдается на другом конце, например конце В, то можно сделать вывод, что изменение тока вызвано вторичным отказом, например, неисправностью цепи трансформатора 11 тока, например, коротким замыканием или обрывом.

Вышеизложенное можно свести к следующим булевым выражениям, в которых А и В - соответствующие концы линии L₁ передачи, i - дискретные мгновенные величины тока, предпочтительно заданные по времени с синхронизацией по тактовым импульсам на обоих концах, а L₁ - линия L передачи фазы 1:

если i(L₁A)=i(L₁B), то отказа нет;

если i(L₁A)>i(L₁B) ″И″

i(L₁A) без изменений ″И″

i(L₁B) изменился, то

блокировать команду на размыкание от конца А линии передачи. То есть отказ является не первичным, а вторичным отказом на конце В. Для конца В линии передачи соответствующими выражениями являются:

если i(L₁A)=i(L₁B), то отказа нет;

если i(L₁B)>i(L₁A) ″И″

i(L₁B) без изменений ″И″

i(L₁A) изменился, то

блокировать команду на размыкание от конца В, поскольку отсутствует первичный отказ.

Под изменением величины тока на одном из концов А, В линии передачи понимается изменение по сравнению с предыдущим измерением, например, с величиной, измеренной несколькими миллисекундами ранее, как описано выше.

Вышеописанные условия можно, разумеется, реализовать для типичной трехфазной системы электроснабжения, имеющей три отдельных фазы тока.

Специалист в данной области, ознакомившись с настоящим описанием, сможет построить логику реализации этой идеи, которая проиллюстрирована вышеприведенными алгоритмами.

Если возникает первичный отказ, показанный на фиг.3 позицией F1, на обоих концах А, В, линии 10 передачи произойдет изменение величины тока. В ответ на детектирование первичного отказа устройство 12 дифференциальной защиты по току выдает команду на размыкание прерывателя 18. Если возникнет вторичный отказ, например, в цепях трансформатора тока, тогда произойдет изменение величины тока только на том конце, на котором возник отказ. На противоположном конце никаких изменений тока нет. С помощью настоящего изобретения, таким образом, первичные отказы можно надежно отличать от вторичных отказов в токовых цепях. Дополнительно линия 10 передачи без необходимости не отключается.

На фиг.4 показана трехфазная сеть электроснабжения с тремя концами. Настоящее изобретение можно реализовать и в таких многоконцевых системах, имеющих три или более концов. Различные концы системы электропередачи соединены соответствующими коммуникационными средствами. Поэтому можно осуществлять обмен данными между всеми концами такой системы электропередачи. Если возникает первичный отказ, такой отказ будет определяться/детектирован путем детектирования двух одновременных изменений на двух из концов линии электропередачи. Например, в системе электропередачи с тремя концами, если ток изменится на двух концах линии передачи, можно считать, что возник первичный отказ и необходимо выдавать команду на размыкание. Вторичный отказ детектируется, только когда происходит изменение тока только на одном конце, независимо от количества концов линии.

На фиг.5 показаны этапы способа 30 дифференциальной защиты согласно настоящему изобретению. Способ применим, например, в сети 9 электроснабжения, показанной на фиг.3, и обеспечивает средство для определения типа отказа, возникшего в сети 9 электроснабжения. Сеть 9 электроснабжения содержит защищенный объект 10, например, линию передачи, имеющую два или более конца А, В. На каждом из концов А, В установлены устройства 12, 13 дифференциальной защиты по току и, предпочтительно, соответствующие трансформаторы 11, 13 тока. На этапе 31 устройство 12 дифференциальной защиты по току, расположенное на первом конце А защищаемого объекта 10, получает от устройства 14 дифференциальной защиты, установленного на втором конце В защищаемого объекта 10, измеренные величины. Эти величины передаются по каналу 15 связи. Затем на этапе 32 изменения величин от измерения, полученного на втором конце В устройства 14 дифференциальной защиты по току, в устройстве 12 дифференциальной защиты по току, расположенном на первом конце А, сравниваются с изменениями величин, полученных на первом конце А. На этапе 33 определяют тип отказа, возникшего в сети 9, если на этапе 32 сравнения изменения измеренных величин покажут отличающиеся результаты. Этап 33 определения типа отказа содержит определение возникновения первичного отказа, если этап 32 сравнения изменений измеренных величин показывает изменения на двух или более концах А, В. Если этап 32 сравнения показывает изменения измеренных величин только на одном конце, тогда определяется, что возник вторичный отказ, наиболее вероятно, в цепях трансформатора тока, и предпринимаются соответствующие действия.

В предпочтительном варианте этап сравнения изменений измеренных величин содержит этап, на котором сравнивают на первом конце А изменения в синхронизированных заданных по времени измеренных величинах на первом конце А с изменениями измеренных величин на втором конце В, которые являются заданными по времени измеренными величинами, синхронизированными по той же тактовой частоте, что и измеренные величины на первом конце А. Таким образом, получают величины, которые действительно являются сравнимыми.

Способ 30 может содержать дополнительные этапы, не показанные на чертеже. Например, способ предпочтительно содержит дополнительный этап, на котором размыкают 34 прерыватель 18, 21 в ответ на изменения измеренных величин на двух или более концах А, В, полученные в результате сравнения на этапе 32.

Способ 30 может содержать дополнительный этап блокировки команды на размыкание, если этап 33 определения показывает изменение измеренных величин только на одном конце, т.е. если будет обнаружен вторичный отказ.

В вышеприведенном описании для иллюстрации объекта или сетевого элемента, который может быть защищен средствами согласно настоящему изобретению, использовалась линия 10 передачи. Однако следует отметить, что средствами настоящего изобретения можно защищать и другие сетевые элементы, такие как трансформаторы, подстанции, генераторы, шины и пр.

Подводя итоги, согласно настоящему изобретению предлагается усовершенствованный способ дифференциальной защиты по току. Токовые цепи в защищенной системе можно надежно контролировать. Отказы в цепях трансформаторов тока можно детектировать независимо от трансформаторов тока, соединенных с другим оборудованием защиты.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности. Сеть электроснабжения содержит защищаемый объект, имеющий два или более конца, устройство (12, 14) дифференциальной защиты по току и трансформатор (11, 13) тока, установленный на каждом конце (А, В). Согласно способу получают на первом конце защищаемого объекта измеренные величины со второго конца защищаемого объекта, сравнивают на первом конце изменения измеренных величин на первом конце с изменениями измеренных величин на втором конце и, на этапе сравнения изменений измеренных величин, показавшем отличающиеся результаты, определяют тип отказа, возникающего в сети электроснабжения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ дифференциальной защиты в сети (9) электроснабжения для определения типа отказа, возникшего в сети (9) электроснабжения, содержащей защищенный объект (10), имеющий два или более конца (А, В), при этом на каждом конце (А, В) установлены устройства (12, 14) дифференциальной защиты по току, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых: получают (31) в устройстве (12) дифференциальной защиты по току, расположенном на первом конце (А) защищенного объекта (10), измеренные величины от устройства (14) дифференциальной защиты по току, расположенного на втором конце (В) защищенного объекта (10), сравнивают (32) в устройстве (12) дифференциальной защиты по току, установленном на первом конце (А), изменения величин, измеренных на первом конце (А), с изменениями указанных измеренных величин, полученных от устройства (14) дифференциальной защиты по току на втором конце (В), определяют (33) после сравнения изменений измеренных величин, показывающих отличающиеся результаты, тип отказа, возникшего в сети (9) электроснабжения.

2. Способ по п.1, в котором этап (33) определения типа отказа содержит этап определения возникновения первичного отказа, если на этапе сравнения изменений измеренных величин обнаруживают изменения на двух или более концах (А, В).

3. Способ по п.2, содержащий дополнительный этап, на котором размыкают (34) прерыватель (18, 21), если на этапе сравнения обнаруживают изменение измеренных величин на двух или более концах (А, В).

4. Способ по п.1, в котором этап (33) определения типа отказа содержит этап, на котором определяют возникновение вторичного отказа, если на этапе сравнения изменений измеренных величин обнаруживают изменения только на одном конце (А, В).

5. Способ по п.4, содержащий дополнительный этап, на котором блокируют команду на размыкание, если на этапе (33) определения обнаруживают изменение измеренных величин только на одном конце.

6. Способ по п.1, содержащий дополнительный этап, на котором повторяют этап (31) получения и этап (32) сравнения изменений измеренных величин, если на этапе (32) сравнения не обнаруживают изменения в измеренных величинах.

7. Способ по п.1, в котором указанное сравнение изменений измеренных величин содержит этап, на котором сравнивают изменения тока на двух или более концах (А, В).

8. Способ по п.1, в котором этап (31) получения измеренных величин содержит получение цифровых величин по волоконно-оптической линии связи.

9. Способ по п.1, в котором этап сравнения изменений измеренных величин содержит сравнение в устройстве (12) дифференциальной защиты по току на первом конце (А) изменения синхронизированных заданных по времени измеренных величин, полученных на первом конце (А), с изменениями измеренных величин, полученных устройством (14) дифференциальной защиты по току на втором конце (В), причем измеренные величины являются заданными по времени измеренными величинами, которые синхронизированы по той же тактовой частоте, что и измеренные величины на первом конце (А).

10. Способ по любому из пп.1-9, в котором устройства (12, 14) дифференциальной защиты соединены с защищаемым объектом (1) посредством соответствующих трансформаторов (11, 13) тока.

11. Способ по п.10, в котором защищаемое устройство содержит линию (10) передачи.

12. Система дифференциальной защиты в сети (9) электроснабжения, содержащей защищаемый объект (10), имеющий два или более конца (А, В), причем на каждом конце (А, В) расположено устройство (12, 14) дифференциальной защиты по току, отличающаяся тем, что содержит: средство (22, 23) обработки в устройствах (12, 14) дифференциальной защиты по току, предназначенное для измерения изменений измеренных величин на каждом конце (А, В), средство (19, 20) в устройстве (12, 14) дифференциальной защиты по току для приема измеренных величин от другого устройства (12, 14) дифференциальной защиты по току, указанное средство (22, 23) обработки в каждом из устройств (12, 14) дифференциальной защиты по току, предназначенное также для сравнения изменений измеренных величин, полученных на первом конце (А), с изменениями измеренных величин, полученных на втором конце (В), и средство (22, 23) в каждом из устройств (12, 14) дифференциальной защиты по току для определения типа отказа, возникшего в сети (9) электроснабжения.

13. Система дифференциальной защиты по п.12, в которой устройства (12, 14) дифференциальной защиты по току соединены с защищаемым объектом (1) посредством соответствующего трансформатора (11, 13) тока.

14. Устройство (12, 14) дифференциальной защиты по току для сети (9) электроснабжения, содержащей защищаемый объект (10), имеющий два или более конца (А, В), отличающееся тем, что содержит: средство (22, 23) обработки, предназначенное для измерения изменения измеренных величин; средство (19, 20) для получения измеренных величин с другого конца/концов (А, В) защищаемого объекта (10); указанное средство (22, 23) обработки, также предназначенное для сравнения изменений измеренных величин на первом конце (А) с изменениями измеренных величин, полученных на втором конце (В), и указанное средство (22, 23) обработки, также предназначенное для определения типа отказа, возникшего в сети (9) электроснабжения.

15. Устройство (12, 14) дифференциальной защиты по току по п.14, содержащее средство для реализации способа по любому из пп.1-11.