способ резервной защиты линии с отпаечными трансформаторами

Формула изобретения

1. Способ резервной защиты линии с отпаечными трансформаторами, включающий операции формирования сигнала, пропорционального току обратной последовательности, и с помощью операции фазочувствительного выпрямления - сигнала, пропорционального реактивному току линии, а также операции задержки по времени, отличающийся тем, что на обоих концах защищаемой линии формируют высокочастотные сигналы, пропорциональные реактивной составляющей тока обратной последовательности и реактивной составляющей тока прямой последовательности линии, по факту возникновения реактивной составляющей тока обратной последовательности фиксируют несимметричное короткое замыкание и отключают линию, а при перерастании несимметричного короткого замыкания в симметричное за счет задержки по времени оставляют линию отключенной и фиксируют трехфазное короткое замыкание по факту возрастания реактивной составляющей тока прямой последовательности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования вышеназванных высокочастотных сигналов формируют два опорных высокочастотных синусоидальных ортогональных сигнала, масштабируют амплитуды тока и напряжений защищаемой линии, затем, комбинируя масштабированные сигналы токов и напряжений, с помощью операций сложения и вычитания формируют первый и второй промежуточные сигналы по току и третий и четвертый промежуточные сигналы по напряжению, первый промежуточный сигнал по току перемножают на первый опорный сигнал, а второй промежуточный сигнал по току перемножают на второй опорный сигнал, третий промежуточный сигнал по напряжению перемножают на второй опорный сигнал, а четвертый промежуточный сигнал по напряжению на первый опорный сигнал, результаты первого и второго перемножений и соответственно третьего и четвертого перемножений складывают и вычитают, а в сигналах, полученных после каждого сложения и каждого вычитания, подавляют высокочастотными фильтрами составляющие разностных частот, отфильтрованные сигналы по току и напряжению, полученные после вычитаний, а также после сложений, подвергают операциям фазочувствительного выпрямления, в результате получают соответственно сигналы, пропорциональные реактивной составляющей обратного следования фаз и реактивной составляющей прямого следования фаз защищаемой линии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите энергетических сетей и систем.

Известные способы построения защит энергетических линий основаны на использовании сигналов, пропорциональных величинам симметричных составляющих токов и напряжений защищаемой линии, сигналов, определяющих направление мощности на линии, и др. [1, 2] В этих способах используются также операции измерения приращений (дифференцирования) сигналов токов, что требует операций сглаживания, достаточно точной настройки и существенно усложняет реализацию способа.

Для обеспечения основных требований к защитам селективности и функциональной надежности работы известные способы направлены на увеличения количества формируемых сигналов и имеют сложные схемы коммутации за счет увеличения количества контактов реле. Это, в свою очередь, приводит к снижению аппаратной надежности защиты.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ реализации устройства резервной защиты [3] основанный на том, что на одной стороне защищаемой линии формируют сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим тока одной фазы линии, а также симметричной составляющей тока обратной последовательности. В текущем режиме линии сравнивают реактивную составляющую тока фазы линии с током, возникающим при коротком замыкании (КЗ), а также активную составляющую тока фазы линии с током при КЗ. При несимметричном КЗ за отпаечным трансформатором на линии сигналом тока обратной последовательности отключают линию с данной стороны. При перерастании несимметричного КЗ в симметричное трехфазное, используя задержку по времени, сохраняют линию отключенной за счет сигналов со схем сравнения реактивной и активной составляющих токов линии.

На второй стороне линии формируют сигнал, пропорциональный току обратной последовательности, и сигнал, пропорциональный приращению тока в одной из фаз линии. При несимметричном КЗ сигналом тока обратной последовательности отключают линию с второй стороны, а при перерастании несимметричного КЗ в симметричное, используя задержку по времени, сохраняют линию отключенной по сигналу за счет приращения тока в одной фазе линии, возникающем после отключения линии с первой стороны.

Известный способ имеет следующие недостатки.

Использование активной и реактивной составляющих тока только одной фазы защищаемой линии не обеспечивает одинаковой чувствительности работы защиты. Так, при КЗ в фазе А ток I_А возрастает быстро, а при КЗ в других фазах ток I_А изменяется не так быстро и не так существенно. Поэтому схемы сравнения работают по разному при различных КЗ Кроме того, при контроле токов только в одной фазе на работу защиты может оказывать влияние возможная несимметрия нормальных режимов (тяговая нагрузка и т.д.). Это снижает функциональную надежность работы защиты.

Использование в известном способе операций сравнения текущих значений токов с токами, возникающими при симметричных КЗ (такие операции выполняются трижды), существенно усложняет способ.

Сигналы, формируемые по известному способу, являются сигналами с частотой сети 50 Гц. Для сравнения их по величине используются операции выпрямления и фазочувствительного выпрямления и сглаживания переменных составляющих низкочастотными фильтрами. Теоретически время срабатывания защиты при этом не может быть меньше периода T 20 мс. Практически это время в 3^oC4 раза больше. Таким образом быстродействие известного способа невелико.

Кроме того, судя по описанию известного способа, он не обеспечивает работу защиты, если на линии сразу возникает симметричное КЗ, что теоретически возможно.

В основу изобретения положена задача создать такой способ резервной защиты линии с отпаечными трансформаторами, который обеспечил бы упрощение, повышение быстродействия и функциональной надежности.

Поставленная задача решается тем, что в способе резервной защиты линии с отпаечными трансформаторами, включающем операции формирования сигнала, пропорционального току обратной последовательности, и, с помощью операции фазочувствительного выпрямления, сигнала, пропорционального реактивному току линии, а также операции задержки по времени, согласно изобретению, на обоих концах защищаемой линии формируют высокочастотные сигналы, пропорциональные реактивной составляющей тока обратной последовательности и реактивной составляющей тока прямой последовательности линии, по факту возникновения реактивной составляющей тока обратной последовательности фиксируют несимметричное КЗ и отключают линию, а при перерастании несимметричного КЗ в симметричное за счет задержки по времени оставляют линию отключенной и фиксируют трехфазное КЗ по факту возрастания реактивной составляющей тока прямой последовательности.

Для формирования высокочастотных сигналов, пропорциональных реактивной составляющей тока обратной последовательности и реактивной составляющей тока прямой последовательности, формируют два опорных высокочастотных синусоидальных ортогональных сигнала, масштабируют амплитуды токов и напряжений защищаемой линии, затем, комбинируя масштабированные сигналы токов и напряжений с помощью операций сложения и вычитания, формируют первый и второй промежуточные сигналы по току и третий и четвертый промежуточные сигналы по напряжению, первый промежуточный сигнал по току перемножают на первый опорный сигнал, а второй промежуточный сигнал по току перемножают на второй опорный сигнал; третий промежуточный сигнал по напряжению перемножают на второй опорный сигнал, а четвертый промежуточный сигнал по напряжению перемножают на первый опорный сигнал, результаты первого и второго перемножений и, соответственно, третьего и четвертого перемножений складывают и вычитают, а в сигналах, полученных после каждого сложения и каждого вычитания, подавляют высокочастотными фильтрами составляющие разностных частот, отфильтрованные сигналы по току и напряжению, полученные после вычитаний, а также после их сложений, подвергают операциям фазочувствительного выпрямления, в результате получают, соответственно, сигналы, пропорциональные реактивной составляющей обратного следования фаз и реактивной составляющей прямого следования фаз защищаемой линии.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что формируют реактивные составляющие токов обратного и прямого следования фаз, причем эти сигналы являются высокочастотными, с частотой значительно большей частоты трехфазной цепи. Использование этих сигналов упрощает способ, т.к. исключаются операции сравнения текущих значений токов, операция формирования активной составляющей тока, а две операции формирования реактивного тока и тока обратной последовательности заменяются одной операцией формирования реактивной составляющей тока обратной последовательности. Используемые в предлагаемом способе сигналы формируются с использованием трехфазных систем токов и напряжений защищаемой линии (т.е. не являются однофазными), что приводит к повышению функциональной надежности работы защиты независимо от вида аварии и возможной несимметрии нормального режима. Быстродействие предлагаемого способа повышается за счет высокой частоты используемых сигналов и применения высокочастотных подавляющих фильтров.

Для пояснения способа на фиг. 1 приведена структурная схема защиты, на фиг. 2 принципиальная схема блока отключения, а на фиг. 3 структурная схема блока формирования реактивных составляющих токов прямого и обратного следования фаз защищаемой линии.

Защита содержит трехфазные трансформаторы тока 1 и напряжения 2, подключенные к защищаемой линии 3 с силовым трансформатором 4 на ее ответвлении, и выключатель линии 5./ Трансформаторы 1 и 2 вторичными обмотками подключены к блоку формирования реактивных составляющих тока прямого и обратного следования фаз 6. На выходе блока 6 включены два реле 7 и 8. Реле 7 срабатывает при достижении величины реактивной составляющей тока обратной последовательности определенной величины, соответствующей режиму несимметричного КЗ за трансформатором 4. Реле 8 срабатывает при достижении реактивной составляющей тока прямой последовательности определенной величины, соответствующей режиму симметричного трехфазного КЗ за трансформатором 4. Контакты реле 7 и 8 используются в блоке отключения линии 9.

Блок отключения 9 содержит реле времени 10, обмотка которого через резистор 11 управляется выходными контактами 12 и 13, соответственно, реле 7 и 8. Контакты 12 зашунтированы замыкающимися без выдержки времени контактами 14 реле времени 10. Замыкающиеся с выдержкой времени контакты 15 реле времени 10 подключены к выключающей цепи выключателя 5 линии.

Способ осуществляют следующим образом.

В нормальном симметричном режиме работы линии 3 сигнал по реактивной составляющей тока обратного следования на входе реле 7 отсутствует. Сигнал на входе реле 8 очень мал, т.к. в нормальном режиме ток имеет активный характер ( cos 08^oC09). При возможной несимметрии нормального режима выше описанные сигналы изменяются незначительно, т.к. токи сохраняют активный характер.

При несимметричном КЗ за трансформатором 4 резко возрастает реактивный ток обратного следования, срабатывает реле 7, замыкает контакты 12 и срабатывает реле времени 10. Если КЗ сохраняется несимметричным, то через заранее заданное время замыкаются контакты 15 и линия отключается выключателем 5.

Если несимметричное КЗ переходит в симметричное, контакты 12 размыкаются, т.к. отключается реле 7 (ток обратного следования исчезает). Однако реле 10 самоудерживается на контактах 14. Увеличение реактивного тока прямого следования в этом режиме приводит к срабатыванию реле 8, и его контакты 13 сохраняют линию отключенной.

Если же на линии сразу возникает симметричное КЗ, линия отключается контактами 13.

Если КЗ было ликвидировано действием защиты трансформатора 4, реле 7 и 8 отпускают и схема готова к повторному срабатыванию.

Для формирования реактивных составляющих токов прямой и обратной последовательности используют два идентичных канала по току и напряжению, включающие один генератор опорных сигналов 16.

Каждый канал имеет масштабирующие блоки 17, 18, 19 в канале тока (30, 31, 32 канале напряжения); сумматоры 20, 21 в канале тока (33, 34 в канале напряжения); перемножители 22, 23 в канале тока (35, 36 в канале напряжения); блок суммирования 24 и вычитания 25 в канале тока (соответственно 37 и 38 в канале напряжения); подавляющие фильтры 26, 27 в канале тока (39, 40 в канале напряжения) и фазочувствительный выпрямитель 28 в канале тока (41 вы канале напряжения).

Формирования составляющих прямой и обратной последовательности осуществляют следующим образом. На входы блоков 17, 18 и 19 подают соответственно мгновенные значения токов защищаемой линии i_a, i_b и i_c. Эти токи, как известно, можно представить в виде сумм симметричных составляющих прямого I₁sin(t+₁) обратного I₂sin(t+₂) и нулевого I_osin(t+_o) следования фаз в следующем виде:



где:

I₁, I₂, I₀ амплитуды составляющих;

₁, ₂, _o их начальные фазы;

угловая частота линии.

На входы масштабирующих блоков 30, 31 и 32 в канале напряжения подают соответственно мгновенные значения напряжений защищаемой линии U_a, U_b и U_c. Эти напряжения в общем случае также раскладываются на симметричные составляющие прямого U₁sin(t+₁) обратного U₂sin(t+₂) и нулевого U_osin(t+_o) следования фаз по формулам, аналогичным (1).2 Реактивная составляющая тока обратной последовательности определяется в этом случае формулой:

I_2p= I₂sin(₂-₂), (2)

а тока прямой последовательности формулой:

I_1p= I₁sin(₁-₁). (3)

Для формирования сигналов (2) и (3) с помощью фазочувствительного выпрямителя (например, кольцевой фазочувствительной схемы) нужно получить сигналы, пропорциональные токам, I₂sin(t+₂) и I₁sin(t+₁) и, как известно, ортогональные сигналы, пропорциональные соответствующим напряжениям U₂cos(t+₂) и U₁cos(t+₁).

Сигналы, пропорциональные токам I₂sin(t+₂) и I₁sin(t+₁), в канале тока формируются следующим образом.

Блоки 17, 18 и 19 масштабируют подаваемые на их входы токи, линии. На выходе блока 17 формируется сигнал . На выходе блока 18 два сигнала: На выходе блока 19 также два сигнала:

Блоки 20 и 21 являются сумматорами и на их выходах формируются, соответственно, первый и второй промежуточные сигналы на току:



Подставляя в формулы (4) и (5) выражения (1), получают:



На вход перемножителя 22 подают сигнал i₁ и первый опорный сигнал cosnt генератора 16, причем частота генератора n .

На выходе перемножителя 22 формируется сигнал:



На вход перемножителя 23 подают сигнал i₂ и второй опорный сигнал sinnt, ортогональный первому опорному сигналу. На выходе блока 23 получают сигнал:



На выходе вычитающего блока 24 формируется сигнал:



На выходе суммирующего блока 25 получают сигнал:



Фильтры 26 и 27 подавляют в сигналах i₅ и i₆ составляющие разностных частот (n ), в результате на их выходах имеют место сигналы, пропорциональные симметричным составляющим токов прямой и обратной последовательности:

I₁sin[(n+)t+₁] и I₂sin[(n+)t+₂].

Аналогично работает канал напряжений. Однако за счет того, что опорные сигналы на входах перемножителей 35 и 36 меняются местами, соответствующие сигналы на их выходах имеют вид:



На выходе вычитающего блока 37 формируется сигнал:



На выходе суммирующего блока 38 имеет место сигнал:



После подавления фильтрами 39 и 40 частот (n ), на их выводах получают ортогональные симметричные составляющим напряжений сигналы:

U₁cos[(n+)t+₁] и U₂cos[(n+)t+₂].

необходимые для формирования реактивных составляющих токов.

На вход фазочувствительного выпрямителя 28 подают сигналы

I₂sin[(n+)t+₂] и U₂cos[(n+)t+₂]

и получают на его выходе сигнал I₂sin(₂-₂) соответствующий формуле (2).

На вход фазочувствительного выпрямителя 29 подают сигналы

I₁sin[(n+)t+₁] и U₁cos[(n+)t+₁]

и получают на его выходе сигнал I₁sin(₁-₁) соответствующий формуле (3).

Изобретение может быть использовано для защиты линий электропередач с ответвлениями на трансформаторные подстанции.