УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В "МЕРТВОЙ ЗОНЕ" ОТКРЫТЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ Российский патент 2012 года по МПК H02H3/28 H02H7/22 

Изобретение относится к релейной защите (РЗ) «мертвых зон» (МЗ) (РЗ МЗ) между трансформаторами тока (ТТ) и выключателями в открытых распределительных устройствах (ОРУ) электростанций и подстанций с отходящими высоковольтными линиями (ВЛ) электропередачи высокого (110, 220, 500 кВ) и сверхвысокого (750 кВ) напряжения (ВН и СВН).

Наличие МЗ в ОРУ энергообъектов - электростанций и подстанций обусловлено разнесением (на длину МЗ) мест установки выключателей и ТТ. При возникновении короткого замыкания (КЗ) в этой МЗ действует не селективно быстродействующая защита смежного неповрежденного элемента (находящегося от МЗ за выключателем), однако после отключения выключателя(ей) этого не селективно отключенного элемента протекание токов КЗ через ТТ продолжается и действует устройство резервирования отказа выключателя (УРОВ), теперь уже селективно, отключая КЗ в МЗ и соответствующее поврежденное присоединение. Действие УРОВ по времени следует за интервалом действия быстродействующей защиты. Такой алгоритм отключения КЗ в МЗ характеризуется существенными недостатками.

Во-первых, реализация допущенного неселективного отключения элемента (ВЛ, автотрансформатора, блоков или участка шин) на первом такте двухтактного каскадного отключения КЗ в МЗ в условиях абсолютной правильности и безотказности действия релейной защиты и автоматики (РЗА) и выключателей на энергообъекте снижает надежность и устойчивость работы энергоблоков. Во-вторых, имеет место замедление в ликвидации КЗ на ОРУ энергообъекта, обусловленное последовательным, двухтактным (каскадным) действием двух систем РЗА - РЗ и потом УРОВ по факту «мнимого» отказа выключателя с прилегающей МЗ и двух групп выключателей в каждом такте отключения с возможным реальным отказом выключателей в каждом такте. В перспективе, по мере ввода новых блоков на энергообъекте, допустимая длительность отключения КЗ на ОРУ будет снижаться и требование быстродействия может оказаться невыполнимым.

С учетом изложенного актуальным является техническое решение, позволяющее не только ликвидировать КЗ в МЗ без нарушения динамической устойчивости энергоблоков электрических станций, но и обеспечивающее отказ от допущенных в настоящее время неселективных отключений с соответствующим увеличением быстродействия за счет перехода от двухтактного (каскадного) действия РЗА на однотактное с опережающей блокировкой неселективно запустившихся быстродействующих защит смежных элементов. Такое осуществление РЗ МЗ возможно только при замене и модернизации отдельных элементов высоковольтного оборудования энергообъекта и, в частности, при использовании в РЗ ТТ нетрадиционной конструкции.

Известны технические решения по реализации РЗ от КЗ на участках электропередачи с использованием включенных по дифференциальной схеме исполнительных элементов с оптико-электронными ТТ на основе элементов Фарадея, обеспечивающих преобразование угла поворота плоскости поляризации света под действием магнитного поля тока и формирование сигнала на отключение поврежденного участка при резком изменении результирующего угла поворота плоскости поляризации света в оптическом тракте (JP 60236073 A, G01R 31/08, 22.11.1985; JP 60013262 A, G01R 15/24, 23.01.1985; JP 60236073 A, G01R 31/08, 22.11.1985; EP 0452218 A2, G01R 31/08, 16.10.1991; DE 19630989 A1, G01R 15/24, 05.02.1998 - прототип).

Однако известные устройства РЗ не осуществляют блокировку защит смежных элементов и запуск УРОВ и не обеспечивают дуговую защиту в пределах МЗ.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для защиты от КЗ в МЗ ОРУ энергообъектов с техническим результатом, выражающимся в предотвращении неселективного отключения неповрежденного смежного элемента и снижении времени ликвидации КЗ в МЗ (с сохранением динамической устойчивости энергоблоков электрических станций).

Поставленная задача решается заявленным устройством для защиты от КЗ на участках электропередачи высокого или сверхвысокого напряжения, преимущественно в МЗ ОРУ энергообъектов между ТТ и выключателями, содержащим для каждой фазы каждого защищаемого участка на потенциале земли локальный модуль, в состав которого входят источник поляризованного света, установленный с одной стороны оптического тракта, блок токовой дифзащиты и блок дуговой защиты, установленные с другой стороны оптического тракта, и блок формирования команд и блокирующих сигналов, вход которого подключен к выходам блока токовой дифзащиты и блока дуговой защиты, центральный модуль, входы которого подключены к выходам локальных модулей всех участков МЗ на ОРУ энергообъекта, а выходы - к цепям отключения соответствующих выключателей, блокировки соответствующих быстродействующих защит соответствующих смежных элементов и запуска УРОВ, на потенциале высокого или сверхвысокого напряжения - два элемента Фарадея, включенные в начале и конце защищаемого участка электропередачи с возможностью при однонаправленном токе поворота плоскости поляризации света в оптическом тракте с противоположными знаками, при этом блок токовой дифзащиты выполнен с возможностью преобразования результирующего угла поворота плоскости поляризации в значение электрического напряжения, его аналого-цифрового преобразования и сравнения с уставкой по току, блок дуговой защиты выполнен с возможностью контроля затухания потока света в световом тракте и фиксирования факта повреждения светового тракта электрической дугой в пределах МЗ при увеличении затухания до 10 дБ и соответствующем снижении уровня принимаемого сигнала.

Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки изобретения.

При наличии для выключателя защищаемого участка электрических проводников, обеспечивающих в пределах МЗ стационарное или переносное подключение заземления к заземляющему контуру энергообъекта, в соответствующий локальный модуль может быть введен блок токовой защиты, подключенный входом к вторичной цепи ТТ заземляющего проводника, а выходом - к дополнительному входу блока формирования команд и блокирующих сигналов.

Каждый элемент Фарадея может быть выполнен в виде фарадеевского вращателя, намотанного на конструкцию токопровода и механически защищенного немагнитным контейнером.

Каждый элемент Фарадея может быть выполнен в виде оптической вставки с калиброванными размерами и параметрами оптической части, при этом посадочные размеры соответствуют используемым на ОРУ ТТ и выключателям.

Высоковольтная часть оптического тракта может быть механически защищена с помощью конструкции в форме трубы с обеспечением электродинамической и термической стойкости.

Высоковольтная часть оптического тракта может быть выполнена в форме полимерного малогабаритного изделия со встроенным оптическим волокном, защищенным от проникновения влаги.

Высоковольтная часть оптического тракта может быть пристроена к ТТ или выключателю.

Высоковольтная часть оптического тракта может быть выполнена подвесной в пределах «мертвой зоны».

На чертеже представлена функциональная схема заявленного устройства.

МЗ образована участком ошиновки 1 на ОРУ СВН между … (ТА) 2 и выключателем 3, который может быть оснащен, например, заземляющим ножом 4 в пределах МЗ. Локальный модуль 5 РЗ МЗ подключен к ТТ 6 в цепи заземления заземляющего ножа.

В локальном модуле 5 имеется источник 7 поляризованного света, излучение которого по оптической жиле подается через высоковольтный световод 8 на первый фарадеевский вращатель 9 плоскости поляризации, а затем через оптический тракт 10 ко второму дифференциально включенному фарадеевскому вращателю 11 плоскости поляризации. Поляризованный световой поток после прохождения фарадеевских вращателей 9 и 11 с результирующим углом поворота плоскости поляризации направляется через высоковольтный световод 8 к оптическому входу локального модуля 5. В локальном модуле 5 осуществляется обработка оптического сигнала по двум алгоритмам.

В блоке 12 токовой дифзащиты осуществляется преобразование результирующего угла поворота плоскости поляризации в значение электрического напряжения, его аналого-цифровое преобразование в цифровые коды и сравнение с уставкой. Результаты сравнений последовательностей цифровых кодов с уставкой в форме двоичных логических сигналов обрабатываются блоком 13 формирования команд и блокирующих сигналов.

В блоке 14 дуговой защиты осуществляется контроль затухания светового тракта РЗ МЗ. При резком снижении уровня принимаемого сигнала из-за увеличения затухания до 10 дБ фиксируется факт повреждения оптического тракта 10 электрической дугой в пределах МЗ. Сигнал о срабатывании блока 14 дуговой защиты также подается в блок 13 формирования команд и блокирующих сигналов.

Блок 13 формирования выходных команд и блокирующих сигналов связан с центральным модулем 15 по оптической сети 16. Центральный модуль 15 принимает сигналы команд и блокирующих сигналов от локальных модулей 5 всех участков МЗ на ОРУ энергообъекта и передает их на отключение соответствующих выключателей, блокировку соответствующих быстродействующих защит соответствующих смежных элементов и запуск УРОВ.

При наличии для выключателя 3 заземляющего ножа 4 или любых электрических проводников, обеспечивающих в пределах МЗ стационарное или переносное подключение заземления к заземляющему контуру энергообъекта, в локальный модуль 5 введен блок 17 токовой защиты, подключенный входом к вторичной цепи ТТ заземляющего проводника, а выходом - к дополнительному входу блока 13 формирования команд и блокирующих сигналов.

При обнаружении протекания тока по заземляющему проводнику (например, когда оперативным или ремонтным персоналом энергообъекта вследствие забывчивости не снято переносное заземление по окончании ремонта на ОРУ) возникает необходимость без выдержки времени отключать выключатель, от которого происходит опробование рабочим напряжением. Протекание тока во вторичной цепи ТТ этого заземляющего проводника однозначно говорит о том, что заземляющий проводник не отключили. Так как в случае опробования все выключатели секции шин/ошиновки должны быть отключены, то выходная команда на отключение может идти на все эти выключатели.

Таким образом, ТТ заземляющего элемента (заземляющих элементов - в зависимости от однофазной или трехфазной конфигурации) подключается к отдельному блоку 17 токовой защиты в локальном модуле 5, но выходные цепи могут быть общими с блоком токовой дифзащиты 12 и блоком 14 дуговой защиты.

Для обеспечения точной и надежной работы заявленного устройства требуется строгое равенство характеристик фарадеевских вращателей 9 и 11 в оптическом тракте РЗ МЗ, так как их даже небольшое различие приводит к появлению сигнала небаланса, который ограничивает чувствительность РЗ МЗ. Представляется, что фарадеевские вращатели 9 и 11 могут быть намотаны на конструкцию токопровода и механически защищены немагнитным контейнером, без перемонтажа первичных цепей.

Возможен и вариант оптической вставки с калиброванными размерами и параметрами оптической части. При этом посадочные размеры должны соответствовать уже используемым на ОРУ ТТ и выключателям ВН или СВН.

Часть оптического тракта 10 должна быть механически защищена с помощью конструкции в форме трубы с обеспечением электродинамической и термической стойкости (например, неметаллическая конструкция).

Конструкция фарадеевских вращателей 9 и 11 плоскости поляризации должна определять размеры защищаемой зоны с точностью до 10 см для обеспечения селективности РЗ МЗ.

Высоковольтная часть 8 оптического тракта 10 может быть выполнена в форме полимерного, достаточно легкого и малогабаритного изделия со встроенным (вклеенным) оптическим волокном и хорошо защищенным от проникновения влаги.

Высоковольтная часть 8 оптического тракта 10 может быть пристроена к ТТ или выключателю, а также может быть подвесной в пределах МЗ.

Выбор значений уставок микропроцессорных узлов 12, 14 и 17 устройства осуществляется при сопоставлении принятых значений коэффициентов отстроенности по электрическим величинам от режимов КЗ вне зоны и режимов без КЗ с получающимися значениями коэффициентов чувствительности при КЗ в зоне действия защиты.

Основное назначение заявленной РЗ МЗ - селективное отключение поврежденного элемента достигается независимым действием на отключение выключателей поврежденного элемента. Условием реализации основного назначения РЗ МЗ является работоспособность, чувствительность и быстродействие на уровне 3-5 мс. При этом время срабатывания и время возврата выходного (статического) реле РЗ МЗ составляет 1-2 мс.

Важным дополнительным назначением РЗ МЗ является предотвращение возможного неселективного отключения неповрежденного смежного элемента при действии штатного комплекта РЗА. Эта дополнительная функция реализуется в форме опережающей кратковременной блокировки выходной команды быстродействующей РЗ смежного элемента. Длительность блокирующего сигнала РЗ МЗ регулируется в пределах от 10 до 200 мс.

При отказе выключателей присоединения, отключаемого командами РЗ МЗ, должен осуществляться пуск УРОВ этих выключателей. Для дополнительного резервирования осуществляется принудительное прекращение подачи блокирующего сигнала от РЗ МЗ при выполнении заданных временных соотношений, в частности по истечении времени, достаточного для отключения выключателей поврежденного присоединения, плюс время возврата неселективно запустившихся быстродействующих защит смежного присоединения.

Таким образом, заявленное устройство имеет высокое быстродействие (около 5 миллисекунд), обладает абсолютной селективностью и высокой чувствительностью. При этом обеспечивается техническая возможность интеграции заявленной РЗ МЗ в существующую систему РЗА.

Использование: в области электротехники. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Устройство содержит на потенциале земли для каждой фазы каждого защищаемого участка локальный и центральный модули. В состав локального модуля входят источник поляризованного света, установленный с одной стороны оптического тракта, блок токовой дифзащиты и блок дуговой защиты, установленные с другой стороны оптического тракта, и блок формирования команд и блокирующих сигналов. Вход последнего подключен к выходам блока токовой дифзащиты и блока дуговой защиты. Входы центрального модуля подключены к выходам локальных модулей всех участков мертвых зон на открытых распределительных устройствах, а выходы - к цепям отключения соответствующих выключателей, блокировки соответствующих быстродействующих защит соответствующих смежных элементов и запуска устройства резервирования отказа выключателя. На потенциале высокого или сверхвысокого напряжения имеются два элемента Фарадея, включенные в начале и конце защищаемого участка с возможностью при однонаправленном токе поворота плоскости поляризации света в оптическом тракте с противоположными знаками. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для защиты от коротких замыканий на участках электропередачи высокого или сверхвысокого напряжения, преимущественно в «мертвой зоне» открытых распределительных устройств энергообъектов между трансформаторами тока и выключателями, содержащее для каждой фазы каждого защищаемого участка на потенциале земли локальный модуль, в состав которого входят источник поляризованного света, установленный с одной стороны оптического тракта, блок токовой дифзащиты и блок дуговой защиты, установленные с другой стороны оптического тракта, и блок формирования команд и блокирующих сигналов, вход которого подключен к выходам блока токовой дифзащиты и блока дуговой защиты, центральный модуль защиты, входы которого подключены к выходам локальных модулей всех участков «мертвой зоны» на открытых распределительных устройствах энергообъекта, а выходы - к цепям отключения соответствующих выключателей, блокировки соответствующих быстродействующих защит соответствующих смежных элементов и запуска устройства резервирования отказа выключателей, на потенциале высокого или сверхвысокого напряжения два элемента Фарадея, включенные в начале и конце защищаемого участка электропередачи с возможностью при однонаправленном токе поворота плоскости поляризации света в оптическом тракте с противоположными знаками, при этом блок токовой дифзащиты выполнен с возможностью преобразования результирующего угла поворота плоскости поляризации в значение электрического напряжения, его аналого-цифрового преобразования и сравнения с уставкой по току, блок дуговой защиты выполнен с возможностью контроля затухания потока света в световом тракте и фиксирования факта повреждения светового тракта электрической дугой в пределах «мертвой зоны» при увеличении затухания до 10 дБ и соответствующем снижении уровня принимаемого сигнала.

2. Устройство для защиты от коротких замыканий по п.1, отличающееся тем, что при наличии для выключателя защищаемого участка электрических проводников, обеспечивающих в пределах «мертвой зоны» стационарное или переносное подключение заземления к заземляющему контуру энергообъекта, в соответствующий локальный модуль введен блок токовой защиты, подключенный входом к вторичной цепи трансформатора тока заземляющего проводника, а выходом - к дополнительному входу блока формирования команд и блокирующих сигналов.

3. Устройство для защиты от коротких замыканий по п.1, отличающееся тем, что каждый элемент Фарадея выполнен в виде фарадеевского вращателя, намотанного на конструкцию токопровода и механически защищенного немагнитным контейнером.

4. Устройство для защиты от коротких замыканий по п.1, отличающееся тем, что каждый элемент Фарадея выполнен в виде оптической вставки с калиброванными размерами и параметрами оптической части, при этом посадочные размеры соответствуют используемым на открытом распределительном устройстве трансформаторам тока и выключателям.

5. Устройство для защиты от коротких замыканий по п.1, отличающееся тем, что высоковольтная часть оптического тракта механически защищена с помощью конструкции в форме трубы с обеспечением электродинамической и термической стойкости.

6. Устройство для защиты от коротких замыканий по п.1, отличающееся тем, что высоковольтная часть оптического тракта выполнена в форме полимерного малогабаритного изделия со встроенным оптическим волокном, защищенным от проникновения влаги.

7. Устройство для защиты от коротких замыканий по п.1, отличающееся тем, что высоковольтная часть оптического тракта пристроена к трансформатору тока или выключателю.

8. Устройство для защиты от коротких замыканий по п.1, отличающееся тем, что высоковольтная часть оптического тракта выполнена подвесной в пределах «мертвой зоны».