УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В "МЕРТВОЙ" ЗОНЕ ОТКРЫТЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ ВЫСОКОГО ИЛИ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ - НА УЧАСТКАХ МЕЖДУ ТРАНСФОРМАТОРАМИ ТОКА И ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ Российский патент 2014 года по МПК H02H3/28 H02H7/22 

Изобретение относится к релейной защите (РЗ) от коротких замыканий (КЗ) в «мертвых зонах» (МЗ) (РЗМЗ) между трансформаторами тока и выключателями в открытых распределительных устройствах (ОРУ) электростанций и подстанций с отходящими высоковольтными линиями электропередачи высокого (110, 220) и сверхвысокого (330÷750 кВ) напряжения (ВН и СВН).

Известны технические решения по реализации РЗ от КЗ на участках электропередачи с помощью включенных по дифференциальной схеме исполнительных элементов с использованием нетрадиционных трансформаторов тока, в частности оптико-электронных трансформаторов тока 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; ЕР 0452218 А2, G01R 31/08, 16.10.1991; DE 19630989 A1, G01R 15/24, 05.02.1998).

Из технических решений с указанным принципом действия наиболее близким к предложенному является устройство, приспособленное для защиты от КЗ в рассматриваемой МЗ ОРУ объектов электроэнергетики ВН или СВН, по патенту RU 2446534 C1, H02H 3/28, 27.03.2012. Известное устройство содержит на потенциале земли для каждой фазы каждого защищаемого участка локальный модуль, в состав которого входят источник поляризованного света и блок токовой дифзащиты, установленные с разных сторон оптического тракта, а также блок формирования команд и блокирующих сигналов, вход которого подключен к выходам блока токовой дифзащиты, центральный модуль защиты, входы которого подключены к выходам локальных модулей всех участков МЗ, а выходы - к цепям отключения соответствующих выключателей, блокировки соответствующих быстродействующих защит смежных элементов и запуска устройства резервирования отказа выключателей. На потенциале ВН или СВН имеются 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 упомянутый 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.

Известное устройство обеспечивает ускорение отключения КЗ в МЗ с сохранением динамической устойчивости энергоблоков и энергосистемы в целом. Однако его недостаток связан с необходимостью использования оптоизоляторов, установка которых на всех МЗ в количестве трех штук на одну МЗ предопределяет существенное снижение общей надежности первичной схемы ОРУ.

Задачей изобретения является усовершенствование подобного защитного устройства с упрощением его конструкции и обеспечением надежной работы ОРУ.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата предложено устройство для защиты от КЗ в МЗ ОРУ объектов электроэнергетики высокого или сверхвысокого напряжения - на участках между трансформаторами тока и выключателями, содержащее на потенциале ВН или СВН для каждой фазы два передающих модуля, установленных по концам защищаемого участка и соединенных между собой первой волоконно-оптической линией связи (ВОЛС), а на потенциале земли - модуль переприема, связанный радиоканалами с обоими передающими модулями и соединенный второй ВОЛС с объединенным пунктом управления, при этом каждый из передающих модулей содержит блок питания, измерительный преобразователь, состоящий из последовательно соединенных датчика тока и нуль-индикатора, модем, состоящий из электрооптического преобразователя и оптико-электрического преобразователя, блок сравнения и радиопередатчик, причем датчик тока выполнен с возможностью получения сигналов мгновенных значений фазного тока, а нуль-индикатор - с возможностью фиксации их положительного или отрицательного знака, выход нуль-индикатора соединен с входом электрооптического преобразователя и первым входом блока сравнения, выход оптико-электрического преобразователя соединен со вторым входом блока сравнения, а выход блока сравнения - с входом радиопередатчика, первая ВОЛС выполнена многожильной и на каждом из своих концов одними жилами подключена к выходу электрооптического преобразователя, а другими жилами -к входу оптико-электрического преобразователя соответствующего модема, модуль переприема является общим для передающих модулей всех фаз защищаемого участка и содержит блок питания и последовательно соединенные радиоприемник и электрооптический преобразователь, вторая ВОЛС включена между выходом электрооптического преобразователя модуля переприема и модулем согласования объединенного пункта управления.

Решению поставленной задачи и достижению указанного технического результата способствуют частные существенные признаки изобретения.

Передающий модуль выполнен с возможностью сохранения работоспособности при электромагнитных воздействиях в месте его установки, характерных для токов и напряжений, на которое рассчитано первичное оборудование открытых распределительных устройств и его изоляция, в том числе полей, создаваемых коронными разрядами, и полей, создаваемых импульсными токами при грозовых и коммутационных перенапряжениях.

Блок питания каждого из передающих модулей включает в себя трансформатор отбора мощности от фазного провода, элемент аккумуляции энергии, стабилизирующий узел и выполнен с временем готовности t_гот.БП≤2 мс при появлении тока с действующим значением ≥200 A.

В измерительном преобразователе нуль-индикатор выполнен как компаратор, работающий при смене знака тока, протекающего через датчик тока.

Электрооптический преобразователь каждого из передающих модулей включает в себя светодиодный источник света.

Блок сравнения каждого из передающих модулей выполнен с возможностью формирования сигнала-команды «короткое замыкание в «мертвой» зоне» в случае, если сигналы на его входах, характеризующие мгновенные значения тока имеют разные знаки в течение времени, большего 2,0-3,0 мс.

Первая ВОЛС выполнена с четырьмя оптоволоконными жилами, при этом сигналы положительной и отрицательной полярности тока, формируемые каждым из электрооптических преобразователей, передаются по разным жилам. Первая ВОЛС проложена внутри проводника, выполняющего функции грозозащитного троса.

Модуль переприема расположен на потенциале земли под проводами «мертвой» зоны в районе шкафа местного управления выключателем.

Блок питания модуля переприема подключен к сети оперативного постоянного тока СОПТ и включает в себя элемент аккумуляции энергии и стабилизирующий узел.

Модуль согласования объединенного пункта управления выполнен с возможностью согласования работы устройства с традиционной системой релейной защиты и автоматики (РЗА), а также определения логики отключения для нескольких «мертвых» зон открытого распределительного устройства и представляет собой шкаф, устанавливаемый на релейном щите объединенного пункта управления.

На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного устройство для защиты от КЗ в МЗ ОРУ энергообъектов ВН или СВН - на участках между трансформаторами тока и выключателями.

На схеме показаны выключатель (Q) 1, трансформатор тока (ТА) 2 и защищаемый участок 3 с расщепленным фазным проводом. Устройство содержит на потенциале ВН или СВН для каждой фазы передающие модули 4.1 и 4.2, установленные по концам защищаемого участка 3 и соединенные между собой первой ВОЛС 5, а на потенциале земли - модуль 6 переприема, связанный радиоканалами с передающими модулями 4.1 и 4.2 и соединенный второй ВОЛС 7 с объединенным пунктом 8 управления. Каждый из передающих модулей 4.1 (4.2) содержит блок 9.1 (9.2) питания, измерительный преобразователь 10.1 (10.2), состоящий из последовательно соединенных датчика 11.1 (11.2) тока и нуль-индикатора 12.1 (12.2), модем 13.1 (13.2), состоящий из электрооптического преобразователя 14.1 (14.2) и оптико-электрического преобразователя 15.1 (15.2), блок 16.1 (16.2) сравнения и передатчик (радио- или ультразвуковой) 17.1 (17.2). Датчик 11.1 (11.2) тока выполнен с возможностью получения сигналов мгновенных значений фазного тока, а нуль-индикатор 12.1 (12.2) - с возможностью фиксации их положительного или отрицательного знака. Выход нуль-индикатора 12.1 (12.2) соединен с входом электрооптического преобразователя 14.1 (14.2) и первым входом блока 16.1 (16.2) сравнения. Выход оптико-электрического преобразователя 15.1 (15.2) соединен со вторым входом блока 16.1 (16.2) сравнения, а выход блока 16.1 (16.2) сравнения - с входом передатчика (радио- или ультразвукового) 17.1 (17.2). ВОЛС 5 выполнена многожильной и на каждом из своих концов одними жилами подключена к выходу электрооптического преобразователя 14.1 (14.2), а другими жилами - к входу оптико-электрического преобразователя 15.1 (15.2) модема 13.1 (13.2). Модуль 6 переприема является общим для передающих модулей 4.1 и 4.2 всех фаз защищаемого участка 3 и содержит блок 18 питания и последовательно соединенные приемник (радио- или ультразвуковой) 19 и электрооптический преобразователь 20. Вторая ВОЛС 7 включена между выходом электрооптического преобразователя 20 модуля 5 переприема и модулем 21 согласования объединенного пункта 8 управления.

Каждый из передающих модулей 4.1 и 4.2 выполнен с возможностью сохранения работоспособности при электромагнитных воздействиях в месте его установки, характерных для токов и напряжений, на которые рассчитано первичное оборудование ОРУ и его изоляция, в том числе полей, создаваемых коронными разрядами, и полей, создаваемых импульсными токами при грозовых и коммутационных перенапряжениях. Все составные блоки передающих модулей 4.1 и 4.2 находятся в специальном корпусе, защищающем их от воздействия окружающей среды и электромагнитных полей.

Блок 9.1 (9.2) питания передающего модуля 4.1 (4.2) включает в себя трансформатор отбора мощности от фазного провода, элемент аккумуляции энергии, стабилизирующий узел (не показаны) и выполнен с временем готовности t_гот.БП≤2 мс при появлении тока с действующим значением ≥200 А.

В измерительном преобразователе 10.1 (10.2) передающего модуля 4.1 (4.2) имеется датчик 11.1 (11.2) тока, а нуль-индикатор 12.1 (12.2) выполнен как компаратор, работающий при смене знака тока, протекающего через датчик 11.1 (11.2) тока.

Электрооптический преобразователь 14.1 (14.2) передающего модуля 4.1 (4.2) включает в себя светодиодный источник света (не показан).

Блок 16.1 (16.2) сравнения передающего модуля 4.1 (4.2) выполнен с возможностью формирования сигнала-команды «КЗ в МЗ» в случае, если сигналы на его входах, характеризующие мгновенные значения тока имеют разные знаки в течение времени, большего 2,0 - 3,0 мс.

Первая ВОЛС 5 выполнена с четырьмя оптоволоконными жилами, при этом сигналы положительной и отрицательной полярности тока, формируемые каждым из электрооптических преобразователей 14.1 и 14.2, передаются по разным жилам. ВОЛС 5 проложена снаружи или внутри одного из проводников защищаемой «мертвой» зоны.

Модуль 6 переприема расположен на потенциале земли под проводами «мертвой» зоны в районе шкафа местного управления выключателем 1. В случае использования ультразвукового канала связи ультразвуковые приемники укреплены на конструкции электрических аппаратов выключателя (1) и трансформатора тока (2) на потенциале земли и связаны с модулем (6) переприема проводниками.

Блок 18 питания модуля 6 переприема подключен к сети СОПТ и включает в себя элемент аккумуляции энергии и стабилизирующий узел (не показаны).

Модуль 21 согласования объединенного пункта 8 управления выполнен с возможностью согласования работы данного устройства с традиционной системой РЗА, а также определения логики отключения для нескольких МЗ ОРУ и представляет собой шкаф, устанавливаемый на релейном щите объединенного пункта 8 управления.

Работа предложенного устройства основана на принципе дифференциально-фазной защиты, где величинами манипуляции являются факт перехода фазы первичного тока через «0».

При КЗ вне защищаемой зоны сигналы с датчиков 11.1 и 11.2 тока показывают одинаковое направление токов. Нуль-индикаторы 12.1 и 12.2 вырабатывают однополярные сигналы, которые с помощью электрооптических преобразователей 14.1 и 14.2 преобразуются в оптические сигналы, передаваемые по ВОЛС 5 к оптико-электрическим преобразователям 15.1 и 15.2. Электрические сигналы с выходов нуль-индикаторов 12.1 и 12.2 и оптико-электрических преобразователей 15.1 и 15.2 также имеют одинаковые знаки, в связи с чем на выходах блоков сравнения 16.1 и 16.2 сигналы - команды не вырабатываются. При КЗ внутри защищаемой зоны сигналы с датчиков 11.1 и 11.2 тока показывают разные фазы токов. Блоки 16.1 и 16.2 сравнения передающих модулей 4.1 и 4.2 формируют, а радиопередатчики 17.1 и 17.2, снабженные направленными антеннами, передают на потенциал земли информативные сигналы о факте наличия КЗ в зоне, ограниченной местами установки передающих модулей 4.1 и 4.2. Отметим, что защита выдает сигнал «КЗ в МЗ» при несоответствии величин манипуляции более 3 мс. По истечении этого времени формируется сигнал на отключение поврежденного элемента. Указанная выдержка времени позволяет также отстроить защиту от шумов в используемых радиоканалах.

В случае, если КЗ подпитывается только с одной стороны, то ключевым моментом является признак наличия аварийного тока и/или соответствующий сигнал от РЗ смежных элементов - вторичный признак в при работе РЗМЗ совместно с комплексом РЗА объекта электроэнергетики.

Неселективная работа РЗМЗ в рабочих режимах предотвращается за счет выбора уставок срабатывания устройства.

Модуль 6 переприема посредством радиоприемника 19 осуществляет сбор информации, поступающей от радиопередатчиков 17.1 и 17.2 всех передающих модулей 4.1 и 4.2 МЗ (2 шт. на фазу, всего 6 шт.). После преобразования в электрооптическом преобразователе 20 информация передается по ВОЛС 7 в приемный терминал, а именно в модуль согласования 21 объединенного пункта 8 управления. Модуль согласования 21 определяет логику отключения для нескольких МЗ ОРУ.

Рекомендуется интегрировать предложенное устройство РЗМЗ в существующий комплекс РЗ в несколько этапов, основными из которых в нижеследующей последовательности являются:

1. Действие РЗМЗ на сигнал при КЗ в «мертвой» зоне. Также ведется контроль тока, протекающего через смежные трансформаторы тока посредством измерительных органов защит смежных элементов.

2. РЗМЗ работает на ускорение отключения поврежденного элемента, при этом также отключается и неповрежденный неселективно отключаемый элемент. Также ведется контроль тока, протекающего через смежные трансформаторы тока посредством измерительных органов защит смежных элементов. Фактически, защита работает как ускоритель устройства резервирования отказа включателя (УРОВ).

3. РЗМЗ отключает поврежденный элемент, при этом блокируются защиты смежного неповрежденного элемента. Сигнал на отключение формируется только при наличии тока КЗ через измерительные органы защит смежных неповрежденных элементов.

4. РЗМЗ отключает поврежденный элемент, при этом блокируются защиты смежного неповрежденного элемента. Сигнал на отключение формируется независимо от смежных защит. РЗМЗ приобретает вид самостоятельной независимой защиты.

Минимальные требования к решению поставленной задачи связаны с обеспечением функционирования РЗМЗ на втором этапе из вышеприведенных, что обеспечивает сохранение динамической устойчивости посредством уменьшения времени ликвидации КЗ.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и упрощение устройства. На потенциале высокого или сверхвысокого напряжения для каждой фазы имеются два передающих модуля, установленных по концам защищаемого участка и соединенных между собой волоконно-оптической линией связи. На потенциале земли - модуль переприема, связанный радиоканалами с обоими передающими модулями и соединенный волоконно-оптической линией связи с объединенным пунктом управления. Каждый из передающих модулей содержит блок питания, измерительный преобразователь, модем, блок сравнения и радиопередатчик. Модуль переприема является общим для передающих модулей всех фаз защищаемого участка. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для защиты от коротких замыканий в «мертвой» зоне открытых распределительных устройств объектов электроэнергетики высокого или сверхвысокого напряжения - на участках между трансформаторами тока и выключателями, содержащее на потенциале высокого или сверхвысокого напряжения для каждой фазы два передающих модуля, установленных по концам защищаемого участка и соединенных между собой первой волоконно-оптической линией связи, а на потенциале земли - модуль переприема, связанный радио- или ультразвуковыми каналами с обоими передающими модулями и соединенный второй волоконно-оптической линией связи с объединенным пунктом управления, при этом каждый из передающих модулей содержит блок питания, измерительный преобразователь, состоящий из последовательно соединенных датчика тока и нуль-индикатора, модем, состоящий из электрооптического преобразователя и оптико-электрического преобразователя, блок сравнения и радио- или ультразвуковой передатчик, причем датчик тока выполнен с возможностью получения сигналов мгновенных значений фазного тока, а нуль-индикатор - с возможностью фиксации их положительного или отрицательного знака, выход нуль-индикатора соединен с входом электрооптического преобразователя и первым входом блока сравнения, выход оптико-электрического преобразователя соединен со вторым входом блока сравнения, а выход блока сравнения - с входом радиопередатчика, первая волоконно-оптическая линия связи выполнена многожильной и на каждом из своих концов одними жилами подключена к выходу электрооптического преобразователя, а другими жилами - к входу оптико-электрического преобразователя соответствующего модема, модуль переприема является общим для передающих модулей всех фаз защищаемого участка и содержит блок питания и последовательно соединенные радио- или ультразвуковой приемник и электрооптический преобразователь, вторая волоконно-оптическая линия связи включена между выходом электрооптического преобразователя модуля переприема и модулем согласования объединенного пункта управления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из передающих модулей выполнен с возможностью сохранения работоспособности при электромагнитных воздействиях в месте его установки, характерных для токов и напряжений, на которое рассчитано первичное оборудование открытых распределительных устройств и его изоляция, в том числе полей, создаваемых коронными разрядами, и полей, создаваемых импульсными токами при грозовых и коммутационных перенапряжениях.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок питания каждого из передающих модулей включает в себя трансформатор отбора мощности от фазного провода, элемент аккумуляции энергии, стабилизирующий узел и выполнен с временем готовности t_гот.БП≤2 мс при появлении тока с действующим значением ≥200 А.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в измерительном преобразователе каждого из передающих модулей имеется нуль-индикатор, выполненный как компаратор, работающий при смене знака тока, протекающего через датчик тока.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрооптический преобразователь каждого из передающих модулей включает в себя светодиодный источник света.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок сравнения каждого из передающих модулей выполнен с возможностью формирования сигнала-команды «короткое замыкание в «мертвой» зоне» в случае, если сигналы на его входах, характеризующие мгновенные значения тока, имеют разные знаки в течение времени, большего 3,0 мс.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая волоконно-оптическая линия связи выполнена с четырьмя оптоволоконными жилами, при этом сигналы положительной и отрицательной полярности тока, формируемые каждым из электрооптических преобразователей, передаются по разным жилам.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что первая волоконно-оптическая линия связи проложена внутри проводника, выполняющего функции грозозащитного троса.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль переприема расположен на потенциале земли под проводами «мертвой» зоны в районе шкафа местного управления выключателем.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок питания модуля переприема подключен к сети оперативного постоянного тока (СОПТ) и включает в себя элемент аккумуляции энергии и стабилизирующий узел.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль согласования объединенного пункта управления выполнен с возможностью согласования работы устройства с традиционной системой релейной защиты и автоматики, а также определения логики отключения для нескольких «мертвых» зон открытого распределительного устройства, и представляет собой шкаф, устанавливаемый на релейном щите объединенного пункта управления.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передатчики и приемники ультразвуковых каналов расположены под потенциалом ВН или СВН и под потенциалом земли соответственно.