Устройство для селективной защиты сети переменного тока с токоограничивающими автоматами Советский патент 1983 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к релейной защите и может быть использовано в сетях переменного тока автономных энергосистем. Известны устрсэйства селективной защиты участков сетей переменного и постоянного токов, в основу которы положен дифференциальный принцип. Основной их признак- абсолютная селективность - вытекает из принципа непрерывности энергетического тока Недостатком известных устройств защиты, не позволяющим использовать. их в энергосистемах С токоограничивающими автоматами, является их низкое быстродействие, По принципу дей.ствия известные устройства дифференциальной защиты можно разделить на следующие группы устройства, реагирующие на действую щее значение Токов в присоединениях защищаемого участка,- устройства, реагируйщие на мгновенное значение эти токов; устройства, реагирующие на мгновенное значение первой производ ной этих токов по времени. Первая группа устройств имеет собственное время срабатывания в диапазо,не 0,02ОД с, вторая группа устройств; в диапазоне- 0,002-0,02 CJB зависимос ти от типа реагирующего орга.на и от кратности тока короткого замыкания .по отнсааению к уставке срабатывания) Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство дифференциальной защиты, реагируквдее на мгновенное значение первой производной тока, замыкгиоцего ся в пределах защищаемого участка. . В данном устройстве датчики производ ной тока, устанавливаемые в присоеди нениях защищаемого участка, через входные преобразователи подключешл к сумматору, выход которого связан с одним из входов элемента сравнения к другому входу которого подключен орган задания параметра срабатывания а выход элемента сравнения через пороговый орган соединен с цепями отключения токоограничивающих автома тов. Собственное время срабатывания данной защиты, при работе по прямсялу назначению в сети постоянного тока, составляет несколько десятков микросекунд и обусловлено, главным образо переходными процессами во входных це пях защиты. В принципе, подобная защита работоспособна и в сети перемен ного тока 2. Однако быстродействие ее при этом намного ниже в силу того, что оно определяется уже переходными процессами в первичной сети, характеризующимися значительно большкът постоянными времени и значите;1ьно более сложным характером чем на постоянной токе., в силу большего числа факторов, влияющих на их протекание. Такое быстродействие совершенно неудовлетворительно для сетей с токоограничивающими автоматическими выклю чателями. Цель изобретения - повышение быстродействия. ПосТа-вленная цель достигается тем, что в устройство для селективной защиты сети переменного тока с токоограни-чивающими автоматами, содержащее датчики производной тока в каждом присоединении защищенной сети, последовательно соединенные с преобразователями, подключенными к сумматору, выход последнего функционально свя,зан с одним входом элемента сравнения, .к другому входу которого подключен орган задания параметра/ срабатывания а выход элемента сравнения через пороговый элемент соединен с цепями отк.пючения токоограничивающих автоматов, дополнительно введены выпрямители, второй сумматрр, элементы вычитания, элемент регулирования коэффициента передачи по каналу произвбдной сквозного тока, при этом выход первого сумматора через выпрямитель соединен с первым входом эле- , мента вычитания, выход которого поди ключен к элементу сравнения, выходы преобразователей через выпрямители по числу присоединений подключены ко входам второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго элемента вычитания, ко второму входу которого подключен выход первого выпрямителя, а выход второго элемента вычитания через элемент : регулирования коэффициента передачи по каналу производной сквозного тока . подключен ко второму входупервого | элемента вычитания. . : На фиг.1 данафункциона пьная схема устройства для селективной защиты сети переменного тока с токоограничивающими автоматами; на фиг.2 - график зависимости быстродействия защиты в зависимости от кратности входного сигнала. Устройство (фиг.1) содержит датч:ики 1-3. производной тока в каждом присоединении сети, преобразователи 4-6, сукалатоЕад 7 и 8, выпрямители 9 и 10, элементы .вычитания 11 и 12,орган задания параметра срабатывания 13, элемент сравнения 14, пороговый элемент 15, элемент регулирования коэффициента передачи по каналу производной сквозного тока 16. входы блока выпрямителей 10 подключают 6 параллель со входами сумматора 7 ко входным преобразователям 4-6, а его выходы - к суиматору 9 При включении устройства защиты в.фаботу tia выходе сумматора 8 возникает электрический сигнал Sg , пропорциональный по амплитуде сумме модулей первых производных токов во всех присоединениях защищаемого участка Геометрической интерпретацией пр веденного выражения является проекц многоугольника, составленного векто рами производных полного тока защищ мого участка сети, на произвольную временную ось. В общем случае, при новременном наличии на защищаемом участке тока внутреннего замыкания и сквозного тока, многоугольник замыкается вектором производной тока внутреннего короткого замыкания. Чтобы определить проекцию сквозного TOKaScKgl J.-/на ту же временную ось, нужно из проекции многоугольни производных полного тока вычесть проекцию производной тока внутренне короткого замыкания

di.

С){

ем. КЗ

(2)

dt

л

Гг1

Сигнал, пропорциональный первой производной сквозного тока, формируется при включении устройства защиты в.работу на выходе элемента вычитания 12. Для этого сигнал с выхода

сумматора 8 подают на первый вход элемента вычитания 12, а на его второй вход подают выпрямленный выпрямител.ем 9 сигнал с выхода сумматора 7i Сигнал SCKB пропорциональный первой производной сквозного тока

через защищаемый участок, используют для уменьшения уровня сигнала небсшланса 5 входе порогового органа путем вычитания первого сигна« ла -из второго..

Сигнал небаланса возникает на выходе сумматора 7 (и, соответственно

выпрямителя 9) при протекании через защищаемый участок сквозного тока большой кратности. Вычитание йыполняет элемент вычитания 11; к прямому входу которого подключен выход выпрямителя 9, а к инвертирующему выход элемента, регулирующего коэффициент передачи по каналу производной сквозного тока 16, вход котррого подключен к выходу элемента вычитания 12. При включении устройства защиты в работу на выходе элемента вычитания 11 возникает электрический сигнал « .

-ftS (.W

v dt

-

CK6 dt

s1

где /5 - коэффициент передачи по кааа лу сквозного тока.

Второе слагаемое выражение ГЗ) позволяет в рассматриваемом режиме уменьшить значение третьего слагаемого, при условии, что выражение (З/з целом будет отрицательным или равным нулю, и ложного срабатывания защиты не произойдет. Его уровень определяется коэффициентом /з, минимально допустимое значение которого по условию отсутствия ложного срабатывания защиты можно определить :из (З ) с учетом (4 ) , ,

- .

I 24К -к К (5Й:)

; . /тах NSv dr-t /ср /-..

Pwin:А Пi(

СКВ

/тмх

В режиме дугового замыкания на Защищаемом участке с большим остаточным напряжением одновременно с током внутреннего замыкания через .этот участоА может протекать и сквозной ток - ток отсоса в,нагруз- ку - превышающий ток внутреннего замы:кания. При этом в выражении (З ) в наличии все три слагаемые, но защита срабатывает только в случае, когда первое слагаемое превышает по абсо. величине сумму двух других. Это условие выполняется, если коэффициент, определяемый для рассматриваемого режима из (З), не превышает не которого максимального значения

.(6)

Р.

moix

СКВ Оптимальное значение коэффициента уз определяется режимами работы защищаемого участка сети. В режиме предельных сквозных токов через защищаемый участок первое слагаемое выраже- ние ( 3 I равно нулю лишь при о тсутствии погрешностей у датчиков и входных преобразователей. У реальных устройств, всегда имеются погрешности относительно номинального коэффициента передачи, обозначаемые ±дК,которые Лриводят к появлению погрешности выполнения операции формирования контролируемого параметра, т.е. к появлению сигнала небаланса на выходе блока 11 при протекании через защищаемый участок больших сквозных токов. Если сквозной ток протекает через пи (г+1)-ь1й датчики, имеющие максимальные значения погрешности разного знака, то сигнал небаланса равен .-, ( .-(V - axj- Таким образом, выражения ( 5 ) и (б J определяют диапазон допустимых по условиям нормаль/Ной работы защи значений коэффициента передачи по каналу Лвозного тока ( Пороговый орган устройства защи состоящий из блоков 13-15, работае аналогично соответствующему органу прототипа. Поэтому полный аморитм работы устройства селективной защи на токоограничивающих автоматах мож но представить в виде П J. j /r r-dfhScKB -м;(М| .г- команда на отключение; уровень сигнала на. отключение;текущий номер; количество присоединений защищаемого участка/ коэффициент преобразования Г-го датчика, полный ток в г-ТОЙ ветви защищаемого участка; коэффициент преобразования входного преобразрва теля; заданное значение параметр СР срабатывания защиты (порог срабатывания ), Датчики производной тока вырабатывают сигнал, характеризующий скорость изменения токов, протека адих по присоединениям здаищаемого участ ка, т.е. сигнал об их первых производных по времени ,:J (cos u,,)(-f-, dt Krm у Т„/ где г- текущий номер (присоединени защищаемого участка, датчика входного преобразователя);. начальное значение апериоди ческой составляющей тока, короткого Замыкания; постоянная времени первично сети, определяемая в точке короткого замыкания. Собственное время срабатывания защиты определяют путем подстановки в. (8 ) значений производных и разрешения полученного уравнения относительно времени. Решение, полу ченное для этих значений постоянной времени и разности углов otr ц (наихудших начальных условий ) , предста лено графически на фиг.2. По оси аб сцисс графика отложены относительные значения производной, тока внутреннего короткого замыкания в логарифмическом масштабе (за базу принимается заданное значение параметра срабатывания } по оси 4 ординат обозначено время. Выбор -оптимального значения коэффициента передачи по каналу производной сквозного тока по условиям ; ..((7 ) позволяет обеспечить згшанное значение параметра срабатывания не более 0,5. При кратности входного сигнала относительно номинального значения порядка 10 (такой же, как для прототипа ), собственное время срабатывания защиты -fccj получается в соответс.твии с графиком (фиг.2Г равным 0,125 мс, т.е. уменьшается по сравнению с прототипом более, чем на порядок. Такое быстродействие позволяет обеспечить выполнение селен тивной защиты участков сети переменного тока на базе токоограничивающих автоматических выключателей. Конкретная схемная реализация устройства селективной защиты на тонкоограничивающих автоматах так же, как и его структура, определяется целью изобретения и сводится к обеспечению минимального запаздывания при прохождении электрических сигналов по цепям устройства. С этой целью в качестве датчиков производной тока используют-воздушные трансформаторы токаг либо трансфакторные датчики на карбонильном железе. Входные преобразователи в последнем случае выполняют на базе обычных резистивных делителей, согласованных с волновым сопротивлением линий связи Суглиаторы и выпрямители логического блока устройства защиты, показанные на фиг.1 в наиболее общем виде, выполнены по .известным схемам.на базе операционных усилителей (в последнем варианте устройств использованы усилители типа К140УД8АК Выпрямители выполняются на операционных усилителях с. целью уменьшения прямого падения напряжения на этих элементах, т.е. уменьшения адитивной погрешности измерения (особенно при малых крайностях токов в присоедине ниях защищаемого участка ). Пороговый элемент устройства защиты, состоящий Из блоков 13-15, выполнен на базе одного компаратора. В энергетике и в релейной защите задача ускорения, ликвидации аварий нызс режимов работы энергосистемы и их последствий всегда была и остается весьма актуальной. Ускорение отключения коротких замыканий в системе уменьшает степень повреждаемости основного оборудования, снижает опас,-, ность возникновения пожара, уменьшает недоотпуск энергии потребителям, повыиает ее качество, повышает устойчивость параллельной работы в системе .

Ликвидация аварийных режимов с помощью коммутационных гтпаратов, обес.печивающих ограничение ударного тока, короткого заквлкания, сулит еще более ощутимые преимущества, так как помимо того, что при ЭТОМобеспечивается

i минимально возможное время отключанн практически исключающее термическое воздействие тока короткого замыкания на оборудование, значительно уменьшается и его динамическое действие, вызывающее самые серьезные повреждения . 15 На базе перечисленных аппаратов выполняются неселективные и ограничен -, налселективные системы защиты простейших участков сети. Например, имеются схемные решения, предусматривающие 20 использование подобных аппаратов в качестве шиносоединительных выключателей, которые при возникновении

аварийного режима расчленяют энергосистему на отдельные участки, снижая, тем самым, подпитку точки короткого замыкания и облегчая отключение.

Некоторые схемные решения предус- , матривают защиту с помощью токоограничивающих автоматов радиальных участ; ков распределительнсэй сети,отключение которых при возникновении замыкания происходит так же неселективно, а затем логическое .устройство производит каскадное АПВ неповрежденных участков. Все решения, подобные описанным являются полумерами, связанными к со значительными послеаварийными нарушениями режима работы энергосистемы. ,

Предлагаемоеустройство селективной защиты на токоограничивающих автоматах х)беспечивает создание защиты, обла:ОбЛс1дающей абсолютной селективностью:и пригодной для любых участков электрической сети. .

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКТИВЙОЙ . ЗАЩИТЫ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ТОКО;ОГРАНИЧИВАЮЩИМИ АВТОМАТАМИ/ содержаЧ щее датчики производной тока в каждо присоединении защищаемой сети, после довательно соединенные с преобразова телями, по вслюченными к сумматору, выход последнего функционально связан с одним элемента сравне- ния, к другому входу которого подклй чен орган задания параметра срабатывания, а выход элемента сравнения через пороговый орган соединен с цепями отключения токоограничивающих автоматов, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, дополнительно введены выпрямители, второй сумматор, элементы вычитания, элемент регулирования коэффициента передачи по каналу производной сквозного тока, при этом выход первого сумматора через выпрямитель соединен с первым входом элемента вычитания, выход которого подключен к элементу сравнения, выходы преобразователей через выпрямители по чис- jiy присоединений подключены ко входам § второго сумматора, выход которого сое- динен с первым входом второго элемен- та вычитания, ко второму входу котьрого подключен выход первого выпрями теля, а выхбд второго элемента вычитания через элемент регулирования коэффициента передачи по каналу прои водной сквозного тока подключен ко второму входу первого элемента вычит ния.