Устройство дистанционной защиты

Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к средствам релейной защиты электрических сетей.
Широко известно устройство дистанционной защиты [1], в котором расстояние до места повреждения определяется с помощью реле сопротивления по косвенному принципу - изменению сопротивления контура короткого замыкания, вычисляемого по сигналам трансформаторов тока и трансформаторов напряжения. Устройство защиты формирует команду на отключение линии при попадании вектора сопротивления в определенную зону (область характеристики срабатывания) на комплексной плоскости.
Данный подход предполагает стационарность контролируемого режима, и потому в условиях переходных процессов погрешность определения удаленности замыкания значительно возрастает.
Кроме этого, вектор измеренного сопротивления может попадать в зону срабатывания дистанционной защиты при некоторых нагрузочных режимах (например, при пуске крупного асинхронного электродвигателя) и при наличии некоторых видов переходного сопротивления в месте повреждения. Эти факторы снижают точность измерения удаленности точки короткого замыкания и, следовательно, снижают степень селективности защиты.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является решение, выбранное в качестве прототипа [2]. Устройство-прототип содержит датчики тока и напряжения, блок управления выключателем, первый и второй блоки моделирования короткого замыкания, блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом первой модели короткого замыкания, второй вход блока сравнения соединен с выходом второй модели короткого замыкания.
По токам и напряжениям, соответствующим аварийному и нормальному (доаварийному) режимам, вычисляют аварийные составляющие, которые, согласно принципу наложения [3], определяются, главным образом, видом и местом повреждения. Их использование позволяет отстроиться от влияния нагрузочного режима на расчет места повреждения.
На основе аварийных составляющих с помощью двух моделей защищаемой линии электропередачи определяют реактивные мощности предполагаемых (расчетных) цепей короткого замыкания при повреждении в начале и в конце защищаемой линии, соответственно. Предположив, что сопротивление в месте повреждения имеет активный (резистивный) характер, считают повреждение внутренним (на защищаемой линии), когда знаки двух полученных значений реактивной мощности различны.
Недостаток известного решения заключается в том, что оно позволяет выявить лишь факт повреждения защищаемой линии электропередачи, но не обеспечивает зависимость времени срабатывания дистанционной защиты от удаленности места короткого замыкания.
Целью предложенной полезной модели является создание устройства, реализующего дистанционный принцип защиты более полно и более точно.
Указанная цель достигается тем, что устройство дистанционной защиты, содержащее датчики тока и напряжения, блок управления выключателем, первый и второй блоки моделирования короткого замыкания, блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом первой модели короткого замыкания, второй вход блока сравнения соединен с выходом второй модели короткого замыкания, дополнительно снабжено блоком регистрации, дистанционным органом, блоком отсчета выдержки времени и индикатором, первый вход блока регистрации соединен с выходом датчика тока, второй вход блока регистрации соединен с выходом датчика напряжения, выход блока регистрации соединен с входами первого и второго блоков моделирования короткого замыкания, вход дистанционного органа соединен с выходом блока сравнения, первый выход дистанционного органа подключен к входу блока отсчета выдержки времени, второй выход подключен к входу блока индикации, выход блока отсчета выдержки времени подключен к входу блока управления выключателем.
Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение обладает новизной в части блоков регистрации, отсчета выдержки времени и индикации, а также связей между ними. Это позволяет установить его соответствие критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что в заявленном решении используется прямое измерение удаленности места повреждения, а не косвенный признак - попадание вектора сопротивления в заранее сформированную зону (область характеристики срабатывания). Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного устройства дистанционной защиты.
Схема содержит: изображение контролируемой линии электропередачи, датчик 1 тока и датчик 2 напряжения, блок 3 регистрации, блоки 4 и 5 моделирования короткого замыкания, блок 6 сравнения, дистанционный орган 7, блок 8 отсчета времени, блок 9 индикации, блок 10 управления выключателем.
На фиг. 2 представлена диаграмма реактивной мощности Q(x), определяемой по аварийным составляющим при повреждениях в начале и в конце защищаемой линии.
На диаграмме отмечены точки Н и К, которые соответствуют результатам преобразований, выполняемых в блоках 4 и 5 моделирования короткого замыкания, и точка пересечения отрезка [Н, К] с осью абсцисс, соответствующая координате места повреждения.
Устройство дистанционной защиты (фиг. 1) работает следующим образом. Сигналы с датчика 1 тока и датчика 2 напряжения поступают в блок 3 регистрации, который осуществляет непрерывную запись и хранение измеренных значений. При возникновении короткого замыкания в произвольной точке К линии электропередачи блок 3 регистрации выявляет начало переходного процесса и на основании имеющейся информации об измеренных величинах формирует два набора значений токов и напряжений, которые соответствуют нормальному и аварийному режимам работы сети. Вычисляется третий набор - аварийные составляющие токов и напряжений. Также блок 3 регистрации определяет вид повреждения.
ƒ
ƒ
н
к
н
к
Полученные наборы токов и напряжений поступают на входы блоков 4 и 5 моделирования короткого замыкания. Модель, заложенная в них, формируется на базе решения дифференциальных уравнений, описывающих защищаемую линию. Данные блоки осуществляют математический пересчет наблюдаемых величин в ток ветви повреждения (I) и напряжение в точке повреждения (U), исходя из предположения, что короткое замыкание, тип которого соответствует тому, что было определено блоком 3 регистрации, возникло в начале (точка К) и конце (точка К, удаленная на расстояние l от места установки устройства) линии электропередачи, соответственно. По ним рассчитывают реактивные мощности ветвей повреждения в начале (Q) и конце (Q) линии. При этом каждому виду замыкания соответствует свое расчетное выражение, которое в случае трехфазного замыкания будет иметь следующий вид:
н
к
ƒ
Знаки полученных значений реактивной мощности сравниваются в блоке 6 сравнения, и в случае их отличия величины Q и Q преобразуется, согласно фиг. 2, в расстояние до места короткого замыкания (х) по следующему выражению:
с.з
Полученная координата блоком 9 индикации отображается на экране устройства, а также поступает на вход дистанционного органа 7, где сравнивается с длиной защищаемой зоны l. Результат сравнения передается на вход блока 8 отсчета выдержки времени. В зависимости от удаленности повреждения от места установки устройства блок 8 отсчета выдержки времени вносит соответствующую задержку на выдачу команды отключения на блок 10 управления выключателем.
Экспериментальные исследования заявляемого устройства дистанционной защиты показали, что по сравнению с прототипом заявляемое устройство осуществляет вычисление расстояния до места повреждения и обеспечивает зависимость времени срабатывания защиты от удаленности повреждения.
Использование прямой оценки удаленности места повреждения позволяет повысить точность дистанционной защиты, а реализация зависимой выдержки времени - степень ее селективности.
Источники информации:
1. Чернобровов Н.В. Релейная защита. М.: Энергия, 1974. - 680 с.
2. Лямец Ю.Я., Антонов В.И., Нудельман Г.С., Ахметзянов С.Х. Патент на изобретение №1775787 Российской Федерации, Н02Н 3/40. Способ дистанционной защиты линии электропередачи. Опубл. 15.11.1992, Бюл. №42 (прототип).
3. Основы теории цепей: Учеб. для вузов / Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. - 5 е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989.