Способ управления выключателями в сетях высокого и сверхвысокого напряжения с силовыми электромагнитными аппаратами
METHOD FOR CONTROLLING CIRCUIT BREAKERS IN HIGH AND EXTRA HIGH VOLTAGE NETWORKS WITH POWER ELECTROMAGNETIC DEVICES

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для предотвращения повреждений выключателей (например, элегазовых), через которые высокое (ВН) или сверхвысокое (СВН) напряжение подается на участки с силовыми электромагнитными высоковольтными аппаратами, в частности, с шунтирующими реакторами или силовыми трансформаторами (автотрансформаторами).
При коммутации силового выключателя в цепи возникают электрические токи, содержащие принужденные и свободные составляющие, в том числе, апериодические. Результирующий ток в цепи силового выключателя в течение некоторого времени является однополярным, т.е. не имеет переходов через нулевое значение со сменой полярности. Это обусловлено резонансными условиями, определенными значениями реактивных сопротивлений электрических воздушных линий с установленными на них шунтирующими реакторами, а также параметрами броска тока намагничивания, такими как: начальная фаза включения, разновременность включения фаз выключаетелей, взаимное магнитное и токовое влияние фаз, остаточная намагниченность сердечника. Интервал однополярности располагается в диапазоне от нескольких периодов промышленной частоты до единиц секунд в зависимости от параметров схемы и сценарных условий.
Длительное неотключение полюсом элегазового выключателя не переходящего через нулевое значение тока из-за наличия в нем большой апериодической составляющей приводят к авариям с последующим разрушением коммутационного оборудования и, как следствие, к необходимости его оперативной дорогостоящей замены. Разрушение выключателей обусловлено длительным горением дуги в межконтактном промежутке, что в свою очередь приводит к прогоранию контактов, перегреву дугогасящего газа, резкому повышению его давления и взрыву выключателя, который влечет за собой повреждение стоящего вокруг оборудования.
Известен способ обнаружения апериодических, по существу скачкообразных изменений амплитуды по меньшей мере одного электрического параметра, в особенности тока и/или напряжения в электрической сети (Патент RU №2525082, публ. 10.08.2014, МПК Н02Н 3/44), согласно которому предусматривается отключение от сети при неисправностях, которые сопровождаются апериодическими изменениями тока и/или напряжения, и на которые не реагируют другие защитные выключатели.
Недостатками настоящего технического решения являются неэффективность для коммутации выключателей сети высокого (ВН) или сверхвысокого (СВН) напряжения, т.к. попытка реализовать отключение при детектировании апериодической составляющей тока приведет к разрушению выключателя в условиях протекания однополярного тока. Изобретение относится к низкому классу напряжения (НН), где используются защитные автоматические выключатели.
Известны технические решения для управления силовым выключателем, особенно элегазовым, в которых детектирование апериодической составляющей тока переходного процесса предназначено не для отключения выключателя, а наоборот для недопущения его включения в условиях, когда попытка реализовать коммутацию выключателя по команде «отключить» на интервале однополярности отключаемого тока имеет существенные затруднения и чревата повреждением силового выключателя.
Известен способ демпфирования апериодической составляющей в токе линейного выключателя, описанный в патенте RU №118490 на полезную модель «Устройство демпфирования апериодической составляющей в токе линейного выключателя» (публ. 20.07.2012, МПК Н02Р 13/00), предусматривающий перед коммутацией элегазового выключателя демпфирование (или подавление) апериодической составляющей путем установки в нейтралях шунтирующих реакторов, так называемых «предвключаемых резисторов», с помощью которых радикально изменяют параметры силовых цепей и, как следствие, исключают возникновение длительных интервалов однополярности тока.
Недостатками настоящего технического решения являются возникновение новой апериодической составляющей тока при шунтировании резистора, ненадежность дешунтирования резисторов, не пригодность для бросков токов включения силовых трансформаторов и геоиндуцированных токов.
Известен способ подавления апериодической составляющей в токе линейного выключателя, описанный в патенте RU №117707 на полезную модель «Устройство подавления апериодической составляющей в токе линейного выключателя» (публ. 27.06.2012, МПК H01C 1/00), согласно которому перед коммутацией элегазового выключателя предусматривается подавление апериодической составляющей путем установки демпфирующего резистора между выводом высоковольтного выключателя и выводом шунтирующего реактора, второй вывод которого заземлен, так называемого «предвключаемого резистора», с помощью которого радикально изменяют параметры силовых цепей и, как следствие, исключают возникновение длительных интервалов однополярности тока.
Недостатками настоящего технического решения являются возникновение новой апериодической составляющей тока при шунтировании резистора, ненадежность дешунтирования резисторов, не пригодность для бросков токов включения силовых трансформаторов и геоиндуцированных токов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ управления элегазовыми выключателями в сетях ВН и СВН (публ. JP №2000188044, публ. 04.07.2000, МПК Н01Н 33/59), согласно которому выявляют апериодическую составляющую тока и минимизируют ее за счет управляемой коммутации, предполагающей настройку на включение выключателя в момент максимального значения сетевого напряжения. С целью повышения ресурса выключателя реализуют управляемое отключение при условии синусоидальности и возможности прогнозирования формы кривой аварийного тока или тока нагрузки и формирования команды на отключение с опережением времени действия выключателя до момента перехода тока через нулевое значение. Таким образом, обеспечивается возможность управления параметрами переходных процессов при коммутациях либо исключения интервалов однополярного тока.
Недостатками настоящего технического решения является низкая эффективность управления вследствие коммутационных перенапряжений на линейной изоляции и на оборудовании, подключенном к линии, поскольку включение в максимум напряжения источника приводит к возникновению наибольшей переходной компоненты; формирования в момент включения линии дополнительной апериодической составляющей тока в линейном выключателе; невозможности реализации управляемого отключения при насыщении электромагнитных трансформаторов тока, особенно резко возникающем при резко-несинусоидальных формах первичного тока;
Кроме того, в данном техническом решении не учитывают режимы, которые сопровождаются возникновением однополярных апериодических токов и последующем разрушением выключателя:
- короткие замыкания (КЗ) на воздушных линиях (ВЛ), когда имеет место неселективное отключение выключателя шунтирующего реактора одноименной поврежденной фазы;
- близкие КЗ на ВЛ или на шинах, при односторонней постановке под напряжение сети трансформатора (автотрансформатора) и наличии броска тока с последующим отключением выключателя;
- геоиндуцированные токи в цепях сетей с многократно заземленной нейтралью с длительностью периода в районе сотен секунд и амплитудой от единиц до десятков и даже сотен ампер, которые приводят к выходу из строя первичного оборудования и при наложении на основную частоту могут вызывать длительные интервалы однополярности.
- затухающие колебательные процессы перезаряда емкостных и индуктивных элементов в условиях отключенных реактированных ВЛ ВН (СВН).
Технической задачей предлагаемого изобретения является реализация управляемой адаптивной задержки отключения силового выключателя высокого и сверхвысокого напряжения в зависимости от формы кривой отключаемого тока.
Технический результат заключается в повышении эффективности управления элегазовыми выключателями и, как следствие, повышении их износоустойчивости и предотвращении повреждений подобных выключателей.
Это достигается тем, что в известном способе управления выключателями в сетях высокого и сверхвысокого напряжения с силовыми электромагнитными аппаратами, согласно которому в цепях потребителей контролируют наличие или отсутствие однополярного тока, и при его наличии, осуществляют отключение выключателя с задержкой по времени до обнаружения момента перехода тока через нулевое значение с изменением полярности, в процессе контроля дополнительно отслеживают мгновенные значения однополярного тока, указанный контроль производят в течение повторяющихся интервалов времени, в каждом из интервалов контроля отфильтровывают высокочастотные свободные колебательные составляющие переходных процессов, при этом если в течение интервала контроля не обнаруживают моменты перехода тока через нулевое значение с изменением полярности и фиксируют мгновенные значения тока лишь в области, превышающей максимально допустимое значение постоянного тока коммутации, заявленное заводом-изготовителем выключателя, то блокируют отключение выключателя, а если в течение интервала контроля обнаруживают моменты перехода тока через нулевое значение с изменением полярности или вхождение мгновенного значения в область, не превышающую максимально допустимое значение постоянного тока коммутации, заявленное заводом-изготовителем выключателя, то разрешают отключение выключателя.
При этом длительность интервалов контроля устанавливают в диапазоне 12-15 мс. Ток контролируют на стороне ВН или СВН в каждой фазе ВЛ, а для приема сигналов контроля и передачи сигналов управления выключателями используют прямые и обратные каналы радиосвязи. Ток контролируют на потенциале земли в цепи нейтрали силовых трансформаторов (автотрансформаторов) или шунтирующих реакторов со стороны нулевых выводов, а для приема сигналов контроля и передачи сигналов управления выключателями используют прямые и обратные каналы проводной связи.
Блокируют отключение выключателя с помощью устройства блокировки, которое постоянно удерживают в спящем режиме и переводят в ограниченный по времени активный режим управляющими командами, при этом команды формируют по алгоритмам релейной защиты и автоматики или оперативным управлением.
Блокируют отключение выключателя при обнаружении квазипостоянного геоиндуцированного тока, вызванного изменением геомагнитного поля при геомагнитных бурях, достигающего сотен ампер с частотой от 0,0001 до 0,1 Гц, имеющего длительные непереходы через ноль, опасные для элегазовых выключателей. Также блокируют отключение выключателя при обнаружении апериодической составляющей тока при близких КЗ на ВЛ или на шинах, при односторонней постановке под напряжение сети трансформатора (автотрансформатора) и наличии броска тока. Блокируют отключение выключателя реактора при КЗ на ВЛ или на шинах, когда возможно неселективное отключение выключателя шунтирующего реактора одноименной поврежденной фазы.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ при контроле тока на стороне ВН или СВН в каждой фазе выключателя воздушной линии (ВН) (схема отображена только для одной фазы), на фиг. 2 показана общая структурная схема устройства, реализующего предложенный способ при контроле тока на потенциале земли в цепи нейтрали силовых трансформаторов (автотрансформаторов) или шунтирующих реакторов, на фиг. 3 показаны временные диаграммы при отсутствии переходов тока через нулевое значение и наличии сигнала команды «Отключить» от оперативного управления, где а - работа (алгоритм) устройства блокировки, б - временные диаграммы сигналов, поясняющие осуществление составных операций, на фиг. 4 представлены временные диаграммы включения ВЛ и КЗ в момент времени t=0,3 c, до затухания апериодической составляющей тока, где а - работа (алгоритм) устройства блокировки, б - временные диаграммы сигналов, поясняющие осуществление составных операций.
Устройство, реализующее предлагаемый способ для предотвращения повреждений элегазовых выключателей, изображенное на фиг. 1 и 2, содержит источник электроснабжения 1, подключенный с помощью элегазового выключателя 2 к потребителю (реактивная нагрузка) 3 в виде силового электромагнитного аппарата, например шунтирующего реактора или силового трансформатора (автотрансформатора), отдельно стоящий шкаф управления выключателем (ШУВ) 4, получающий управляющие воздействия от человеко-машинной системы управления конфигурацией электрической сети (СУ) 5, который выполнен с возможностью осуществления передачи управляющих воздействий устройству блокировки (УБ) отключения выключателя 6 по средствам прямого и обратного каналов узла радиосвязи 7.
Отличительной особенностью устройства, представленного на фиг. 2, является расположение устройства блокировки отключения выключателя 6 (УБ) не под потенциалом СВН, как реализовано на фиг. 1, а в сети нейтрали силового трансформатора (автотрансформатора) или реактора.
Способ управления выключателями в сетях высокого и сверхвысокого напряжения с силовыми электромагнитными аппаратами осуществляется следующим образом.
В разных частях электроэнергетических систем имеются участки, в которых ВН (СВН) от источника электроснабжения 1 через элегазовый выключатель 2 подается на участок с силовым электромагнитным высоковольтным аппаратом 3, в частности шунтирующим реактором или силовым трансформатором (автотрансформатором). Управление элегазовым выключателем 2 производится через аппаратуру ШУВ 4, который реализует команды «Включить» или «Отключить» СУ 5 конфигурацией электрической сети. Управляющие команды в СУ 5 формируются автоматически по алгоритмам релейной защиты и автоматики, а также человеком, выполняющим функции оперативного управления.
При коммутации элегазового выключателя 2 в цепи возникают электрические токи, содержащие принужденные и свободные составляющие, в том числе, апериодические (фиг. 3, а). При определенном сочетании значений реактивных сопротивлений индуктивной и емкостной проводимости ВЛ с установленными шунтирующими реакторами, или определенных значениях начальной фазы включения, разновременности включения фаз выключателей, взаимного магнитного и токового влияния фаз, остаточной намагниченности сердечника силового трансформатора (автотрансформатора) или реактора 3, определяющих параметры броска тока намагничивания, результирующее значение тока в цепи выключателя 2 в течение времени, когда ток имеет однополярный характер, т.е. не имеет переходов через нулевое значение со сменой полярности, распространяется на длительность от нескольких периодов промышленной частоты до единиц секунд, в зависимости от параметров схемы и сценарных условий. Попытка реализовать коммутацию по команде «отключить» на интервале однополярности отключаемого тока имеет известные затруднения и чревата повреждением элегазового выключателя.
Как уже указывалось, в энергосистемах разработаны и реализуются мероприятия, направленные на предотвращение повреждения силовых выключателей:
- схемно-режимные, направленные на проектные ограничения и определение порядка включения первичного оборудования;
- установка в цепях с выключателями или в нейтралях шунтирующих реакторов так называемых «предвключаемых резисторов», которые радикально изменяют параметры силовых цепей с обеспечением подавления свободных составляющих и недопущения возникновения длительных интервалов однополярности;
- оснащение аппаратуры шкафа управления выключателем дополнительным блоком, который обеспечивает реализацию управляемой несинхронной коммутаций силового выключателя в заданную фазу мгновенного значения контролируемой электрической величины с учетом времени действия привода силового выключателя.
Перечисленные мероприятия, однако, обладают техническими ограничениями применения и характеризуются значениями параметра потока отказов, поэтому в обоснованных случаях требуют резервирования.
Следует учитывать и еще один источник однополярных токов - геоиндуцированные токи в цепях сетей с многократно заземленной нейтралью с длительностью периода в районе сотен секунд и амплитудой от единиц до десятков и даже сотен ампер. Указанные выше мероприятия не могут влиять на космические (магнитосферные) явления, и при этом высоковольтные сети энергосистем должны быть устойчивы к воздействиям геомагнитных возмущений - геоиндуцированных токов и тому подобных явлений. Также опасность для коммутации представляют затухающие колебательные процессы перезаряда емкостных и индуктивных элементов в условиях отключенных реактированных ВЛ ВН (СВН) или КЗ на ВЛ, когда имеет место неселективное отключение выключателя шунтирующего реактора одноименной поврежденной фазы.
Для осуществления функции блокировки отключения однополярного тока при коммутации выключателя ВН (СВН) в цепях каждой фазы устанавливают У Б 6. Если контроль тока осуществляется на стороне ВН или СВН, то для приема сигналов контроля и передачи сигналов управления выключателями используют прямые и обратные радиоканалы узла связи 7. Если же ток контролируется на потенциале земли в цепи нейтрали силовых трансформаторов (автотрансформаторов) или шунтирующих реакторов, для приема сигналов контроля и передачи сигналов управления выключателями используют прямые и обратные проводные каналы узла связи 7.
При поступлении от СУ 5 в ШУВ 4 команды «Включить» и/или «Отключить» выключатель, по сигналу от ШУВ 4 по прямому каналу узла связи 7 передаются в УБ 6 команды «Перейти в активный режим». Каждый УБ 6 переходит в активный режим, осуществляет самоконтроль и по обратному каналу 7 сообщает о готовности к действию.
В активном режиме УБ 6 вырабатывает и передает по обратному каналу узла связи 7 в ШУВ 4 сигнал «Блокировка» в случае, когда при наличии первичного тока в течение длительности интервала контроля (12-15 мс) не обнаруживают моменты перехода тока через нулевое значение с изменением полярности и фиксируют мгновенные значения тока лишь в области, превышающей максимально допустимое значение постоянного тока коммутации, заявленное заводом-изготовителем выключателя.
Если же в активном режиме при наличии первичного тока УБ 6 в интервале контроля обнаруживает моменты перехода тока через нулевое значение с изменением полярности или вхождение мгновенного значения тока в область, не превышающую максимально допустимый постоянный ток коммутации, заявленный заводом-изготовителем выключателя, то по обратному каналу узла связи 7 в ШУВ 4 передается сигнал «Разрешение» коммутации.
Отметим, что как наличие (отсутствие) моментов перехода тока через нулевое значение, так и превышение (непревышение) мгновенного значения тока максимально допустимого постоянного тока коммутации фиксируются микропроцессорным контроллером, входящим в состав УБ 6. С помощью указанного контроллера осуществляется также фильтрация сигналов, исключающая высокочастотные свободные колебательные составляющие переходных процессов, которые могут приводить к ложному деблокированию УБ 6 при протекании однополярного тока.
ШУВ 4 формирует команды на привод элегазового выключателя 2 в зависимости от сигналов от УБ 6 и задерживает команду «Отключить» при наличии сигнала «Блокировка» вплоть до момента исчезновения сигнала «Блокировка» и появления сигнала «Разрешение» коммутации. При не поступлении от УБ 6 по обратному каналу узла связи 7 сигнала «Готовность», реализуются команды от СУ 5 по алгоритмам, действующим в настоящее время, например, с задержкой по времени.
Подчеркнем, что при практической реализации данного технического решения блокирование отключения элегазового выключателя 2 может быть выполнено с использованием прогнозирования времени затухания свободной апериодической компоненты броска тока включения до безопасных для коммутации значений с учетом собственного времени отключения присоединения.
На осциллограммах фиг. 3 а, б проиллюстрированы включение ВЛ и команда «Отключить» до момента затухания апериодической составляющей тока от оперативного управления, а на фиг. 4 а, б - включение ВЛ и КЗ в момент времени t=0,3 c, до затухания апериодической составляющей тока.
На фиг. 3, а и фиг. 4, а представлены сигналы:
I - первичного тока при одностороннем включении ВЛ 750 кВ с ШР 3×110МВА;
II - команд от системы 5 управления, в том числе от релейной защиты;
III - блокировки отключения однополярного тока УБ 6;
IV - положения выключателя 2.
На фиг. 3, б и фиг. 4, б представлены сигналы, отображающие положения составных органов, участвующих в реализации предложенного способа:
V - «Пуск» устройства блокировки УБ 6;
VI - активный режим УБ 6;
VII - «Блокировка» от УБ 6 в ШУВ 4;
VIII - «Разрешение» от УБ 6 в ШУВ 4.
На осциллограмме фиг. 3 а, б продемонстрирована работа (алгоритм) УБ 6 при отсутствии переходов тока через нулевое значение и наличии сигнала команды «Отключить» от оперативного управления системы СУ 5. В представленной фазе присутствует апериодическая составляющая с постоянной времени, значительно превышающей период принужденных колебаний. Отключение элегазового выключателя 2 ВЛ на интервале однополярности кривой тока обуславливает опасность, вызванную невозможностью разорвать дугу из-за наличия апериодической составляющей в полном токе выключателя 2. Подобная ситуация приводит к повреждению выключателя 2 и возможному выходу ВЛ ВН (СВН) из строя, что крайне негативно сказывается на надежности энергосистемы. Алгоритм УБ 6 блокирует коммутацию на интервале однополярности кривой тока и элегазовый выключатель 2 успешно отключается после затухания апериодической составляющей тока до безопасных значений.
На осциллограмме фиг. 4 а, б продемонстрирована работа (алгоритм) УБ 6 при КЗ на ВЛ. В токе КЗ также содержится апериодическая составляющая, которая в предельном максимальном случае может быть равна принужденной периодической составляющей промышленной частоты. Алгоритм УБ 6 разрешает коммутацию менее чем через 10 мс после возникновения КЗ, что в свою очередь не приводит к замедлению действия релейной защиты и элегазовый выключатель 2 успешно отключается.
Таким образом, предложенный способ позволяет повысить эффективность управления элегазовыми выключателями. При этом повышается износоустойчивость, и предотвращаются повреждения элегазовых выключателей. Способ является бесконфликтным техническим решением, его применение положительно сказывается на общей надежности электроэнергетической системы.