Устройство сопряжения сигналов релейной защиты, проходящих по разным средам передачи при организации гибридного канала связи на кабельно-воздушных линиях 35 кВ и выше Российский патент 2025 года по МПК H02H3/28 H04B10/25 H04B3/54 

Заявляемое изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к релейной защите кабельно-воздушных линий (КВЛ) электропередач 35-750 кВ, и может быть использовано для сопряжения сигналов релейной защиты, проходящих по разным средам передачи: высокочастотный сигнал (ВЧ) по фазному проводу линии и цифровой сигнал по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС).

Известно, что линии электропередач (ЛЭП) принято оборудовать релейной защитой и автоматикой (РЗА), селективность которой обеспечивается путем обмена информацией между двумя комплектами защиты, расположенными на противоположных концах ЛЭП на значительном расстоянии. Для реализации такого обмена должен быть организован специализированный канал связи.

Как правило, для организации таких каналов применяют высокочастотные (ВЧ) каналы связи, сигналы которых распространяются непосредственно по проводам защищаемой ЛЭП. Такой канал образован проводами в виде высокочастотного кабеля (ВЧК) защищаемой линии, а также устройствами обработки высокочастотной защиты (ВЧЗ), конденсаторами связи (КС), фильтрами присоединения (ФП) и конденсаторами соединения.

В настоящее время все чаще используют каналы связи по выделенному оптическому волокну (ВОЛС), который может быть включен в состав грозозащитного троса, или самонесущего ВОК, прокладываемого на опорах воздушной линии электропередачи, или защитной оболочки высоковольтного кабеля, если линия электропередачи выполнена таким кабелем.

Известно, что кабельно-воздушная линия электропередач (КВЛ), как правило, включает участки с воздушным фазным проводом, на которые приходится основная часть, и небольшие участки с подземным кабелем, прокладываемым преимущественно в черте населенных пунктов и подключаемым к трансформаторным подстанциям (ПС), имеющим закрытое исполнение и рассчитанным на напряжение ввода 35 кВт или выше.

В местах перехода воздушного фазного провода в высоковольтный подземный кабель устанавливают кабельные муфты.

В качестве основных видов защиты линий электропередачи, выполненных с возможностью обмена своими блокирующими сигналами как по ВЧ каналу, так и по ВОЛС, применяют дифференциально-фазные защиты (ДФЗ) или дистанционные направленные с ВЧ блокировкой (НВЧЗ), а также дифференциальные защиты (ДЗЛ), сигналы которых могут быть переданы только с использованием канала связи по ВОЛС, в том числе по выделенным оптическим волокнам или с применением оборудования для мультиплексирования каналов.

Для организации каналов связи для ДФЗ или НВЧЗ чаще всего используют специализированные комплекты каналообразующей аппаратуры, включая посты высокочастотных защит, работающих по ВЧ каналам связи.

Из-за высокой стоимости прокладки и подвеса кабеля волоконно-оптического канала (ВОК) применение ВЧ каналов связи является предпочтительным, т.к. позволяет получить значительный экономический эффект на ВЛ протяженностью свыше 4 км.

Однако организация ВЧ канала на всем протяжении КВЛ связана с необходимостью создания схемы ВЧ обхода, за счет которого обеспечивается компенсация неоднородности сигналов, возникающая на стыке подземного кабеля ВЧ и воздушного фазного провода ВЛ. Причем затухание сигнала в схеме ВЧ обхода может составлять до 10 дБ. Данное обстоятельство вынуждает применять рабочие частоты канала ВЧ защиты в низкочастотной части общедоступного диапазона, в котором выбор частот в большей степени ограничен.

Расширение возможностей выбора рабочих частот для канала ВЧ защиты может быть реализовано за счет свободной высокочастотной части общего диапазона путем организации комбинированного канала, состоящего из ВЧ канала по воздушному участку (ВЛ) и канала по ВОЛС, прокладываемого вдоль кабельного участка, проходящего вблизи места установки кабельной муфты и расположенного до кабельного ввода на подстанцию (ПС) инфраструктуры населенного пункта. В случае использования оптического волокна в качестве конструктивного элемента высоковольтного кабеля прокладка волоконно-оптического кабеля (ВОК) может не потребоваться.

Для выполнения комбинированного ВЧ-ВОЛС канала необходимо устройство, способное преобразовывать сигналы ВЧ канала в оптическую среду и наоборот оптические сигналы - в сигналы ВЧ. Для организации дуплексной передачи сигналов основных защит ВЛ применяют принцип действия ДФЗ/ ВЧЗ.

Такое преобразование сигналов может быть реализовано посредством применения конвертора сигналов полевого уровня (КСПУ), устанавливаемого вблизи места, где монтируют кабельные муфты, обеспечивающие сопряжение воздушного и кабельного участков кабельно-воздушной линии электропередачи.

Указанное устройство размещают в защищенном от электромагнитных и климатических воздействий боксе/распределительном шкафу на безопасном от кабельных муфт расстоянии.

Из предшествующего уровня техники известен универсальный пост высокочастотных защит "ПВЗУ", содержащий блок питания, блок приемопередатчика, первый вход которого соединен с выходом "Пуск" блока сопряжения, первый выход - со входом "Прием" блока сопряжения, первый вход и первый выход которого соединены с высокочастотной защитой, блок автоматической проверки канала, который соединен прямой и обратной связью с блоком сопряжения и с блоком приемопередатчика, выходы блока питания связаны соответственно с блоком приемопередатчика, с блоком сопряжения и с блоком автоматической проверки канала, отличающийся тем, что блок автоматической проверки канала, содержащий перепрограммируемое запоминающее устройство, энергонезависимую память, микроконтроллер, оперативное запоминающее устройство, входы которых соединены между собой, а также индикатор и клавиатуру, входы которых соединены между собой, со вторым входом энергонезависимой памяти и со вторым входом микроконтроллера, блок сопряжения содержит как минимум одну цепь, соединенную со входом схемы логической обработки сигнала и состоящую из последовательно соединенных схемы формирования сигнала и схемы гальванической развязки цепей управления, схема логической обработки сигнала соединена с режимным коммутатором, при этом выход логической схемы обработки сигнала соединен через схему гальванической развязки со схемой формирования выходного сигнала приемника (патент РФ № 22336 на полезную модель «Универсальный пост высокочастотных защит "ПВЗУ", дата подачи 31.10.2001 г., опубл. 20.03.2002 г.).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство для дифференциально-фазной высокочастотной защиты линий электропередачи, состоящее из двух полукомплектов, каждый из которых содержит заградительный фильтр, включенный в рассечку провода защищаемой линии у шин подстанции, трансформаторы тока, установленные на токоведущих частях под потенциалом линии и подключенные к блоку питания и органу манипуляции, выходы которых подключены к высокочастотному передатчику, один входной линейный зажим которого подключен к заградительному фильтру со стороны линии, высокочастотный приемник, линейный вход которого связан с проводом защищаемой линии, а выход подключен к органу сравнения фаз, соединенному с исполнительным органом, состоящему из оптических преобразователей и оптического канала связи, при этом один входной линейный зажим высокочастотного приемника подключен к заградительному фильтру со стороны линии, вторые входные линейные зажимы высокочастотных передатчика и приемника подключены к заградительному фильтру со стороны шин подстанции, причем выход блока питания подключен также к высокочастотному приемнику (патент № SU1124396 на изобретение «Устройство для дифференциально-фазной высокочастотной защиты линий электропередачи», дата подачи 1983.07.07 г., опубл. 1984.11.15 г.).

Недостатки ближайшего аналога связаны с низкой надежностью из-за отказа в применении дорогостоящих высоковольтных конденсаторов связи и, соответственно, невозможностью образования полосового фильтра, благодаря которому обеспечивается возможность передачи сигналов с заданными параметрами. Помимо этого, не происходит отделения аппаратуры ВЧ от воздействия рабочего напряжения сети, а также всех видов перенапряжений, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Данное устройство имеет громоздкую конфигурацию и может быть использовано только для одного вида защиты, а именно дифференциально-фазной защиты (ДФЗ). Отсутствует возможность выбора свободной высокочастотной части общего диапазона.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое к защите изобретение, заключается в повышении надежности и отказоустойчивости.

Указанный результат достигается тем, что устройство сопряжения сигналов релейной защиты, проходящих по разным средам передачи при организации гибридного канала связи на кабельно-воздушных линиях 35 кВ и выше, размещаемое между двумя разнесенными по концам кабельно-воздушных линий двумя полукомплектами аппаратуры релейной защиты вблизи границы перехода сред передачи сигналов защит, а именно воздушной линии в кабельную, представляющее собой конвертор с высокочастотным и оптическим интерфейсами, взаимосвязанными с соответствующим полукомплектом аппаратуры релейной защиты, и оснащенное источником энергопитания, фильтром присоединения и конденсатором связи, через которые связано с воздушной линией.

В качестве источника энергопитания используют трансформатор отбора мощности.

Изобретение поясняется чертежами, где

Фиг. 1 - блок-схема устройства сопряжения сигналов релейной защиты, проходящих по разным средам передачи при организации гибридного канала связи на кабельно-воздушных линиях 35 кВ и выше.

Устройство сопряжения разных сред передачи размещают вблизи места перехода воздушного участка кабельно-воздушной линии (КВЛ) - ЛЭП в подземный кабельный.

На фиг. 1 место перехода расположено между двумя полукомплектами релейной защиты, а именно между ПС1 и ПС2.

В зону защиты входят воздушный и кабельный участки КВЛ протяженностью от выключателя 1 (В1) первого полукомплекта аппаратуры релейной защиты до выключателя 2 (В2) второго полукомплекта.

Каждый из указанных полукомплектов включает шину подстанции (ПС) (позиция не присвоена), терминал защиты 3 воздушной линии, оснащенный реле направления мощности. Реле направления мощности применяют в схемах РЗиА, когда требуется определять направление (знак) активной или реактивной мощности. Различные модификации реле реагируют на токи и напряжения прямой, обратной или нулевой последовательности. Каждый терминал 3 двусторонней связью соединен с приемопередатчиком сигналов защиты воздушных линий (ВЛ), причем в первом полукомплекте размещен приемопередатчик сигналов защит 4 воздушных линий для высокочастотного (ВЧ) канала, во втором - приемопередатчик сигналов защит 5 воздушных линий для канала по волоконно-оптической линии передачи (ВОЛС).

Оба терминала защиты 3 соединены с выключателями В1 и В2 соответственно, установленные в фазной (воздушной) линии.

Кроме того, к приемопередатчику 4 первого полукомплекта аппаратуры релейной защиты подключен фильтр присоединения 6 (ФП1), который через конденсатор связи (КС1) 7 соединен с воздушной линией (ВЛ). Фильтр присоединения совместно с конденсатором образуют полосовой фильтр или фильтр верхних частот, который обеспечивает передачу через него с заданными параметрами ВЧ сигналов, и отделение аппаратуры ВЧ-связи от воздействия рабочего напряжения сети и всех видов перенапряжений, возникающих в ней, что повышает надежность.

Между выключателем В1 и точкой подключения конденсатора связи (КС1) 7 в разрыв фазного провода воздушной линии размещен высокочастотный заградитель 8 (ВЧ31) - электротехническое устройство, обладающее высоким сопротивлением на частоте работы канала ВЧ-связи и низким сопротивлением на промышленной частоте. Высокочастотные заградители используют для создания высокочастотных каналов связи по высоковольтным линиям электропередач (35-750 кВ) для обеспечения передачи сигналов противоаварийной автоматики, релейной защиты, телефонной связи, телемеханики, промодулированных высокой частотой (16-1000 кГц) по фазному проводу или грозотросу.

ВЧ-заградитель представляет собой высокочастотный фильтр, исключающий (ослабляющий) шунтирующее действие шин подстанций и отпаек линии электропередачи на линейный тракт канала ВЧ-связи, что также способствует повышению надежности.

В качестве устройства защиты могут быть применены ограничитель перенапряжения или разрядник вентильный. Благодаря использованию ВЧ-заградителя предотвращаются потери ВЧ сигнала на шинах подстанций и на соседних линиях, происходит блокирование ВЧ сигналов от других источников, работающих на соседних линиях, а также поддерживается определенное значение высокочастотных параметров линии электропередачи независимо от схемы распределительного устройства.

Между полукомплектами аппаратуры релейной защиты установлено устройство сопряжения разных сред передач, в состав которого входит конвертор 9 сигналов линейных защит ДФЗ/НВЧБ полевого уровня (КСПУ).

Известно, что конвертор - это преобразователь с двумя напряжениями питания, служащий для асинхронной передачи сигнала между двумя шинами или устройствами, работающими при различных напряжениях питания. Двунаправленный (двуканальный) конвертор обеспечивает преобразование сигналов высокого уровня в сигнал низкого уровня и наоборот, при этом передача в зависимости от уровня логического сигнала осуществляется в двух направлениях, например, от А к В или от В к А. Конверторы уровней с двумя напряжениями питания гибки, удобны в эксплуатации и позволяют использовать их для работы на длинные линии и большие нагрузки.

Преимуществами двунаправленного конвертора являются гибкость выбора нижнего и верхнего уровней сигналов, высокая активная составляющая нагрузочной способности и доступность в модификациях с различной шириной шин данных.

Конверторы на полевых транзисторах имеют преимущества для приложений преобразования, в которых не требуется активный драйвер тока или где необходимо обеспечить минимальные задержки распространения сигнала. При этом выходное напряжение может быть больше, чем входное, и в этом случае происходит преобразование с повышением уровня сигнала, или меньше, при котором выполняется преобразование с понижением уровня сигнала.

Ко входам конвертора 9 присоединены фильтр присоединения 10 (ФП2), связанный с конденсатором связи (КС2) 11. Высокочастотный заградитель 12 (ВЧ32) также подключен в разрыв фазного провода между точкой подключения конденсатора КС2 и переходом в подземный кабель. Помимо этого, конвертор соединен с трансформатором отбора мощности 13 (ТОМ), имеющим заземление.

Трансформаторы отбора мощности (ТОМ) - однофазные индуктивные трансформаторы для подключения к ВЛ 110-500 кВ, предназначенные для применения в качестве основного, или резервного источника питания систем собственных нужд подстанций, или электроснабжения потребителей, удаленных от центров питания 6-35 кВ.

ТОМ обеспечивает снижение потерь за счет исключения промежуточной ступени трансформации, а также высокие экономичность и экологичность, тем самым повышая надежность.

Конвертор служит для преобразования высокочастотных сигналов, получаемых от приемопередатчика 4 в оптические, передавая их в направлении приемопередатчик 4 второго комплекта аппаратуры релейной защиты. Одновременно с этим конвертор преобразует оптические сигналы, получаемые от приемопередатчика ПВЗ 5 в высокочастотные сигналы, передавая их в направлении первого комплекта аппаратуры. Для реализации таких преобразований конвертор имеет в своем составе приемопередающий интерфейс 14 ВЧ канала (ВЧИ) и приемопередающий интерфейс 15 оптического канала (ОИ), выходы которых соединены для трансляции сигналов (логического уровня) в противоположных направлениях.

Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1. Защита кабельно-воздушной линии (КВЛ) в режиме направленной защиты с высокочастотной блокировкой (НВЧБ)

В зону защиты КВЛ входят воздушный и кабельный участки протяженностью от выключателя В1 первого полукомплекта релейной аппаратуры до выключателя В2 второго полукомплекта релейной аппаратуры.

При возникновении короткого замыкания в выделенной зоне для каждого из полукомплектов аппаратуры релейной защиты направление потока мощности будет одинаковым на участке от шин обеих подстанций ПС. При этом в обоих терминалах защиты срабатывают реле направления мощности, прерывая тем самым работу обоих приемопередатчиков. Это означает, что в каналах связи блокирующие сигналы не передаются и на выходах приемопередатчиков ПВ3-ВЧ и ПВ3-ОК сигнал запрета на срабатывание терминала защиты отсутствует, что, в свою очередь, приводит к формированию сигналов на отключение выключателей В1 и В2.

Таким образом, участок кабельно-воздушной линии отключается с обеих сторон.

В случае короткого замыкания, возникающего вне защищаемой линии, например, в электрической сети прилегающей, ко второму полукомплекту аппаратуры релейной защиты (ПС2). В этом случае для терминала защиты, входящего в состав второго полукомплекта, направление потока мощности будет осуществляться от защищаемой линии к шинам ПС. В этом случае, реле направления мощности второго комплекта дает команду на пуск оптического приемопередатчика ПВ3-ОК, сигнал от которого достигает приемника оптического интерфейса конвертора и затем будет транслирован приемопередатчику первого полукомплекта аппаратуры релейной защиты. При этом приемоемопередатчик ПВ3-ВЧ первого полукомплекта (ПО) на своем выходе «Вых.ПРМ» сформирует сигнал запрета/блокировки на срабатывание терминала защиты первого полукомплекта (ПС1).

В результате, сигналы отключения выключателей «откл.В1», «откл.В2» не будут формироваться и защищаемый участок останется в работе. Короткое замыкание будет отключено защитами того элемента электрической сети, на котором оно возникло, т.е. избирательно и точечно.

Если короткое замыкание возникнет вне защищаемой линии, например, в электрической сети, прилегающей к первому полукомплекту аппаратуры (ПС1), то в этом случае для терминала защиты, расположенного на ПС1, направление потока мощности будет происходить от защищаемой линии к шинам ПС данного полукомплекта. При этом реле направления мощности первого комплекта (ПС1) даст команду на пуск передатчика ПВ3-ВЧ, после чего сигнал от передатчика ПВ3-ВЧ достигнет приемника ВЧ интерфейса КСПУ и далее будет транслирован передатчиком оптического интерфейса КСПУ в направлении второго комплекта (ПС2) по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Приемопередатчик ПВЗ-ОК (ПС2) на своем выходе «Вых.ПРМ» сформирует сигнал запрета/блокировки на срабатывание терминала защиты (ПС2). В результате, сигналы на отключение выключателей В1 и В2 («откл.В1», «откл.В2») формироваться не будут и защищаемая КВЛ останется в работе, а короткое замыкание будет селективно отключено защитами того элемента электрической сети, на котором оно возникло.

Пример 2. Защита кабельно-воздушной линии (КВЛ) в режиме дифференциально-фазной защиты

В зону защиты КВЛ входят воздушный и кабельный участки КВЛ от выключателя В1 до выключателя В2.

Если терминал защиты КВЛ работает в режиме ДФЗ, то в его составе программно реализован фильтр симметричных составляющих, на вход которого поступает информация о фазных токах защищаемой линии. На выходе фильтра симметричных составляющих формируется сигнал манипуляции частотой 50 Гц, предназначенный для управления приемопередатчиком 4 канала связи по цепи «Пуск ПРД». Причем, если фаза сигнала манипуляции отрицательна, то это означает, что данный приемопередатчик запущен, а если положительна - остановлен.

На выходы «Вых.ПРМ» каждого из приемопередатчиков ПВ3-ВЧ и ПВ3-ОК подается сигнал, получаемый суммированием по схеме «лог.ИЛИ» сигнала, принятого по каналу связи, и сигнала управления «Пуск ПРД», поступающего от терминала защиты 3.

В случае возникновения короткого замыкания на защищаемом участке КВЛ или в прилегающей электрической сети срабатывают пусковые органы терминалов защиты и по цепи «Пуск ПРД» подается сигнал управления на пуск обоих приемопередатчиков ПВ3-ВЧ и ПВЗ-ОК. Сигналы управления «Пуск ПРД» манипулирование сигналом промышленной частоты 50 Гц, получаемого из токов короткого замыкания (КЗ) с помощью фильтра симметричных составляющих. При этом фазы сигналов манипуляции совпадают и приемопередатчики ПВ3-ВЧ и ПВ3-ОК одновременно включаются и одновременно выключаются. Сигналы на выходах «Вых.ПРМ» приемопередатчиков ПВЗ-ВЧ и ПВЗ-ОК имеют значительную переменную составляющую 50 Гц, что приводит в действие терминалы защиты КВЛ с формированием сигналов команд «откл.В1» и «откл.В2» на отключение выключателей В1 и В2 и, таким образом, участок КВЛ отключается с обеих сторон.

Если короткое замыкание возникнет вне защищаемого участка КВЛ, например, в электрической сети, прилегающей ко второму полукомплекту аппаратуры (ПС2), то для терминала защиты, расположенного на ПС2, направление потока мощности будет осуществляться «от защищаемой линии к шинам ПС», а для терминала защиты, расположенного в первом комплекте (ПС1), направление потока мощности будет в наоборот «от шин ПС к защищаемой линии». В этом случае сигналы манипуляции «Пуск ПРД» от терминалов защиты, расположенных по разным концам защищаемой линии, оказываются смещенными по фазе на 180°, в результате чего приемопередатчики ПВ3-ВЧ и ПВ3-ОК, получая сигнал «Пуск ПРД», будут работать поочередно.

Вследствие этого исчезает переменная составляющая в сигналах «Вых.ПРМ», поскольку в результате суммирования сигналов по схеме «лог.ИЛИ» паузы в поступающем на вход каждого из приемопередатчиков сигнале будут заполнены импульсами сигнала управления «Пуск ПРД». Отсутствие переменной составляющей в сигнале «Вых.ПРД» обеспечивает блокирование защит на обоих концах защищаемого участка линии. Сигналы «откл.В1», «откл.В2» на отключение выключателей формироваться не будут и защищаемый участок КВЛ остается в работе, а короткое замыкание будет селективно отключено защитами того элемента электрической сети, на котором оно возникло.

Преимущества заявляемого изобретения заключаются в обеспечении возможности организации защиты КВЛ за счет использования в качестве основных защит хорошо зарекомендовавших себя дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) или дистанционно направленной с ВЧ блокировкой (НВЧЗ). Кроме того, снижаются затраты на организацию каналов связи по КВЛ за счет построения на воздушном участке высокочастотного (ВЧ) канала, требующего существенно меньших затрат, чем стоимость прокладки на этом же участке волоконно-оптического кабеля (ВОК) большой протяженности.

За счет реализации канала по основному участку в виде высокочастотной среды и сокращения длины волоконно-оптического участка минимизируется вероятность обрыва кабеля ВОК, что способствует повышению надежности и отказоустойчивости.

Заявляемое изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к релейной защите кабельно-воздушных линий (КВЛ) электропередач 35-750 кВ, и может быть использовано для сопряжения сигналов релейной защиты, проходящих по разным средам передачи: высокочастотный сигнал (ВЧ) по фазному проводу линии и цифровой сигнал по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое к защите изобретение, заключается в повышении надежности и отказоустойчивости. Указанный результат достигается тем, что устройство сопряжения сигналов релейной защиты, проходящих по разным средам передачи при организации гибридного канала связи на кабельно-воздушных линиях 35 кВ и выше, размещаемое между двумя разнесенными по концам кабельно-воздушных линий двумя полукомплектами аппаратуры релейной защиты вблизи границы перехода сред передачи сигналов защит, а именно воздушной линии в кабельную. Устройство сопряжения сигналов релейной защиты представляет собой конвертор с высокочастотным и оптическим интерфейсами, взаимосвязанными с соответствующим полукомплектом аппаратуры релейной защиты, и оснащенное источником энергопитания, фильтром присоединения и конденсатором соединения, через которые связано с воздушной линией. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство сопряжения сигналов релейной защиты, проходящих по разным средам передачи при организации гибридного канала связи на кабельно-воздушных линиях 35 кВ и выше, размещаемое между двумя разнесенными по концам кабельно-воздушных линий полукомплектами аппаратуры релейной защиты вблизи границы перехода сред передачи сигналов защит, а именно воздушной линии в кабельную, представляющее собой конвертор с высокочастотным и оптическим интерфейсами, взаимосвязанными с соответствующим полукомплектом аппаратуры релейной защиты, и оснащенное источником энергопитания, фильтром присоединения и конденсатором соединения, через которые связано с воздушной линией.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника энергопитания используют трансформатор отбора мощности.