Способ ограничения перегрузки кабельной линии электропередачи Российский патент 2019 года по МПК H02H5/04 

Изобретение относится к устройствам локальной противоаварийной автоматики и может быть использовано для автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи (ЛЭП) в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше, где кабели оснащены датчиками температуры распределенной системы мониторинга и измерителями тока жил кабеля.

Известно техническое решение [RU 2503110, С2, Н02Н 3/093, 27.12.2013], в котором реализован способ защиты электрической цепи путем использования защитного устройства цепи, имеющее кривую времятоковой характеристики, причем, накопленная тепловая нагрузка защитного устройства цепи определена в первой точке кривой времятоковой характеристики, при этом, первая точка соответствует первому току, накопленная тепловая нагрузка основана как на первом токе, так и на промежутке времени, в течение которого защитное устройство цепи способно выдерживать первый ток, и отсоединяющего устройства, расположенного в электрической цепи последовательно с защитным устройством цепи, причем, защиту электрической цепи обеспечивают путем настройки контроллера, сконфигурированного с возможностью воспринимать ток, пропускаемый защитным устройством цепи, определять оцененную тепловую нагрузку защитного устройства цепи и для значений тока, меньших, чем первый ток, и больших, чем номинальный расчетный ток защитного устройства цепи, обеспечивать сигнал управления для активации отсоединяющего устройства для размыкания электрической цепи, когда оцененная тепловая нагрузка защитного устройства цепи, по меньшей мере, равна накопленной тепловой нагрузке, причем, накопленная тепловая нагрузка используется контроллером в качестве максимальной тепловой нагрузки защитного устройства цепи для значений тока, меньших, чем первый ток, и больших, чем номинальный расчетный ток защитного устройства цепи, а защитное устройство цепи сконфигурировано с возможностью размыкания электрической цепи независимо от отсоединяющего устройства в ответ на возникновение состояния перегрузки по току в электрической цепи, как определено кривой времятоковой характеристики.

Недостатком этого технического решения является относительно низкая эксплуатационная надежность и эффективность ограничения перегрузки, так как в нем не учитываются фактическое техническое состояние кабельной линии и срок ее эксплуатации, а также способ и условия прокладки кабельной линии, оказывающих существенное влияние на интенсивность теплоотвода с поверхности кабеля, от которых зависят величины допустимых тока и времени перегрузки.

Известно также техническое решение [RU 155967, U1, Н02Н 3/00, 27.10.2015], в котором сравнивают параметры, полученные с контроллера, подключенного параллельно кабельной линии, с заданными параметрами, и в случае перегрузки формируют сигнал передает через контроллер на отсоединяющее устройство.

Недостатком этого технического решения также является относительно низкая эффективность ограничения перегрузки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является техническое решение, используемое для автоматического ограничения перегрузки линии электропередачи [RU 127537, U1, Н02Н 5/04, H02J 13/00, Н02Н 3/08, 27.04.2013], в котором измеряют температуру провода высоковольтной линии, измеряют ток высоковольтной линии, измеряют температуру воздуха окружающей среды и формируют команду на отключение нагрузки по расчетному времени, оставшемуся до достижения допустимого и предельно допустимого значений температуры провода.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая эффективность ограничения перегрузки, вызванная его неприспособленностью к условиям функционирования высоковольтной кабельной линии электропередачи. Это приводит, в частности, к необоснованным отключениям нагрузки.

Например, если кабельная ЛЭП пересекает или на некоторых участках находится вблизи трасс прохождения труб горячего водоснабжения или отопления, то возможны локальные участки нагрева кабеля. В известном техническом решении измерение температуры провода высоковольтной линии и температуры воздуха окружающей среды проводят без учета этого фактора, что снижает эффективность ограничения перегрузки. Для исключения этого фактора необходимо наличие датчиков температуры распределенной системы мониторинга жил кабеля. С другой стороны, определяя условия нагрева и эксплуатации кабельной линии электропередачи, отличающиеся от воздушной линии электропередачи, необходимо одновременно контролировать и токи, проходящие через жилы кабеля, т.е. целесообразно измерять токи в каждой фазе, поскольку нагрузка по фазам может быть неравномерна и кабель одной из фаз может перегреваться. Следовательно, важно контролировать токовую нагрузку кабельной линии электропередачи пофазно. Отсутствие такого контроля также снижает эффективность ограничения перегрузки.

Поскольку внешние условия эксплуатации и фактическое техническое состояние высоковольтной кабельной линии электропередачи в процессе эксплуатации изменяются, то уставки локальной противоаварийной автоматики необходимо выбирать с учетом указанных обстоятельств.

Задача изобретения заключается в создании способа автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи, обладающего повышенной эксплуатационной надежностью и эффективностью ограничения перегрузки, за счет его адаптации к условиям эксплуатации и фактическому техническому состоянию высоковольтной кабельной линии электропередачи, для минимизации объемов и времени отключения нагрузки при перегрузке высоковольтной кабельной линии электропередачи.

Требуемый технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности и эффективности ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, согласно способу, в котором проводят измерение температуры кабеля и тока в высоковольтной кабельной линии электропередачи и формируют сигнал на отключение и включение нагрузки, согласно изобретению, измерение температуры и тока проводят по каждой из трех фаз кабеля, задаются уставки по температуре и току в виде нижнего длительно допустимого и верхнего аварийно допустимого предельных уровней, и соответствующие им допустимые времена нахождения температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого и выше верхнего аварийно допустимого предельных уровней, а сигнал на отключение нагрузки формируют при нахождении температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого и выше верхнего аварийно допустимого предельных уровней при превышении соответствующих им допустимых времен нахождения.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, допустимое время нахождения температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого уровня устанавливают величиной 40 минут, а допустимое время нахождения температуры и/или тока свыше верхнего аварийного допустимого уровня устанавливают величиной 20 минут.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, нижний предельный длительно допустимый уровень по температуре устанавливают величиной 80°С, а верхний предельный аварийно допустимый уровень по температуре устанавливают величиной 90°С.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, нижний предельно допустимый уровень по току задается равным величине длительно допустимого тока кабеля, установленным заводом-изготовителем кабеля, а верхний предел по току задается равным величине аварийно допустимого тока кабеля, установленным заводом-изготовителем кабеля.

На чертеже представлена функциональная схема устройства автоматического ограничения перегрузки кабельной линии электропередачи совместно с датчиками температуры и измерителями тока, которое реализует предложенный способ.

Устройство автоматического ограничения перегрузки кабельной линии электропередачи содержит блок 1 контроля температуры, выполненный с возможностью получения сигнала температуры от датчиков 2 температуры жил кабеля, а также блок 3 контроля токов, выполненный с возможностью получения сигнала от измерителей тока 4, и контроллер 5, первый выход которого соединен со входом подачи уставок по току в блок 3 контроля токов, второй выход - со входом подачи уставок по температуре в блок 1 контроля температуры, третий выход - с третьим входом второго элемента И, разрешающий отключение нагрузки при перегрузке по току, четвертый выход - со вторым входом блока формирования команд автоматического включения нагрузки и разрешающий включение нагрузки по решению оперативно-технологического персонала диспетчерского пункта, пятый выход позволяет осуществлять передачу данных в диспетчерский пункт, первый вход обеспечивает получение сигнала о превышении температуры кабельной линии (любой их трех фаз), второй вход - получение сигнала о повышении токовой нагрузки кабельной линии (любой из трех фаз), третий вход позволяет получать уставки по току и температуре из диспетчерского пункта, а четвертый вход - разрешающие команды из диспетчерского пункта.

Кроме того, устройство автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи содержит первый элемент И 6, блок 7 управления отключением нагрузки, вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ 12, а выход является выходом сигнала управления отключением нагрузки устройством автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи.

Помимо указанных выше, устройство автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи содержит также последовательно соединенные блок 8 формирования команд автоматического включения нагрузки, первый вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ 10, а второй вход - с четвертым выходом контроллера 5, и блок 9 управления автоматическим включением нагрузки, выход которого является выходом сигнала автоматического включения нагрузки устройства автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи.

Устройство автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи содержит также второй элемент ИЛИ 10, выход которого соединен с первым входом блока 8 формирования команд автоматического включения нагрузки, и блок 11 логической обработки сигналов контроля температуры и токов, содержащий элементы 11-1, 11-2, 11-3, 11-4 измерения длительности сигналов с первого по четвертый, соответственно, и первый 6 и второй 13 элементы И.

В устройстве автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи блок 1 контроля температуры содержит элементы сравнения 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5 и 1-6 температуры с первого по шестой, соответственно, первые входы первого 1-1, третьего 1-3, и пятого 1-5 элементов сравнения температуры являются входами температуры первой, второй и третьей фаз кабеля, соответственно, вторые входы - являются входом подачи уставок по температуре в блок 1 контроля температуры из контроллера 5, выходы первого 1-1, третьего 1-3, и пятого 1-5 элементов сравнения температуры соединены со входом третьего элемента 11-3 измерения длительности сигналов блока 11 логической обработки сигналов контроля температуры и токов, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И 6, выходы второго 1-2, четвертого 1-4 и шестого 1-6 элементов сравнения температуры соединены со входом первого элемента 11-1 измерения длительности сигналов блока 11 логической обработки сигналов контроля температуры и токов, выход которого соединен с первым входом контроллера 5, обеспечивающего получение сигнала о превышении температуры кабельной линии (любой их трех фаз).

В предложенном устройстве автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи блок 3 контроля токов содержит элементы 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5, 3-6 сравнения токов с первого по шестой, соответственно, первые входы первого 3-1, третьего 3-3, и пятого 3-5 элементов сравнения токов являются входами токов первой, второй и третьей фаз кабеля, соответственно, вторые входы - являются входом подачи уставок по току в блок 3 контроля токов из контроллера 5, выходы первого 3-1, третьего 3-3 и пятого 3-5 элементов сравнения токов соединены со входом четвертого элемента 11-4 измерения длительности сигналов блока 11 логической обработки сигналов контроля температуры и токов, выход которого соединен с первым входом второго 13 элемента И, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 10 и вторым входом первого элемента ИЛИ 12, выходы второго 3-2, четвертого 3-4 и шестого 3-6 элементов сравнения токов соединены со входом второго элемента 11-2 измерения длительности сигналов блока 11 логической обработки сигналов контроля температуры и токов и с первым входом первого элемента И 6, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 12 и вторым входом второго элемента ИЛИ 10, второй вход второго элемента И 13 соединен с инверсным входом первого элемента И 6 и является входом сигнала контроля целостности датчиков температуры и линий передачи сигналов от датчиков температуры к блоку контроля температуры, выход второго элемента 11-2 измерения длительности сигналов соединен со вторым входом контроллера 5, обеспечивающим получение сигнала о повышении токовой нагрузки кабельной линии (любой из трех фаз), а третий выход контроллера 5 соединен с третьим входом второго элемента И 13.

Кроме того, блок 1 контроля температуры выполнен с возможностью получения сигнала о температуре от датчиков температуры жил каждой из трех фаз кабеля, а блок 3 контроля токов, выполненный с возможностью получения сигнала от измерителей тока каждой из трех фаз кабеля.

При этом, пятый выход контроллера 5 выполнен с возможностью передачи данных в диспетчерский пункт, третий вход позволяет получать уставки по току и температуре из диспетчерского пункта, а четвертый вход - разрешающие команды из диспетчерского пункта.

Устройство автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи работает следующим образом.

Получение данных о температуре кабеля осуществляются путем получения результатов измерения датчиков 2 температуры распределенной системы мониторинга каждой из трех фаз кабеля.

Эти данные поступают в блок 1 контроля температуры на соответствующие элементы 1-1 и 1-2 по первой фазе, 1-3 и 1-4 по второй фазе и 1-5 и 1-6 по третьей фазе. Таким образом, к выходу датчика температуры по каждой фазе датчика подключено два элемента (четный и нечетный) с разными уставками по температуре. Для нечетных элементов 1-1, 1-3, и 1-5 уставка составляет, например 90°С, а для четных элементов 1-2, 1-4 и 1-6 уставка составляет, например 80°С. Указанные уставки поступают от контроллера 5 через второй выхода уставок по температуре.

При достижении температуры любой из фаз кабеля Т≥80°С выдается информационный сигнал с выхода соответствующего четного элемента (1-2 или 1-4 или 1-6), который затем через первый элемент 11-1 блока 11 логической обработки сигналов контроля температуры и токов поступает на первый вход контроллера 5, являющийся входом для фиксации повышения температуры в виде информационного сигнала «Превышение температуры выше 80°С». Если превышение температуры выше 80°С составляло, например, менее 40 минут (то есть, сигнал на входе элемента 11-1 существовал менее 40 минут), выдача сигнала «Превышение температуры выше 80°С» на первый вход контроллера 5 не производится. В последующем сигнал «Превышение температуры выше 80°С» поступает по каналу передачи данных с пятого выхода контроллера 5 в диспетчерский пункт.

При достижении температуры жилы одной из фаз кабеля Т≥90°С выдается сигнал с выхода соответствующей нечетного элемента (1-1 или 1-3 или 1-5), который затем через третий элемент 11-3 блока 11 логической обработки сигналов контроля температуры и токов поступает через второй вход первого элемента И 6 на первый вход первого элемента ИЛИ 12 и второй вход второго элемента ИЛИ 10. Если превышение температуры выше 90°С составляло, например, менее 20 минут (то есть сигнал на входе элемента 11-3 существовал менее 20 минут), то сигнал с выхода элемента 11-3 не выдается.

В предлагаемом техническом решении устройства автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи одновременно контролируются токи в каждой фазе кабеля для формирования разрешения на реализацию команды по разгрузке кабельной линии при достижении уставки I≥I_{длит.доп}. Это позволяет предотвратить излишние срабатывания устройства.

Для получения данных о фазных токах высоковольтной кабельной линии электропередачи используется информация от измерителей 4 тока. Эта информация пофазно поступает в блок 3 контроля токов на соответствующие элементы 3-1…3-6 сравнения. К выходу каждой фазы подключается два элемента сравнения (четный и нечетный) с разными уставками по току. Для нечетных элементов 3-1, 3-3 и 3-5 сравнения устанавливается уставка, соответствующая аварийно допустимому току кабельной линии I_{авар.доп}, а для четных элеметов 3-2, 3-4 и 3-6 сравнения устанавливается уставка длительно допустимому току кабельной линии I_{длит.доп}. Указанные уставки поступают от контроллера 5 через первый выход уставок по току.

При достижении тока одной из фаз высоковольтной кабельной линии электропередачи уставочного значения I_{длит.доп} (то есть I≥I_{длит.доп}) выдается информационный сигнал с выхода соответствующего четного элемента 3-2, 3-4 или 3-6 сравнения, который затем через второй элемент 11-2 блока 11 поступает на второй вход контроллера 5 в виде информационного сигнала «Повышение токовой нагрузки КЛ выше I_{длит.доп}». Если превышение тока выше длительно допустимого I≥I_{длит.доп} составляло, например, менее 40 минут (то есть, сигнал на входе элемента 11-2 существовал менее 40 минут), выдача сигнала «Повышение токовой нагрузки КЛ выше I_{длит.доп}» на второй вход контроллера 5 не производится. В последующем сигнал «Повышение токовой нагрузки КЛ выше I_{длит.доп}» поступает по каналу передачи данных через пятый выход контроллера 5 в диспетчерский пункт.

При достижении тока одной из фаз кабельной линии электропередачи уставочного значения I_{авар.доп} (то есть I≥I_{авар.доп}) выдается информационный сигнал с выхода соответствующей нечетного элемента 3-1, 3-3 или 3-5 сравнения, который затем через четвертый элемент 11-4 блока 11 поступает через первый вход второго элемента И 13 на первый вход второго элемента ИЛИ 10 и второй вход первого элемента ИЛИ 12. Если превышение тока выше аварийно допустимого I≥I_{авар.доп} составляло, например, менее 20 минут (то есть, сигнал на входе элемента 11-4 существовал менее 20 минут), то сигнал с выхода элемента 11-4 не выдается.

Как указывалось выше, в устройстве автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи одновременно контролируются токи в каждой фазе кабельной линии для формирования разрешения на выполнение команды управления по разгрузке кабельной линии при достижении уставки I≥I_{длит.доп}. Для этого на первый вход первого элемента И 6 подается сигнал, характеризующий превышение одним из фазных токов уставки I≥I_{длит.доп}. Такое техническое решение позволяет предотвратить излишние срабатывания автоматики ограничения перегрузки кабельной линии при ее неисправности без нарушения целостности датчиков температуры и линий передачи сигналов от датчиков температуры к блоку контроля температуры.

Одновременно в устройстве автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи осуществляется контроль целостности датчиков температуры и линий передачи сигналов от датчиков температуры к блоку контроля температуры и формируется, в случае их повреждения, блокирующий сигнал на автоматическое ограничение перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи по температуре. Это исключает ложное срабатывание локальной противоаварийной автоматики. С этой целью внешний сигнал от датчика 2 температуры подается на второй вход второго элемента И 13 и на инверсный вход первого элемента И 6. Дополнительно, в случае повреждения датчиков температуры распределенной системы мониторинга и оптико-волоконных линий передачи сигналов, функции контроля за допустимостью нагрузки кабельной линии реализуется путем пофазного контроля токовой нагрузки кабельной линии с выдачей команды на ее разгрузку с выхода второго элемента И 13 через первый элемент ИЛИ 12 в блок 7 управления отключением нагрузки, в случае возникновения перегрузки по току. Реализация такой функции подтверждается разрешающим сигналом из диспетчерского пункта, транслируемого с третьего выхода контроллера 5 на третий вход второго элемента И 13.

Уставки по I_{длит.доп}, I_{авар.доп} определяются на этапе проектирования кабельной линии, как и допустимые и предельные значения температуры и время действия для каждого из алгоритмов работы устройства автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи. Уставки по температуре и по токам могут быть изменены в процессе эксплуатации. Уточнение зависимости температуры токопроводящих жил высоковольтной кабельной линии электропередачи от токовой нагрузки, с учетом условий прокладки и внешних климатических условий, осуществляется экспериментально на этапе наладки устройства автоматического ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи, с возможной ее корректировкой в процессе эксплуатации.

В блоке 8 формирования команд автоматического включения отключенной при перегрузке высоковольтной кабельной линии электропередачи нагрузки дополнительно реализована функция разрешения на включение отключенной действием устройства нагрузки по решению оперативно-технологического персонала диспетчерского пункта. При этом команда с диспетчерского пункта через четвертый выход контроллера 5 поступает на второй вход блока 8. При остывании до допустимых значений температуры токопроводящих жил кабельной линии (снижении тока) с выходов блока 11 через второй элемент ИЛИ 10 подается соответствующий сигнал, разрешающий автоматическое включение отключенной нагрузки в соответствии с ее приоритетностью и выбранной очередностью. Разрешающий сигнал с выхода блока 8 формирования команд автоматического включения отключенной при перегрузке высоковольтной кабельной линии электропередачи нагрузки обеспечивает эффективное функционирование блока 9 управления автоматическим включением нагрузки.

Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эксплуатационной надежности и повышении эффективности ограничения перегрузки, поскольку ограничение перегрузки кабельной линии осуществляется с учетом особенностей ее функционирования, а именно, с учетом температурных, временных, токовых параметров и обеспечения возможности его адаптации к условиям ее эксплуатации, а также минимизации объемов отключения нагрузки при перегрузке кабельной линии электропередачи.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности и эффективности ограничения перегрузки высоковольтной кабельной линии электропередачи. Согласно способу проводят измерение температуры и тока в линии электропередачи и формируют сигнал на отключение и включение нагрузки, при этом измерение температуры и тока проводят по каждой из трех фаз кабеля, задают уставки по температуре и току в виде нижнего длительно допустимого и верхнего аварийно допустимого предельных уровней, а также соответствующие им допустимые времена нахождения температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого и выше верхнего аварийно допустимого предельных уровней. Сигнал на отключение нагрузки формируют при нахождении температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого и выше верхнего аварийно допустимого предельных уровней при превышении соответствующих им допустимых времен нахождения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ ограничения перегрузки кабельной линии электропередачи, согласно которому проводят измерение температуры и тока в линии электропередачи и формируют сигнал на отключение и включение нагрузки, отличающийся тем, что измерение температуры и тока проводят по каждой из трех фаз кабеля, задаются уставки по температуре и току в виде нижнего длительно допустимого и верхнего аварийно допустимого предельных уровней и соответствующие им допустимые времена нахождения температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого и выше верхнего аварийно допустимого предельных уровней, а сигнал на отключение нагрузки формируют при нахождении температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого и выше верхнего аварийно допустимого предельных уровней при превышении соответствующих им допустимых времен нахождения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что допустимое время нахождения температуры и/или тока выше нижнего длительно допустимого уровня устанавливают величиной 40 минут, а допустимое время нахождения температуры и/или тока свыше верхнего аварийного допустимого уровня устанавливают величиной 20 минут.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нижний предельный длительно допустимый уровень по температуре устанавливают величиной 80°С, а верхний предельный аварийно допустимый уровень по температуре устанавливают величиной 90°С.