СПОСОБ ЗАЩИТЫ КОНДЕНСАТОРНОЙ БАТАРЕИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H02H7/16 H02H3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к прикладной электротехнике, в частности к следующим ее разделам (подклассам МПК):

- Н02Н 3/00 - схемы защиты, осуществляющие автоматическое отключение и непосредственно реагирующие на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров с последующим восстановлением соединения или без такового;

- Н02Н 3/26 -… реагирующие на разность между напряжениями или между токами; реагирующие на фазовый угол между напряжениями или между токами;

- Н02Н 3/36 - … в которых сравниваются значения напряжения или тока в соответствующих точках разных систем, например систем с параллельными фидерами;

- Н02Н 7/16 - схемы защиты конденсаторов.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите конденсаторных батарей, применяемых в установках компенсации реактивной мощности в сетях 110 кВ. Изобретение предназначено для защиты батарей статических конденсаторов в сетях 110 кВ.

Известно устройство, обеспечивающее обнаружение внутренних повреждений в БСК [1], реагирующее на геометрическую разность двух токов: тока нулевой последовательности и тока компенсации, выделяемого из напряжения нулевой последовательности с помощью фазоповоротной схемы и коэффициента передачи в схему суммирования, которая формируется на сумматоре. При внутренних повреждениях эти токи суммируются, а при внешних - вычитаются, что дополнительно повышает чувствительность защиты. Выход сумматора подключен через полосовой фильтр основной гармоники к входу модулятора переменного тока, выход которого соединяется с пороговым элементом. Чтобы не отстраивать защиту от небалансов при близких внешних КЗ, для увеличения чувствительности в устройстве выполнено торможение с помощью модулятора переменного тока, который управляется модулем напряжения нулевой последовательности. Управление элементом с задержкой на возврат осуществляется с помощью контактов реле положения «Отключено» - РПО или реле команды «Включить» - РКВ, если время разновременности размыкания фаз выключателя превышает время срабатывания устройства, то параллельно контакту реле РПО или РКВ подключается контакт реле команды «Отключить» - РКО. Такая конструкция устройства обеспечивает при включении выключателя отключение батареи без выдержки времени при повреждении в зоне срабатывания порогового элемента, а в зоне нечувствительности порогового элемента - с выдержкой времени, что допускают перегрузочные характеристики батареи.

Недостатком прототипа является невысокое быстродействие, отсутствие гибкости настроек, а также недостаточная надежность, обусловленная применяемой элементной базой и отсутствием цепей контроля.

Известно устройство, обеспечивающее обнаружение внутренних повреждений в БСК [2], содержащее трансформатор тока, установленный в каждой горизонтальной перемычке. Неисправный конденсатор определяют на основе измерения фаз токов небаланса. Однако в данном аналоге не учитывается амплитуда тока небаланса.

Известно устройство, обеспечивающее обнаружение внутренних повреждений в БСК [3], содержащее два датчика тока, два компаратора и элемент времени с задержкой на возврат. Недостатком аналога является необходимость использования двух датчиков тока в идентичных секциях батареи, а также невозможность использования устройства в сетях 110 кВ.

Известно устройство, обеспечивающее обнаружение внутренних повреждений в БСК [4], в котором используется задержка передачи сигнала для автоматического подсчета числа поврежденных секций. Недостатком этого аналога является невысокая точность, обусловленная наличием датчиков тока в каждом ряде БСК, и невысокое быстродействие, обусловленное измерением временного интервала между сформированными импульсами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для защиты батареи конденсаторов [5], подключенное ко вторичным обмоткам трансформатора тока, включенным между эквипотенциальными точками фазы батареи конденсаторов.

Работа устройства основана на том, что короткое замыкание в конденсаторе вызывает ток, гораздо больший, чем ток небаланса, который остается после короткого замыкания в результате плавки внешнего или встроенного в конденсатор предохранителя. Определяя такие скачки тока, устройство подсчитывает число поврежденных конденсаторов. Устройство анализирует степень поврежденности батареи конденсаторов и выдает сигнал на вызов или на отключение БСК.

Сравнивая фазы тока и напряжения на конденсаторах, устройство указывает на то, что текущий скачок тока вызван повреждением конденсаторов в той или другой ветви. Имеется возможность объединения сигналов дополнительно подключаемого к вторичным обмоткам трансформатора тока устройства балансной защиты и результатов работы указанного устройства для защиты батареи конденсаторов. Путем сравнения сигналов от этих двух устройств определяется общее число поврежденных конденсаторов и их распределение между ветвями БСК.

Недостатком прототипа является, во-первых, необходимость сравнения фаз тока и напряжения для определения ветви, в которой присутствуют поврежденные конденсаторы, и, во-вторых, использование дополнительного устройства балансной защиты, для организации счетчика поврежденных конденсаторов. Цель изобретения - повышение чувствительности и надежности, исключение ложных срабатываний устройства, обеспечение надежной фиксации повреждений элементов в фазе БСК, расширение функциональных возможностей. Это достигается тем, что работа устройства реализуется путем преобразования мгновенных значений тока и напряжения в цифровой код, который обрабатывается программно в микропроцессорной системе, а также тем, что в ходе цифровой обработки формируется признак неисправности вторичных контрольных цепей напряжения, причем применение программных способов обработки информации обеспечивает гибкость настройки, высокую точность измерений и постоянство характеристик, что позволяет повысить чувствительность и быстродействие защит.

Структурно-функциональная схема предлагаемого устройства защиты представлена на фиг. 1 и содержит следующие блоки и элементы:

1 - трансформаторы тока;

2 - трансформаторы напряжения;

3 - модуль обработки сигналов;

4 - модуль аналого-цифрового преобразователя;

5 - микропроцессор;

6 - логический элемент дифференциальной защиты нулевой последовательности с торможением током компенсации;

7 - логический элемент небалансной защиты.

Устройство для защиты конденсаторной батареи с заземленной нейтралью от внутренних повреждений содержит микропроцессорное устройство 5, обрабатывающее цифровые значения токов небаланса (dia, dib, dic), токов, измеренных на вводе в батарею конденсаторов (ia, ib, ic), напряжений, измеренных на шинах подстанции (ua, ub, uc), и осуществляющее управление выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты.

Сигналы с трансформаторов тока 1 и трансформаторов напряжения 2 поступают на вход модуля аналого-цифрового преобразователя 4, модуля обработки сигналов 3. Преобразованные данные о сигналах токов и напряжений поступают на микропроцессор 5.

Логический элемент 6 микропроцессора 7 реализует дифференциальную защиту нулевой последовательности с торможением током компенсации. Микропроцессор осуществляет расчет действующих значений ортогональных составляющих фазных токов и напряжений, расчет тока компенсации и расчет тока нулевой последовательности. Сравнивая токи с учетом заданной характеристики торможения, микропроцессор формирует признак срабатывания защиты. Включение и отключение признака срабатывания производится с учетом заданного коэффициента возврата. Также микропроцессор формирует по отдельному алгоритму признак неисправности вторичных контрольных цепей напряжения и блокирует включение признака срабатывания при наличии положительного признака неисправности вторичных контрольных цепей напряжения.

Блок-схема алгоритма дифференциальной защиты нулевой последовательности с торможением током компенсации приведена на фиг. 2. Входными данными алгоритма являются мгновенные значения токов и напряжений, полученные от устройства аналогово-цифрового преобразования 4, представленные в цифровом коде. Алгоритм выполняется от начала до конца на каждом шаге работы устройства. Начальные значения переменных представлены в таблице 1.

Характеристика срабатывания и возврата защиты задается функциями f(It) и fвозв(It), представленными на фиг. 3.

Техническая задача, решаемая изобретением, - выявление наличия конденсаторов с перегоревшими секциями. Указанная техническая задача решается с использованием трансформатора тока для работы небалансной защиты, включенным между плечами фазы БСК, таким образом, что при идентичности конденсаторов, то есть симметрии схемы, ток небаланса был равен нулю. Трансформатор тока входит в комплект поставки конденсаторной батареи заводом-изготовителем. Схема соединений приведена на фиг. 4.

Заводом-изготовителем гарантируется максимально допустимый ток небаланса, равный I_{нб макс}.

Конденсаторы изготавливаются со встроенными внутрь корпуса плавкими предохранителями, последовательно соединенными с каждой секцией. Плавкие предохранители обеспечивают отключение секции при пробое. Конденсаторы, имеющие внутренние предохранители, считаются не годными к эксплуатации при потере емкости более чем на 10% по отношению к фактической емкости, указанной на маркировочной табличке конденсатора, если не указанны иные требования.

При отключении секций в конденсаторах БСК вследствие коротких замыканий или других аварийных процессов ток небаланса меняется, как показано на фиг. 5.

После аварийного процесса установившийся ток небаланса может стать как больше, так и меньше тока небаланса предшествующего режима. Это зависит от плеча (диагонали), в котором происходит отключение секции.

Например, если первоначально вышла из строя секция в конденсаторе С1, ток небаланса будет увеличиваться при отключении секций в конденсаторах С2-С6 и С19-С24 и уменьшаться при отключении секций в конденсаторах С7-С18, что объясняется усилением или ослаблением общей несимметрии значений емкостей элементов по БСК. Таким образом, при поврежденных конденсаторах ток небаланса может отсутствовать.

Устройство определяет токи небаланса, которые протекают через «мостик» в разных направлениях и в сумме дают величину, близкую к нулю. По величине этих токов устройство определяет степень поврежденности БСК и выдает сигнал о необходимости внеочередной проверки емкостей элементов.

Небалансную защиту реализует логический элемент 8 микропроцессора 6. Блок-схема алгоритма небалансной защиты приведена на фиг. 6. Алгоритм выполняется от начала до конца на каждом шаге работы устройства. Начальные значения переменных представлены в таблице 2.

После расчета относительного значения тока небаланса Iнб* микропроцессор выявляет режимы, в которых возможно перегорание предохранителей секций. Если такой режим выявлен, то микропроцессор формирует признак «Avar», переменой Pusk приписывает значение 1 и определяет направление тока небаланса:

Zn:=sign(Iнб*).

Если в течение заданной выдержки времени N аварийный процесс не прекратился, то микропроцессор вычисляет ток небаланса по диагонали с конденсаторами:

а) если Zn=1 и Iнб*<-Iнб*1, то микропроцессор рассчитывает приращение относительного тока небаланса deltaX и суммарный ток небаланса SdeltaX по диагонали с конденсаторами С1-С6, С19-С24;

б) если Zn=-1 и Iнб*>Iнб*1, то микропроцессор рассчитывает приращение относительного тока небаланса deltaY и суммарный ток небаланса SdeltaY по диагонали с конденсаторами С7-С18.

Если сумма токов небаланса SdeltaX+SdeltaY превысила величину уставки Sust, то микропроцессор формирует сигнал о наличии конденсаторов с перегоревшими секциями.

Источники информации

1. Авторское свидетельство 1644284 СССР, МПК Н02Н 7/16, 1988.

2. Патент 1305217 Канада, МПК G01R 31/02, Н02Н 7/16, 1989.

3. Заявка на изобретение 93025880 РФ, МПК Н02Н 7/16, 1993.

4. Авторское свидетельство 1467661 СССР, МПК Н02Н 7/16, 1987.

5. Патент 4219856 США, МПК Н02Н 7/16, 1978.

Устройство для защиты конденсаторной батареи с заземленной нейтралью от внутренних повреждений содержит микропроцессорное устройство, обрабатывающее цифровые значения токов небаланса, токов, измеренных на вводе в батарею конденсаторов, напряжений, измеренных на шинах подстанции. Микропроцессор осуществляет расчет действующих значений ортогональных составляющих фазных токов и напряжений, расчет тока компенсации и расчет тока нулевой последовательности. Сравнивая токи с учетом заданной характеристики торможения, микропроцессор формирует признак срабатывания защиты. Включение и отключение признака срабатывания производится с учетом заданного коэффициента возврата. Также микропроцессор формирует по отдельному алгоритму признак неисправности вторичных контрольных цепей напряжения и блокирует включение признака срабатывания при наличии положительного признака неисправности вторичных контрольных цепей напряжения. Микропроцессор выявляет режимы, в которых возможно перегорание предохранителей секций, осуществляет расчет относительного значения тока небаланса, приращения относительного тока небаланса, суммарного тока небаланса по диагоналям с конденсаторами. Сравнивая значение суммарного тока небаланса с уставкой, микропроцессор формирует сигнал о наличии конденсаторов с перегоревшими секциями. 5 ил., 2 табл.

Устройство для защиты конденсаторной батареи с заземленной нейтралью от внутренних повреждений, содержащее микропроцессорное устройство, обрабатывающее цифровые значения токов небаланса, токов, измеренных на вводе в батарею конденсаторов, напряжений, измеренных на шинах подстанции, отличающееся тем, что микропроцессор осуществляет расчет действующих значений ортогональных составляющих фазных токов и напряжений, на основании которых далее осуществляет расчет тока компенсации и расчет тока нулевой последовательности, сравнивая которые с учетом заданной характеристики торможения, формирует признак срабатывания защиты, причем включение и отключение признака срабатывания производит с учетом заданного коэффициента возврата, а также формирует по отдельному алгоритму признак неисправности вторичных контрольных цепей напряжения и блокирует включение признака срабатывания при наличии положительного признака неисправности вторичных контрольных цепей напряжения, выявляет режимы, в которых возможно перегорание предохранителей секций, осуществляет расчет относительного значения тока небаланса, приращения относительного тока небаланса, суммарного тока небаланса по диагоналям с конденсаторами, сравнивая значение суммарного тока небаланса с уставкой, формирует сигнал о наличии конденсаторов с перегоревшими секциями.