СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ В ЛИНИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ БЕЗ ШУНТИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА И КОМПЛЕКС РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2022 года по МПК H02H3/40 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области электротехники, к схемам защиты оборудования электрических линий (далее линий), осуществляющие автоматическое отключение и непосредственно реагирующие на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров с последующим восстановлением соединения, в частности, к схемам защиты линий населенных пунктов с установленным высокотемпературным сверхпроводниковым токоограничивающим устройством.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Токи короткого замыкания - неизбежное явление в любой электрической сети. Они возникают при различных повреждениях компонентов сети (кабелей, трансформаторов и т.п.). На распределительных подстанциях (далее ПС) токи короткого замыкания (далее КЗ) создают высокую нагрузку на все компоненты подстанции и превышают номинальные допустимые значения по уровню токов в 10-100 раз. Отсутствие надлежащей защиты оборудования от КЗ на подстанциях приводит к аварийным ситуациям и выходу оборудования из строя.

Токоограничивающее устройство на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (далее ВТСП ТОУ, англ. SFCL - Superconducting Fault Current Limiter) предназначено для защиты электрических сетей от сверхноминальных токов, возникающих при аварийных ситуациях в линиях и позволяет существенно снизить последствия от аварийных ситуаций, повысить качество электроснабжения, уменьшить износ оборудования.

Как правило ВТСП ТОУ содержит цилиндрический криостат, заполненный криогенной средой, установленную в криостате сборку сверхпроводящих токоограничивающих модулей, соединенных между собой, и подводящий и отводящий изолированные токовводы. Токоограничивающие модули выполнены в виде катушек с намотанными высокотемпературными сверхпроводящими проводниками второго поколения. При этом каждый из токовводов одним концом соединены со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с линией высоковольтной сети.

По принципу действия ВТСП ТОУ реагирует на изменения величины тока в сети, обретая нелинейное активное сопротивление. ВТСП ТОУ устанавливается последовательно в линию высоковольтной сети (далее линия и сеть соответственно) или между шинами подстанции (предпочтительное место установки зависит от топологии сети).

В номинальных условиях, ток через линию с ВТСП ТОУ меньше тока срабатывания ВТСП ТОУ и сопротивление ВТСП ТОУ стремится к нулю (менее 0,1 Ом для высоковольтного ВТСП ТОУ, далее нормальный режим работы), электроэнергия передается беспрепятственно. В случае короткого замыкания, ток через ВТСП ТОУ превышает ток срабатывания и ВТСП ТОУ переходит в резистивное состояние (работа ВТСП ТОУ с сопротивлением до десятков Ом, в зависимости от класса напряжения и требований сети, режим токоограничения), создавая активное сопротивление тем самым ограничивая ток короткого замыкания и обеспечивая защиту линии. После устранения повреждения (что обеспечивается системами релейной защиты) ВТСП ТОУ возвращается к нормальному режиму с низким сопротивлением. Уникальной особенностью ВТСП ТОУ является способность сверхпроводника к крайне быстрому переключению от нулевого значения сопротивления до ощутимого значения для сети (например, менее чем за 4 миллисекунды до начала токоограничения ВТСП ТОУ). Однако, в следствии сопротивления ВТСП ТОУ также быстро нагревается (например, за 500мс) и при этом длительно остывает при отключении (47с), в следствии чего вероятно, как повреждение ВТСП ТОУ, так и длительное отключение линии с ВТСП ТОУ от сети, что снижает надежность электроснабжения в сети в целом.

Возможна установка ВТСП ТОУ в линию:

- параллельно с традиционным токоограничивающим реактором (далее ТОР, англ. CLR - current-limiter reactor);

- последовательно с шиносоединительным выключателем на ряде подстанций;

- без шунтирующих элементов (например, ТОР, кабель, иной ТОУ) сети непосредственно в линию.

Первое в России токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости изготовлено компанией «СуперОкс» и включено в городскую электрическую сеть 220 кВ г. Москва в 2019 году.

Особенностью выполненного проекта является установка ВТСП ТОУ параллельно с традиционным токоограничивающим реактором (ТОР, установлен на ПС ранее). В то же время масштабирование технологии ВТСП ТОУ в энергосистеме г. Москвы подразумевает установку ВТСП ТОУ непосредственно в линию электропередачи без параллельно установленного токоограничивающего реактора.

В соответствии с ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок (издание 7, 2003 г., п.п. 3.2.15-3.2.19; далее ПУЭ 7) электроустановки выше 1 кВ должны быть оборудованы устройствами релейной защиты и автоматики (далее РЗА).

Релейная защита — комплекс устройств, предназначенных для быстрого, автоматического (при повреждениях) выявления и отделения от электросети повреждённых элементов этой сети в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей сети. Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электросети.

Переменное сопротивление ВТСП ТОУ, изменяющееся в широком диапазоне (для высоковольтной сети 220 кВ от 0,1 до 85 Ом), как правило, не влияет на работу основных защит РЗА (далее основные защиты), выполненных по дифференциальному принципу по причине их высокой чувствительности, в частности на продольную дифференциальную защиту линии (далее ДЗЛ). В то же время существующие резервные защиты высоковольтной линии могут не обеспечить защиту линии (участка) сети с ВТСП ТОУ без шунтирующего элемента. Резервные защиты, такие как: дистанционная защита (ДЗ) и токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП), входящие в состав комплекта ступенчатых защит линии (КСЗ) и широко используемые в местах предполагаемой установки ВТСП ТОУ, разработаны в логике неизменного сопротивления элементов линии, что затрудняет их настройку и делает их неэффективными для защиты линии и, в том числе, ВТСП ТОУ по причине его ограниченной термической стойкости.

Таким образом в связи с отсутствием шунтирующего ВТСП ТОУ элемента возникает необходимость изменения подходов к организации РЗА линии с ВТСП ТОУ.

Для решения указанных проблем в заявленном изобретении предложены комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ без шунтирующего элемента и способ защиты ВТСП ТОУ в высоковольтной сети с нелинейной характеристикой сопротивления с возможностью более продолжительной работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии.

Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении защиты линии с ВТСП ТОУ в высоковольтной сети без шунтирующего элемента и повышении длительности непрерывной работы ВТСП ТОУ по времени в высоковольтной сети с нелинейной характеристикой сопротивления.

Возможность не отключать ВТСП ТОУ после каждого КЗ повышает надежность электроснабжения сети.

Из уровня техники известны решения, направленные на защиту ВСТП ТОУ за счет отслеживания и регистрации параметров: тока, напряжения и сопротивления, в том числе для контроля нагрева ВСТП ТОУ.

Так известны технические решения по патентным заявкам KR20160000209 (H02H3/05, 04.01.2016) и KR20160140168 (H02H9/02, 07.12.2016), в которых раскрыты способы настройки дистанционного реле (ДЗ) в системах защиты энергосистемы, использующей сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания (токоограничивающее устройство на основе сверхпроводимости) и ДЗ с параллельно установленным ТОР.

В линии с последовательно установленным ТОР присутствует реактивное сопротивление, которое влечет за собой потерю активной мощности и напряжения (в частности, в KR20160140168 А - это называется impendance). Когда в линию с последовательно установленному ТОР устанавливается ВТСП ТОУ, то в штатном режиме работы устраняются активные потери мощности. Но при аварийных ситуациях, в частности при КЗ, эффективность токоограничения эквивалентна эффективности отдельно установленному ТОР.

В патенте RU 2359383 (H02H3/00, 20.06.2009) раскрыты способ и система обеспечения защиты сверхпроводящего электрического кабеля, находящегося в электросети общего пользования, решающие проблему перегрева ВТСП-кабеля. Способ включает в себя: обнаружение тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле; определение суммарной общей энергии, рассеянной в сверхпроводящем электрическом кабеле от тока этого короткого замыкания и тока по меньшей мере одного предыдущего короткого замыкания за заданный период времени; и определение того, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования, на основании упомянутой рассеянной суммарной общей энергии.

При этом система содержит датчик, выполненный с возможностью обнаруживать ток короткого замыкания, протекающий по сверхпроводящему электрическому кабелю, и контроллер, выполненный с возможностью: определять суммарную общую энергию, за счет определения величины тока Ij короткого замыкания и длительность tdj по времени тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле. Если ток Ij короткого замыкания превышает заданный пороговый уровень тока, то осуществляется отсоединение сверхпроводящего электрического кабеля от электросети общего пользования на некоторый период времени на основании уровня тока Ij короткого замыкания. Заданный период времени основан на геометрии сверхпроводящего электрического кабеля и соответствующей системы охлаждения.

Однако данный способ не учитывает факт увеличения падения напряжения (разница напряжения на вводах устройства) на ВТСП ТОУ, подключенном последовательно в линию, при росте его сопротивления. Поэтому при ограничении тока КЗ невозможно точное определение суммарной общей энергии, рассеянной в ВТСП ТОУ от тока, проходящего через ВТСП ТОУ, что может привести к повреждению устройства.

В патентной заявке DE102011077460 А (H02H3/08, 20.12.2012) раскрыты варианты реализации устройства защиты от токов короткого замыкания (модуль ограничения тока), используемое в сетях электроснабжения или сетях распределения энергии.

Обнаружение тока осуществляется с помощью измерительного устройства «модуль ограничения тока», которое размещено последовательно со сверхпроводящим ограничителем тока и автоматическим выключателем, и предназначено для измерения электрического тока, протекающего через сверхпроводящий ограничитель тока.

В том числе в заявке указано, что возможна защита ВТСП ТОУ с помощью системы измерения напряжения, и параметров, которые отражают температуру сверхпроводящего ограничитель тока, в частности, через сопротивление, которое определяется через напряжение на входе в сверхпроводящий ограничитель тока. Для этого сопротивление сравнивается с заданным предельным значением сопротивления, которое соответствует значению температуры сверхпроводящего ограничителя тока в диапазоне или чуть выше критической температуры, и учитывается в качестве предельного значения.

В случае короткого замыкания ВТСП ТОУ набирает сопротивление и в соответствии с данным техническим решением ток, протекающий через ВТСП ТОУ, может быть прерван с помощью переключающего устройства в случае, если предельное значение было достигнуто или превышено.

Недостатком данного технического решения является вероятность частых отключений ВТСП ТОУ, т.е. отсутствует отслеживание длительности работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии и возможность управляемой работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии при величине протекающего через ВТСП ТОУ тока выше номинального тока (далее работа ВТСП ТОУ под нагрузкой). Следует отметить, что данное техническое решение скорее раскрывает схему защиты ВТСП ТОУ, при этом в схеме не учитывается совместная работа защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению с традиционными защитами линии.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет следующей совокупности признаков.

Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента обеспечивает защиту линии с ВТСП ТОУ в высоковольтной сети без шунтирующего элемента для чего включает в себя:

- по меньшей мере один комплект дифференциальной защиты линии, выполненный с возможностью отключения линии с ВТСП ТОУ в соответствие с предельным значением тока небаланса;

- по меньшей мере один комплект защиты ВТСП ТОУ, выполненный с возможностью отключения линии с ВТСП ТОУ; при этом

отключение линии с ВТСП ТОУ осуществляется в соответствие с текущем значением сопротивления и суммарной длительностью режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии.

При этом отключение линии с ВТСП ТОУ осуществляется действием комплекта дифференциальной защиты на выключатели линии без выдержки времени согласно уставке.

Отключение линии с ВТСП ТОУ комплектом защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению осуществляется без выдержки времени при текущем значении сопротивления ВТСП ТОУ выше чем значение сопротивления ВТСП ТОУ, при котором возможно восстановление без прерывания протекания тока через ВТСП ТОУ до значения сопротивления в нормальном режиме работы ВТСП ТОУ, при этом длительность режима работы ВТСП ТОУ без протекания тока определяется комплектом защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению в соответствии с максимальным временем восстановления ВТСП ТОУ после отключения.

Суммарная длительность режимов ВТСП ТОУ в резистивном состоянии определяется последовательным отсчетом времени для каждого из режимов работы ВТСП ТОУ от начала короткого замыкания.

В тоже время суммарная длительность режимов ВТСП ТОУ в резистивном состоянии определяется с учетом значения производной сопротивления по времени как максимальное время работы ВТСП ТОУ в режиме токоограничения и режиме восстановления.

При этом по меньшей мере один комплект дифференциальной защиты линии, связан с по меньшей мере двумя измерительными трансформаторами тока, а по меньшей мере один комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению связан с по меньшей мере двумя измерительными трансформаторами напряжения и по меньшей мере одним измерительным трансформатором тока.

Измерительные трансформаторы напряжения подключаются проводами к контактной площадке на токовводах ВТСП ТОУ.

Так же возможно использовать с одной из сторон линии высоковольтной сети трансформатор напряжения, установленный в комплект электрогазовых распределительных устройств, соотвествующий напряжению линии.

В составе комплекта защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению возможно использовать защиту ВТСП ТОУ от перегрузки по току.

Так же в составе комплекта защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению возможно использовать блок контроля тока утечки с корпуса ВТСП ТОУ на землю с действием на выключатели линии с двух сторон.

Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента, обеспечивает повышение длительности непрерывной работы ВТСП ТОУ по времени в высоковольтной сети с нелинейной характеристикой сопротивления и включающий в себя:

отслеживание значения тока в линии установки ВТСП ТОУ и значения сопротивления ВТСП ТОУ по меньшей мере одной релейной защитой линии; так же

отслеживание суммарной длительности режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии в том числе с определением изменений значения производной сопротивления по времени; и

определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, если по меньшей мере одно из указанных значений выше предельного значения.

Отслеживание значения тока в линии высоковольтной сети может осуществлять комплект дифференциальной защиты линии, а отслеживание значения сопротивления ВТСП ТОУ и суммарную длительность режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии с определением изменений значения производной сопротивления по времени осуществляет комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению.

При этом определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети и отключение линии, выполняет комплект дифференциальной защиты линии действием на выключатели линии без выдержки времени согласно уставке, если превышено предельное значение тока небаланса.

При этом определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по текущему значению сопротивления ВТСП ТОУ и, если оно превышает значение сопротивления ВТСП ТОУ, при котором возможно восстановление до значения сопротивления в нормальном режиме работы ВТСП ТОУ, то отключение выполняет комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению действием на выключатели линии.

При этом определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по суммарной длительности режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии с определением изменений значения производной сопротивления по времени и, если суммарная длительность одного из режимов превышает максимальное время работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии, то отключение линии выполняет комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению действием на выключатели линии.

Так же отслеживание значений тока в линии, сопротивления ВТСП ТОУ и суммарной длительности режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии с определением изменений значения производной сопротивления по времени может выполнять комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению.

При этом определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по текущему значению сопротивления ВТСП ТОУ и, если оно превышает значение сопротивления ВТСП ТОУ, при котором возможно восстановление до значения сопротивления в нормальном режиме работы ВТСП ТОУ, то осуществляется отключение линии.

При этом определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по текущему значению тока в линии и, если оно превышает предельно значение, то осуществляется отключение линии от высоковольной сети защитой ВТСП ТОУ от перегрузки по току с выдержкой времени.

Для расчета значения сопротивления ВТСП ТОУ используются данные о разнице напряжения с измерительных трансформаторов напряжения и данные о величине тока с одного из измерительных трансформаторов тока линии.

Данные о разнице напряжения с измерительных трансформаторов напряжения, подключенных к токовводам ВТСП ТОУ, при этом возможно использовать с одной из сторон линии трансформатор напряжения, установленный в комплект электрогазовых распределительных устройств, соотвествующий напряжению линии.

Определение изменений значения производной сопротивления по времени определяется как следующее значение сопортивления и времени по отношению к предыдущему соответственно.

Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 Диаграмма режимов работы ВТСП ТОУ.

Фиг. 2 Схема защит линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети.

Фиг. 3 Блок-схема работы комплекта защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению.

Фиг. 4 Диаграмма производной сопротивления ВТСП ТОУ при токе КЗ и после.

Реализация заявленного изобретения раскрыта для ВТСП ТОУ на класс напряжения 220 кВ и номинальным током 1200 А, предназначенный для установки последовательно в линию (без шунтирующего элемента) однако не ограничивается этим.

В Таблице 1 приведены ориентировочные параметры ВТСП ТОУ на класс напряжения 220 кВ по данным завода-изготовителя ЗАО «СуперОкс», которые могут отличаться в зависимости от модели ВТСП ТОУ.

Таблица 1

Обозначение Термин Определение Iном = 1200 А (rms) Номинальный ток Максимальный ток, при котором ВТСП ТОУ находится в сверхпроводящем состоянии неограниченное время Rнорм = 0,1 Ом Сопротивление
ВТСП ТОУ Сопротивление ВТСП ТОУ в сверхпроводящем состоянии неограниченное время Iпддт = 1400 А (rms) Предельный длительно допустимый ток Максимальный ток, при котором не происходит перехода ВТСП ТОУ в резистивное состояние Iсраб = 2800 A (rms) Ток срабатывания Ток, при котором ВТСП ТОУ полностью переходит в резистивное состояние 1620 A Установившийся ток Минимальный ток, протекающий через ВТСП ТОУ в резистивном режиме tпддт = 1000 мс Допустимое время перегрузки Рекомендуемое производителем время отключения ВТСП ТОУ при перегрузке Rпддт = 1 Ом Максимальное сопротивление перегрузки Максимальное сопротивление, набираемое ВТСП ТОУ за время перегрузки tтс = 500 мс Время термической стойкости Максимальное время работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии при ограничении тока короткого замыкания

Предельно длительно допустимый ток ВТСП ТОУ (Iпддт) – эксплуатационный параметр ВТСП ТОУ. Iпддт по величине находится в диапазоне между номинальным током и током срабатывания. Работа ВТСП ТОУ при превышении предельно длительно допустимого тока (Iпддт) возможна не дольше допустимого времени (tпддт) перегрузки.

При этом значение (Iпддт) задается конструктивно и, как правило, превышает предельные нагрузочные режимы для линии.

Так как ВТСП ТОУ как любой проводник нагревается при прохождении тока в следствии сопротивления, то эксплуатировать ВТСП ТОУ в резистивном состоянии (режим токоограничения) рекомендуется не дольше времени (tтс) термической стойкости.

Таким образом через значения сопротивления ВТСП ТОУ возможно построить диаграмму режимов работы ВТСП ТОУ (Фиг. 1). Сопротивление ВТСП ТОУ показано схематично.

ВТСП ТОУ имеет три основных режима работы (Фиг. 1):

1. Режим нормальной работы (режим «НР»). В нормальном режиме работы ВТСП ТОУ находится в сверхпроводящем состоянии, его сопротивление не превышает 0,1 Ом (далее Rнорм);

2. Режим токоограничения (режим «ТО»). В случае превышения определенной пороговой величины тока, протекающего через ВТСП ТОУ (ток срабатывания, превышающий допустимый ток предельного нагрузочного режима для линии и составляющий порядка 1-3 кА), происходит скачкообразное увеличение сопротивления ВТСП ТОУ. Величина сопротивления ВТСП ТОУ непосредственно после перехода различна и находится в диапазоне от единиц до 40 Ом и более в зависимости от удаленности точки КЗ, режима работы и топологии сети. В дальнейшем, если через ВТСП ТОУ продолжает протекать ток КЗ, его текущее сопротивление (Rтек) продолжает плавно возрастать и может достигать максимальной величина порядка 90-150 Ом при максимальной длительности короткого замыкания. Режим ТО имеет максимально возможное время (tтс) работы;

3.1 Режим восстановления под нагрузкой ВТСП ТОУ (режим «РВ»). В случае величины тока, протекающего через ВТСП ТОУ в резистивном режиме после отключения КЗ, менее номинального тока, при значении сопротивления равном менее значения сопротивления (Rвосст) на момент отключения КЗ возможно восстановление до Rнорм без отключения ВТСП ТОУ от сети, за максимальное время работы ВТСП ТОУ в режиме восстановления (tвосст).

3.2. Режим восстановления без нагрузки ВТСП ТОУ после отключения КЗ (режим «ПР»). При превышении Rвосст линия с ВТСП ТОУ отключается, и ВТСП ТОУ переходит в режим охлаждения, тогда сопротивление плавно снижается за время (tохл) и ВТСП ТОУ возвращается в режим нормальной работы с сопротивлением Rнорм.

Приведенные значения сопротивления ВТСП ТОУ могут изменяться в зависимости от параметров сети, в частности, от номинального тока, тока срабатывания и других характеристик. Описание обозначений, использованных на Фиг. 1 раскрыты в Таблице 2.

Таблица 2

Обозначение Определение Значения
ВТСП ТОУ Rнорм Значение сопротивления ВТСП ТОУ в нормальном режиме работы 0,1 Ом Rтс Максимальное значение сопротивления ВТСП ТОУ, которое ВТСП ТОУ может развить без повреждения, к моменту достижения термической стойкости (на момент достижения Rтс ВТСП ТОУ уже должен быть отключен от сети) 77-85 Ом Rвосст Значение сопротивления ВТСП ТОУ, при котором возможно восстановление до Rнорм без отключения ВТСП ТОУ от сети 44-53 Ом Rтек текущее значение сопротивления ВТСП ТОУ в режиме реального времени, определяемое комплекта защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению. Измеряется в режиме реального времени tтс Максимальное время работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии (режим токоограничения, Фиг.1, режим ТО), если значение сопротивления ВТСП ТОУ не превышает Rвосст 500 мс tвосст Максимальное время работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии (время режима восстановления, Фиг. 1, режим РВ) до 6 с (6000 мс) tохл Максимальное время восстановления после отключения до 47 с (47000 мс) t1 Фактическое время режима токоограничения Измеряется в режиме реального времени t2 Фактическое время режима восстановления Измеряется в режиме реального времени dR/dt Изменение сопротивления ВТСП ТОУ по времени:
больше нуля – режим токоограничения, значение сопротивления возрастает;
меньше нуля – режим восстановления, значение сопротивления снижается;
равно нулю – режим нормальной работы, значение сопротивления не изменяется. Измеряется в режиме реального времени

В качестве линии 1 с ВТСП ТОУ 2 (Фиг. 2) рассматривается участок сети от распределительной подстанции (ПС 2) до распределительной подстанции (ПС 3). Количество ВТСП ТОУ 2 в сети зависит от топологии сети.

Для защиты линии 1 с ВТСП ТОУ 2 и защиты непосредственно ВТСП ТОУ 2 предложен следующий состав комплекса защит ВТСП ТОУ 2, установленных в линии высоковольтной сети (Фиг. 2):

1) по меньшей мере один комплект основной защиты линии (дифференциальная защита линий типа ДЗЛ, далее ДЗЛ5.1, ДЗЛ5.2) с абсолютной селективностью и независимыми каналами связи, с действием на выключатели (3.1, 3.2) линии 1 с двух сторон.

Возможно использовать продольную или поперечную дифференциальную защиту линий в соответствии с топологией сети.

ДЗЛ (5.1, 5.2) получило распространение в качестве основной защиты на линиях с напряжением 110 и 220 кВ длиной в среднем до 10-15 км. ДЗЛ (5.1, 5.2) отключают защищаемую линию 1 при всех внутренних КЗ и по принципу действия не реагируют на внешние повреждения.

Для реализации изобретения возможно использовать продольную и поперечную дифференциальную защиту линий с ВТСП ТОУ 2 в соответствии с топологией сети. Предпочтительнее продольное ДЗЛ (5.1, 5.2). Далее раскрыт пример с использованием продольного ДЗЛ (5.1, 5.2).

Защита ДЗЛ (5.1, 5.2) построена по принципу сравнения токов, протекающих по концам защищаемой линии. На каждом конце защищаемой линии устанавливаются полукомплекты защиты ДЗЛ (не показаны). Полукомплекты защиты ДЗЛ для каждой из сторон линии состоят из терминала защиты (релейная часть) и соответствующей аппаратуры ВЧ-связи (высокочастотная часть), обеспечивающей передачу высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов) на другую сторону защищаемой линии (или другие стороны, если это обусловлено условиями обеспечения селективности). Связь полукомплектов защиты ДЗЛ осуществляется по вспомогательными или волоконно-оптическим линиям связи (в основном в городах), по которым полукомплекты ДЗЛ обмениваются пакетами данных, содержащими информацию о фазных токах и ряд необходимых дискретных сигналов. При применении ДЗЛ (5.1, 5.2) рекомендуется использовать два физически разделенных канала связи.

Как источник измерений значений тока для продольных ДЗЛ (5.1, 5.2) используются измерительные трансформаторы тока (ТТ4.1, ТТ4.2, фиг. 2), установленные на концах линии 1 защищаемого участка сети. ДЗЛ настраиваются так, чтобы в нормальном режиме работы линии 1 значения геометрической суммы векторов тока была равна нулю. В случае возникновения короткого замыкания на защищаемой линии геометрическая сумма векторов будет отлична от нуля, что заставит реле замкнуть свои контакты, выдав команду на отключение поврежденной линии 1.

В реальном случае через обмотку токового реле ДЗЛ (5.1, 5.2) всегда будет протекать ток отличный от нуля, называемый током небаланса. Т.е. ДЗЛ производит отключение линии с ВТСП ТОУ в соответствие с заданным предельным значением величины тока небаланса (уставка срабатывания), по достижении которого должно произойти срабатывание оборудования как заранее предусмотренное действие, рассчитывается в зависимости от топологии сети и типа, используемого ДЗЛ.

Следует отметить, что современные микропроцессорные устройства защиты способны учитывать ток небаланса.

В линии с высокой нагрузкой энергопотребления устанавливаются два комплекта ДЗЛ, один из которых является рабочим (ДЗЛ 5.1), а второй (ДЗЛ 5.2) – резервный, функцией которого является ближнее резервирование в соответствии с ПУЭ 7 (п.п. 3.2.19) на случай отключения рабочего комплекта основных защит линии.

2) по меньшей мере один комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению (далее КЗС ВТСП ТОУ 6.1, 6.2) с действием на выключатели линии с двух сторон (сигнал передается по каналам связи ДЗЛ). КЗС (6.1, 6.2) ВТСП ТОУ является защитой линии по сопротивлению с функцией ближнего резервирования при КЗ в линии установки ВТСП ТОУ и функцию дальнего резервирования для защиты ВТСП ТОУ при проходящих КЗ (внешних по отношении к линии).

В КЗС (6.1, 6.2) ВТСП ТОУ на каждом конце защищаемой линии устанавливаются полукомплекты защиты КЗС ВТСП ТОУ (не показаны). Полукомплекты защиты КЗС ВТСП ТОУ для каждой из сторон линии состоят из терминала защиты (релейная часть) и соответствующей аппаратуры ВЧ-связи (высокочастотная часть), обеспечивающей передачу высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов) на другую сторону защищаемой линии. Связь полукомплектов защиты КЗС (ВТСП ТОУ осуществляется по каналам связи ДЗЛ (5.1, 5.2) и/или по собственным волоконно-оптическим линиям связи (в основном в городах), по которым идет обмен пакетами данных, содержащими информацию о параметрах ВТСП ТОУ и ряд необходимых дискретных сигналов.

В линии 1 устанавливаются два комплекта (6.1, 6.2) защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению, один из которых является рабочим (КЗС 6.1 ВТСП ТОУ), а второй (КЗС 6.2 ВТСП ТОУ) – резервный, функцией которого является резервирование на случай отключения рабочего КЗС 6.1 ВТСП ТОУ.

КЗС (6.1, 6.2) ВТСП ТОУ выполнены с возможностью измерения сопротивления для термической защиты ВТСП ТОУ 2, для расчета которого используется разница напряжения на токовводах ВТСП ТОУ 2 с измерительных трансформаторов напряжения (ТН7.1, ТН7.2, фиг. 2), а также данные о величине тока с трансформаторов тока линии, или с ТТ4.1, или с ТТ4.2. Каждый из измерительных трансформаторов напряжения (ТН7.1, ТН7.2) подключаются как правило проводами к контактной площадке на токовводах ВТСП ТОУ 2.

Все оборудование сети, в том числе трансформаторы тока (ТТ4.1, ТТ4.2) и напряжения (ТН7.1, ТН7.2), ВТСП ТОУ 2 в линии 1, синхронизировано по времени.

Трансформаторы напряжения (ТН7.1, ТН7.2), как правило, устанавливаются в непосредственной близости от ВТСП ТОУ 2 по обе стороны. Если ВТСП ТОУ 2 располагается на ПС то, с одной стороны возможно использовать ТН, установленный в комплект электрогазовых распределительных устройств (КРУЭ) на напряжение 110 кВ, 220 кВ.

Как источник измерения напряжения возможно использовать систему контроля изоляции токовводов (КИВ), основанного на емкостном принципе.

3) В составе комплекса защит ВТСП ТОУ 2 так же возможно использовать:

- защиту ВТСП ТОУ 2 от перегрузки по току, входящую в состав комплекта (6.1, 6.2) защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению. В качестве защиты ВТСП ТОУ 2 от перегрузки возможно использовать максимальную токовую защиту (далее МТЗ, на фиг. 2 изображена отдельно) с выдержкой времени, рекомендуемой изготовителем устройства, действующей на отключение линии с двух сторон (сигнал передается по каналам связи ДЗЛ).

- блок 8 контроля тока утечки с корпуса ВТСП ТОУ 2 на землю (корпус нормально заземлен через трансформатор тока ТТ4.3), входящую в состав комплекта (6.1, 6.2) защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению, с действием на выключатели (3.1, 3.2) линии с двух сторон (сигнал передается по каналам связи ДЗЛ) на случай внутреннего повреждения ВТСП ТОУ 2;

Так же в составе КЗС (6.1, 6.2) ВТСП ТОУ дополнительно могут быть реализованы функции:

- устройство резервирования отказа выключателя (УРОВ, не показан);

- блокировки при неисправности цепей напряжения (БНН, не показан),

а также функции фиксирования срабатываний защит, работы блокировок, запись осциллограмм аварийных процессов.

Для комплекса защит ВТСП ТОУ 2 обеспечивается питание от системы оперативного постоянного тока на линии 1 и резервной аккумуляторной батареи.

За счет последовательности работы комплекта (6.1, 6.2) защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению возможно оценить поведение ВТСП ТОУ 2 в резистивном состоянии и сократить число излишних отключений линии с ВТСП ТОУ 2 от сети, в случаях, когда возможно восстановление ВТСП ТОУ 2 под нагрузкой.

Комплект (6.1, 6.2) защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению отслеживает и регистрирует изменения текущих значений сопротивления (Rтек) и производной сопротивления (dR/dt) ВТСП ТОУ в режиме реального времени с отслеживанием допустимой суммарной длительностью работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии (продолжительность работы ВТСП ТОУ 2 под нагрузкой), в т.ч. в режимах токоограничения и восстановления сверхпроводящих свойств, сопоставлять полученные значения с предельными значениями от завода изготовителя ВТСП ТОУ 2 и выдавать управляющие сигналы на отключение линии 1.

В соответствии с диаграммой режимов работы ВТСП ТОУ 2 комплект (6.1, 6.2) защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению имеет следующие этапы работы (фиг. 3) обозначения даны в таблице 2. Далее упоминается рабочий КЗС 6.1 ВТСП ТОУ:

Этап 1: Непрерывное отслеживание значений сопротивления ВТСП ТОУ 2 в режиме реального времени.

1. 1 Нормальный режим работы ВТСП ТОУ 2:

- определение наличия сопротивления для ВТСП ТОУ 2 за счет сравнения текущего значения сопротивления Rтек ВТСП ТОУ 2 со значением сопротивления ВТСП ТОУ 2 в нормальном режиме работы Rнорм (значение от завода изготовителя).

Rтек ВТСП ТОУ 2 рассчитывается как отношение мгновенного фазного напряжения ВТСП ТОУ 2 в линии 1 в режиме реального времени, к мгновенному току через ВТСП ТОУ 2 в линии 1 в режиме реального времени (мгновенный фазный ток, напряжение - любое значение тока, напряжения в соответствующий момент времени).

При текущем значении сопротивления ВТСП ТОУ 2 меньше значения сопротивления ВТСП ТОУ 2 в нормальном режиме работы (Rтек < Rнорм), ВТСП ТОУ 2 продолжает работать в нормальном режиме работы.

1. 2 Режим токоограничения:

Текущее значение сопротивления ВТСП ТОУ 2 больше значения сопротивления ВТСП ТОУ 2 в нормальном режиме работы (Rтек > Rнорм) определяется, как переход ВТСП ТОУ 2 в резистивное состояние, т.е. в сети произошло КЗ с величиной тока выше, чем ток срабатывания ВТСП ТОУ 2, или в линии 1 сохраняется ток перегрузки ВТСП ТОУ 2 (I > I пддт в течении допустимого времени перегрузки ВТСП ТОУ 2).

- Если значение сопротивления Rтек ВТСП ТОУ 2 за время действия КЗ возросло более чем значение сопротивления Rвосст, при превышении которого не возможно восстановление без отключения от сети (Rтек > Rвосст), то КЗС 6.1 ВТСП ТОУ передает на выключатели (3.1, 3.2) линии 1 сигнал на отключение линии 1 от сети , с целью обеспечения термической стойкости ВТСП ТОУ 2 с возможностью учета работы УРОВ (не показан), на время не менее, чем максимальное время tохл восстановления ВТСП ТОУ 2 после отключения.

УРОВ выполняет функцию ближнего резервирования. Если на защищаемой линии 1 происходит короткое замыкание и срабатывание ее защиты, но при этом выключатель (3.1 и/или 3.2) по каким-либо причинам не отключает поврежденный участок, то УРОВ через определенную выдержку времени выдает повторную команду на отключение данного выключателя (3.1 и/или 3.2), а «УРОВ на смежный выключатель» через другую соответствующую выдержку времени подает сигнал на отключение смежных выключателей, через которые идет подпитка точки КЗ.

Суммарное время работы ВТСП ТОУ 2 с начала режима токоограничения и до отключения с учетом работы УРОВ не должно быть больше 500 мс.

Суммарная длительность режимов ВТСП ТОУ под нагрузкой определяется последовательным отсчетом времени для каждого из режимов работы ВТСП ТОУ от начала короткого замыкания.

После отключения линии ВТСП ТОУ 2 автоматически переходит в режим восстановления без нагрузки на время не более, чем максимальное время tохл восстановления ВТСП ТОУ 2 после отключения.

- Если Rтек ВТСП ТОУ 2 за время действия токов КЗ ниже, чем заявленное производителем значение Rвосст (Rтек < Rвосст), то ВТСП ТОУ 2 может находится в режиме восстановления без прерывания протекания тока (под нагрузкой). При этом КЗС 6. 1 ВТСП ТОУ отслеживает и регистрирует в режиме реального времени скорость изменения значений производной сопротивления ВТСП ТОУ 2 в большую или меньшую сторону по времени (Фиг. 4). Расчет значений производной сопротивления ВТСП ТОУ 2 производится по мгновенным значениям тока и напряжения с трансформаторов тока ТТ4.1, ТТ4.2 и напряжения ТН7.1, ТН7.2.

Физический смысл производной (dR / dt) — скорость изменения значений сопротивления ВТСП ТОУ 2 (следующее значение по отношению к предыдущему) по времени (следующее значение по отношению к предыдущему):

- если значение производной сопротивления по времени более нуля (dR/dt > 0), то текущее значение сопротивления ВТСП ТОУ 2 повышается;

- если значение производной сопротивления по времени равно нулю (dR/dt = 0), то текущее значение сопротивления ВТСП ТОУ 2 не изменяется;

- если значение производной сопротивления по времени меньше нуля (dR/dt < 0), то текущее значение сопротивления ВТСП ТОУ 2 снижается.

Таким образом, на основании отслеживания изменений значений производной сопротивления ВТСП ТОУ 2 по времени запускается следующий этап работы КЗС 6.1 ВТСП ТОУ.

Этап 2: Отслеживание значений производной сопротивления ВТСП ТОУ 2 под нагрузкой в режиме реального времени (фиг. 3, 4).

Следует отметить, что отслеживание производной сопротивления ВТСП ТОУ 2 производится и в нормальном режиме работы ВТСП ТОУ 2, при этом dR/dt ≈ 0.

2. 1 Режим токоограничения, если dR/dt > 0:

Если dR/dt > 0, то ВТСП ТОУ 2 находится в режиме токоограничения (резистивное состояние) в течении фактического времени t1. При этом фактическое время t1 режима токоограничения не должно превышать максимальное время tтс работы ВТСП ТОУ 2 в резистивном состоянии (режим токоограничения, t1 < tтс). При длительности работы ВТСП ТОУ 2 в резистивном состоянии превысившей максимальное время tтс (t1 > tтс), КЗС 6.1 ВТСП ТОУ передает на выключатели (3.1, 3.2) линии 1 сигнал на отключение линии 1 от сети с возможностью учета работы УРОВ на время не менее, чем максимальное время tохл восстановления ВТСП ТОУ 2 после отключения.

После отключения линии ВТСП ТОУ 2 автоматически переходит в режим восстановления без нагрузки на время не более, чем максимальное время tохл восстановления ВТСП ТОУ 2 после отключения.

2.2. Режим восстановления, если dR/dt < 0:

ВТСП ТОУ 2 находится в режиме восстановления без прерывания протекания тока (под нагрузкой), если текущее значение dR/dt показывает, что значение сопротивления ВТСП ТОУ 2 снижается за время t2 в режиме восстановления или не превышает 0 (dR/dt < 0). При этом фактическое время t2 режима восстановления не должно превышать максимальное время tвосст режима восстановления (t2 < tвосст).

На данном этапе по прошествии максимального времени работы в режиме восстановления (tвосст) текущее значение сопротивления становится равно значению сопротивлению в сверхпроводящем состоянии (нормальный режим работы, Rтек ≤ Rнорм). Однако, пока ВТСП ТОУ 2 восстанавливается в течении времени до tвосст может произойти повторное короткое замыкание, например, К2 (фиг. 2), в таком случае ВТСП ТОУ 2 переходит в режим токоограничения и начнет набирать сопротивление. КЗС 6.1 ВТСП ТОУ определяет переход ВТСП ТОУ 2 в режим токоограничения как dR/dt > 0 (см. выше) и учитывает длительность работы режима токоограничения, т.е. t1 < tтс или t1 > tтс, при этом t1 будет считается не с нуля, а продолжает считаться последовательно.

Количество переключений ВТСП ТОУ 2 при непрерывной работе из режима восстановления в режим токоограничения и обратно ограничено достижением максимального времени tтс работы ВТСП ТОУ 2 в режиме токоограничения или tвосст в режиме восстановления.

Если за время режима РВ текущее значение снизилось до значений сопротивления в нормальном режиме работы (Rтек < Rнорм, dR/dt < 0) за время менее tвосст (t2<tвосст), ВТСП ТОУ 2 продолжает работать в нормальном режиме работы.

3. Ввод в работу линии с ВТСП ТОУ 2 после отключения.

Ввод в работу линии с ВТСП ТОУ 2 после отключения возможен после истечения максимального времени tохл восстановления ВТСП ТОУ 2 после отключения и может выполняться вручную оперативным персоналом подстанции, так и с использованием функции автоматического повторного включения. При этом в КЗС 6.1 ВТСП ТОУ возможно выставить запрет автоматического включения при неоднократном включении ВТСП ТОУ 2 с сопротивлением выше Rнорм.

Соотношение тока, протекающего через ВТСП ТОУ 2, сопротивления и длительности режимов работы ВТСП ТОУ 2 приведено в таблице 3.

Таблица 3

Ток протекающий через ВТСП ТОУ Режим ВТСП ТОУ Сопротивление отражаемое в КЗС ВТСП ТОУ Время работы ВТСП ТОУ Iном = 1200 А (rms- среднеквадратическое значение) НР
сверхпроводник Rнорм = 0,1 Ом Без ограничений ∞ От Iном = 1200 А (rms) до
Iпддт = 1440 (rms) РВ
сверхпроводник Rнорм = 0,1 Ом Без ограничений по релейной защите От Iпддт = 1440 А (rms) до
Iсраб = 2800 А (rms) ТО
Резистивный Rнорм = 1 Ом не более 1000 мс (tпддт) Iсраб > 2800 A (rms) ТО
Резистивный Rтек < 44-53 Ом (без отключения) до 500 мс (tтс) Iсраб > 2800 A (rms) ТО
Резистивный
Rтек > 44-53 Ом T работы = 0 мс (отключение сразу, как превышено Rтс)

Далее описана работа комплекса релейных защит для линии с ВТСП ТОУ в высоковольтной сети 220 кВ без шунтирующего элемента, однако реализация изобретения не ограничивается приведенными примерами.

Полукомплекты продольной ДЗЛ подключаются на токи по концам защищаемой линии 1 (на входе ПС2 и на входе ПС3) таким образом, чтобы в нормальном режиме и при внешних КЗ геометрическая сумма векторов токов была равна нулю, а при КЗ на защищаемой линии – току КЗ.

ДЗЛ (5.1, 5.2) обладает абсолютной селективностью и срабатывает при разном направлении тока на концах линии 1 с небольшой поправкой на токи небаланса. Ток небаланса считается для каждой линии отдельно. В приведенных примерах время срабатывания ДЗЛ (5.1, 5.2) от начала КЗ, т.е. отключения линии 1 от сети в случае КЗ составляет примерно 50 - 60 мс.

Применение комплекта (6.1, 6.2) защит ВТСП ТОУ по сопротивлению позволяет гармонизировать работу защит в прилегающей к ВТСП ТОУ 2 сети. Т.е. КЗС (6.1, 6.2) ВТСП ТОУ срабатывает на любое сопротивление в ВТСП ТОУ 2, не зависимо от того на какой линии (участке) сети произошло замыкание.

Рассмотрим возможные варианты КЗ и проследим работу защит в сети, в частности, в линии 1 установки ВТСП ТОУ 2 и прилегающим к ней линиям (например, в линии до ПС1, линия ПС3-ПС4).

а) При коротком замыкании в линии установки ВТСП ТОУ (К, К1, Фиг. 2, линия 1)

В этом случае аварийный участок сети (линия 1) совпадает с местом установки ВТСП ТОУ 2. Линия 1 защищена двумя комплектами основных защит линии (ДЗЛ5.1 - работающий, ДЗЛ5.2 – резервный), двумя комплектами защиты ВТСП ТОУ 2 по сопротивлению (КЗС6.1 - работающий, КЗС6.2 – резервный). Возможно использование КЗС ВТСП ТОУ, включающих в себя защиту от перегрузки (МТЗ) ВТСП ТОУ 2 и блок 8 контроля тока утечки.

Действие основной защиты (ДЗЛ 5.1 с уставкой срабатывания, без выдержки времени) начинается примерно через 20-25 мс от начала КЗ в линии 1. Отключение линии 1 производится действием ДЗЛ 6.1 на выключатели (3.1, 3.2) с обоих сторон линии 1.

В качестве выключателей линии традиционно используются коммутационные аппараты, производящие оперативное включение или отключение отдельных линий и электрического оборудования при нормальном или аварийном режиме, управляемых вручную, дистанционно или автоматически.

ВТСП ТОУ 2 при токах КЗ работает в резистивном состоянии и переходит в режим (ТО) токоограничения менее чем за 4 миллисекунды (0,0004 с).

Время отключения ВТСП ТОУ 2 комплектом 6.1 защит по сопротивлению с учетом работы УРОВ не превышает 500 мс.

КЗС 6.1 ВТСП ТОУ определяет переход ВТСП ТОУ 2 в режим ТО, как значение Rтек > Rнорм, в тот же момент начинается отсчет времени работы ВТСП ТОУ 2 в резистивном состоянии (режим ТО, фактическое время режима ТО – t1) и текущее значение производной сопротивления по времени (dR/dt).

Если Rтек < Rвосст, значение производной сопротивления по времени dR/dt < 0, то КЗС 6.1 ВТСП ТОУ переключается на отсчет времени работы ВТСП ТОУ 2 в режиме восстановления (режим РВ, фактическое время режима РВ – t2) до tвосст (6000 мс).

Если Rтек < Rвосст, значение производной сопротивления по времени dR/dt > 0, то КЗС 6.1 ВТСП ТОУ считает временя работы ВТСП ТОУ 2 в режиме ТО до достижения tтс (500 мс).

Если Rтек > Rвосст, значение производной сопротивления по времени как правило сразу повышается до dR/dt > 0, то КЗС 6.1 ВТСП ТОУ производит отключение линии без отсчета время работы ВТСП ТОУ 2 под нагрузкой. Отключение производится с учетом работы УРОВ после превышения Rвосст.

После отключения ВТСП ТОУ 2 комплект 6.1 защит по сопротивлению осуществляет отсчет времени охлаждения ВТСП ТОУ 2 (режим ПР) до достижения tохл (до 4700 мс) после чего возможен ввод в работу линии 1 с ВТСП ТОУ 2, как автоматически, так и оперативным персоналом ПС.

Короткое замыкание на шинах ВТСП ТОУ 2 или внутри ВТСП ТОУ 2 является частным случаем короткого замыкания в линии 1 с ВТСП ТОУ 2 (точка К на Фиг. 2). С учетом подобных замыканий ВТСП ТОУ 2 может быть оборудован блоком 8 контроля тока утечки с корпуса ВТСП ТОУ 2 на землю (в случае внутреннего КЗ на корпус ВТСП ТОУ 2). Данные о контроле тока с корпуса ВТСП ТОУ 2 поступают в КЗС 6.1 ВТСП ТОУ, как на резервную защиту линии. Отключение линии действием КЗС 6.1 ВТСП ТОУ при превышении тока с корпуса ВТСП ТОУ 2 на выключатели (3.1, 3.2) с обоих сторон линии 1.

В случае если выключатель (3.1 и/или 3.2) по каким-либо причинам не отключает поврежденный участок от основной защиты ДЗЛ 5.1. С учетом подобных ситуаций КЗС 6.1 ВТСП ТОУ может быть оборудован защитой от перегрузки (МТЗ) ВТСП ТОУ 2.

- Если I > I пддт в течении допустимого времени перегрузки ВТСП ТОУ 2, то ВТСП ТОУ 2 следует отключить от сети.

Уставка МТЗ выбирается исходя из предельно длительно допустимого тока ВТСП ТОУ 2. Величину времени выдержки (tвыд) для МТЗ следует определить, как время достижения значения сопротивления (Rвосст) ВТСП ТОУ 2, при котором возможно восстановление сопротивления до Rнорм без отключения ВТСП ТОУ 2 от сети в условиях набольшей возможной нагрузки на ВТСП ТОУ 2 при КЗ. Ориентировочное значение времени выдержки составляет 200 мс (данные производителя). При этом поскольку выдержка времени МТЗ всегда меньше, нежели термическая стойкость ВТСП ТОУ 2, то МТЗ возможно использовать в составе КЗС (6.1, 6.2) ВТСП ТОУ так же в период обслуживания основных защит линии 1.

Однако данные дополнительные защиты линии являются не обязательными.

б) При внешнем коротком замыкании относительно линии 1 установки ВТСП ТОУ 2 (точка К2, К4, Фиг. 2, линия до ПС1, линия ПС3-ПС4).

В данном случае аварийный участок сети не совпадает с местом установки ВТСП ТОУ 2.

Каждая из линий в сети без установленного ВТСП ТОУ 2 (линия до ПС1, линия ПС3-ПС4) защищены по меньшей мере одним комплектом основных защит и резервной защитой линии (например, КСЗ). Т.е. при коротком замыкании линии отключаются защитами, установленными на указанных линиях примерно за 50-60 мс при штатной работе. При этом ДЗЛ (5.1, 5.2) в линии 1 с ВТСП ТОУ 2 не сработает.

На отключение ВТСП ТОУ 2 сработает КЗС 6.1 ВТСП ТОУ в соответствие с описанной выше последовательностью: если за время работы основных защит другой линии превышено Rвосст, то КЗС 6.1 ВТСП ТОУ отключает линию 1 без отсчета времени работы ВТСП ТОУ 2 под нагрузкой или, если Rвосст не превышено, при это превышено dR/dt > 0, то линия 1 будет отключена при достижения tтс (500 мс) и/или сработает функция МТЗ в КЗС (6.1) ВТСП ТОУ при превышении предельно длительного тока (Iпддт с выдержкой времени tвыд. = tпддт = 1000мс).

Если отключение ВТСП ТОУ 2 не потребовалось, то КЗС 6.1 ВТСП ТОУ отслеживает режимы работы ВТСП ТОУ 2 по значениям сопротивления ВТСП ТОУ 2 и значениям производной ВТСП ТОУ 2 с учетом длительности каждого из режимов работы ВТСП ТОУ 2 под нагрузкой.

В режиме РВ под нагрузкой ВТСП ТОУ 2 может находится не более 6000 мс (6 с). В режиме ТО - не более 500 мс (0,5 с).

В режиме ТО при dR/dt > 0 ВТСП ТОУ 2 суммарно может находится не более 500мс, в режиме РВ при dR /dT < 0, - не более 6000мс.

Пример счета времени по суммарной длительности каждого из режимов ВТСП ТОУ 2 под нагрузкой при повторяющихся КЗ, которое выполняет КЗС 6.1 ВТСП ТОУ:

Замыкание Rтек > Rнорм – переход ВТСП ТОУ 2 в токоограничивающий режим; при этом начинает отслеживаться Rтек < Rвосст и dR/dt < 0, что происходит, например, в течении 100 мс, после чего КЗС 6.1 ВТСП ТОУ регистрирует переход ВТСП ТОУ 2 в режим восстановления под нагрузкой на время до 6000 мс, например, длительность режима РВ 1000мс, происходит повторное замыкание - поврежденную линию отключают за 180 мс защиты линии (например, ПС3-ПС4), на которой замыкание, - фактически в тоже время КЗС 6.1 ВТСП ТОУ регистрирует переход ВТСП ТОУ 2 в режим токоограничения на 180 мс, при этом (на момент отключения поврежденной линии) Rтек < Rвосст, dR/dT < 0, - переход ВТСП ТОУ 2 в режим восстановления под нагрузкой, оставшееся время до отключения ВТСП ТОУ в режиме РВ = 5000 мс – 1000 мс = 4000 мс. При этом оставшееся время до отключения ВТСП ТОУ в режиме ТО = 500 мс – 100 мс – 180 = 220 мс. Однако значение сопротивления ВТСП ТОУ снизилось до Rтек < Rнорм и ВТСП ТОУ перешло в нормальный режим работы. Таким образом общее время работы ВТСП ТОУ под нагрузкой составило = 100 мс + 1000 мс + 180 мс + 4000 мс, из которых 280 мс в режиме ТО, 5000 мс в режиме РВ.

Таким образом, за счет предложенных в заявленном изобретении комплекса релейных защит, учитывающих нелинейное сопротивление ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента и способа защиты ВТСП ТОУ, в котором учитывается изменение текущих значений тока, сопротивления ВТСП ТОУ и суммарной длительности непрерывной работы ВТСП ТОУ под нагрузкой в высоковольтной сети с нелинейной характеристикой сопротивления достигается заявленный технический результат.

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение защиты линии с токоограничивающим устройством на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП ТОУ) в высоковольтной сети без шунтирующего элемента и повышение длительности непрерывной работы ВТСП ТОУ по времени в высоковольтной сети с нелинейной характеристикой сопротивления. Комплекс релейных защит содержит по меньшей мере один комплект дифференциальной защиты линии и по меньшей мере один комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению, отключающий линию с ВТСП ТОУ в соответствии с текущим значением сопротивления и суммарной длительностью режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии. Заявленный способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента включает в себя: отслеживание значения тока в линии установки ВТСП ТОУ и значения сопротивления ВТСП ТОУ по меньшей мере одной релейной защитой линии; также отслеживание суммарной длительности режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии, в том числе с определением изменений значения производной сопротивления по времени. Определяют, отключать ли линию от высоковольтной сети, если по меньшей мере одно из указанных значений выше предельного значения. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

1. Комплекс релейных защит для линии с токоограничивающим устройством на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для высоковольтной сети без шунтирующего элемента, содержащий

по меньшей мере один комплект дифференциальной защиты линии, выполненный с возможностью отключения линии с токоограничивающим устройством (ТОУ) на основе высокотемпературных сверхпроводников в соответствии с предельным значением тока небаланса;

по меньшей мере один комплект защиты токоограничивающего устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников по сопротивлению, выполненный с возможностью отключения линии с токоограничивающим устройством на основе высокотемпературных сверхпроводников; при этом отключение линии с токоограничивающим устройством на основе высокотемпературных сверхпроводников осуществляется в соответствии с текущим значением сопротивления и суммарной длительностью режимов работы токоограничивающего устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников в резистивном состоянии.

2. Комплекс релейных защит для линии с ВTСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 1, в котором отключение линии с ВТСП ТОУ осуществляется действием комплекта дифференциальной защиты на выключатели линии без выдержки времени согласно уставке.

3. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 1, в котором отключение линии с ВТСП ТОУ комплектом защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению осуществляется без выдержки времени при текущем значении сопротивления ВТСП ТОУ выше, чем значение сопротивления ВТСП ТОУ, при котором возможно восстановление без прерывания протекания тока через ВТСП ТОУ до значения сопротивления в нормальном режиме работы ВТСП ТОУ.

4. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 3, в котором длительность режима работы ВТСП ТОУ без протекания тока определяется комплектом защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению в соответствии с максимальным временем восстановления ВТСП ТОУ после отключения.

5. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 1, в котором суммарная длительность режимов ВТСП ТОУ в резистивном состоянии определяется последовательным отсчетом времени для каждого из режимов работы ВТСП ТОУ от начала короткого замыкания.

6. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 1, в котором суммарная длительность режимов ВТСП ТОУ в резистивном состоянии определяется с учетом значения производной сопротивления по времени как максимальное время работы ВТСП ТОУ в режиме токоограничения и режиме восстановления.

7. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 1, в котором по меньшей мере один комплект дифференциальной защиты линии связан с по меньшей мере двумя измерительными трансформаторами тока, а по меньшей мере один комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению связан с по меньшей мере двумя измерительными трансформаторами напряжения и по меньшей мере одним измерительным трансформатором тока.

8. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 7, в котором измерительные трансформаторы напряжения подключаются проводами к контактной площадке на токовводах ВТСП ТОУ.

9. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 7, в котором с одной из сторон линии высоковольтной сети используется трансформатор напряжения, установленный в комплект электрогазовых распределительных устройств, соответствующий напряжению линии.

10. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 1, в котором в составе комплекта защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению используется защита ВТСП ТОУ от перегрузки по току.

11. Комплекс релейных защит для линии с ВТСП ТОУ для высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 1, в котором в составе комплекта защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению используется блок контроля тока утечки с корпуса ВТСП ТОУ на землю с действием на выключатели линии с двух сторон.

12. Способ защиты токоограничивающего устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента, включающий в себя:

отслеживание значения тока в линии установки токоограничивающего устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников и значения сопротивления токоограничивающего устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников по меньшей мере одной релейной защитой линии; также

отслеживание суммарной длительности режимов работы токоограничивающего устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников в резистивном состоянии, в том числе с определением изменений значения производной сопротивления по времени; и определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, если по меньшей мере одно из указанных значений выше предельного значения, и выдачу сигнала на отключение линии по меньшей мере одной релейной защитой, если по меньшей мере одно из указанных значений выше предельного.

13. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 12, в котором отслеживание значения тока в линии высоковольтной сети осуществляет комплект дифференциальной защиты линии, а отслеживание значения сопротивления ВТСП ТОУ и суммарную длительность режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии с определением изменений значения производной сопротивления по времени осуществляет комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению.

14. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 13, в котором определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети и отключение линии, выполняет комплект дифференциальной защиты линии действием на выключатели линии без выдержки времени согласно уставке, если превышено предельное значение тока небаланса.

15. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 13, в котором определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по текущему значению сопротивления ВТСП ТОУ и, если оно превышает значение сопротивления ВТСП ТОУ, при котором возможно восстановление до значения сопротивления в нормальном режиме работы ВТСП ТОУ, то отключение выполняет комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению действием на выключатели линии.

16. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 13, в котором определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по суммарной длительности режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии с определением изменений значения производной сопротивления по времени и, если суммарная длительность одного из режимов превышает максимальное время работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии, то отключение линии выполняет комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению действием на выключатели линии.

17. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 12, в котором отслеживание значений тока в линии, сопротивления ВТСП ТОУ и суммарной длительности режимов работы ВТСП ТОУ в резистивном состоянии с определением изменений значения производной сопротивления по времени выполняет комплект защиты ВТСП ТОУ по сопротивлению.

18. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 17, в котором определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по текущему значению сопротивления ВТСП ТОУ и, если оно превышает значение сопротивления ВТСП ТОУ, при котором возможно восстановление до значения сопротивления в нормальном режиме работы ВТСП ТОУ, то осуществляется отключение линии.

19. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 18, в котором определение того, отключать ли линию от высоковольтной сети, осуществляется по текущему значению тока в линии и, если оно превышает предельно значение, то осуществляется отключение линии от высоковольтной сети защитой ВТСП ТОУ от перегрузки по току с выдержкой времени.

20. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 12, в котором для расчета значения сопротивления ВТСП ТОУ используются данные о разнице напряжения с измерительных трансформаторов напряжения и данные о величине тока с одного из измерительных трансформаторов тока линии.

21. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 12, в котором используются данные о разнице напряжения с измерительных трансформаторов напряжения, подключенных к токовводам ВТСП ТОУ, при этом используется с одной из сторон линии трансформатор напряжения, установленный в комплект электрогазовых распpeделительных устройств, соответствующий напряжению линии.

22. Способ защиты ВТСП ТОУ в линии высоковольтной сети без шунтирующего элемента по п. 12, в котором определение изменений значения производной сопротивления по времени определяется как следующее значение сопротивления и времени по отношению к предыдущему соответственно.