СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ И НАСТРОЙКИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ С ЖЕСТКИМ УКАЗАНИЕМ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ
METHOD OF RELAY LINE PROTECTION SETUP AND ADJUSTMENT WITH FIXED INDICATION OF DAMAGED POINT

Изобретение относится к релейной защите и может быть использовано для построения релейной защиты линий электрических сетей с жестким указанием места повреждения (участка каждого провода фаз воздушной линии или жилы силового кабеля, где возникло короткое замыкание).
Известен способ построения и настройки дифференциально-фазной релейной защиты линии, выбранный в качестве прототипа, например линий 110-330 кВ [1. Шкаф дифференциально-фазной защиты линий типа ШЭ2607 081: Руководство по эксплуатации // Фирма ЭКРА 656453.029 РЭ, 2008. - 102 л.].
Известный способ состоит в том, что сравнивают направления токов по концам линии относительно шин подстанций на этих концах путем фиксации существенно не совпадающих по углу практически противоположных положительных полупериодов промышленного тока при внешних коротких замыканиях (КЗ), для чего модулируют высокочастотный (ВЧ) сигнал генераторов несущей частоты на концах линии указанными положительными полупериодами промышленного тока и передают по силовым проводам линии на все ее противоположные концы, благодаря чему обеспечивают наличие высокой несущей частоты в течение как положительных, так и отрицательных полупериодов токов на всех концах линии, а при КЗ на линии вследствие совпадения положительных полупериодов промышленного тока противоположных концов с положительным полупериодом каждого конца линии или отсутствия токов КЗ от противоположных концов появляются паузы высокочастотного сигнала, которые являются признаками внутреннего КЗ на линии.
Недостатком этого способа является отличие фаз токов по концам линии от 180° при внешнем КЗ, что предопределяет необходимость загрубления защиты, степень которой зависит от величины продольных и поперечных параметров линии, которые пропорциональны длине между концами линии, а также изменяются при изменении погодных условий на трассе линии. По этим же причинам возможно сокращение продолжительности вышеуказанных пауз вследствие расхождения углов токов разных концов при КЗ на линии. Эти причины оказывают тем большее влияние на работу защиты, чем длиннее двухконцевая линия или участки многоконцевой линии, чем ближе КЗ к концам линии, чем больше у нее концов, чем больше разница углов сопротивлений короткозамкнутых цепей относительно повреждения вне защищаемой линии. Этот недостаток обусловливает сокращение пауз ВЧ сигнала и, как следствие, отказ дифференциально-фазной релейной защиты (РЗ) линии. Другим недостатком дифференциально-фазного способа является указание места повреждения на пространстве всей линии. Релейная защита по данному способу, как правило, применяется для линий большой длины, поэтому требуются большие затраты на поиск места повреждения после отключения защитой при КЗ на линии. Недостатком реализации способа является также необходимость применения силового и высоковольтного оборудования заградителей, конденсаторов связи и фильтров присоединения.
Примененная в известном способе простейшая организация ВЧ обмена между комплектами на концах линии путем передачи и контроля ВЧ несущей в течение положительной части периодов промышленного тока при КЗ обусловливает при ее реализации необходимость наряду с названными силовым и высоковольтным оборудованием заградителей, конденсаторов связи и фильтров присоединения дополнительного применения специализированных панелей с источниками сигналов ВЧ несущей частоты.
Для реализации всех существующих релейных защит (РЗ), включая устройства РЗ на дифференциально-фазном принципе, требуется дорогостоящее высоковольтное оборудование датчиков тока и напряжения, чтобы обеспечить работу аппаратуры на потенциале земли. Для повышения надежности работы РЗ наряду с этим требуется также резервирование этого оборудования.
Задачей предлагаемого изобретения является наряду с фиксацией КЗ на линии с уменьшенным влиянием параметров линии на требуемые характеристики защиты жесткое указание места повреждения на линии, работа всех средств измерения контроля и передачи информации на противоположные концы линии не на потенциале земли, а на потенциале каждого контролируемого высоковольтного силового провода линии, также более рациональная организация ВЧ обмена информацией между комплектами защиты.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе построения и настройки релейной защиты линии с жестким указанием места повреждения так же, как и в прототипе, передают высокочастотную несущую по проводам линии и используют для определения места КЗ на линии или вне ее дифференциально-фазный принцип полярности полупериодов промышленного тока относительно напряжений на концах линии.
Согласно изобретению защищаемую линию подразделяют на двухконцевые участки: головные от шин до коммутационных аппаратов на каждом конце линии и промежуточные между коммутационными аппаратами на указанных концах линии, измеряют на промежутках с обоих концов каждого головного и промежуточного участка на одном и том же расчетном расстоянии от каждого конца участка каждого силового провода линии падения напряжения от протекания токов в указанных концевых промежутках, сравнивают мгновенные значения этих падений в одной и той же полярности, обусловленной сквозным током, протекающим по проводам участка, определяют отсутствие короткого замыкания на проводе участка по одинаковости величин и полярности данных мгновенных значений при протекании сквозного тока по силовому проводу участка, а при разных напряжениях фиксируют короткое замыкание на проводе участка и, следовательно, на линии, по факту короткого замыкания на участке запускают генератор высокой несущей частоты и активизируют постоянное запоминающее устройство с записанным в него кодом обозначения (номера) промежуточного или головного участка с включением в код также обозначения защищаемой линии, ее поврежденной фазы и провода последней, преобразуют параллельный код в последовательный, импульсами последовательного кода модулируют высокочастотные колебания генератора несущей частоты и заполненные таким путем несущей частотой импульсы кода передают на концы поврежденного силового провода участка через неповрежденные его внешние части на все головные участки или концы линии, подключают параллельно силовому проводу участка первичные обмотки трансформаторов блоков питания, а вторичные обмотки трансформаторов блоков питания используют для формирования электрически развязанных выходов постоянного тока, на каждом головном участке дополнительно измеряют ток каждого силового провода с помощью трансформатора тока без высоковольтной изоляции и с ферритовым магнитопроводом, охватывающим байпас на промежутке этого силового провода, из полученного таким путем сигнала на потенциале высоковольтного провода выделяют модулированный последовательным кодом поврежденного участка высокочастотный сигнал, а затем отфильтровывают этот код от высокочастотной несущей, развязывают код от высокого напряжения силового провода с помощью, например, системы электронно-оптического преобразования, оптоволоконной линии и оптоэлектронного преобразования, по полученному коду определяют поврежденную линию и поврежденные участок, фазу и провод, производят дешифрацию кода линии и полученный таким образом потенциальный сигнал используют для отключения коммутационных аппаратов каждого конца линии, производят также дешифрацию кода поврежденных участка, фазы и провода для визуализации обслуживающему персоналу.
Благодаря делению защищаемой линии на небольшие и только двухконцевые участки, например между опорами воздушной линии, и применению к этим участкам дифференциально-фазного принципа полностью устраняется угловая погрешность, свойственная многоконцевым линиям. Угловые погрешности вследствие изменения продольных и поперечных параметров проводов участков также существенно снижаются, т.к. длина участков небольшая и, как правило, провода на ней однородны и, следовательно, параметрически одинаковы. Погодные условия небольших по длине участков мало изменяют схемные параметры участка и, как следствие, обусловливают малую угловую погрешность между токами на концах участка. Малая длина участков позволяет обмен информацией о направлении токов на их концах реализовать в дифференциально-фазном принципе наиболее надежным проводным путем без использования довольно сложной ВЧ аппаратуры.
Контроль КЗ на участке небольшой длины на большом пространстве всей длины линии дает возможность получить и визуализировать информацию о месте КЗ достаточно точно и однозначно, т.е. жестко, если эту информацию передать на головные участки или концы линии, присоединенные к шинам подстанции, где имеется обслуживающий персонал. Результаты контроля КЗ на участке в заявленном способе передаются по проводам защищаемой линии, причем не только факт КЗ, как это принято в РЗ, но также обозначения или номер линии, поврежденного участка, фазы и поврежденного провода в последней. Передача названной информации на концы линии, т.е. на подстанции, позволяет правильно быстро выбрать и автоматически отключить линию на всех концах, визуализировать для обслуживающего персонала поврежденные участок, фазу и провод в фазе линии.
Передача столь обширной, но необходимой информации требует весьма надежного и защищенного от помех канала. Технически доступным, надежным и экономически выгодным является канал неповрежденной части поврежденного высоковольтного провода, что широко используется в отечественной практике путем передачи по проводам линии блокирующей ВЧ сигнала при внешнем КЗ. В существующем способе дифференциально-фазного принципа с фильтровыми пусковыми измерительными органами для передачи ВЧ сигнала по проводам вынужденно приходится в некоторых случаях использовать поврежденный высоковольтный провод, что приводит к ослаблению, а иногда и потере передаваемого ВЧ сигнала. В случае пусковых измерительными органов, реагирующих на проводные электрические величины, передача ВЧ сигнала в традиционном дифференциально-фазном принципе всегда вынуждена осуществляться через поврежденный провод на линии. В предлагаемом способе указанная выше информация при наличии ВЧ источников на каждом из концов каждого участка всегда передается только по неповрежденным частям поврежденного на участке провода на концы линии через тот и другой концы провода на участке. Это позволяет беспрепятственно использовать как наиболее отстроенный от помех дифференциально-фазный принцип (абсолютная отстроенность от режимов качаний и неполнофазных режимов) в заявленном способе.
Так как существующие способы построения и настройки РЗ, в том числе и линий выполняются путем использования вторичных сигналов трансформаторов тока и напряжения, осуществляющих масштабирование первичных высоковольтных тока и напряжения, а также изоляционную развязку высокого напряжения электроустановок от безопасного для персонала напряжения, т.е. все операции построения и настройки РЗ осуществляются на безопасном потенциале у земли, то и передаваемый ВЧ сигнал передается и принимается через оборудование фильтра присоединения и конденсатор связи, обеспечивающих изоляционную развязку ВЧ сигналов на потенциале у земли от ВЧ сигналов на высоковольтных проводах линии. Кроме того, при такой изоляционной развязке на высоковольтных проводах на концах линии и принятой в существующей РЗ простейшей передаче ВЧ сигнала в виде ВЧ несущей в течение заданного времени приходится устанавливать заградители несущей частоты. В заявленном способе предлагается передавать по неповрежденной части поврежденного провода не простейший, а кодированный сигнал на ВЧ несущей с обширной информацией о месте КЗ, включая обозначение линии. Поэтому заградители ВЧ несущей не нужны. Кодированный сигнал с обозначением линии распознается на концах защищаемой линии и не воспринимается во внешней сети.
Высоковольтные измерительные трансформаторы и высоковольтные компоненты ВЧ канала (конденсаторы связи, фильтры присоединения, заградители), необходимые для реализации дифференциально-фазного принципа, по своей стоимости близки к аналогичному высоковольтному силовому оборудованию и коммутационным аппаратам. Реализация операций предлагаемого способа, требующего разбиения линии на участки, по существующей технологии построения РЗ приведет к огромным экономически неоправданным затратам. В связи с этим измерение, обработка сигналов о токах на концах каждого участка, передача информации о результатах обработки, электропитание для названных операций осуществляются на потенциале каждого защищаемого высоковольтного провода. Передача информации проводится через концы каждого поврежденного высоковольтного провода на ВЧ несущей, но не через место поврежденного провода, а через внешние неповрежденные части этого провода. В связи с этим необходима передача ВЧ несущей от двух независимых источников ВЧ несущей, размещенных по разным концам от места повреждения на участке. Необходима также организация независимого электропитания на потенциале высоковольтного провода, например от тока, протекающему по этому проводу, на каждом конце участка. Все это предусмотрено в операциях заявленного способа.
Вследствие небольшой длины участков дифференциально-фазный принцип выявления угла между токами на концах участка при сквозном токе по участку (рабочие режимы и внешние КЗ) и КЗ на участке в заявляемом способе осуществляется жестким проводным путем сопоставления мгновенных значений падений напряжений на концах участка на потенциале высоковольтного провода. Если обеспечить одинаковость этих напряжений при сквозных токах, что при однородности провода на протяжении участка выполнимо с помощью снятия сравниваемых падений напряжений с одинаковых по длине промежутков от конца провода вглубь участка, то при внешних КЗ результаты сопоставления падений напряжений будут давать нулевое значение всегда как в установившихся режимах, так и в переходных процессах. При КЗ на участке ток с одного из концов изменит направление на противоположное либо его вообще не будет (при одностороннем питании). Тогда при сопоставлении падений напряжений будет существенное различие мгновенных значений, что и будет признаком КЗ на проводе участка. Причем разность мгновенных значений падений напряжений будет в течение каждого полупериода промышленного тока в установившемся режиме КЗ, а в переходных процессах разовая разность мгновенных значений падений напряжений может быть в течение как большем, так и меньшем времени полупериода промышленной частоты. Однако данная разность всегда есть.
Описанная процедура дифференциально-фазного принципа в отличие от существующего, достаточно эффективно работающей только при отфильтрованной вынужденной синусоидальной составляющей, хорошо выполняет свои функции также в условиях полных сигналов любого переходного процесса, в котором хотя бы кратковременно появляется разность мгновенных значений токов по концам участка. Анализ и моделирование первичных переходных процессов в сети показывают, что такая разность почти всегда появляется с самого начала процесса и далее возобновляется в той или иной продолжительности в циклах переходного процесса и стабильной продолжительности на полупериодах уже установившегося режима. Поэтому эта разность воспринимается всегда. Что касается переходных процессов во вторичных цепях измерительных трансформаторов существующей РЗ, то они там могут быть существенно искажены за счет различий постоянных времени вторичных цепей относительно первичных и нелинейности магнитопроводов трансформаторов тока при больших первичных токах. Использование для контроля КЗ первичных электрических величин в чистом виде в заявленном способе изначально устраняет все погрешности преобразования первичных величин во вторичные, свойственные существующим средствам РЗ.
Выявление на головных участках переданных кодированных сигналов с информацией о повреждении линии, участка, фазы и провода при отсутствии высоковольтных заградителей конденсаторов связи и фильтров присоединения возможно только через трансформаторы тока, трансформирующих ослабленный затуханием пути по линии кодированный посланный от поврежденного участка ВЧ сигнал по проводам линии. Затухание сигнала определяется его потерями в продольных и поперечных параметрах линии на пути сигнала от места повреждения до каждого конца линии, а трансформируемый остаток - параметрами сети, примыкающей к данному концу. Ток КЗ промышленной частоты может быть большим и вызывать чрезмерное насыщение ряда трансформаторов тока линии. Поэтому для снижения насыщения целесообразно уменьшить ток промышленной частоты по высоковольтному проводу. Для этого можно использовать расщепление этого провода. Тогда установка трансформаторов тока на головных участках с посадкой их магнитопроводов с вторичными обмотками не на весь, а на расщепленную часть высоковольтного провода обеспечит снижение насыщения магнитопровода. Расщепление высоковольтного провода с посадкой магнитопровода трансформатора тока на одну из расщепленных частей нетехнологично, особенно при использовании неразъемного магнитопровода (сердечника). Целесообразно трансформатор тока установить на байпасе, шунтирующем некоторый промежуток провода. Этот вариант прост, надежен и технологичен, т.е. байпас с трансформатором тока на неразъемном сердечнике может быть присоединен к промежутку высоковольтного провода в любой части этого провода без какого-либо нарушения или ущерба как проводу, так и трансформатору тока. В операциях заявленного способа построения защиты вариант байпасного подключения трансформатора тока к высоковольтному проводу предусмотрен.
Сердечник трансформатора тока должен быть выполнен на ВЧ феррите, чтобы не поглотить принимаемый ВЧ сигнал в вихревых токах магнитопровода. Обсуждаемый ферритовый трансформатор тока на байпасе выполняется с малой изоляцией от высоковольтного провода, т.е. трансформация ВЧ сигнала осуществляется на потенциале высоковольтного провода. Поэтому возникает необходимость изоляционной развязки полученного ВЧ сигнала на потенциале высоковольтного провода от высокого напряжения этого провода. В заявленном способе это выполняется с помощью системы электронно-оптического преобразования, оптоволоконной линии и оптоэлектронного преобразования.
Благодаря представленному обоснованию операции дифференциально-фазного принципа на каждом участке линии могут быть отработаны практически идеально при внешнем КЗ, а при внутреннем КЗ на каждом участке существенно лучше, чем в случае традиционной реализации дифференциально-фазного принципа. Вследствие небольших по длине участков, а также благодаря тому, что отработку операций на активных компонентах осуществляют на потенциале высоковольтного силового провода, операции дифференциально-фазного принципа на каждом участке в предлагаемом способе могут быть реализованы проводным путем соответствующего соединения выходов преобразователей, которые транслируют падения напряжений на промежутках у концов высоковольтных проводов каждого участка, а значит, без неизбежной погрешности высоковольтных измерительных трансформаторов, без усложнения конструкции линии за счет силовых элементов типа заградителей, конденсаторов связи, фильтров присоединения, также специальной аппаратуры высокочастотного обмена информацией по проводам линии.
На фиг.1 в целом представлена структура системы релейной защиты (РЗ) линии, на фиг.2 - схема, определяемая требованиями построения системы РЗ линии по заявленному способу для головного участка, на фиг.3 - аналогичная схема для промежуточного участка, на фиг.4 приведены кривые измеряемых и преобразуемых сигналов при КЗ на участке.
Заявленный способ реализован с помощью системы, в которой между сборными шинами 1 (фиг.1) и выключателем 2 представлен головной участок 3 одного из концов линии. Между выключателями 2 на каждом конце линии размещены промежуточные участки 4, количество которых пропорционально полной длине пространства защищаемой линии. Структура измерения токов на обоих концах каждого провода каждого участка состоит из блоков на указанных концах: 5 (ДТ1) (у первого конца) и 6 (ДТ2) (у второго конца), названных датчиками токов и двух источников кодированного сигнала: 7 (ИКС1) (у первого конца) и 8 (ИКС2) (у второго конца). Входы блоков 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) подсоединены к промежуткам силового высоковольтного провода у концов последнего каждого как головного 3, так и промежуточного 4 участков, а выходы данных блоков соединены соответственно со входами блоков 7 (ИКС1) и 8 (ИКС2). Выходы последних соединены с первым и вторым концами высоковольтного провода соответствующих участков. Между блоками 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) разных концов каждого провода участка имеет место взаимосвязь, показанная пунктиром.
Входные цепи блоков питания 9 (БП1) и 10 (БП2) аналогично датчикам тока 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) присоединены каждый к концевому промежутку высоковольтного провода, а их электрически развязанные выходы соединены соответственно с датчиком 5 (ДТ1) и источником контрольного сигнала 7 (ИКС1) на одном конце и с датчиком 6 (ДТ2) и источником контрольного сигнала 8 (ИКС2) на другом конце каждого провода как головного 3, так и промежуточного 4 участков.
На каждом головном участке 3 (каждом конце линии) каждого силового высоковольтного провода имеется датчик кодированного сигнала 11 (ДКС), который через оптоволоконную линию 12 соединен с блоком низковольтных преобразователей 13 (НП), который подключен к аккумуляторной батарее 14 (АБ) и соединен с выключателем 2.
На концах каждого высоковольтного провода каждого участка (фиг.2 и 3) входные цепи датчиков токов 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) в виде операционных усилителей подсоединены через защитные двуханодные стабилитроны 15 и 16 своими инвертирующим и неинвертирующим входами операционные усилители 17 и 18 на одинаковые промежутки от концов высоковольтного провода участка вглубь последнего однозначно направлению сквозного тока по этому проводу. Выходы последних через электронно-оптические преобразователи 19 (ЭОП) и 20 (ЭОП), оптоволоконные линии 21 и 22 и оптоэлектронные преобразователи 23 (ОЭП) и 24 (ОЭП) присоединены соответственно на входы 27 и 28 сумматоров 25 (С1) и 26 (С2). Из выходов последних 29 и 30 используются суммирующие выходы 29, которые соединены соответственно со входами постоянных запоминающих устройств 31 (ПЗУ1) и 32 (ПЗУ2), а также пусковыми входами генераторов несущей частоты 33 (ГНЧ1) и 34 (ГНЧ2) источников кодированных сигналов 7 (ИКС1) и 8 (ИКС2). Выходы 31 (ПЗУ1) и 32 (ПЗУ2) соответственно через преобразователи параллельного кода в последовательный 35 (ППК1) и 36 (ППК2) соединены с одними из входов соответственно блоков модуляции 37 (БМ1) и 38 (БМ2), а другие входы последних соединены соответственно с выходами генераторов несущей частоты 33 (ГНЧ1) и 34 (ГНЧ2). Выходы блоков модуляции 37 (БМ1) и 38 (БМ2) подключены соответственно к одному (у сборных шин 1) и другому (у выключателя 2) концам высоковольтного провода головного участка 3 (фиг.2) и аналогично к одному и другому концам промежуточного участка 4 (фиг.3) защищаемой линии. У промежуточного участка 4, отходящего от головного 3, на границе участков помещен выключатель 2, поэтому выход блока модуляции (БМ1) одного из концов этого промежуточного участка соединен с другой стороной выключателя 2. Подключение выходов оптоэлектронных преобразователей 23 (ОЭП) и 24 (ОЭП) на входы 27 и 28 сумматоров 25 и 26 физически образует взаимосвязь между датчиками тока 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) разных концов проводов каждого участка.
Датчик кодированных сигналов (фиг.2) 11 (ДКС) содержит на параллельном промежутку высоковольтного защищаемого провода каждого головного конца линии проводнике (байпасе) 39 трансформатор тока 40 с ферритовым сердечником и вторичной обмоткой на нем, но без высоковольтной изоляции относительно названного проводника (байпаса) или защищаемого провода. Вторичная обмотка трансформатора тока 40 через фильтр выделения высокой несущей частоты импульсов последовательного кода 41 (ФВЧ) поврежденного участка относительно промышленной частоты и фильтра отсечки несущей частоты 42 (ФТЧ) соединена с электронно-оптическим преобразователем 43 (ЭОП), выход которого через оптоволоконную линию 12 соединен с входом оптоэлектронного преобразователя 44 (ОЭП). Благодаря линии 12 осуществлена изоляционная развязка находящихся на высоковольтном потенциале компонентов датчика кодированных сигналов 11 (ДКС). Выход оптоэлектронного преобразователя 44 (ОЭП) соединен с дешифратором кода поврежденной линии 45 (ДШЛ) и дешифратором кода поврежденных участка, фазы и провода 46 (ДШУЛ). Выход 45 (ДШЛ) с вырабатываемым потенциальным сигналом соединен с приводом выключателя 2, а выход дешифратора 46 (ДШУЛ) - с табло расшифрованных кодов поврежденных участка, фазы и провода (на фиг.2 не показано).
Блоки питания 9 (БП1) и 10 (БП2) размещены также вместе с питаемыми компонентами обобщенных блоков на концах каждого высоковольтного провода каждого участка. Электрические цепи элементов как питаемых блоков, так и самих блоков питания 9 (БП1) и 10 (БП2) имеют незначительную изоляцию относительно высоковольтного провода. Блоки питания 9 (БП1) и 10 (БП2) содержат подключенные параллельно концевым промежуткам силового высоковольтного защищаемого провода участка (между концами провода и принятыми расстояниями вглубь участка от этих концов) первичные обмотки 47 и 48 трансформаторов соответственно с ферромагнитными сердечниками 49 и 50 и вторичными обмотками 51, 52, 53, 54, которые соответственно через преобразователи переменного тока в постоянный с требуемыми параметрами напряжения 55 (БП1В1), 56 (БП2В1), 57 (БП1В2), 58 (БП2В2) связаны с активными компонентами обобщенных блоков 5 (ДТ1), 7 (ИКС1) и 6 (ДТ2), 8 (ИКС2). В составе блока питания 9 (БП1) головного участка 3 (фиг.2) содержится дополнительная вторичная обмотка 59, которая через преобразователь переменного тока в постоянный с требуемыми параметрами напряжения 60 (БП1В3) связаны с активными компонентами обобщенного блока 11(ДКС), не имеющих полной изоляции от высоковольтного провода. Блок питания 14 (АБ) связан с блоком низковольтных преобразователей 13 (НП), то есть с блоками 44 (ОЭП), 45 (ДШЛ) и 46 (ДШУЛ).
В режимах сквозного тока рабочих состояний и внешних КЗ, т.е. вне всех участках линии как головных 3, так и промежуточных 4, первичные сквозные токи промышленной частоты (токи одного и того же значения и направления на обоих концах каждого участка) проходят по всем участкам каждого силового высоковольтного провода каждой из фаз линии. Датчики тока каждого провода на одном 5 (ДТ1) и другом 6 (ДТ2) его концах каждого участка фиксируют одинаковые мгновенные значения и полярности падений напряжений на одинаковых промежутках, распространяющихся от концов каждого указанного провода вглубь участка.
1
1
2
2
29
33
34
1
2
1
2
29
33
34
На фиг.4 скомпонованы на одной оси времени мгновенные токи и падения напряжения на концевых промежутках при однофазном КЗ на одном из участков модели линии 220 кВ: i (сплошная жирная линия) u (жирный пунктир) на одном конце высоковольтного провода фазы A, i (пунктирная линия) и u (линия из точек) на другом конце этого провода, начиная с момент f сквозного синусоидального рабочего тока, протекающего до КЗ по проводу. Также на указанной оси, но разнесенные по вертикали показаны: сигнал (напряжение) u с выхода 29 сумматоров 25 и 26 и заполненные несущей частотой импульсы u и u последовательного кода линии, участка фазы и провода, подаваемые с выходов блоков модуляции 33 (БМ1) и 34 (БМ2) соответственно на один и другой концы высоковольтного провода поврежденного участка. Для контроля времени изменения электрических величин i и i, u и u, u, u и u в переходном процессе КЗ на участке показано мгновенное синусоидальное напряжение u с нулевой фазой (сплошная тонкая линия).
1
2
Т.к. промежутки каждого провода на его концах одинаковые и провод однороден на протяжении участка, то и падения напряжения на концевых промежутках u и u одинаковы по величине и углу. Падения напряжения на промежутках у концов головных участков 3 (фиг.2) или промежуточных участков 4 (фиг.3) подаются через ограничивающие величину падений напряжений двуханодные стабилитроны 15 и 16 на неинвертирующий и инвертирующий входы операционных усилителей 17 и 18 в режиме компараторов. На выходе последних ограниченные по величине стабилитронами 15 и 16 падения напряжений преобразуются в логические сигналы 0 (малый уровень) при отрицательной полярности падения напряжения и 1 (большой уровень) при положительной полярности. Вследствие разности потенциалов на концах каждого провода каждого участка от протекания сквозного тока невозможно электрическое объединение выходов усилителей-компараторов 17 и 18. Поэтому предусмотрено прохождение сигналов с выходов последних через соответственно системы электронно-оптических преобразователей 19 (ЭОП1) и 20 (ЭОП2) оптоволоконных линий 21 и 22 и оптоэлектронных преобразователей 23 (ОЭП1) и 24 (ОЭП2). Благодаря этому сигналы на выходах преобразователей 23 (ОЭП1) и 24 (ОЭП2) оказываются электрически развязанными и их можно совместно использовать в электрической цепи. Это позволяет реализовать требуемую с точки зрения контроля отсутствия и наличия КЗ на участке электрическую связь между датчиками 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) (пунктирные линии на фиг.1). Она осуществлена проводами (фиг.2 и 3) с выхода преобразователя 23 (ОЭП1) на вход 27 сумматоров 25 и 26 и с выхода преобразователя 24 (ОЭП2) на вход 28 тех же сумматоров. Благодаря диаграмме функционирования сумматоров:
Вход 27 0 1 0 1
Вход 28 0 0 1 1
Выход 29 0 1 1 0
Выход 30 0 0 0 1
при одинаковости величин и полярностей мгновенных значений падений напряжений на концевых промежутках при сквозных токах (рабочие режимы, внешние КЗ) нулевые логические сигналы на выходе 29 сумматоров и, следовательно, на выходах пар датчиков 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) имеют место всегда как при нулевых, так и при любых других, но одинаковых сигналах. Нулевые сигналы датчиков, которые соединены со входами источников кодированного сигнала соответственно одного 7 (ИКС1) и другого 8 (ИКС2) концов каждого из участков высоковольтного провода, не возбуждают эти источники. Поэтому на выходах последних также будут нулевые сигналы и их воздействия на один и второй концы высоковольтного провода каждого участка будут нулевыми и никаких действий системы защиты линии (отключения выключателей на концах линии) и жесткого указания места КЗ (индикации поврежденного участка) не будет. Такое положение имеет место как в рабочих и установившихся режимах при внешних КЗ, так и в переходных процессах КЗ вне защищаемой линии.
33
34
При КЗ на каком-либо участке линии, например промежуточном 4, ток на одном из концов этого участка либо изменит направление (фиг.4) при двустороннем питании либо исчезнет при одностороннем питании На всех остальных участках все останется по-прежнему, т.к. для них это КЗ будет внешним, как и для вышеописанного случая КЗ вне линии. На выходах датчиков тока разных концов 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) поврежденного участка будут выработаны логические сигналы 1, которые поступят на входы источников кодированного сигнала 7 (ИКС1) и 8 (ИКС2). При этом одновременно будут активизированы постоянные запоминающие устройства 31 (ПЗУ1) и 32 (ПЗУ2) с кодом номера (обозначения) линии, номера поврежденного участка, обозначений фазы и провода фазы и запущены генераторы высокой несущей частоты 33 (ГНЧ1) и 34 (ГНЧ2). Сигналы этих генераторов, модулированные указанным кодом u и u (фиг.4), передаются на все концы линии или головные участки 3 (фиг.2). Датчики кодированных сигналов 11 (ДКС) на этих концах (фиг.1 и 2) выявляют модулированные кодом сигналы практически одинаковых несущих частот на концах поврежденного участка. Делается это с помощью ферритового трансформатора тока 40, измеряющего сигнал на конце провода у сборных шин головного участка 3 путем охвата ферритовым сердечником с вторичной обмоткой байпаса 39 к этому проводу. Сигнал с вторичной обмотки трансформатора тока 40 содержит на фоне тока промышленной частоты модулированные кодом переданные с места повреждения импульсы тактовой частоты логических единиц и нулей, заполненные высокой несущей частотой в пределах 1 МГц и содержащие информацию о номерах или обозначениях поврежденных линии, ее участка, фазы и провода. Данный сигнал поступает на фильтр высокой частоты 41 (ФВЧ), в котором очищается от промышленной частоты, а далее в фильтре 42 (ФТЧ) - от высокой несущей частоты генераторов 33 (ГНЧ1) или 34 (ГНЧ2). В результате на выходе фильтра 42 (ФТЧ) - входе электронно-оптического преобразователя 43 (ЭОП) сформируется электрический последовательный код логических единиц и нулей, который на выходе 43 (ЭОП) преобразуется в оптический последовательный код логических единиц и нулей. Последний через оптоволоконную линию 12, отделяющие аппаратуру на потенциале высоковольтного провода от аппаратуры на потенциале земли, передается на блоки низковольтных преобразователей 13(НП) с аппаратурой 44 (ОЭП), 45 (ДШЛ) и 46 (ДШУЛ), размещенной на потенциале земли. В блоке 44 (ОЭП) производится преобразование оптического кодированного сигнала в электрический вид. В блоке 45 (ДШЛ) осуществляется дешифрация обозначения поврежденной защищаемой линии. В результате на выходе 45 (ДШЛ) вырабатывается потенциальный сигнал, воздействующий на отключение выключателя. 2. Код поврежденных внешних объектов (линий) относительно защищаемой линии в блоке 45 (ДШЛ) не дешифруется и блок 45 не вырабатывает сигнал отключения выключателя 2. В блоке 46 (ДШУЛ) осуществляется дешифрация кода обозначения поврежденных участка, фазы и провода поврежденной линии для визуальной индикации.
37
38
1
2
29
1
2
37
38
37
38
Согласно фиг.4 кодируемые сигналы (напряжения u и u) формируются на выходах блоков модуляции 37 (БМ1) и 38 (БМ2) фиг.2 или фиг.3 в течение каждого периода несовпадения полярностей мгновенных значений падений напряжений u и u на концевых промежутках контролируемого высоковольтного провода при КЗ на заданном головном 3 (фиг.2) или промежуточном (фиг.3) участке. Периоды совпадения и несовпадения разделены на фиг.4 штрихпунктирными вертикальными линиями. В установившемся КЗ эти несовпадения и совпадения возникают в течение каждого полупериода промышленной частоты. Причем величины периодов совпадения возрастают с увеличением длин и разветвленности линии относительно места КЗ, количества генерирующих концов у линии, разницы углов сопротивлений короткозамкнутых цепей относительно повреждения вне защищаемой линии и др. В периоды совпадения на выходах сумматоров 25 и 26 возникает нулевой логический сигнал (на фиг.4 отрицательная полярность напряжения u) и источники кодированного сигнала приходят в исходное состояние, как это имеет место при сквозных токах. В переходных процессах КЗ к названным условиям возрастания периодов совпадения добавляются также причины за счет возникающих свободных составляющих. На фиг.4 показана одна из реализаций смоделированного переходного процесса. Как видно из фиг.4, периоды совпадения и несовпадения в переходном процессе КЗ мало отличаются от таких периодов в установившемся режиме КЗ (большие периоды несовпадения и незначительные промежутки совпадения полярностей мгновенных значений падений напряжений). Однако вид и величины свободных составляющих зависят от многих факторов, поэтому мгновенные полные напряжения u и u могут сформировать заметно большие периоды совпадения и соответственно меньшие периоды несовпадения, показанные на фиг.4. Целесообразно выбором параметров кодированных сигналов обеспечить продолжительность их передачи (последовательность импульсов u и u) с запасом в течение полупериода промышленной частоты. Тогда настройка обеспечит обновление передачи кодированного сигнала в каждый период совпадения, что увеличит гарантию надежной передачи этого сигнала. В случае времени передачи импульсов кода u и u, превышающем полупериод промышленной частоты, передача разовой посылки кодированного сигнала может быть обеспечена путем увеличения времени передачи с помощью элементов выдержки времени на отпускание, включенных в цепи выходных сигналов сумматоров 25 и 26.
1
2
1
2
Падения напряжения u к u на концевых промежутках участков определяются сопротивлениями концевых промежутков и силовыми токами, протекающими по ним. Сопротивления проводов зависят от видов КЗ и увеличиваются при КЗ на землю. Расщепление проводов в фазе также повышает сопротивление каждого провода. Увеличение падений напряжений u и u на проводах благодаря стабилитронам 15 и 16 никаких помех в работе датчиков 5 (ДТ1) и 6 (ДТ2) не вызывает. Поэтому при настройке целесообразно ориентироваться на наименьшее сопротивление прямой последовательности при симметричных и других свободных от нулевой последовательности видах КЗ. При этом длину концевых промежутков для падений напряжений на концах участка следует принимать в пределах конструкторской целесообразности, например одного метра.
Затухание при передаче сигнала несущей частоты, заполняющей импульсы кода, следует учитывать при исправном состоянии проводов, т.к. передача кодированных сигналов осуществляется через концы поврежденного участка, но по неповрежденным частям проводов линии на ее концы. Это обеспечивает существенное снижение мощности генераторов несущей частоты 33 (ГНЧ1) и 34 (ГНЧ2) вследствие исключения необходимости передачи высокочастотного (ВЧ) сигнала несущей через место КЗ на участке.
Улавливание передаваемого кода с ВЧ наполнением импульсов с места повреждения на концы линии осуществлено с помощью ферритового трансформатора тока 40, охватывающего байпас 39 каждого провода на концах линии (фиг.2). Благодаря такому решению по выявлению ВЧ сигнала и передаче последнего в кодированном виде исключаются заградители, конденсаторы связи и фильтры присоединения традиционной организации ВЧ канала по проводам линии. Отбираемый ВЧ сигнал трансформатором тока 40 является незначительной частью разности сигналов генераторов 33 (ГНЧ1) и 34 (ГНЧ2) и затухания последних в проводах линии от места повреждения до ее концов. Традиционный случай благодаря заградителю на каждом конце линии обеспечивает остаточную мощность ВЧ сигнала после его затухания в линии в большей степени и она поступает в фильтр присоединения - измерительный орган приемника. Поэтому величина ВЧ напряжения в этом случае может обеспечить большую величину отношения сигнал - помехи по сравнению с аналогичным отношением ВЧ тока, отбираемого ферритовым трансформатором тока 36, т.к. протекающий под действием остаточного ВЧ напряжения через указанный трансформатор ток определяется примыкающей к данному концу линии поперечными параметрами сети, которые могут быть разными. Однако данное превосходство не может быть радикальным, т.к. ВЧ токи на концах линии зависят не только от параметров примыкающих сетей, но также и окружающего эти сети эфира, что не может быть устранено заградителями.
Измерение тока линии ферритовым трансформатором тока, охватывающим не в целом провод, а байпас к последнему, обеспечивает конструкторское удобство установки (монтажа) этого трансформатора с неразъемным ферритовым сердечником, а также регулировку линейного режима и насыщения сердечника путем изменения сечения байпаса.
Электропитание активных элементов, находящихся под высоким напряжением обобщенных блоков 5 (ДТ1), 7 (ИКС1) одного и 6 (ДТ2), 8 (ИКС2) другого концов высоковольтного силового провода каждого участка, осуществляется соответственно от блоков питания 9 (БП1) и 10 (БП2), а активных элементов обобщенного блока 11 (ДКС) на головных участках 3 от дополнительного выхода блока питания 9 (БП1). Все блоки питания работают, также находясь под высоким напряжением каждого контролируемого высоковольтного провода. Активные компоненты обобщенного блока 13 (НП), находящиеся на потенциале земли, питаются от аккумуляторной батареи 14 (АБ).
Логические электронные элементы представленной системы защиты: сумматоры, постоянные запоминающие устройства, преобразователи параллельного кода в последовательный, дешифраторы, контролеры могут быть реализованы на базе серии КР-1554 или ATMEL, аналоговые элементы: усилители, фильтры, генераторы, модуляторы - на основе компонентов Analog Device. Для построения электронно-оптического и обратного оптоэлектронного преобразовании могут быть использованы электрические цепи соответственно со светодиодами и фотодиодами. Передача оптического сигнала от светодиодов к фотодиодам осуществляется по защищенным от оптических помех оптоволоконным жилам.
Отличительной особенностью защит, построенных по заявленному способу, основанном на дифференциально-фазном принципе, является абсолютная отстроенность от неполнофазных, асинхронных режимов, качаний, передача высокочастотных сигналов только по неповрежденным проводам линии.