Устройство частотной токовой защиты кабельных линий

 

Использование: в схемах электроснабжения промышленных предприятий на кабельных линиях выше 1000 В. Сущность: устройство частотной токовой защиты кабельных линий содержит блоки аппаратуры на питающей и приемной подстанциях, соединенные линией связи, каждый из которых включает приемопередатчик частотного сигнала, выключатели, а блок на питающей подстанции содержит комплект максимальной токовой защиты. Канал связи образован металлической оболочкой кабеля и землей. Устройство дополнительно содержит трансформаторы частотного сигнала, одна из обмоток каждого из которых соединена с приемопередатчиком, а другая обмотка включена в цепь заземления оболочки кабеля, блок аппаратуры на питающей подстанции дополнительно содержит логическую схему. Блок аппаратуры на приемной подстанции дополнительно содержит комплект датчиков тока нагрузки на подстанции, датчик напряжения на шинах подстанции и логическую схему. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в схемах электроснабжения промышленных предприятий на кабельных линиях выше 1000 В.

Известно, что в электрических сетях возможны короткие замыкания. Токи короткого замыкания могут достигать больших величин и приводят к значительным ущербам электротехнического оборудования.

Для снижения ущерба от токов короткого замыкания требуется сократить до минимума время его протекания. Наименьший ущерб от токов будет при времени действия защиты, равном нулю. Но на максимальной токовой защите (МТЗ) питающей кабельной линии для обеспечения селективности действия защиты при коротких замыканиях (КЗ) необходимо устанавливать выдержку времени.

К таким устройствам относятся устройства продольной дифференциальной защиты линий, содержащие комплект трансформаторов тока питающей подстанции, соединенный с комплектом трансформаторов тока приемной подстанции (Чернобровов Н.В. Релейная защита, М. Энергия, 1971, с. 232-235). Недостаток этого класса устройств заключается в том, что для соединения двух комплектов трансформаторов необходим специальный контрольный кабель (многожильный с малым сечением жил), уложенный в отдельной траншее, так как его нельзя класть в ту же траншею, что и защищаемый кабель. Поэтому эта защита применяется крайне редко для очень ответственных объектов.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату можно отнести устройство для высокочастотной токовой защиты, содержащее блоки аппаратуры на питающей и приемной подстанциях, соединенные линией связи, каждый из которых включает передатчик частотного сигнала, приемник сигнала и выключатели, а блок на питающей подстанции содержит токовые реле и реле времени (там же, с. 353 359). Этот тип устройств применяется для линий электропередач (ЛЭП), напряжением 110 кВ и выше. В качестве линии связи используется один из трех проводов ЛЭП, к которому через катушки индуктивности специальные высоковольтные конденсаторы присоединяются приемопередающие блоки. Сигналы высокой частоты передаются по высоковольтному проводу ЛЭП. Оборудование канала связи рассчитано на высокие напряжения, имеет большие габариты, требует специального места, сама высокочастотная часть и релейная часть очень сложные и дорогие.

Для кабельных линий в силу изложенного такого типа устройства не применяются.

Изобретательской задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание малогабаритного устройства для частотной токовой защиты кабельных линий промпредприятий напряжением 3-35 кВ и расширение диапазона применения частотной защиты в зону меньших напряжений (по сравнению с применяемыми ЛЭП).

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве частотной токовой защиты кабельных линий (в дальнейшем устройстве), содержащем блоки аппаратуры на питающей и приемной подстанциях, соединенные каналом связи, каждый из которых включает приемопередатчик частотного сигнала, логическую схему, выключатель кабельной линии с приводом и катушкой отключения и комплект трансформаторов тока. Блок аппаратуры на питающей подстанции дополнительно содержит комплект максимальной токовой защиты, вход которого соединен с выходом комплекта трансформаторов тока, а выход соединен с отключающей катушкой привода выключателя кабельной линии. Привод выключателя содержит замыкающий и размыкающий контакты. Логическая схема по входу соединена с выходом приемника приемопередатчика, по одному выходу соединена с входом комплекта максимальной токовой защиты, а по другому выходу с входом приемника приемопередатчика через размыкающий контакт привода выключателя, замыкающий контакт привода выключателя включен в цепь питания приемопередатчика и логической схемы. Логическая схема на приемной подстанции по одному входу соединена с выходом комплекта датчиков тока и напряжения, входы которого соединены с выходами комплекта трансформаторов тока и трансформатора напряжения на приемной подстанции, по второму входу с выходом приемника приемопередатчика, а по выходу с отключающей катушкой привода выключателя кабельной линии. Канал связи образован металлической оболочкой кабеля и землей соединенными заземляющими проводниками. В каждый блок аппаратуры введен трансформатор частотного сигнала, одна из обмоток которого служит заземляющим проводником, а другая соединена с приемопередатчиком. Логическая схема на питающей подстанции выполнена с возможностью обеспечения отключения выключателя кабельной линии без выдержки времени при коротком замыкании в зоне между трансформаторами тока питающей и приемной подстанций и обеспечивает селективную работу максимальной токовой защиты при коротком замыкании вне этой зоны логическая схема на приемной подстанции выполнена с возможностью обеспечения кратковременного питания приемника приемопередатчика и отключения выключателя кабельной линии после отключения выключателя кабельной линии на питающей подстанции. Логическая схема блока аппаратуры на питающей подстанции составлена из последовательно соединенных генератора пилообразного напряжения, порогового устройства, реле однократного действия, разделительного диода и конденсатора источника питания приемопередатчика, вход генератора пилообразного напряжения образует вход логической схемы, выход реле однократного действия образует первый выход логической схемы, а катод разделительного диода и положительный вывод конденсатора второй выход логической схемы. Логическая схема блока аппаратуры на приемной подстанции составлена из реле контроля напряжения на шинах приемной подстанции, включенного в цепь управления тиристором, включенного в цепь питания реле отключения выключателя кабельной линии, разделительный диод и конденсатор - источник питания приемопередатчика, размыкающий контакт реле контроля напряжения на шинах приемной подстанции образует первый вход логической схемы, анод разделительного диода образует второй вход логической схемы, а замыкающий контакт реле отключения выключателя кабельной линии выход логической схемы.

Такое выполнение устройства позволяет сделать его малогабаритным и обеспечить отключение выключателя питающей подстанции без выдержки времени при КЗ в кабеле и селективность действия МТЗ при внешних КЗ.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства: на фиг. 2 принципиальная схема устройства.

На фиг. 1 и 2 обозначено: 1 блок аппаратуры на питающей подстанции; 2 - блок аппаратуры на приемной подстанции; 3 приемопередатчик на питающей подстанции; 4 приемопередатчик на приемной подстанции; 5 выключатель кабельной линии (фидера) на питающей подстанции; 6 выключатель кабельной линии на приемной подстанции; 7 комплект МТЗ на питающей подстанции; 8 - трансформатор тока фидера на питающей подстанции 9 трансформатор тока фидера на питающей подстанции; 10 логическая схема устройства на питающей подстанции; 11 датчики тока и напряжения на приемной подстанции; 12 - трансформатор тока фидера на приемной подстанции; 13 трансформатор тока фидера на приемной подстанции; 14 трансформатор напряжения на приемной подстанции; 15 логическая схема устройства на приемной подстанции; 16 - металлическая оболочка кабеля; 17 трансформатор высокочастотного сигнала на питающей подстанции; 18 трансформатор высокочастотного сигнала на приемной подстанции; 19 разделительный диод на приемной подстанции; 20 конденсатор источник питания приемопередатчика 4; 21 генератор пилообразного напряжения; 22 пороговый элемент; 23 реле однократного действия; 24 - разделительный диод на питающей подстанции; 25 конденсатор источник питания приемопередатчика 3; 26 токовое реле МТЗ; 27 токовое реле MT3; 28 реле времени МТЗ; 29 реле контроля напряжения на шинах приемной подстанции; 30 тиристор; 31 реле отключения выключателя 6.

Устройство частотной максимальной токовой защиты кабельных линий содержит блоки 1 и 2 аппаратуры на питающей и приемной подстанциях, соединенные линией связи, каждый из которых включает в себя приемопередатчик 3 и 4, выключатели 5 и 6; блок 1 на питающей подстанции содержит комплект 7 МТЗ, вход которого соединен с трансформаторами тока, а выход с отключающей катушкой выключателя 5; логическую схему 10, на один вход которой подается сигнал с приемника 3, а на другой сигнал с блок-контактов привода выключателя 5; блок 2 на приемной подстанции содержит комплект 11 датчиков тока нагрузки подстанции и контроля напряжения на шинах подстанции, по входу комплект 11 соединен с трансформаторами тока 12 и 13 и с трансформатором напряжения 14, а по выходу с приемопередатчиком 4 и с логической схемой 15; логическая схема 15 по входу соединена с приемопередатчиком 4 и с комплектом датчиков 11, а по выходу с отключающей катушкой выключателя 6; блоки 1 и 2 связаны каналом связи, образованным металлической оболочкой кабеля 16 и землей. Устройство дополнительно содержит трансформаторы тока 17 и 18 частотного сигнала, одна из обмоток каждого соединена о соответствующим приемопередатчиком, а другая включена последовательно в цепь заземления кабеля.

Устройство работает следующим образом (фиг. 2): а) в нормальном режиме работы схемы электроснабжения и при сквозном КЗ (не в зоне действия устройства). При нормальной работе электроснабжения на приемной подстанции на выходе комплекта датчиков тока и напряжения 11 имеется выходное напряжение (комплект датчиков может быть выполнен как блок питания по току (БПТ) и напряжению (БПН)). Это напряжение подается на приемопередатчик 4 и через разделительный диод 19 на конденсатор 20. Нагрузкой передатчика является одна из обмоток трансформатора 18, другая обмотка которого включена в цепь заземления металлической оболочки кабеля 16. В контуре земля оболочка кабеля земля циркулирует сигнал частоты генератора 4. На питающей подстанции в этот контур включен трансформатор 17. Одна его обмотка включена в цепь заземления металлической оболочки кабеля, а с выхода другой сигнал подается на приемопередатчик 3. В приемопередатчике 3 работает только приемник (усилитель). Напряжение питания на него подается через замыкающий контакт выключателя 5. С выхода приемника сигнал высокой частоты поступает на логическую схему 10. В состав логической схемы входит генератор пилообразного напряжения (ГПН) 21, пороговый элемент 22, реле однократного действия 23, разделительный диод 24, конденсатор 25. При наличии высокочастотных сигналов в схеме ГПН вырабатываются сигналы пилообразной формы, а максимальное значение напряжений этих сигналов значительно ниже порога срабатывания порогового элемента 22. Так как выключатель включен то конденсатор 25 будет постоянно подзаряжаться через разделительный диод 24.

При КЗ в точке К1 (сквозное КЗ) на приемной подстанции генератор будет продолжать работать, так как с выхода комплекта 11 будет поступать напряжение. На питающей подстанции также не изменится состояние логической схемы. Однако максимальная токовая защита, включающая токовые реле 26 и 27 и реле времени 28, начнет работать. Одновременно начнет работать МТЗ на фидере, где произошло КЗ. Но так как уставка на реле времени в схеме МТЗ отходящей линии приемной подстанции меньше, чем уставка времени на реле 28, то произойдет отключение поврежденного участка, а выключатель 5 останется включенным; б) при коротком замыкании в кабеле. При КЗ в кабеле, например в точке К2, на приемной подстанции на выходе комплекта 11 напряжение будет отсутствовать. Прекратится работа генератора 4. На питающей подстанции на выходе приемника 3 будут отсутствовать сигналы высокой частоты, поэтому прекратится работа ГПН 21 и на его выходе напряжение достигнет значения срабатывания порогового элемента 22. С выхода порогового элемента сигнал подается на реле однократного действия 23. Особенность схемы этого реле состоит в том, что при подаче сигнала это реле срабатывает мгновенно, но по истечении 0,5-1,0 с его контакт размыкается даже при наличии сигнала на срабатывание. Возврат в исходное состояние производится путем снятия напряжения питания с реле. Контакт реле 23 включен таким образом, что сигнал с контактов токовых реле 26 и 27 подается на отключающую катушку выключателя 5. Таким образом, при КЗ в кабеле в кабеле мгновенно срабатывают токовые реле и почти мгновенно срабатывает реле 23 (задержка определяется временем нарастания напряжения на ГПН). Таким образом реле времени 28 исключается из работы при КЗ в кабеле.

При отключении выключателя 5 переключаются его блок-контакты. Снимается напряжение с приемника и с логической схемы 10. Напряжение питания на передатчик 3 подается с конденсатора 25 через размыкающий блок-контакт выключателя 5. Передатчик 3 выдает сигнал высокой частоты в канал связи в течение времени разрядки конденсатора 25. Этот сигнал высокой частоты через канал связи поступает на приемопередатчик 4. При отсутствии напряжения с комплекта 11 напряжение питания на приемную часть приемопередатчика 4 поступает с конденсатора 20. Сигнал высокой частоты через размыкающий контакт реле контроля напряжения 29 подается на управляющий электрод тиристора 30. Тиристор 30 включает реле 31. Реле 31 подает напряжение на отключающую катушку выключателя 6.

Таким образом, при коротком замыкании в кабеле происходит практически мгновенное отключение поврежденного кабеля с обеих сторон.

Отключение выключателя 6 приведет в действие устройство автоматического включения резервного питания приемной подстанции (не показано). Таким образом, устройство позволяет быстро восстановить напряжение на приемной подстанции при КЗ в кабеле.

Таким образом, устройство не требует специальной линии связи. Промышленная применимость устройства состоит в том, что устройство изготавливается из известных элементов.

Отличительной особенностью является устройство, позволяющее передать сигнал о коротком замыкании в зоне защищаемой линии по заземленной оболочке кабеля. При этом не требуется специального оборудования. Устройство работает на низком напряжении и доступно в эксплуатации, габариты этого устройства не более одного токового реле, так что вопрос о его размещении не стоит. Это устройство позволяет использовать уже существующую логическую часть релейной защиты без каких-либо дополнительных элементов кроме этого устройства. Однако подобная существующая защита вместе с предлагаемым устройством приобретает совершенно новое качество. Она распознает короткое замыкание в зоне своего действия и изменяет в связи с этим продолжительность протекания тока короткого замыкания. Для включения этого устройства не требуется никакого дополнительного оборудования, никаких дополнительных элементов кроме соединительных проводов и трансформаторов 17 и 18 (фиг.1 и 2). Но эти трансформаторы очень простые и будут поставляться вместе с устройством. Подключение их не связано ни с какими трудностями.

Формула изобретения

1. Устройство частотной токовой защиты кабельных линий, содержащее блоки аппаратуры на питающей и приемной подстанциях, соединенные каналом связи, каждый из которых включает приемопередатчик частотного сигнала, логическую схему, выключатель кабельной линии с приводом и катушкой отключения и комплект трансформаторов тока, блок аппаратуры на питающей подстанции дополнительно содержит комплект максимальной токовой защиты, вход которого соединен с выходом комплекта трансформаторов тока, а выход с отключающей катушкой привода выключателя кабельной линии, привод выключателя содержит замыкающий и размыкающий контакты, логическая схема по входу соединена с выходом приемника приемопередатчика, по одному выходу соединена с входом комплекта максимальной токовой защиты, а по другому выходу с входом передатчика приемопередатчика через размыкающий контакт привода выключателя, замыкающий контакт привода выключателя включен в цепь питания приемопередатчика и логической схемы, логическая схема на приемной подстанции по одному входу соединена с выходом комплекта датчиков тока и напряжения, входы которого соединены с выходами комплекта трансформаторов тока и трансформатора напряжения на приемной подстанции, по второму входу с выходом приемника приемопередатчика, а по выходу с отключающей катушкой привода выключателя кабельной линии, отличающееся тем, что канал связи образован металлической оболочкой кабеля и землей, соединенными заземляющими проводниками, в каждый блок аппаратуры введен трансформатор частотного сигнала, одна из обмоток которого служит заземляющим проводником, а другая соединена с приемопередатчиком, при этом логическая схема на питающей подстанции выполнена с возможностью обеспечения отключения выключателя кабельной линии без выдержки времени при коротком замыкании в зоне между трансформаторами тока питающей и приемной подстанций и обеспечивает селективную работу максимальной токовой защиты при коротком замыкании вне этой зоны, логическая схема на приемной подстанции выполнена с возможностью обеспечения кратковременного питания приемника приемопередатчика и отключения выключателя кабельной линии после отключения выключателя кабельной линии на питающей подстанции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что логическая схема блока аппаратуры на питающей подстанции составлена из последовательно соединенных генератора пилообразного напряжения, порогового устройства, реле однократного действия, разделительного диода и конденсатора источника питания приемопередатчика, вход генератора пилообразного напряжения образует вход логической схемы, выход реле однократного действия первый выход логической схемы, а катод разделительного диода и положительный вывод конденсатора - второй выход логической схемы, логическая схема блока аппаратуры на приемной подстанции составлена из реле контроля напряжения на шинах приемной подстанции, включенного в цепь управления тиристором, включенного в цепь питания реле отключения выключателя кабельной линии, разделительного диода и конденсатора источника питания приемопередатчика, размыкающий контакт реле контроля напряжения на шинах приемной подстанции образует второй вход логической схемы, анод разделительного диода первый вход логической схемы, а замыкающий контакт реле отключения выключателя кабельной линии выход логической схемы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2