УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты управляемых шунтирующих реакторов (УШР), сетевые обмотки которых используются одновременно и как обмотки подмагничивания, от замыканий на землю полюсов системы подмагничивания.
Известны устройства релейной защиты от коротких замыканий, применяемые на шунтирующих реакторах: максимальная токовая защита, продольная дифференциальная токовая защита, токовая защита нулевой последовательности, газовая защита (Федосеев A.M., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М., Энергоатомиздат, 1992, стр.434-456 [1]).
Описанные виды защит, по принципу действия, реагируя на токи частоты сети, не обеспечивают достаточной чувствительности и быстродействия при повреждениях в схеме управляемого реактора, приводящих к появлению постоянной составляющей в токах фаз реактора, вызываемой замыканиями на землю полюсов системы подмагничивания.
Постоянные составляющие в фазных токах сети переменного тока должны практически отсутствовать, т.к. представляет собой опасность для подключенного к сети электротехнического оборудования, прежде всего силовых трансформаторов и автотрансформаторов, измерительных трансформаторов тока и напряжения, вызывая насыщение магнитопроводов, перегрев, повышенную вибрацию, нарушение работы систем защиты. Трансформаторно-реакторное оборудование в электрических системах рассчитано на кратковременное воздействие постоянной составляющей тока, величина и длительность которого определяется коммутационными переходными процессами, сопровождающимися появлением апериодической составляющей тока. Длительное воздействие постоянной составляющей недопустимо. Поэтому любые повреждения в схеме управляемого реактора, вызывающие появление постоянной составляющей в токах фаз реактора, должны выявляться системой защиты, действующей на отключение реактора. В то же время, возможность появления такой несимметрии является одной из особенностей схем управляемых реакторов без выделенных обмоток управления (Чванов В.А. Управляемый шунтирующий реактор - объект управления. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. №2, 2008, стр.38, рис.1. [2]). Каждая фаза управляемого реактора данного типа состоит из двух полуфаз, при этом обмотки полуфаз расположены на двух разных стержнях. Высоковольтные сетевые выводы обмоток полуфаз соединены и через высоковольтный ввод подключены к фазам сети. Нейтральные выводы обмоток полуфаз имеют отдельные выводы из бака реактора и подключены к разным полюсам преобразователя постоянного тока (управляемый выпрямитель) системы подмагничивания.
По условиям работы реактора и преобразователя нейтральные выводы заземляются через нейтральные реакторы. Активные сопротивления обмоток нейтральных реакторов должны быть во много раз больше, чем активные сопротивления сетевых обмоток для того, чтобы максимально снизить шунтирующее действие цепей нейтральных реакторов и не приводить к необходимости какого-либо значительного увеличения мощности преобразователя.
Данный принцип работы системы подмагничивания предполагает, что оба вывода преобразователя работают под потенциалами нейтралей управляемого реактора и должны иметь уровень изоляции от земли, соответствующий уровню изоляции нейтралей реактора (Гусев С.И., Столяров Е.И., Мустафа Г.М., Сенов Ю.М., Луганская И.Б. Модель управляемого подмагничиванием реактора для расчета электромагнитных процессов в линиях электропередачи. Электричество, №6, 2010, стр.2-9, рис.2. [3]). В тоже время, в схеме трехфазного реактора, при симметричном режиме работы, потенциалы нейтральных выводов относительно невелики и характеризуется наличием напряжения 3-й гармоники и постоянного напряжения, равного половине напряжения между выводами преобразователя, но разного знака.
Управляемый шунтирующий реактор проектируется и изготавливается так, чтобы минимизировать технологические различия в характеристиках сопротивлений полуобмоток и обеспечивать при последовательном включении полуобмоток фаз реактора между выводами преобразователя режим, при котором постоянные составляющие напряжения в точках соединения обмоток, подключаемых к фазам сети, были близки к нулю. Таким образом, в фазных токах УШР постоянная составляющая сводится до допустимого значения, обычно не превышающего 1-2 А (менее 1% от номинального тока).
При замыкании на землю одного из полюсов преобразователя (одной из нейтралей реактора) внешнее сопротивление сети, шунтирующее полуобмотку реактора, соединенную с данным полюсом, приводит к тому, что симметрия напряжений в нейтралях нарушается, и ток подмагничивания данной полуобмотки уменьшается, вызывая появление постоянной составляющей тока в фазах реактора. Учитывая, что постоянный ток подмагничивания в обмотках реактора во много раз больше допустимого значения постоянного тока в фазах реактора, защита от замыкания на землю полюсов преобразователя (шины от преобразователя до нейтральных выводов реактора) должна быть быстродействующей.
Схема включения преобразователя системы подмагничивания УШР, сетевые обмотки которых используются одновременно и как обмотки подмагничивания, приводит к целому ряду режимных особенностей работы оборудования, входящего в состав УШР, связанных с одновременным электрическим воздействием на него контура постоянного тока, обеспечивающего изменение тока в фазах реактора за счет подмагничивания магнитопроводов постоянным током, создаваемым преобразователем системы подмагничивания, и напряжением переменного тока электрической сети, к которой подключен УШР.
Известны устройства, предназначенные либо для защиты от замыканий на землю в одной точке цепи постоянного тока, например, возбуждения электрических машин или привода электрифицированного транспорта, основанные на контроле изоляции полюсов на землю, либо для защиты от замыканий на землю фаз сети переменного тока.
Известно устройство защиты от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения ([1], стр.414-416), основанное на наложении на напряжение постоянного тока напряжения переменного тока от вспомогательного источника, включаемого между землей и полюсами через фильтрующие цепочки. Элементы схемы защиты и сопротивления изоляции полюсов системы возбуждения образуют мостовую схему. При замыкании полюса мост оказывается разбалансированным и исполнительный орган защиты срабатывает.
Однако данное устройство, в рассматриваемой схеме УШР, будет иметь низкие чувствительность и быстродействие из-за шунтирующего действия конденсаторной батареи, включенной между полюсами преобразователя.
Известно устройство от замыканий на корпус (землю) силовых цепей тепловозов (патент RU №2415445, класс G01R 27/18, опубл. 27.03.11 г. [4]), основанное на контроле напряжений между полюсами цепи постоянного тока и корпусом. При возникновении замыкания одного из полюсов происходит снижение напряжения данного полюса до значения близкого к нулю. При условии, что другое напряжение находится в диапазоне выше выбранного порога, происходит срабатывание защиты и снятие возбуждения с генератора, питающего силовую сеть.
Однако в рассматриваемой схеме УШР, в которой сетевые обмотки используются одновременно и как обмотки подмагничивания, данное устройство будет иметь низкое быстродействие из-за необходимости включения в измерительные цепи блоков задержки и фильтров, характеризуемых большими постоянными времени, т.к. напряжение на полюсах цепи постоянного тока относительно земли характеризуется высоким уровнем гармоник (например, амплитуда 3-й гармоники в номинальном режиме в 30-40 раз превышает напряжение источника постоянного тока), а перенапряжения, связанные с коммутациями шунтирующего реактора и несимметричными режимами в сети высокого напряжения переменного тока, в 80-100 раз превышают напряжение источника постоянного тока в номинальном режиме.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство защиты управляемого реактора от замыканий, принятое за прототип (патент RU №2126195, класс МПК Н02Н 7/045, опубл. 10.02.1999 г. [5]), содержащее трансформатор тока, включенный в общую нейтраль реактора, и блок определения уставки, связанный своим входом с системой управления реактором, а выходом с нульорганом канала защиты по току.
Описанное устройство предусматривает контроль тока нулевой последовательности в измерительном трансформаторе тока, включенном в общую нейтраль реактора, и сравнение значения этого тока с уставкой, поступающей от блока определения уставки. Уставка вычисляется в зависимости от текущей нагрузки (тока) реактора за счет связи блока управления уставкой с системой управления реактора, определяющей режим работы (нагрузку) реактора. Защита срабатывает при превышении тока нулевой последовательности значения тока уставки, которая увеличивается или уменьшается, в зависимости от того увеличивается или уменьшается ток (нагрузка) реактора.
Однако данное устройство, предусматривающее контроль тока нулевой последовательности частоты 50 Гц, в заявленном виде, с уставкой 0,30…0,5 от текущего значения тока реактора не может обеспечить быстродействующую защиту от замыкания на землю полюсов системы подмагничивания, вызывающих появление постоянной составляющей в фазных токах реактора.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия защиты УШР от замыканий на землю полюсов системы подмагничивания, приводящих к появлению постоянной составляющей токов фаз реактора путем использования в устройстве каналов защиты как по току, так и по напряжению, при одновременном выполнении условий срабатывания по обоим каналам.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве защиты управляемого шунтирующего реактора от замыканий на землю, содержащем трансформатор тока, включенный в общую нейтраль реактора, блок определения уставок, связанный своим входом с системой управления реактором, а выходом с нульорганом канала защиты по току, новым является то, что в него дополнительно введены два делителя напряжения, включенные между полюсами системы подмагничивания реактора и землей, при этом система подмагничивания реактора подключена между нейтральными выводами обмоток реактора, соединенными с землей через нейтральный реактор, выходы делителей напряжения через преобразователи напряжения соединены с входами сумматора с разными знаками, выход которого через фильтр низкой частоты подсоединен к первому входу нульоргана канала защиты по напряжению, второй вход которого соединен с первым выходом блока определения уставки, а выход с первым входом элемента «И», второй вход которого соединен с выходом нульоргана канала защиты по току, первый вход которого через фильтр низкой частоты соединен с трансформатором тока, а второй вход - со вторым выходом блока определения уставок, причем выход элемента «И» соединен через реагирующий орган защиты с входом системы управления реактором.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
На фиг.1 представлена функциональная схема трехфазного управляемого шунтирующего реактора с системой управления и устройством защиты от замыканий на землю полюсов системы подмагничивания.
На фиг.2 показаны осциллограммы сигналов в схеме защиты.
N
УШР (фиг.1) состоит из трех фаз 1 с сетевой обмоткой, разделенной на две полуобмотки Z1 и Z2, которые расположены на разных стержнях магнитопровода. Сетевые обмотки стержней имеют общий линейный вывод, включаемый через выключатель 2 к фазам А, В, С высоковольтной трехфазной сети переменного тока. Нейтральные выводы полуобмоток трех фаз, выводимые на крышку бака (на фиг.1 не показан) реактора, присоединяются к полюсам системы подмагничивания 3, 4 так, что образуют схему соединения сетевых обмоток реактора - двойная звезда с разделенными нейтралями. Между полюсами системы подмагничивания включен источник постоянного тока подмагничивания 5 (управляемый выпрямитель) с выходной конденсаторной батареей 6. Между полюсами (нейтралями) и землей включен нейтральный реактор 7 сопротивлением Z в ветвях. Между общим выводом ветвей нейтрального реактора и землей расположен активный измерительный трансформатор тока 8. Между полюсами системы подмагничивания 3, 4 («+» и «-» источника подмагничивания) и землей включены делители напряжения 9 (ДН1 и ДН2). Устройство защиты включает два канала: по току и по напряжению. Канал по напряжению образован по сигналам с делителей напряжения полюсов системы подмагничивания. Низковольтные выводы делителей напряжения соединены с входами преобразователей напряжения 10 (ПН), выходы которых соединены с входами «+» и «-» сумматора 11 (Σ). Выход сумматора через фильтр низкой частоты (ФНЧ) 12 соединен с первым входом нульоргана 13 канала защиты по напряжению (далее нульорган). Второй вход нульоргана 13 соединен с первым выходом блока определения уставок 14 (БОУ), вход которого подключен к системе управления реактора 15 (СУ). Канал по току образован по сигналу от активного трансформатора тока 8, установленного в общей нейтрали реактора. Сигнал с активного трансформатора тока через фильтр низкой частоты 16 поступает на первый вход нульоргана 17 канала защиты по току (далее нульорган), второй вход которого соединен со вторым выходом блока определения уставок 14. За счет связи БОУ с СУ, в нем происходит определение значений с уставок каналов защиты по току (Io) и напряжению (Uo) в зависимости от текущей нагрузки (тока) реактора, задаваемой системой управления (СУ) реактора. Сигналы с нульорганов каналов по току и по напряжению поступают на входы элемента «И» 18, выход которого соединен с входом реагирующего органа защиты 19 (РОЗ) от замыканий полюсов системы подмагничивания. Выход РОЗ 19 соединен с системой управления 15, а также с цепями управления выключателей 2.
Схемотехника защиты в целом, как и ее элементов, может быть реализована на любой элементной базе - электромеханической, полупроводниковой или цифровой.
На фиг.2 представлены осциллограммы сигналов в схеме защиты, возникаемые в процессе ее работы, где:
1 - сигнал на входе нульоргана канала по напряжению;
2 - сигнал на входе нульоргана канала по току;
3 - сигнал на выходе защиты;
t1 - момент включения реактора в сеть;
t2 - момент включения системы подмагничивания (с форсировкой напряжения);
t3 - момент КЗ на землю полюса системы подмагничивания;
t4 - момент срабатывания защиты.
N
N
o
Устройство работает следующим образом. Трансформатор тока 8 измеряет ток в общей нейтрали реактора, а делители напряжения 9 измеряют напряжение полюсов системы подмагничивания относительно земли. Измеренный ток поступает на вход защиты канала по току, а измеренные напряжения - на входы защиты канала по напряжению. В канале по току, для исключения влияния гармонических составляющих с частотами 50 Гц и более, измеренный сигнал фильтруется фильтром низкой частоты 16 и далее поступает на вход нульоргана 17. На второй вход данного нульоргана поступает сигнал уставки защиты канала по току от второго выхода блока управления уставками 14 соединенного с системой управления УШР 15. Величина уставки пропорциональна текущему значению тока подмагничивания УШР, т.е. при уменьшении тока подмагничивания соответственно уменьшается уставка защиты канала по току, а при увеличении тока подмагничивания - увеличивается. При отсутствии замыкания на землю постоянная составляющая в токе нейтрали отсутствует. При замыкании на землю полюса системы подмагничивания одна из ветвей Z нейтрального реактора шунтируется цепью короткого замыкания, и в общей нейтрали реактора появляется составляющая постоянного тока, фиксируемая активным трансформаторов тока 8. При превышении значения постоянной составляющей в токе общей нейтрали реактора заданной уставки I>I, фиксируемого нульорганом 17, формируется сигнал защиты канала по току.
o
В канале по напряжению, входные сигналы от делителей напряжения 9, пропорциональные напряжениям полюсов системы подмагничивания реактора, поступают в преобразователи напряжения 10 где выпрямляются, сглаживаются, масштабируются и поступают на входы «+» и «-» сумматора 11 на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный разнице абсолютных значений напряжений полюсов ΔU. При отсутствии замыкания на землю ΔU близко к нулю. При возникновении замыкания на землю какого-либо полюса системы подмагничивания ΔU увеличивается и становится пропорциональным напряжению между полюсами. Для исключения влияния гармонических составляющих с частотами 50 Гц и более, сигнал ΔU фильтруется ФНЧ 12 и далее поступает на вход нульоргана канала по напряжению 13. На второй вход данного нульоргана поступает сигнал уставки защиты канала по напряжению от первого выхода блока управления уставками 14 соединенного с системой управления УШР 15. Величина уставки пропорциональна текущему значению напряжения между полюсами источника подмагничивания УШР, т.е. при уменьшении напряжения подмагничивания соответственно уменьшается уставка защиты канала по напряжению. При превышении значения ΔU заданной уставки ΔU>U формируется сигнал защиты канала по напряжению. Сигналы срабатывания каналов защиты по току и напряжению поступают на входы элемента «И» 18, в котором при наличии сигналов срабатывания по обоим каналам формируется общий сигнал срабатывания защиты от замыканий на землю. Этот сигнал через выходной орган защиты 19, поступая в систему управления, вызывает блокировку импульсов управления источника подмагничивания. СУ может, при задании соответствующего алгоритма, провести автоматическую повторную подачу импульсов с восстановлением напряжения источника подмагничивания и, при повторном определении наличия короткого замыкания полюса, обеспечить формирование сигнала на отключение высоковольтных выключателей реактора 2.
Наличие в устройстве защиты от замыканий на землю полюсов системы подмагничивания управляемого шунтирующего реактора каналов по току и напряжению позволяет существенно увеличить быстродействие и чувствительность защиты за счет увеличения границ частоты пропускания фильтров низкой частоты каналов защиты по току и напряжению, при одновременном увеличении отстройки от апериодических составляющих в измерительных цепях защиты, связанных с переходными процессами в примыкающей высоковольтной сети переменного тока и резкими изменениями (форсировка/расфорсировка) напряжения источника тока системы подмагничивания в процессе увеличения или уменьшения нагрузки (тока) управляемого реактора.
Как видно из осциллограмм, приведенных на фиг.2, как в канале по току (2), так и в канале по напряжению (1), кроме сигнала, появляющегося в момент t3 при возникновении короткого замыкания полюса системы подмагничивания, имеются апериодические сигналы помех, появляющиеся в процессе работы УШР. Так в канале по току апериодический сигнал появляется в момент t1 при включении УШР, а в канале по напряжению в момент t2 - при включении (форсировке) напряжения подмагничивания. Так как сигналы помех в каналах возникают в разные моменты времени, а защита срабатывает в момент t4, после того как в обоих каналах сигналы превысят заданные уставки срабатывания, то защита отстроена от таких помех.
Заявляемое устройство применяется для защиты от замыканий на землю полюсов системы подмагничивания управляемых шунтирующих реакторов, сетевые обмотки которых используются одновременно и как обмотки подмагничивания, используемых для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения на высоковольтных линиях электропередачи переменного тока и подстанциях электроэнергетических систем.
Источники информации:
1. Федосеев A.M., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М., Энергоатомиздат, 1992, стр.434-456.
2. Чванов В.А. Управляемый шунтирующий реактор - объект управления. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. №2, 2008, стр.38, рис.1.
3. Гусев С.И., Столяров Е.И., Мустафа Г.М., Сенов Ю.М., Луганская И.Б. Модель управляемого подмагничиванием реактора для расчета электромагнитных процессов в линиях электропередачи. Электричество, №6, 2010, стр.2-9 рис.2.
4. Патент №2415445. Способ измерения сопротивления изоляции и защиты от замыканий на корпус силовых цепей тепловозов. Класс G01R 27/18, опубл. 27.03.2011 г.
5. Патент №2126195. Устройство защиты управляемого реактора от внутренних коротких замыканий. Класс Н01Н 7/045, опубл. 10.02.1999 г. (прототип).