Устройство для защиты линии электропередачи Советский патент 1977 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к области автоматизации энергетических систем и может быть использовано в схемах релейной защиты и автоматики.

Известны устройства для защиты линии электропередачи, содержащие высоковольтные трансформаторы тока и напряжения, промежуточный трансформатор тока, пассивную модель линии электропередачи и индукциоииое или магнитоэлектрическое реле.

Известные устройства для защиты линии электропередачи с использованием модели этой линии имеют следующие недостатки: не исключено влияние на работу реле высщих гармонических составляющих тока короткого замыкания, что обусловлено трудностями моделирования объектов, описываемых дифференциальными уравнениями высших порядков, на пассивных элементах; отсутствует унификация элементов устройства, устройства имеют больщие габариты и вес из-за включения индуктивных элементов; используются реле, реагирующие на действующее значение подводимых напряжений.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для защиты линии электропередачи, содержащее преобразователи токнапряжение и напряжение-напряжение, подключенные к сравнивающему блоку, состоящему из прецизионного однополупериодного выпрямителя, один из выходов которого через один из входов сумматора подключен к входу компаратора.

Устройство характеризуется правильной работой при подаче на его вход строго синусоидальных электрических величин с частотой 50 ГЦ. При переходных процессах, сопровождающ; хся появлением свободных составляющ,их, устройство может сработать ложно. Для отстройки от свободных составляющих могут быть использованы полосовые фильтры либо осуществлена отстройка по времени. Для увеличения быстродействия и точности

работы в предлагаемое устройство для защиты линии электропередачи дополнительно введены блок для моделирования линии, инвертор, электронный ключ, формирователь комментирующего сигнала с колебательным

звено и дополнительным сумматором и блок для смещения. Выход преобразователя токнапряжение через блок для моделирования подключен к первому входу сумматора непосредственно, а через инвертор и электронный

ключ к второму его входу. Выход преобразователя напряжение-напряжение подключен одновременно к третьему входу сумматора, к первому входу дополнительного сумматора и к входу прецизионного однополупериодного

выпрямителя, другой выход которого через колебательное звено поключен к второму входу дополнительного сумматора, подключенного своим выходом к управляющему узлу электронного ключа, а блок для смещения подключен к второму входу компаратора. На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - приведена временная диаграмма напряжений, при коротком замыкании вне защищаемого участка Ki; на фиг. 3 - временная диаграмма напряжений при коротком замыкании на защищаемом участке KZ, на фиг. 4 - временная диаграмма напряжений при коротком замыкании в точке КзУстройство состоит из преобразователей 1 и 2 ток-напряжение и напряжение-напряжение, модели 3 линии электропередачи и схемы 4 сравнения, в которую входят прецизионная схема формирования модуля, состоящая из прецизионного однополупериодного выпрямителя 5 и сумматора 6, блок формирования коммутирующего сигнала, состоящий из колебательного звена 7 и сумматора 8, инвертор 9, электронный ключ 10, компаратор 11, и блок 12 смещения. Схема замещения линии электропередачи с двусторонним питанием состоит из сосредоточенных сопротивлений 13, индуктивности 14, сопротивлений 15, емкостей 16. Модель линий электропередачи содержит сопротивление 17, емкости 18, 19 и сопротивление 20. Электронный ключ выполнен из сопротивлений 21 и 22. Блок формирования коммутирующего сигнала содержит емкость 23, сопротивления 24, 25, емкости 26 и сопротивление 27. Преобразователи 2 и 3 ток-напряжение и напряжение-напряжение могут быть выполнены на пассивных либо на активных элементах, электронный ключ 10 может быть инте- гральным или изготовлен на дискретных полупроводниковых элементах, остальные элементы схемы выполнены на операционных усилителях, в частности, интегрального типа. Устройство работает следующим образом. Напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение, пропорциональное току защищаемой линии -электропередачи, поступает на вход модели 3 линии электропередачи. Напряжение с выхода модели электропередачи - на первый вход сумматора 6, а через инвертор 9 и электронный ключ 10 на второй вход этого сумматора. Напряжение с выхода преобразователя 2 напряжение-напряжение подается на входы прецизионного однополупериодного выпрямителя 5 и сумматора 6 прецизионной схемы формирования модуля, а также на первый вход сумматора 8 блока формирования коммутирующего сигнала и через однополупериодный выпрямитель 5 и колебательное звено 7 на второй вход сумма тора 8. Напряжение с выхода сумматора 8 подается в цепи управления электронного На сумматоре 6 прецизионной схемы фор ирования модуля суммируются сигналы, потупающие по цепям преобразователя 2 наряжение-напряжение, и сигналы, постуающие по цепям модели 3 линии электропеедачи. Суммарный сглаженный сигнал потупает на первый вход компаратора 11, на торой его вход подается напряжение блока 2 смещения. В различных режимах работы инии электропередачи полярность напряжеия на выходе сумматора 6 различна, что риводит к срабатыванию либо несрабатываию компаратора 11. Блок смещения служит для фиксирования олярности выходного напряжения компаатора 11 при отсутствии сигнала на выходе умматора 6 и для задания уровня обрабатыания. Параметры и схема модели определятся по расчетным параметрам схемы замеения линии электропередачи, один из вариантов которой в однофазном исполнении представлен на фиг. 1. Сопротивление петли короткого замыкания без учета влияния сопротивления дуги в операторной форме имеет вид 1 7 1/Л,б + PCie + I /Й13 + PLu где 15, Ri3, Ci6, jLi4 - параметры схемы замещения защищаемого участка линии электропередачи, приведенной на фиг. 1. Передаточная функция модели линии электропередачи должна иметь вид (Р) - (Р) - J 1 pf. р W - Р 1 + РС,в/,з + Аналогичной передаточной функцией обладает рещающий усилитель, содержащий во входной цепи и цепи обратной связи пассивные С-звенья. I АО AI + pT + ., где Ло ,; AI : 1 ,Ci,; 7 J,. Соотнощения параметров схемы замещения линии и модели 3 должны быть следующими: АО Г) гг- CD т 14 - «1 - u-Xisi а - „ AIKj3 Г Г / т 1/ а - Oi,Lj4. Рассмотрим три характерных случая короткого замыкания на линии электропередачи; вне защищаемого участка Кь в защищаемом участке /(2 и в точке Кз («за спиной). Параметры устройства подобраны таким образом, что при коротком замыкании вне защищаемого участка в точке Ki напряжение

на выходе преобразователя 2 напряжение-- напряжение Ua(t) больше по амплитуде напряжения f/мГО на выходе модели 3 (фиг. 2,а). Сдвиг фаз между напряжениями U3i(t) и Uu(t) обусловлен погрешностью моделирования линии электропередачи.

Напряжение f/nfO с выхода преобразователя напряжение-напряжение поступает на входы прецизионной схемы формирования модуля, состояш:ей из прецизионного однополупериодного выпрямителя 5 и сумматора 6. Выходное напряжение схемы формирования модуля имеет положительную полярность (фиг. 2,6, пунктирная линия i7 ). Напряжение Un(t) подается, кроме того, на первый вход сумматора 8 блока формирования коммутирующего сигнала. Это напряжение инвертируется сумматором 8 и отрицательной полуволновой открывает, а положительной запирает измерительный вход электронного ключа 10.

Сопротивление по первому входу сумматора 6 равно 12, а по второму /2 Riz, поэтому суммарный сигнал на выходе сумматора 6 по этим входам имеет отрицательную полярность фиг. 2, 5 пунктирная линия f/J ). Положительные выбросы этого напряжения появляются из-за погрешности моделирования. Общий суммарный сигнал на выходе сумматора 6 показан на фиг. 2, б сплошной линией U-.

Сглаженное значение суммарного сигнала f/2 на выходе сумматора 6 положительное (фиг. 2, 0). Напряжение f/s с выхода сумматора 6 подается на первый вход компаратора, на второй вход которого поступает напряжение смещения. Напряжение смещения подбирается небольшим (милливольты), поэтому для простоты рассуждений можно пренебречь им. В результате воздействия напряжения f/E компаратор 11 удерживается в исходном состоянии (фиг. 2, г).

При коротком замыкании на защищаемом участке в точке Kz амплитуда напряжения 0(0 на выходе модели 3 линии больше амплитуды напряжения (t) на выходе преобразователя 2 напряжение-напряжение (фиг. 3, а). Работает устройство аналогично рассмотренному выше. Временные диаграммы напряжения показаны на фиг. 3, б, в, г. При этом компаратор 11 изменяет полярность выходного сигнала, поскольку сглаженное значение суммарного сигнала t/s на выходе сумматора 6 отрицательное.

При коротком замыкании в точке Кг («за спиной) фаза напряжения f/wfO на выходе модели 3 линии электропередачи изменяется на 180°С, в результате чего суммарный сглаженный сигнал f/s имеет положительную полярность, и компаратор 11 надежно удерживается в исходном состоянии (фиг. 4, а-г}.

Включение дополнительных элементов на

линии электропередачи (реакторов, конденсаторов и т. д.), а также влияние сопротивления дуги можно учесть соответствующим изменением схемы модели линии. Рассмотрим более подробно работу блока формирования коммутирующего сигнала, который служит для устранения мертвой зоны при близких коротких замыканиях, когда напрян ение U(t) оказывается недостаточным для коммутации электронным ключом. В нормальном режиме работы защищаемой линии на вход колебательного звена, настроенного на частоту 50 гц, поступает напряжение с этой же частотой с выхода однополупериодного выпрямителя 5. Параметры колебательного звена подобраны таким образом, что на входе при этом имеют место колебания напряжения с той же частотой и в противофазе с входным напряжением. Это напряжение с

выхода колебательного звена, подаваемое на второй вход сумматора 8. находится в фазе с напрялгением, подаваемым на первый вход сумматора 8, так как дважды инвертируется операционными усилителями. Суммарное напряжение управляет ключом.

При близком коротком замыкании исчезают сигналы с выхода преобразователя напряжение-напряжение, а следовательно, сигналы на входе колебательного звена 7 и первом входе сумматора 8. При этом колебательное звено 7 продолжает генерировать затухающие колебания с частотой 50 гц. которые через сумматор 8 поступают в ттепи управления электронным ключом. Передаточная функция колебательного звена 7 при B BZ

рС,з

g;, (1 + рВу)

( + .ВЗ +pBi

pRisC s 1+рВз +

где В, , B, R,,C,,, 5, .

Условиями выбора параметров колебательного звена 7 являются выражения

I «о- г- резонансная частота;

О - - добротность; оз

т -

Ъ - arctg

фазовый сдвиг. (йВ,

Использование новых элементов модели линии электропередачи, инвертора, электронного ключа, блока формирования коммутирующих сигналов с колебательным звеном и сумматором, блока смещения выгодно отличает предлагаемое устройство для защиты линии электропередачи от известного, так как существенно увеличиваются быстродействие и точность. Эти параметры имеют низкие показатели у известного устройства из-за наличия свободных составляющих переходного процесса, особенно в длинных сильно нагруженных линиях высокого и сверхвысокого напряжения.

Кроме того, предлагаемое устройство построено в основном на операционных усилителях, в частности, интегрального исполнения, вследствие чего обладает высокой степенью унификации узлов, малой потребляемой мощностью от источников сигналов, небольшими весом и габаритами.

При испытаниях макета предлагаемого устройства на электродинамической модели получено быстродействие в пределах 10 мсек.

Формула изобретения

Устройство для защиты линии электропередачи, содержащее преобразователи ток- напряжение и напряжение-напряжение, подключенные к сравнивающему блоку, состоящему из прецизионного однополупериодного выпрямителя, один из выходов которого через один из входов сумматора подключен к входу компаратора, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия и точности работы, в него дополнительно введены блок для моделирования линии, инвертор, электронный ключ, формирователь коммутирующего сигнала с колебательным звеном и дополнительным сумматором и блок для смещения, причем выход преобразователя ток- напряжение через блок для моделирования подключен к первому входу сумматора непосредственно, а через инвертор и электронный ключ к второму его входу, выход преобразователя напряжение-напряжение подключен одновременно к третьему входу сумматора, к первому входу дополнительного сумматора и к входу прецизионного однонолупериодного выпрямителя, другой выход которого через колебательное звено подключен к второму входу дополнительного сумматора, подключенного своим выходом к управляющему узлу электронного ключа, а блок для смещения подключен к второму входу компаратора.

И: 23 2f г-71 Г г,/ / -Д:„1 (г ;х ТТ . I l. -t 1 + I

а т

i ,тщ

Zvv7

УП

ЛЬА

вш

iPus.2

8ш

г -

УОШ

Фиг.З

(Pus.