METHOD OF DIFFERENTIAL PROTECTION OF ELECTRICAL NETWORK PARTS
Способ дифференциальной защиты участка электрической сети

Изобретение относится к области электротехники, к релейной защите, в частности к токовой дифференциальной защите, и может быть использовано, например, для защиты участка электрической сети, состоящей из кабельных заходов линий электропередачи (ЛЭП) в комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) в совокупности с шинами распределительного устройства (РУ) 110-220 кВ.
Согласно п. 9.10.1 [Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ СТО 56947007- 29.240.10.028-2009.ОАО «ФСК ЕЭС» - 2009 - 96 с.] и п. 3.3.2 [Правила устройства электроустановок. 7-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 2007] должно предусматриваться автоматическое повторное включение (АПВ) воздушных линий электропередачи. Применение АПВ при коротких замыканиях (КЗ) на кабельных участках кабельно-воздушной линии электропередачи (КВЛ), а также при КЗ в КРУЭ, например, на вводе до выключателя, является нежелательным. Для обеспечения селективного выявления КЗ на кабельных участках КВЛ или на вводе до выключателя КРУЭ, на каждом кабельном участке КВЛ применяется отдельный комплект быстродействующей защиты, подключаемый к отдельным выносным трансформаторам тока (ТТ) и ТТ ввода, воздействующий на выключатель присоединения и выдающий в случае выявления КЗ на кабельных участках КВЛ команду на запрет АПВ линии электропередачи.
Известен способ продольной дифференциальной защиты трехфазных линии, в соответствии с которым контролируют разность токов одноименных фаз в начале и конце линии и при превышении разностного тока порогового значения отключают поврежденную линию [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. Пособие для техникумов - М.: Энергоатомиздат, 1998. С. 318-329].
Недостатком известного способа является низкая надежность, связанная с излишним срабатыванием защиты при повреждении хотя бы одного трансформатора тока.
Известно устройство для продольной дифференциальной защиты трехфазной линии с проводным каналом, содержащее трансформаторы тока, устанавливаемые на концах защищаемой ЛЭП, подключенные в каждую фазу в начале и конце линии и дифференциальные токовые реле, подключенные через комбинированные фильтры тока для сокращения количества проводов в канале связи и устройство контроля исправности проводов каналов связи [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. Пособие для техникумов - М.: Энергоатомиздат, 1998. Сс. 327-334].
Недостатком известного устройства является недостаточно надежный контроль исправности токовых цепей, необходимость применения двух устройств защиты (полукомплектов), отсутствие пофазного сравнения токов по концам защищаемой линии ввиду использования комбинированного фильтра тока, необходимость установки отдельных комплектов защиты на каждом из кабельных участков КВЛ.
Наиболее близким техническим решением является способ дифференциальной защиты шин трехфазной электрической установки [Патент РФ №2171002 «Способ дифференциальной защиты шин трехфазной электрической установки и устройство для его реализации» МПК Н02Н 3/26, опубл. 20.07.2001 г., БИ №20], содержащей, по меньшей мере, одну пару систем шин, соединенных между собой в каждой паре через трехфазный шиносоединительный выключатель, в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи каждой из фаз каждого присоединения, подключенного к соответствующей шине через свой выключатель, а также токи каждой фазы шиносоединительного выключателя со стороны каждой из систем шин, для каждой из систем шин формируют результирующую трехфазную последовательность токов путем геометрического суммирования токов, полученных в результате упомянутых преобразований токов соответствующих фаз всех присоединений соответствующей системы шин со сдвинутым на 180 электрических градусов полученного в результате упомянутого преобразования током соответствующей фазы другой системы шин, протекающего через шиносоединительный выключатель, соединяющий соответствующую систему шин с другой системой шин, со стороны другой системы шин, для каждой из систем шин осуществляют геометрическое суммирование токов всех фаз результирующей трехфазной последовательности токов, подавая на соответствующие первичные обмотки, расположенные на среднем стержне насыщающегося трехстержневого трансформатора тока соответствующего токового реле, токи фаз результирующей трехфазной последовательности токов соответствующей системы шин, при этом в цепи вторичной обмотки упомянутого насыщающегося трехстержневого трансформатора тока, расположенной на одном из его крайних стержней и в цепи дополнительной обмотки из двух встречно-последовательно соединенных секций, одна из которых расположена на среднем стержне трехстержневого магнитопровода, а другая на его другом крайнем стержне, формируют результирующие токи, величина каждого из которых определяется величиной результирующего магнитного потока, созданного токами первичных обмоток насыщающегося трехстержневого трансформатора тока, путем геометрического суммирования токов дополнительных обмоток насыщающихся трехстержневых трансформаторов тока токовых реле всех систем шин формируют суммарный результирующий ток, величина которого определяется геометрической суммой токов всех фаз результирующих последовательностей токов всех систем шин, при одновременном превышении величины суммарного результирующего тока и величины результирующего тока вторичной обмотки насыщающегося трехстержневого трансформатора тока токового реле одной из систем шин соответствующих пороговых уровней подают сигнал на отключение присоединений этой системы шин.
Недостатком способа-прототипа является недостаточный контроль исправности токовых цепей, что особенно актуально для распределительных устройств подстанций с большим числом выключателей, отсутствие возможности селективного выявления КЗ на кабельных участках КВЛ или на вводе до выключателя КРУЭ и как следствие необходимость отключения всей системы шин при КЗ на данных участках.
Действительно, в способе - прототипе применяются достаточно сложные средства определения повреждений трансформаторов тока, создающие дополнительную выдержку времени, отсутствует возможность локализации аварии на кабельных участках КВЛ без отключения всей системы шин.
Устранения указанных недостатков можно достигнуть путем организации избыточной обработки информации о токах, измеренных на концах всех присоединений к системам шин электроустановки, а также на концах защищаемых кабельных участках КВЛ и сформированных в специальные матрицы токов. Предлагаемое устройство представляет собой защиту, в зону действия которой входят кабельный участок трехфазной линии электропередачи и шины 110-220 кВ. Такая защита способна различать КЗ на шинах (секциях шин) 110-220 кВ и КЗ на кабельных участках КВЛ и отключать поврежденный элемент.
В качестве примера рассмотрим КРУЭ, выполненное по схеме 110-13 «две рабочие системы шин» [Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35-750 кв. Типовые решения. СТО 56947007-29.240.30.010-2008 ОАО «ФСК ЕЭС», 2007]. Такая схема применяется в случаях, когда имеются присоединения, длительное отключение которых недопустимо. Каждое из присоединений может быть подключено разъединителями, как к первой, так и ко второй системе шин. Схема обеспечивает большую гибкость электроснабжения, поскольку системы шин могут функционировать как вместе, так и раздельно (фиг. 1). К распределительному устройству подключены присоединения 110 кВ путем кабельных заходов ЛЭП.
1
11
1
13
При рассмотрении будем исходить из однофазного исполнения схемы, для трехфазного исполнения аналитические рассуждения и формульные зависимости будут аналогичными. Для участка сети (фиг. 1) построим однонаправленный граф (фиг. 2) с вершинами и дугами, где вершинами V-V графа представляются шины, кабели 110 кВ, шиносоеднительный выключатель с участками между выключателем и трансформаторами тока; дугами e-е - ввода распределительного устройства, участки, содержащие трансформаторы тока, линейные выключатели, разъединители. При последовательном соединении высоковольтных электрических аппаратов - трансформаторов тока, выключателей и разъединителей, они отображается единой дугой. Вес дуг, представляет собой информацию о величине протекающего тока, полученного путем измерений с помощью соответствующих трансформаторов тока.
i,j
Зададимся матричным представлением графа. Заполнение матрицы токов выполним с применением «метода двойной записи» [Например, Кольвах О.И. Моделирование бухгалтерского учета. Ситуационно-матричный подход: монография / О.И. Кольвах. - М.: Вузовская книга, 2010]. Причем каждая вершина графа Vk (где k - номер вершины графа) представляется специальной матрицей вершины MVk=||mνk|| размером р×2, где p - число вершин графа. Количество строк матрицы соответствует числу вершин графа, а в столбцы вносится информация о дугах, смежных данной вершине, как направленных к ней, так и исходящих из нее. В первый (левый) столбец вносится информация о весах дуг, направленных к рассматриваемой вершине, а во второй (правый) - направленных от нее.
i,j
Элементы матрицы mνk, составленной для вершины Vk, определяются следующим образом:
Для схемы (фиг. 1) и соответствующего графа (фиг. 2) имеем следующие матрицы токов:
Применение двойной записи обеспечивает взаимосвязь между вершинами графа, что позволяет объединить их в единую целостную систему. Каждая дуга графа отражается с одинаковым весом в матрицах токов MVk дважды: как дуга, связанная с вершиной и направленная к ней для одной матрицы, и как дуга, связанная с вершиной и направлена от нее для другой матрицы. Возможность введения контрольных операций «метода двойной записи» заключается в том, что, записывая значение каждого веса дуги для разных матриц токов MVk дважды, можно осуществить проверку правильности данных о токах.
Для проверки правильности данных о токах составим матрицы входящих CI и исходящих СО токов. Матрица входящих токов CI формируется путем последовательного заполнения столбцов матрицы размерностью p×p, где p - число вершин графа, из левых столбцов матриц токов MVk, а матрица исходящих токов СО такой же размерности путем последовательного заполнения по столбцам матрицы размерностью p×p из правых столбцов матриц токов MVk:
a
1,i
2,j
где Аk - матрица размером 2×р, служащая для преобразования матрицы MVk в матрицу размером p×p, в которой элемент k=1 при i=k (где k - номер рассматриваемой вершины), а остальные элементы равны нулю. Bk - матрица размером 2×p, служащая для преобразования матрицы MVk в матрицу размером p×p, в которой элемент bk=1 при j=k (где k - номер рассматриваемой вершины), а остальные элементы равны нулю.
В основе проверки правильности данных о токах лежит соблюдение равенства:
где 0 - нулевая матрица, размером р×р, в которой все элементы равны нулю.
Для рассматриваемой схемы распределительного устройства (фиг. 1) с двумя системами шин:
Следующим этапом является определение зоны действия защиты, исходя из топологии схемы с учетом положения разъединителей.
Зададим для рассматриваемого распределительного устройства (фиг. 1) следующие положения разъединителей:
- разъединители QS1, QS2, QS3, QS4, QS5, QS6, QS10, QS8 - включены;
- разъединители QS7, QS9, QS11 - отключены.
Отключенное положение разъединителей, с точки зрения теории графов, характеризуются удалением соответствующей дуги. Для рассматриваемой схемы отключаются («открываются») дуги е9, e11, е13.
Включенное положение разъединителей с точки зрения теории графов характеризуются объединением вершин, инцидентных дуге, соответствующей включенному положению разъединителя, выполняемым путем удаления соответствующей дуги и формирования единой вершины.
В результате возможен переход к новой форме графа (фиг. 3) при исключении дуг е8-е13 и объединении вершин V1, V9, VI1 (V1*) и V2, V10 (V2*).
С точки зрения матричных операций, при положении разъединителя «отключено», в матрице MVk, имеющей в своем составе соответствующую дугу, присваивается значение равное «0» на соответствующей позиции. При положении разъединителя «включено», матрицы, имеющие в своем составе данную дугу, суммируются, а рассматриваемой дуге присваивается значение равное «0» на соответствующей позиции.
Таким образом получаем:
Результирующие матрицы MV1*, MV2*, MV3, MV4, MV5 отражают зоны релейной защиты. Для рассматриваемого варианта распределительного устройства и соответствующего графа (фиг. 3) с принятыми положениями разъединителей, результирующие матрицы токов принимают вид
Определение поврежденного элемента в предлагаемом способе дифференциальной защиты может быть реализовано следующим образом.
Защитой производится сравнение токов по дифференциальному принципу для каждой зоны защиты - системы шин распределительного устройства, кабельных участков КВЛ, шиносоединительной перемычки. Защищаемые элементы представляются вершинами графа и описываются матрицами токов MVk. При отсутствии повреждения (тока короткого замыкания) сумма токов, входящих и исходящих из узла (вершины графа) равна нулю. Сумма токов, неравная нулю, свидетельствует о наличии короткого замыкания. Данное утверждение справедливо для всех вершин графа, не являющиеся висячими и представляющих зоны защиты - шины, кабельные участки присоединений КВЛ.
Для проверки наличия тока короткого замыкания для всех вершин графа, составляются уравнения для суммы токов SMVk в узле (вершине) Vk:
где  - матрица-вектор размером 1×p, служащая для суммирования токов в различных узлах;
- матрица - вектор размером 2×1, служащая для итогового суммирования в узле.
В развернутой форме выражение (5) принимает вид:
В частности, для рассматриваемой схемы (фиг. 3) и соответствующих вершин V1*, V2*, V3, V4 и V5 графа сумма токов в узле составляет:
Для вершин графа V1*, V2*, V3, V4 и V5 условиями наличия короткого замыкания в соответствующей зоне действия релейной защиты будут:
- на первой системе шин, соответствующей вершине графа V1*,
- на второй системе шин, соответствующей вершине графа V2*,
- на шиносоединительной перемычке между системами шин, соответствующей вершине графа V3,
- на кабельном участке КВЛ, соответствующей вершине графа V4,
- на кабельном участке КВЛ, соответствующей вершине графа V5,
q
В качестве критерия проверки исправности трансформаторов тока можно применить следующее соображение. Так как каждая дуга графа отражается с одинаковым весом (значением тока) в матрицах вершин дважды (как дуга, связанная с вершиной и направленная к ней одной матрицы вершины, и как дуга, связанная с вершиной и направлена от нее другой матрицы вершины), то при неверных значениях, выдаваемых трансформаторами тока (значении токов I), сумма входящих и исходящих токов в двух матрицах становится ошибочной (не соответствующей реальной сумме токов схемы). Если обе вершины, в матрицах которых присутствуют измерения поврежденного трансформатора тока, представляют собой соответствующие защищаемые элементы -шины, кабельные участки КВЛ, тогда сумма токов для обеих вершин становится неравной нулю. Если одна из вершин с поврежденным трансформатором тока является висячей (степень вершины равна 1), то сумма токов для всей схемы остается равной нулю в отличие от случая КЗ в сети.
Запишем приведенное утверждение в матричной форме.
Составим матрицу - вектор S, размером n×1, где n - число вершин графа со степенью >1 (не являющихся висячими). Строки матрицы представляют собой суммы токов в узлах SMVk защищаемых элементов сети, полученные ранее.
Для рассматриваемой схемы:
Для вершин графа V1*, V2*, V3, V4 и V5, представляющих защищаемые элементы (узлы графа не являющихся висячими) при ошибочных показаниях трансформаторов тока, вызванных их неисправностью, сумма токов SMVk становится неравной нулю.
Для получения результирующей матрицы SUM необходимо матрицу S умножить слева на единичный вектор-столбец Е. Вектор-столбец Е представляет собой матрицу-вектор размером 1×n, где n - число вершин графа, степени>1, все элементы которого равны единице, служащую для суммирования токов в различных узлах
Признаки, необходимые для функционирования дифференциальной защиты при различных соотношениях токов для схемы фиг. 1 и результатах выполнения матричных операций по выражениям (8) и (20) сведены в таблицу 1.
Также возможны и другие сочетания суммарных токов (таблица 1), однако, по мнению авторов, такие сочетания не позволяют однозначно выявлять повреждения элементов участка электрической сети.
Таким образом, в зависимости от соотношения токов на схеме (фиг. 1), а также результатов выполнения операций над матрицами токов можно реализовать надежное функционирование дифференциальной защиты с использованием таблицы 1. При этом обеспечивается не только действие защиты при повреждениях, но и исключаются ее излишние действия при повреждениях трансформаторов тока. Дополнительно, с эксплуатационной точки зрения, целесообразна выдача контрольного сигнала при повреждениях трансформаторов тока для проведения их скорейшего ремонта или замены.
Задачей изобретения является повышение надежности способа дифференциальной защиты участка электрической сети, состоящего из кабельных заходов линий электропередачи и шин путем выявления неисправностей трансформаторов тока, исключения излишнего действия защиты в таких случаях и выдачи контрольного сигнала при неисправности соответствующего трансформатора тока.
Поставленная задача достигается способом дифференциальной защиты участка электрической сети, содержащего, по меньшей мере, одну пару систем шин, соединенных между собой в каждой паре через трехфазный шиносоединительный выключатель, в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи каждой из фаз каждого присоединения, подключенного к соответствующей шине через свой выключатель, а также токи каждой фазы шиносоединительного выключателя со стороны каждой из систем шин, формируют трехфазную последовательность токов путем геометрического суммирования токов, полученных в результате преобразований токов соответствующих фаз всех присоединений, а также протекающих через шиносоединительный выключатель, при отклонении результирующих токов пороговых уровней подают сигнал на отключение поврежденного элемента. Согласно предложения в состав участка электрической сети включены кабельные участки присоединений кабельно-воздушных линий электропередачи, в трансформаторах тока преобразуют токи каждой из фаз по концам кабельных участков присоединений кабельно-воздушных линий электропередачи, в состав трехфазной последовательности токов включаются токи каждой из фаз по концам кабельных участков присоединений кабельно-воздушных линий электропередачи, дополнительно для получения результирующих токов, обеспечивающих проверку условий срабатывания дифференциальной защиты участка электрической сети, формируют комбинации сумм и разностей последовательностей токов с применением метода двойной записи, выявляют неисправности трансформаторов тока присоединений шин, кабельных участков присоединений кабельно-воздушных линий электропередачи и шиносоединительного выключателя по соотношению результирующих токов, при выявленных неисправностях соответствующих трансформаторов тока выдают сигнал для вывода трансформаторов тока в ремонт и исключения излишних срабатываний дифференциальной защиты.
Способ дифференциальной защиты шин может быть реализован на микропроцессорной технике, например, с использованием терминалов цифровой релейной защиты производства ООО НПП «ЭКРА» (www.ekra.ru) и протокола МЭК 61850.
Вариант устройства для реализации способа дифференциальной защиты шин представлен на фиг. 4. Функции дифференциальной защиты шин возложены на отдельный обособленный терминал.
1
2
1
2
1
11
1
7
1
2
3
4
На фиг. 4 изображено распределительное устройство подстанции с двумя системами шин 5 и 5 и кабельными заходами ЛЭП 6, 6. Устройство (фиг. 4) содержит разъединители 1-1; терминал дифференциальной защиты 2; трансформаторы тока 3-3; выключатели присоединений 4, 4, 4, и шиносоединительный включатель 4.
Способ реализуется следующим образом.
1
2
1
7
1
7
1
11
При постановке шин 5, 5под напряжение в обмотках трансформаторов тока 3-3 начинают протекать соответствующие токи I…I. Терминал защиты 2 осуществляет непрерывное измерение дискретных значений токов и получает данные о положениях разъединителей 1-1, которые поступают в терминал 2 дифференциальной защиты по проводным каналам связи. В терминале 2 формируются и производятся вычисления над матрицами токов по выражениям (8), (20), определяются величины, характеризующие функционирование дифференциальной защиты согласно таблице 1.
1
2
1
1
2
3
2
3
4
5
1
2
1
1
2
2
В случае возникновения признаков, указывающих на повреждение шин, терминалом 2 вырабатываются и выдаются сигналы на отключение поврежденной системы шин 5 или 5. Терминал 2 выдает команду на отключение при повреждении системы шин 5 с воздействием на выключатели 4, 4 и 4, а при повреждении системы шин 5 - с воздействием на выключатели 4, 4 и 4. В случае возникновения признаков, указывающих на повреждение кабельных заходов 6 или 6, терминалом 2 вырабатываются и выдаются сигналы на отключение поврежденного присоединения 6 с воздействием на выключатель 4 и запретом АПВ КВЛ, или на отключение поврежденного присоединения 6 с воздействием на выключатель 4 и запретом АПВ КВЛ.
1
7
1
2
1
2
1
7
Дополнительно терминалом 2 дифференциальной защиты непрерывно проверяется выполнение условий согласно таблице 1 и в случае возникновения повреждений одного из трансформаторов тока 3-3 выдается контрольный сигнал о повреждении соответствующего трансформатора тока. При этом действия защиты на отключение системы шин 5 или системы шин 5, а также кабельных заходов 6, 6 не производится. Контрольный сигнал о неисправности трансформатора тока 3-3 может, например, быть выведен на средства индикации терминала 2. Средства индикации сигнализируют оперативному и эксплуатационному персоналу о необходимости незамедлительного вывода в ремонт или замены поврежденного трансформатора тока.
Таким образом, выполнение операций над матрицами токов, сформированных с применением теории графов и «метода двойной записи» обеспечивает достижение задачи изобретения - повышение надежности способа дифференциальной защиты путем выявления неисправностей трансформаторов тока, исключения действия защиты в таких случаях и выдачи контрольного сигнала при неисправности соответствующего трансформатора тока.