Способ построения и настройки высокочастотной направленной релейной защиты линии
Владельцы патента RU 2325747:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к релейной защите линий, шунтированных параллельными или обходными связями, и с обменом информацией о срабатывании комплектов защиты на концах линии. Технический результат заключается в повышении быстродействия, чувствительности отключающих измерительных органов, а также помехоустойчивости и надежности действия защиты. Способ заключается в том, что при КЗ на защищаемой линии в отключающем измерительном органе комплекта на конце линии с большим током внешней сети относительно этого конца суммируют, наряду с током самой линии на данном конце, также токи параллельных и обходных связей электрической сети, отходящих от данного конца защищаемой линии и шунтирующих ее; а в отключающем измерительном органе комплекта на конце линии с малым или нулевым током внешней сети относительно этого конца вычитают из тока самой линии на данном конце токи параллельных и обходных связей электрической сети, отходящих от этого конца защищаемой линии и шунтирующих ее. 2 ил.
Изобретение относится к релейной защите высоковольтных линий электрических сетей и может быть использовано для построения более эффективной направленной высокочастотной релейной защиты линии, шунтированной параллельными или обходными связями.
Известен способ построения и настройки направленной высокочастотной релейной защиты линии, например линий 110-330 кВ, реализованного в аппаратуре типа ПДЭ-2802 [1. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.3. Производство, передача и распределение электрической энергии / Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г.Герасимова и др. (гл. ред. А.И.Попов). - 8-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 964 с.], состоящий в том, что контролируют направление мощности и токов на концах линии, сравнивают выходные сигналы датчиков тока, последовательно включенных своими однополярными входными выводами в состав защищаемой линии на каждом из ее концов, с заданными уставками блокирующего и отключающего релейных измерительных органов, при превышении сигналами датчиков уставок блокирующих измерительных органов запускают работу высокочастотных передатчиков и в зависимости от направления мощности: при внешнем коротком замыкании разрешают продолжать работу передатчика комплекта, ближайшего к месту короткого замыкания, посылающего высокочастотный сигнал на приемники на всех концах линии для гарантированного блокирования выходных сигналов отключающих измерительных органов на этих концах; при коротком замыкании на линии передатчики на всех концах отключают и разрешают работу на каждом конце линии отключающего измерительного органа, посылающего сигнал на отключение коммутационного аппарата данного конца линии.
Описанный способ является прототипом предлагаемого изобретения.
Недостатком существующего способа (прототипа) является большая разница между токами в аппаратуре на концах линии при коротких замыканиях (КЗ) в разных местах вдоль линии. Этому способствует:
1) большая длина и, следовательно, сопротивление защищаемой линии,
2) большой ток КЗ, подтекающий к узлу данного конца из внешней сети и особенно при наличии параллельно-обходных связей, шунтирующих данную линию,
3) большие токи КЗ со стороны сетей источников удаленных концов линии.
Данные факторы обусловливают сильно различающиеся токи через комплекты аппаратуры при КЗ в разных местах вдоль защищаемой линии, а потому разную чувствительность и время срабатывания отключающих измерительных органов (ОИО) данного или отправного (места расположения ОИО комплекта) конца, что при недостаточной их чувствительности при КЗ у противоположных концов линии может привести к каскадному действию комплектов защиты на отправном и противоположных концах линии, т.е. увеличению времени действия защиты и отключения КЗ. Наличие параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию, всегда способствует каскадному действию комплектов защиты на отправном и противоположных концах линии при КЗ на ней, а наличие больших токов КЗ со стороны сетей источников удаленных концов линии при этом увеличивает разницу токов через аппаратуру отправного конца при КЗ вдоль защищаемой линии, а следовательно, разную чувствительность и быстродействие токового измерительного органа (ИО) этого комплекта и в целом защиты линии при КЗ в разных местах защищаемой линии. Чтобы обеспечить требуемую минимальную чувствительность в данной ситуации, снижают уставку ИО. Это приводит к снижению отношения полезный сигнал-помеха и, следовательно, увеличению ложных и излишних действий. Последнее возникает при отказе блокирующих ИО. Надежность обнаружения повреждения на линии при этом также снижается.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и чувствительности направленной высокочастотной релейной защиты линии в случаях наличия в сети параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе построения и настройки высокочастотной направленной релейной защиты линии, также как в прототипе контролируют направление мощности и токов на концах линии, сравнивают выходные сигналы датчиков тока, последовательно включенных своими однополярными входными выводами в состав каждой фазы защищаемой линии на каждом из ее концов, с заданными уставками блокирующих и отключающих релейных измерительных органов, при превышении сигналами датчиков уставок блокирующих измерительных органов запускают работу высокочастотных передатчиков и в зависимости от направления мощности: при внешнем коротком замыкании разрешают продолжение работы передатчика комплекта защиты, ближайшего к месту короткого замыкания, посылающего высокочастотный сигнал на приемники на всех концах линии для блокирования выходных сигналов отключающих релейных измерительных органов на этих концах; при коротком замыкании на линии передатчики на всех концах отключают и разрешают работу на каждом конце линии отключающих измерительных релейных органов, посылающих сигналы на отключение коммутационных аппаратов этих концов линии и имеющих уставки, отстроенные от уставок блокирующих релейных измерительных органов всех концов линии, отстроенных от максимальных электрических величин в рабочих режимах
Согласно изобретению входной сигнал токового отключающего измерительного релейного органа каждой фазы на каждом конце формируют либо путем суммирования выходного сигнала датчика тока защищаемой линии с выходными сигналами однополярно с данным датчиком включенных датчиков тока параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию и присоединенных к тому же узлу электрической сети, что и защищаемая линия, при большом токе короткого замыкания, подтекающего к этому узлу из внешней сети относительно системы защищаемой линии и ее параллельно-обходных связей, а уставку определяют путем отстройки от тока, имитирующего уставку псевдоблокирующего релейного измерительного органа данного конца линии, которая отстроена от суммарного тока датчиков защищаемой линии и параллельно-обходных связей; либо путем вычитания из выходного тока датчика на защищаемой линии выходных сигналов однополярно с данным датчиком включенных датчиков тока параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию и присоединенных к тому же узлу электрической сети, что и защищаемая линия, при малом или нулевом токе короткого замыкания, подтекающего к этому узлу из внешней сети относительно системы защищаемой линии и ее параллельно-обходных связей, а уставку определяют путем отстройки от тока, имитирующего уставку псевдоблокирующего релейного измерительного органа данного конца линии, которая отстроена от разностного тока датчиков защищаемой линии и параллельно-обходных связей.
Суммирование с током защищаемого объекта токов параллельных и обходных связей обусловливает эффект изобретения. Суммирование приводит к количественному преобразованию суммарного тока по сравнению с током только защищаемого объекта, причем это преобразование является неоднозначным. По мере движения точки КЗ вдоль пространства защищаемого объекта от конца, где расположен датчик тока, к противоположным концам защищаемой линии токи параллельных и обходных связей или добавляемые токи сначала направлены противоположно току поврежденного объекта и уменьшают его, затем названный эффект снижается так, что при КЗ в некоторой точке пространства защищаемой линии добавляемые токи становятся равными нулю, а далее по мере продвижения точки КЗ к противоположным концам этой линии снова возрастают по величине, но теперь они совпадают по знаку с током защищаемой линии. По сравнению с использованием только тока защищаемой линии кривая суммарного тока с добавляемыми токами при КЗ вдоль пространства защищаемого объекта выравнивается, т.е. заметно меньше изменяется. Степень данной стабилизации определяется добавляемыми токами, которые зависят от ряда факторов: мощности и режима источников, коммутационных состояний сети, видов КЗ и др. Поскольку в рабочем режиме передачи мощности по линии суммарный ток защищаемой линии и параллельных с обходными связями, шунтирующих защищаемую линию, возрастает, необходимо отстройку отключающих измерительных органов конца линии с большими токами КЗ из внешней сети произвести с учетом дополнительно суммируемых токов параллельных и обходных связей.
В случаях комплектов защиты на противоположных концах линии с нулевым или минимальным током от источников этих концов использование токов параллельных и обходных связей должно быть иным, т.к. суммирование токов защищаемой линии и параллельных с обходными связями при этом приводит к уменьшению сигнала через измерительные органы. Наоборот разность токов защищаемой линии и параллельных с обходными связями обеспечит возрастание сигнала в измерительных органах, причем при КЗ на параллельных линиях у противоположных концов не менее чем в два раза.
Далее изобретение иллюстрируется примером, представленным на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показан фрагмент высоковольтной электрической сети, состоящий из двухконцевых линий: защищаемой 1, параллельной 2 и образующих обходную связь линий 3 и 4, шин 5 и 6 двух подстанций, шины 7 промежуточной подстанции обходной связи, источников 8 и 9, соответственно через двухконцевые линии 10 и 11, присоединенных к шинам 5 и 6 подстанций сети. В составе сети могут быть также многоконцевые линии, двухобмоточные и многооботочные трансформаторы и автотрансформаторы, другие компоненты. В рассечку линий фиг.1 на каждом конце включены коммутационные аппараты и датчики высоковольтного тока. Также на каждом конце линии между проводами и землей подключены датчики высоковольтного напряжения. Однако показаны только те компоненты, которые упоминаются в описании. Так, на фиг.1 показан датчик тока 12 (ДТ1) защищаемой линии 1 на одной из фаз одного (левого на фиг.1) из ее концов, который через последовательно связанные реле мощности 13 (РМ), блокирующий измерительный релейный орган 14 (БИО), сумматор 15 (СУ), отключающий измерительный релейный орган 16 (ОИО) подключен к одному их входов элемента логики И 17, выход которого соединен с коммутационным аппаратом 18. Реле мощности 13 также связано с датчиком напряжения 19 (ДН). Датчики тока 20 (ДТ2) параллельной линии 2 и 21 (ДТ3) на линии 3 обходной связи включены в рассечку линий 2 и 3, присоединенных к шине 5. Выходы этих датчиков подключены к сумматору 15 (СУ). В схему варианта реализации описываемого способа входят также элементы формирования высокочастотной связи по высоковольтным проводам линии: передатчик 22 (Пе), соединенный с блокирующим измерительным органом 14 (БИО), а через управляемый с помощью реле мощности 13 (РМ) ключ 23 - с входами приемника 24 (Пр) высокочастотного сигнала и фильтра присоединения 25 (ФП). Релейный выход приемника 24 (Пр) подключен к другому инвертирующему входу элемента логики И 17. В рассечку линии 1 включен также заградитель 27 (ЗГ) в виде параллельного колебательного контура. Выход фильтра присоединения 25 (ФП) через конденсатор связи 26 соединен с высоковольтным проводом одной из фаз после датчика 12 (ДТ1), коммутационного аппарата 18 и заградителя 27 (ЗГ), включенных в состав линии 1 на левом ее конце.
На фиг.2 представлены кривые токов через ИО при КЗ вдоль защищаемой линии 1 как зависимости от длин или сопротивлений прямой последовательности Zл1 короткозамкнутых участков линии от мест установки отключающих ИО на ее концах в направлении их действия до места КЗ на линии. Кривые даны для токов через аппаратуру левого (нижний индекс л) и правого (нижний индекс п) концов защищаемой линии 1 при КЗ вдоль этой линии:
- при использовании в защите токов, шунтирующих защищаемую линию параллельных и обходных связей (сплошные линии),
- при неиспользовании в защите указанных токов (линии из точек),
- при суммировании тока защищаемой линии с токами параллельных и обходных (нижний индекс с), суммирование произведено в левом комплекте защиты линии 1 у шин (узла) 5, т.к. токи КЗ от источников 9 внешней сети слева от шин 5 являются достаточно большими,
- при вычитании из тока защищаемой линии токов параллельных и обходных (нижний индекс р), вычитание произведено в правом комплекте защиты линии 1 у шин (узла) 6, т.к. токи КЗ от источников 10 внешней сети справа от шин 6 являются весьма малыми.
Таким образом, на фиг.2 представлены токи:
Iл - величина тока КЗ в ИО на левом конце линии 1 при неиспользовании для построения и настройки измерительных органов шунтирующих параллельных и обходных связей, для случая их отключенного состояния (токи КЗ от источников 9 внешней сети слева от шин 5 являются достаточно большими),
Iп - величина тока КЗ в ИО на правом конце линии 1 при неиспользовании шунтирующих параллельных и обходных связей для случая их включенного состояния (токи КЗ от источников 10 внешней сети справа от шин 6 являются весьма малыми),
Iлс - величина тока КЗ в ИО на левом конце линии 1 при использовании для построения и настройки измерительных органов шунтирующих параллельных и обходных связей, для случая их включенного состояния и эти токи суммируются с током левого конца линии 1 (токи КЗ от источников 9 внешней сети слева от шин 5 являются большими),
Iпр - величина тока КЗ в ИО на правом конце линии 1 при использовании шунтирующих параллельных и обходных связей для случая их включенного состояния и эти токи вычитаются из тока правого конца защищаемой линии 1 (токи КЗ от источников 10 внешней сети справа от шин 6 являются весьма малыми),
Iлбл=Iпбл - уставки блокирующих ИО комплектов защиты на левом и правом концах двухконцевой линии, для которой они всегда равны друг другу, т.к. блокирующие ИО включены только на токи защищаемой линии,
Iлотк, Iпотк - уставки отключающих ИО комплектов защиты на левом и правом концах двухконцевой линии с учетом включения ИО на левом конце дополнительно на сумму токов параллельных и обходных связей, отходящих от этого конца, а на правом конце на разность тока защищаемой линии и токов параллельных и обходных связей, отходящих от этого конца.
Функционирование схемы (фиг.1) осуществляется следующим образом. В трехфазной симметричной электрической сети, показанной на фиг.1 в однофазном изображении, источники 8 и 9 (трехфазные синхронные генераторы) вырабатывают трехфазную электрическую мощность, которая по линиям 10 и 11 поступает в сеть через шины 5 и 6 подстанций, объединяющих линии 1 и 2, а также 3 и 4 через шины 7 промежуточной подстанции. Мощность в рабочих режимах распределяется на нагрузки, подключенные к сети (нагрузки на фиг.1 не показаны). Все представленные на фиг.1 линии являются двухконцевыми. На каждом конце линий установлены трехфазные коммутационные аппараты (выключатели), способные отключать линию от сети у конца, где расположены. На фиг.1 показан только один выключатель 18, который отключает линию 1 от шин 5 подстанции. Датчики высоковольтного тока 12 (ДТ1), 16 (ДТ2) и 17 (ДТ3) соответственно на защищаемой 1, параллельной 2 и входящей в обходную связь линии 3 преобразуют первичные высоковольтные токи во вторичные безопасные. Вторичные токи поступают на входы сумматора 15 (СУ), где они суммируются и поступают на вход отключающего релейного измерительного органа 16 (ОИО), который, если сумма превышает уставку, срабатывает и через логический элемент И 17 (Л) подает сигнал на отключение выключателя 18. Как логический элемент И блок 17 (Л) действует при совместной подаче сигналов на оба его входа, т.е. также второй логической единицы, которая имеет место при отсутствии высокочастотного сигнала на входе приемника 24 (Пр). Последнее реализуется благодаря срабатыванию реле мощности на каждом конце линии при КЗ на линии и отключении его контактом выхода передатчика. Так, на левом конце линии 1 реле мощности 13 (РМ) при КЗ в направлении защищаемой линии 1 срабатывает и своим контактом 23 отключает выход передатчика 22 (Пе), ранее запущенного блокирующим измерительным органом 14 (БИО). Вследствие этого исчезнет высокочастотный сигнал на входе своего приемника 24 (Пр), фильтра присоединения 25 (ФП) и через конденсатор связи 26 не будет подан на линию 1, являющейся каналом связи для передачи высокочастотного сигнала на приемники других концов этой линии. Благодаря отключению передатчиков при внутреннем КЗ на защищаемой линии 1 на всех ее концах высокочастотный сигнал на входах приемников каждого из комплектов защиты на всех концах исчезнет и на выходах приемников всех концов возникнет логическая единица, которая будет подана на один из входов логического элемента на левом конце линии 1. На другой вход этого элемента будет подана логическая единица вследствие срабатывания отключающего измерительного органа 16 (ОИО). Сигнал на выходе 17 (Л) отключит выключатель 18. В противном случае при любом внешнем КЗ действие комплектов защиты на всех концах линии будет заблокировано высокочастотным сигналом с линии 1 через конденсатор связи 26 и фильтр присоединения 25 (ФП) на входы приемников 24 (Пр) от работающего хотя бы одного передатчика, например 22 (Пе), при внешнем КЗ за спиной левого конца линии 1. В рабочих режимах передатчики не работают вследствие недостаточного сигнала для срабатывания блокирующих измерительных органов 14 (БИО), потому логическая единица с выхода приемников, например 24 (Пр), на один из входов комбинационных схем И типа 17 (Л) подается. На другой же вход этой комбинационной схемы логическая единица не подается, т.к. более грубый по сравнению с 14 (БИО) отключающий измерительный орган 16 (ОИО) тем более не срабатывает. Поэтому отключающий сигнал на выходе 17 (Л) отсутствует и выключатель 18 остается включенным. Комплекты высокочастотной направленной защиты и их измерительные органы находятся в состоянии ожидания.
Настройка блокирующих и отключающих ИО комплектов высокочастотной направленной защиты по предлагаемому способу суммирования с током защищаемой линии токов параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию, и вычитания из тока защищаемой линии токов параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию, принципиально не отличается от настройки комплектов по широко применяемому способу использования только токов защищаемой линии. Так, уставки комплектов блокирующих ИО, подключенных на токи только защищаемой линии, настраиваются точно так же, как по применяемому способу использования только токов защищаемой линии (отстраиваются от максимального рабочего тока линии или его небаланса при фильтровом ИО с учетом коэффициента возврата), а подключенных на напряжения несимметрии на концах линии аналогично. Однако имеют место некоторые особенности, которые следует учесть при составлении расчетных выражений уставок отключающих ИО, включенных на токи защищаемой линии с суммированием и вычитанием токов параллельных и обходных связей. Настройка токовых отключающих каналов осуществляется путем отстройки от уставок расчетных псевдоблокирующих ИО с учетом указанных суммирования и вычитания. Таким образом, при использовании фазных токов выражения уставок блокирующих и отключающих токовых релейных ИО левого и правого концов в первичных величинах должны быть:
- блокирующие токовые ИО левого и правого концов (фиг.2):
где Iрал и Iрап - максимальные рабочие токи левого и правого концов линии 1,
kотс и kв - коэффициенты отстройки и возврата;
- отключающие токовые ИО левого (при большом внешнем токе КЗ от источника 9) и правого (при малом или нулевом внешнем токе КЗ от источника 8) концов:
где Iрал по связей и Iрап по связей - максимальный рабочий ток параллельных и обходных связей левого конца линии 1 (токи линий 2 и 3) и минимальный рабочий ток параллельных и обходных связей правого конца линии 1 (токи линий 2 и 4),
коэффициент 2 в выражениях является рекомендуемым коэффициентом отстройки от уставок расчетных псевдоблокирующих ИО, которые помещены в квадратные скобки выражений.
Настройка отключающих ИО фильтровых каналов напряжения с напряжениями осуществляется так же, как по применяемому способу использования только токов защищаемой линии.
Заявленный способ построения и настройки блокирующих и отключающих ИО комплектов высокочастотной направленной защиты путем суммирования с током защищаемой линии токов параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию, и вычитания из тока защищаемой линии токов параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию, может быть применен для разных защищаемых линий электрических сетей, шунтированных параллельными и обходными связями. Применение изобретения стабилизирует чувствительность отключающих ИО при КЗ в любой точке защищаемой области, что в свою очередь стабилизирует быстродействие отключающих измерительных органов и в целом защиты линий. При этом также возрастают помехоустойчивость и надежность действия защиты, т.к. сигналы, на которые реагирует ИО, более равномерны по величине в сравнении со случаем построения и настройки защиты по существующему индивидуальному способу. Поэтому нет необходимости для обеспечения чувствительности при КЗ на удаленных концах линии снижать уставки отключающих измерительных органов, тем самым снижать отношение сигнал-помеха, что приводит к возрастанию ложных и излишних действий. Это обусловливает технический эффект предлагаемого способа построения и настройки высокочастотной направленной защиты. Имеет место при этом и экономический эффект.
Способ построения и настройки высокочастотной направленной релейной защиты линии, состоящий в том, что контролируют направление мощности и токов на концах линии, сравнивают выходные сигналы датчиков тока, последовательно включенных своими однополярными входными выводами в состав каждой фазы защищаемой линии на каждом из ее концов, с заданными уставками блокирующих и отключающих релейных измерительных органов, при превышении сигналами датчиков уставок блокирующих измерительных органов запускают работу высокочастотных передатчиков и в зависимости от направления мощности, при внешнем коротком замыкании разрешают продолжение работы передатчика комплекта защиты, ближайшего к месту короткого замыкания, посылающего высокочастотный сигнал на приемники на всех концах линии для блокирования выходных сигналов отключающих релейных измерительных органов на этих концах, а при коротком замыкании на линии передатчики на всех концах отключают и разрешают работу на каждом конце линии отключающих измерительных релейных органов, посылающих сигналы на отключение коммутационных аппаратов этих концов линии и имеющих уставки, отстроенные от уставок блокирующих релейных измерительных органов всех концов линии, отстроенных от максимальных электрических величин в рабочих режимах, отличающийся тем, что входной сигнал токового отключающего измерительного релейного органа каждой фазы на каждом конце формируют либо путем суммирования выходного сигнала датчика тока защищаемой линии с выходными сигналами однополярно с данным датчиком включенных датчиков тока параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию и присоединенных к тому же узлу электрической сети, что и защищаемая линия, при большом токе короткого замыкания, подтекающего к этому узлу из внешней сети относительно системы защищаемой линии и ее параллельно-обходных связей, а уставку определяют путем отстройки от тока, имитирующего уставку псевдоблокирующего релейного измерительного органа данного конца линии, которая отстроена от суммарного тока датчиков защищаемой линии и параллельно-обходных связей, либо путем вычитания из выходного тока датчика на защищаемой линии выходных сигналов однополярно с данным датчиком включенных датчиков тока параллельных и обходных связей, шунтирующих защищаемую линию и присоединенных к тому же узлу электрической сети, что и защищаемая линия, при малом или нулевом токе короткого замыкания, подтекающего к этому узлу из внешней сети относительно системы защищаемой линии и ее параллельно-обходных связей, а уставку определяют путем отстройки от тока, имитирующего уставку псевдоблокирующего релейного измерительного органа данного конца линии, которая отстроена от разностного тока датчиков защищаемой линии и параллельно-обходных связей.
