Система селективного блокирования автоматического повторного включения на комбинированных кабельно-воздушных линиях электропередачи Российский патент 2018 года по МПК G01R15/24 H02H3/06 

Изобретение относится к электроэнергетике и, в частности, к системам релейной защиты и автоматики (РЗА) с функцией автоматического повторного включения (АПВ) линий электропередачи и может быть применено в системах релейной защиты комбинированных кабельно-воздушных линий электропередачи (КВЛ), выполняемых с функцией запрета АПВ при повреждениях на кабельном участке КВЛ.

Уровень техники

При выполнении системой РЗА функции АПВ на КВЛ возникает задача определения участка (кабельного или воздушного), на котором произошло повреждение.

В случае возникновения повреждения на воздушном участке КВЛ использование АПВ линии является эффективным способом быстрого восстановления электроснабжения потребителей, а при повреждении на кабельном участке КВЛ использование АПВ не только бесполезно, но даже вредно, поскольку оно приводит к еще большим повреждениям изоляции кабельного участка.

Известно устройство АПВ для КВЛ, которое определяет место повреждения (ОМП) на КВЛ за время бестоковой паузы АПВ [RU 165635]. При этом сначала место повреждения определяется пассивным волновым методом, а затем уточняется методом активного зондирования. Устройство разрешает АПВ в том случае, если уточненное указанным образом место повреждения находится на воздушном участке ЛЭП.

Однако, такое ОМП, выполняемое за короткое время бестоковой паузы АПВ, имеет значительную методическую погрешность, которая может привести (особенно в случае возникновения повреждения вблизи границы кабельного и воздушного участков КВЛ) к ошибочному запрету АПВ при повреждении на воздушном участке или ошибочному разрешению АПВ при повреждении на кабельном участке с соответствующими последствиями - нарушением электроснабжения потребителей или разрушением кабеля. Кроме того, применение данного ОМП невозможно для некоторых конфигураций КВЛ, например, для случая, когда кабельный участок находится между двумя воздушными участками.

В работе М. Дмитриева [«Автоматическое повторное включение на КВЛ 110-500 кВ» в ж-ле «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» №1(28) январь-февраль 2015 г., стр. 86-91] показана теоретическая возможность определения наличия повреждения на кабельном участке КВЛ по величине и направлению суммарного тока заземленных экранов трех фаз кабельного участка КВЛ. Однако опубликованные технические решения, реализующие указанную возможность, заявителю неизвестны.

В качестве прототипа заявляемой системы управления выбрано техническое решение, описанное в опубликованной международной заявке WO 2015/0333001 G01R 15/24 от 12.03.2015. В прототипе распознавание повреждения на кабельном участке КВЛ выполняется путем определения разностей токов, протекающих в каждой фазе линии по концам кабельного участка, и последующего анализа этих разностей. Для этого магнитооптические датчики фазных токов, размещенные на линии по разным сторонам кабельного участка, подключены волоконно-оптическими кабелями связи к измерительному устройству запрета АПВ, установленному на концевой подстанции и выполняющему сравнение величин и направления токов по сторонам кабельного участка. Волоконно-оптические кабели связи проложены параллельно силовому кабелю на кабельном участке КВЛ, а на воздушном участке - в грозозащитном тросе. Для подключения каждого датчика тока используются два оптических волокна.

Недостатками прототипа являются сложность выполнения дистанционного измерения токов, высокая стоимость системы и наличие жестких ограничений по максимальному расстоянию между измерительным устройством запрета АПВ и магнитооптическими датчиками тока, что сокращает область применения данного решения.

Раскрытие существа изобретения

Технический результат изобретения - упрощение и повышение надежности системы блокирования АПВ, а также расширение области ее применения на КВЛ с увеличенной удаленностью кабельных участков от подстанций и с большей длиной кабельных участков.

Предметом изобретения является система блокирования АПВ кабельно-воздушной линии электропередачи, содержащая размещенное на подстанции устройство запрета АПВ, размещенные на одной стороне кабельного участка линии электропередачи датчик суммарного тока заземления экранов кабельного участка, манипулятор оптического сигнала, подключенный управляющим входом к выходу указанного датчика, и оптоволоконную линию, связывающую указанные манипулятор и устройство запрета, при этом устройство запрета снабжено источником и приемником оптического излучения, оптоволоконная линия выполнена в виде петли, соединяющей указанные источник и приемник, указанный манипулятор, выполнен с возможностью прерывания оптического излучения в оптоволоконной линии при превышении однополярного порога мгновенным значением суммарного тока заземления экранов кабельного участка, а указанное устройство запрета - с возможностью сравнивать длительность каждой паузы в принимаемом импульсном оптическом излучении с заданной минимальной длительностью паузы и формировать сигнал запрета АПВ при положительном результате сравнения.

Это позволяет получить указанный технический результат.

Изобретение имеет развития, состоящие в том, что:

- указанная минимальная длительность паузы задается в пределах 0,1÷0,5 периода промышленной частоты;

Изобретение имеет развития, относящиеся к случаю двустороннего заземления экранов кабельного участка и состоящие в том, что:

- система дополнительно содержит размещенные на противоположной стороне кабельного участка второй датчик суммарного тока заземления экранов кабельного участка и второй манипулятор оптического сигнала, подключенный управляющим входом к выходу второго датчика и выполненный с возможностью прерывания оптического излучения в оптоволоконной линии при превышении однополярного порога мгновенным значением суммарного тока заземления экранов кабельного участка, при этом устройство запрета выполнено с дополнительной возможностью сравнивать длительность каждой паузы в принимаемом о оптическом излучении с заданной максимальной длительностью паузы, длительность импульса оптического излучения - с заданной минимальной длительностью импульса, период импульсного оптического излучения - с заданным минимальным периодом и формировать сигнал запрета автоматического повторного включения при положительных результатах всех указанных сравнений.

- максимальная длительность паузы задается в пределах 0,5÷1,0 периода промышленной частоты, минимальная длительность импульса - в пределах 0,1÷0,5 периода промышленной частоты, минимальный период - в пределах 0,5÷1,0 периода промышленной частоты.

Изобретение имеет развития, относящиеся к случаям одностороннего и двустороннего заземления экранов кабельного участка и состоящие в том, что

- устройство запрета АПВ выполнено с возможностью формирования сигнала неисправности при длительном отсутствии оптического излучения на входе приемника.

- манипуляторы выполнены с возможностью автоподстройки однополярного порога для компенсации влияния затухающей апериодической составляющей суммарного тока заземления экранов кабельного участка на длительность пауз оптического излучения.

Краткое описание фигур

На фиг. 1 и фиг. 2 представлена заявляемая система для случаев с односторонним и двусторонним заземлением экранов кабельного участка соответственно. На фиг. 3, 4 и 5 представлены диаграммы сигналов, иллюстрирующие работу системы. Фиг. 6 иллюстрирует процесс автоподстройки порога срабатывания манипуляторов оптического излучения. Фиг. 7 и фиг.8 иллюстрируют осуществляемые системой алгоритмы запрета АПВ. Фиг. 9 поясняет условные обозначения, применяемые на фиг. 7 и 8.

Осуществление изобретения с учетом его развитей

На фиг. 1 и фиг. 2 показана трехфазная КВЛ с кабельным участком 1 и двумя воздушными участками 2. КВЛ соединяет подстанцию 3 с подстанцией 4. На фиг. 1 участок 1 имеет одностороннее заземление кабельных экранов трех фаз, а на фиг. 2 - двухстороннее.

Система блокирования АПВ, иллюстрируемая фиг. 1, содержит размещенное на подстанции 4 устройство 5 запрета АПВ и размещенные на конце кабельного участка 1 датчик 6 суммарного тока заземления экранов и манипулятор 7 оптического сигнала.

В зависимости от конструкции устройства заземления экранов на конце кабельного участка датчик 6 может быть выполнен различно:

- в виде трех трансформаторов тока, установленных в отдельных цепях заземления экранов фазных кабелей, выходные обмотки которых соединены согласно-параллельно для суммирования их токов:

- в виде одного трансформатора тока, установленного в общей цепи заземления трех экранов фаз кабеля.

Управляющий вход 8 манипулятора 7, подключен к выходу датчика 6, т.е. к трем суммирующим выходным обмоткам трансформаторов тока при первом выполнении датчика 6 или к одной выходной обмотке трансформатора тока при втором выполнении датчика 6.

Оптоволоконная линия 9 связывает устройство 5 с манипулятором 7. Устройство 5 снабжено источником 10, выдающим непрерывное оптическое излучение, и приемником 11 оптического излучения. Оптоволоконная линия 9 выполнена в виде петли, соединяющей источник 10 и приемник 11, расположенные в устройстве 5, и проходящей через манипулятор 7, удаленный от устройства 5.

Манипулятор 7 представляет собой коммутатор оптического сигнала линии 9, управляемый током датчика 6 и не требующий другого электропитания для своего функционирования. Манипулятор 7 выполнен с возможностью прерывания оптического излучения, проходящего по линии 9, если мгновенное значение суммарного тока, измеряемое датчиком 6, превысит однополярный порог (т.е. порог, заданный для тока одного направления). Ток другого направления на выходе датчика 6 не воспринимается манипулятором 7 и не прерывает оптического излучения в линии 9.

Система блокирования АПВ, иллюстрируемая фиг. 2, содержит все элементы, показанные на фиг. 1, и дополнительно второй датчик 12, аналогичный датчику 6, и второй манипулятор 13, аналогичный манипулятору 7, размещенные на противоположной стороне кабельного участка 1. К выходу датчика 12 подключен управляющий вход манипулятора 13. Манипулятор 13, как и манипулятор 7, выполнен с возможностью прерывания оптического излучения в линии 9 при превышении однополярного порога мгновенным значением суммарного тока заземления экранов.

Система с односторонним заземлением экранов трех фаз кабельного участка 1, показанная на фиг. 1, работает следующим образом.

От источника 10 по петлевой линии 9, проходящей через манипулятор 7, передается оптическое излучение, воспринимаемое приемником 11.

В отсутствие повреждения на кабельном участке 1 и при внешних по отношению к участку 1 повреждениях на КВЛ, ток через незамкнутую в отсутствии повреждения цепь односторонне заземленных кабельных экранов не протекает. Выходной ток датчика 6 близок к нулю, и манипулятор 7 без изменения пропускает излучение на приемник 11.

При возникновении повреждения на кабельном участке 1 (замыкание между фазами однофазных кабелей, из которых выполняются высоковольтные кабельные участки высоковольтной КВЛ, практически исключено, а наиболее вероятный вид повреждения - замыкание фазовой жилы кабеля на экран) по экрану поврежденной фазы кабеля через место заземления на участке 1 протекает ток. В результате суммарный ток экранов, измеряемый датчиком 6, не равен нулю и достигает значения, близкого к току поврежденной фазы. При этом мгновенные значения выходного тока датчика 6 превышают установленный однополярный порог на некоторой части полу периода промышленной частоты.

На фиг. 3а представлен пример осциллограммы суммарного тока экранов (I_экрΣ), стекающего в цепь заземления и измеряемого датчиком 6, в случае возникновения повреждения на кабельном участке 1 с односторонним заземлением. Ток I_экрΣ может содержать затухающую апериодическую составляющую переходного процесса повреждения, возникшего на КВЛ.

Когда мгновенное значение тока I_экрΣ превышает уставку однополярного порога (I_{уст.порога}) манипулятор 7, управляемый по входу 8 током датчика 6, прерывает оптическое излучение в петлевой линии 9 в одном (положительном) полупериоде промышленной частоты. В результате такого прерывания на вход приемника 11 поступает импульсное оптическое излучение с паузами и импульсами, период повторения которого равен периоду промышленной частоты (фиг. 3б).

Устройство 5 анализирует поступающее на приемник 11 импульсное оптическое излучение, сравнивая (для отстройки от кратковременных помех) длительность каждой паузы в сигнале с заданной минимальной длительностью паузы, и при ее превышении выдает сигнал запрета АПВ в систему РЗА КВЛ или на устройство управления выключателем КВЛ.

Система с двусторонним заземлением экранов трех фаз кабельного участка 1, показанная на фиг. 2, работает следующим образом.

От источника 10 по петлевой линии 9 через манипуляторы 7 и 13 передается оптическое излучение, воспринимаемое приемником 11.

В отсутствие повреждения на КВЛ сумма токов, наведенных в заземленных экранах, близка к нулю. При внешних по отношению к участку 1 повреждениях на КВЛ через оба конца участка 1 протекает ток короткого замыкания одного направления, а по замкнутой цепи двусторонне заземленных кабельных экранов протекает не нулевая сумма наведенных в них токов. При этом датчики 6 и 12 в один и тот же полупериод промышленной частоты фиксируют суммарные токи заземления I_экрΣ1 и I_экрΣ2 разного направления - втекающий в проводник заземления и вытекающий из него.

Соответственно манипуляторы 7 и 13 прерывают излучение в линии 9 в различные полупериоды промышленной частоты. В результате импульсное оптическое излучение, поступающее на приемник 11, имеет удвоенную частоту (по отношению к промышленной частоте), а его период соответственно уменьшается. Осциллограммы этого режима приведены на фиг. 4а и 4б, а алгоритм работы устройства 5 иллюстрирует фиг. 7.

При возникновении повреждения на участке 1 через его концы в поврежденной фазе линии протекают токи разного направления, которые наводят в экранах суммарные токи, протекающие через проводники заземления в одном направлении (втекающие в заземление или вытекающие из него). Датчики 6 и 12 выдают токи одного направления в один и тот же полупериод промышленной частоты. Соответственно манипуляторы 7 и 13 прерывают излучение в линии 9 в одном и том же (например, положительном) полу периоде промышленной частоты. Диаграммы этого режима соответствуют фиг. 5а и 5б, а алгоритм работы устройства 5 иллюстрирует фиг. 8.

В обоих вышеописанных случаях заземления экранов кабельного участка 1 устройство 5 (как и в случае одностороннего заземления кабельного участка) анализирует поступающее на приемник 11 импульсное оптическое излучение, сравнивая длительность каждой паузы с заданной минимальной длительностью паузы.

В случае одностороннего заземления кабельных экранов устройство 5 при положительном результате сравнения (длительность паузы превышает минимальную) выдает в систему релейной защиты КВЛ или на устройство управления выключателем КВЛ сигнал запрета АПВ.

Для случая двухстороннего заземления экранов анализ принимаемого приемником 11 импульсного оптического излучения, выполняемый устройством 5, дополнительно включает сравнение длительности каждой паузы с заданной максимальной длительностью паузы, сравнение длительности импульса с заданной минимальной длительностью импульса и сравнение периода импульсного оптического излучения (равного сумме длительностей паузы и импульса) с заданным минимальным периодом. При положительных результатах всех указанных сравнений устройство 5 выдает в систему релейной зашиты КВЛ или на устройство управления выключателем КВЛ сигнал запрета АПВ.

При отрицательном результате любого из выше указанных сравнений устройство 5 не формирует сигнал запрета АПВ.

Кроме того, устройство 5 не выдает сигнал запрета АПВ при выполнении условий контроля, фиксирующих неисправность оптического тракта или самого устройства 5.

При этом указанная минимальная длительность паузы оптического излучения может задаваться в пределах 0,1÷0,5 периода промышленной частоты, максимальная длительность паузы - в пределах 0,5÷1,0 периода промышленной частоты, минимальная длительность импульса оптического излусения в пределах 0,1÷0,5 периода промышленной частоты, а минимальный период - в пределах 0,5÷1,0 периода промышленной частоты.

Исправность оптического тракта (линии 9 и манипуляторов 7 и 13) может контролироваться по наличию непрерывного оптического излучения на входе приемника Ив режиме, предшествующем повреждению. При исчезновении оптического излучения на входе приемника 11, например, на время более пяти периодов промышленной частоты, устройство 5 формирует сигнал неисправности оптического тракта.

Для компенсации влияния затухающей апериодической составляющей суммарного тока заземления экранов кабельного участка на длительность пауз оптического излучения манипуляторы 7 и 13 могут быть выполнены с возможностью автоподстройки однополярного порога. Автоподстройка может осуществляться следующим образом. Если, например, манипулятор работает с однополярным порогом I_{уст.порога} (см. Фиг. 6) положительного знака, то измеряется длительность Δt отрицательной полуволны выходного тока датчика, подключенного к управляющему входу манипулятора. Для этого может быть использован компаратор с порогом I_{нуль.порога}, близким к нулю (обозначен на фиг. 5 пунктиром). Если длительность Δt превышает полупериод промышленной частоты (отрицательная апериодическая составляющая), то величина I_{уст.порога} в цепи управления манипулятором снижается. После того, как измеренное время Δt становится близким к длительности полупериода промышленной частоты, однополярный порог управляющей цепи манипулятора возвращается к исходному значению. Если измеренное время Δt меньше полупериода промышленной частоты (положительная апериодическая составляющая), то I_{уст.порога} остается без изменений.

Как видно из изложенного, заявляемая система селективного блокирования АПВ на КВЛ существенно проще и надежней прототипа.

В прототипе используются магнитооптические измерители тока в каждой фазы линии и требуется безошибочно передавать по пучку оптических волокон токи, измеряемые с разных сторон кабельного участка КВЛ, на установленное на подстанции измерительное устройство запрета АПВ, анализирующее по-фазные разности измеренных токов.

В заявленной системе используется одноволоконная петлевая линия с одним или с двумя оптическими манипуляторами, установленными в местах заземления экранов кабельных участков КВЛ и управляемыми соответствующими суммарными токами заземления кабельных экранов.

Заявляемая система может успешно применяться на КВЛ с длиной и удаленностью кабельных участков от подстанций, поскольку в ней, в отличие от прототипа, оптическое излучение в оптоволоконной линии 9 не используется для измерения значений тока и, следовательно, к стабильности уровня и к затуханию излучения не предъявляется жестких (прецизионных) требований. Расстояние от устройства 5 до манипуляторов 7, 13 с датчиками 6, 12 ограничивается только мощностью оптического источника 10 и чувствительностью оптического приемника 11.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к системам релейной защиты и автоматики (РЗА) с функцией автоматического повторного включения (АПВ) линий электропередачи, и может быть применено в системах релейной защиты комбинированных кабельно-воздушных линий электропередачи (КВЛ), выполняемых с функцией запрета АПВ при повреждениях на кабельном участке КВЛ. Система содержит размещенное на подстанции 4 устройство 5 запрета АПВ и размещенные на конце кабельного участка 1 датчик 6 суммарного тока заземления экранов с манипулятором 7 оптического сигнала, а также может содержать второй датчик 12, аналогичный датчику 6, и второй манипулятор 13, аналогичный манипулятору 7, размещенные на противоположной стороне участка 1. К выходам датчиков 6 и 12 подключены управляющие входы 8 манипуляторов 7 и 13. Оптоволоконная линия 9 связывает устройство 5 с манипуляторами 7 и 13. Устройство 5 снабжено источником 10 и приемником 11 оптического излучения. Оптоволоконная линия 9 выполнена в виде петли, соединяющей источник 10 и приемник 11. Линия 9 проходит через манипуляторы 7 и 13, которые выполнены с возможностью прерывания оптического излучения при превышении однополярного порога мгновенными значениями выходных токов датчиков 6 и 12 соответственно. Технический результат изобретения - упрощение и повышение надежности системы блокирования АПВ, а также расширение области ее применения на КВЛ с увеличенной удаленностью кабельных участков от подстанций и с большей длиной кабельных участков. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система блокирования автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи, содержащая размещенное на подстанции устройство запрета автоматического повторного включения, размещенные на одной стороне кабельного участка линии электропередачи датчик суммарного тока заземления экранов кабельного участка, манипулятор оптического сигнала, подключенный управляющим входом к выходу указанного датчика, и оптоволоконную линию, связывающую указанные манипулятор и устройство запрета, при этом устройство запрета снабжено источником и приемником оптического излучения, оптоволоконная линия выполнена в виде петли, соединяющей указанные источник и приемник, указанный манипулятор выполнен с возможностью прерывания оптического излучения в оптоволоконной линии при превышении однополярного порога мгновенным значением суммарного тока заземления экранов кабельного участка, а указанное устройство запрета - с возможностью сравнивать длительность каждой паузы в принимаемом импульсном оптическом излучении с заданной минимальной длительностью паузы и формировать сигнал запрета автоматического повторного включения при положительном результате сравнения.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что указанная минимальная длительность паузы задается в пределах 0,1÷0,5 периода промышленной частоты.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит размещенные на противоположной стороне кабельного участка второй датчик суммарного тока заземления экранов кабельного участка и второй манипулятор оптического сигнала, подключенный управляющим входом к выходу второго датчика и выполненный с возможностью прерывания оптического излучения в оптоволоконной линии при превышении однополярного порога мгновенным значением суммарного тока заземления экранов кабельного участка, при этом устройство запрета выполнено с дополнительной возможностью сравнивать длительность каждой паузы в принимаемом оптическом излучении с заданной максимальной длительностью паузы, длительность импульса оптического излучения - с заданной минимальной длительностью импульса, период импульсного оптического излучения - с заданным минимальным периодом и формировать сигнал запрета автоматического повторного включения при положительных результатах всех указанных сравнений.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что минимальная длительность паузы задается в пределах 0,1÷0,5 периода промышленной частоты, максимальная длительность паузы - в пределах 0,5÷1,0 периода промышленной частоты, минимальная длительность импульса - в пределах 0,1÷0,5 периода промышленной частоты, минимальный период - в пределах 0,5÷1,0 периода промышленной частоты.

5. Система по п. 1 или 3, отличающаяся тем, что устройство запрета автоматического повторного включения выполнено с возможностью формирования сигнала неисправности при длительном отсутствии оптического излучения на входе приемника.

6. Система по п. 1 или 3, отличающаяся тем, что манипуляторы выполнены с возможностью автоподстройки однополярного порога для компенсации влияния затухающей апериодической составляющей суммарного тока заземления экранов кабельного участка на длительность пауз оптического излучения.