УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
PROTECTIVE DEVICE FOR TWO PARALLEL LINES

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты двух параллельных линий.
Известно устройство для защиты двух параллельных линий [Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высш. шк., 2008. - С.328-337], содержащее реле направления мощности, подключенное к трансформаторам тока линий и трансформатору напряжения, и реле тока, подключенные к этим же трансформаторам тока. При этом выходы реле направления мощности и реле тока включены в цепь отключения выключателя.
Недостатками данного устройства являются наличие мертвой зоны из-за использования реле направления мощности, неправильная работа при обрыве провода с односторонним коротким замыканием и малая чувствительность из-за необходимости отстройки от максимальных токов нагрузки и токов в неповрежденных фазах.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для защиты двух параллельных линий [RU 2313875 C1, МПК H02H3/28, H02H7/26 (2006.01), опубл. 27.12.2007], содержащее первый элемент ИЛИ и первое выходное реле, входом подключенное к выходу первого элемента ИЛИ, а выходом в цепь отключения выключателя первой из двух параллельных линий, второй элемент ИЛИ и второе выходное реле, входом подключенное к выходу второго элемента ИЛИ, а выходом в цепь отключения выключателя второй линии, и для двух одноименных фаз линий по реле тока и реле направления мощности, подключенных к трансформаторам тока этих фаз, по первому и второму элементу И, первым входом подключенных к разноименным выходам реле направления мощности, вторым - к последовательно включенным контактам выключателей, а третьим - к выходу реле тока, причем выход первого элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, а выход второго элемента И - к первому входу второго элемента ИЛИ. Первое, второе и третье реле тока входами подключены к трансформаторам тока соответственно фаз А, В, С первой линии. Третий элемент И и третий элемент ИЛИ входами подключены к выходам первого, второго и третьего реле тока. Четвертое, пятое, шестое реле тока подключены к трансформаторам тока соответственно фаз А, В, С второй линии. Четвертый элемент И и четвертый элемент ИЛИ подключены к выходам четвертого, пятого и шестого реле тока. Первый элемент ИЛИ-НЕ входами подключен к выходам первого и четвертого реле тока, а второй элемент ИЛИ-НЕ - к выходам второго и пятого реле тока. Третий элемент ИЛИ-НЕ подключен к выходам третьего и шестого реле тока. Пятый и шестой элементы ИЛИ входами подключены к выходам элементов ИЛИ-НЕ и к выходу соответственно четвертого и третьего элементов И. Выход третьего элемента ИЛИ подключен к четвертому входу второго элемента И. Выход четвертого элемента ИЛИ подключен к четвертому входу первого элемента И. Выход пятого и шестого элементов ИЛИ подключен к пятому входу соответственно первого и второго элементов И.
Недостатками данного устройства являются малая надежность из-за использования цепей напряжения, которые повреждаются чаще, чем токовые цепи, и глубокое понижение напряжения, которое может приводить к излишнему срабатыванию защиты, как следствие, даже к крупной аварии, например к техногенной аварии в США 1995 г. [Кощеев Л.А., Семенов В.А. Системные аварии в Западном энергообъединении США // Электричество. 1997. №10. С.24-28].
Задачей изобретения является повышения надежности устройства.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для защиты двух параллельных линий, так же как и в прототипе, содержит первое, второе и третье реле тока, подключенные к вторичным обмоткам трансформаторов тока соответствующих фаз А, В, С первой линии, четвертое, пятое и шестое реле тока, подключенные к вторичным обмоткам трансформаторов тока соответствующих фаз А, В, С второй линии, первый, второй, третий, четвертый элементы И, каждый из которых подключен к соответствующему реле тока, первый элемент ИЛИ подключен к первому, второму и третьему элементам И, а второй элемент ИЛИ подключен к четвертому элементу И.
Согласно изобретению первый умножитель и четвертый элемент сравнения подключены к вторичной обмотке трансформатора тока фазы А первой линии. Первый умножитель подключен к первому элементу сравнения. Второй умножитель и пятый элемент сравнения подключены к вторичной обмотке трансформатора тока фазы В первой линии. Второй умножитель подключен к второму элементу сравнения. Третий умножитель и шестой элемент сравнения подключены к вторичной обмотке трансформатора тока фазы С первой линии. Третий умножитель подключен к третьему элементу сравнения. Четвертый умножитель и первый элемент сравнения подключены к вторичной обмотке трансформатора тока фазы А второй линии. Четвертый умножитель подключен к четвертому элементу сравнения. Пятый умножитель и второй элемент сравнения подключены к вторичной обмотке трансформатора тока фазы В второй линии. Пятый умножитель подключен к пятому элементу сравнения. Шестой умножитель и третий элемент сравнения подключены к вторичной обмотке трансформатора тока фазы С второй линии. Шестой умножитель подключен к шестому элементу сравнения. Пятое и шестое реле тока соответственно подключены к пятому и шестому элементу И. Первый, второй и третий элементы сравнения соответственно подключены к первому второму и третьему элементам. Четвертый, пятый и шестой элементы сравнения соответственно подключены к четвертому, пятому и шестому элементам И. Пятый и шестой элементы И подключены к второму элементу ИЛИ. Выход первого элемента ИЛИ подключен в цепь отключения выключателя второй линии, а выход второго элемента ИЛИ подключен в цепь отключения выключателя первой линии.
Использование данного устройства позволяет исключить цепи напряжения, что повышает надежность устройства.
На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство.
На фиг. 2 представлена схема двух параллельных линий с короткими замыканиями между фазами А и В на первой линии вне зоны каскадного действия и в ней.
На фиг. 3 представлена схема двух параллельных линий с двойными замыканиями на землю фазы А на первой линии и фазы С линии, отходящей от шин противоположной подстанции, вне зоны каскадного действия и в ней.
На фиг. 4 представлена схема двух параллельных линий с короткими замыканиями на землю фазы А на первой линии вне зоны каскадного действия и в ней.
На фиг. 5 представлена схема двух параллельных линий с обрывом фазы А на первой линии.
Устройство для защиты двух параллельных линий содержит первое 1 (фиг. 1), второе 2, третье 3 реле тока, которые соответственно подключены к вторичным обмоткам первого 4, второго 5, третьего 6 трансформаторов тока фаз А, В, С первой линии 7 (фиг. 2). Четвертое 8 (фиг.1), пятое 9, шестое 10 реле тока соответственно подключены к вторичным обмоткам четвертого 11, пятого 12, шестого 13 трансформаторов тока соответствующих фаз А, В, С второй линии 14 (фиг. 2).
Входы первого элемента И 15 (И1) (фиг. 1) подключены к выходам первого реле тока 1 и первому элементу сравнения 16 (С1). Входы второго элемента И 17 (И2) подключены к выходам второго реле тока 2 и второго элемента сравнения 18 (С2). Входы третьего элемента И 19 (И3) подключены к выходам третьего реле тока 3 и третьего элемента сравнения 20 (С3). Входы четвертого элемента И 21 (И4) подключены к выходам четвертого реле тока 8 и четвертого элемента сравнения 22 (С4). Входы пятого элемента И 23 (И5) подключены к выходам пятого реле тока 9 и пятого элемента сравнения 24 (С5). Входы шестого элемента И 25(И6) подключены к выходам шестого реле тока 10 и шестого элемента сравнения 26 (С6). Входы первого элемента ИЛИ 27 (ИЛИ 1) подключены к выходам первого 15 (И1), второго 17 (И2) и третьего 19 (И3) элементов И. Входы второго элемента ИЛИ 28 (ИЛИ2) подключены к выходам четвертого 21 (И4), пятого 23 (И5) и шестого 25 (И6) элементов И. Выходы первого 27 (ИЛИ1) и второго 28 (ИЛИ2) элементов ИЛИ соответственно подключены в цепи отключения выключателей 29 (фиг. 2) линии 14 и 30 линии 7. Первый 31 (У1) (фиг. 1), второй 32 (У2), третий 33 (У3) умножители и входы четвертого 22 (С4), пятого 24 (С5), шестого 26 (С6) элементов сравнения соответственно подключены к вторичным обмоткам первого 4, второго 5, третьего 6 трансформаторов тока. Четвертый 34 (У4), пятый 35 (У5), шестой 36 (У6) умножители и входы первого 16 (С1), второго 18 (С2), третьего 20 (С3) элементов сравнения соответственно подключены к вторичным обмоткам четвертого 11, пятого 12 и шестого 13 трансформаторов тока. Первый 16 (С1), второй 18 (С2), третий 20 (С3), четвертый 22 (С4), пятый 24 (С5), шестой 26 (С6) элементы сравнения соответственно подключены входами к выходам первого 31 (У1), второго 32 (У2), третьего 33 (У3), четвертого 34 (У4), пятого 35 (У5) и шестого 36 (У6) умножителя.
В качестве реле тока могут быть использованы реле типа РТ-40. Элементы сравнения, ИЛИ и И, усилители могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя amtel АТ89S53.
Принцип работы устройства заключается в определении поврежденной линии путем сравнения токов одноименных фаз двух параллельных линий по абсолютной величине и запрете работы на отключение первой (второй) линии, если в любой из фаз второй (первой) линии нет тока при каскадном отключении повреждения, обрыве провода с односторонним заземлением, ошибочном или самопроизвольном отключении линии с противоположной стороны.
Выбор поврежденной линии осуществляется элементами сравнения первым 16 (С1), вторым 18 (С2), третьим 20 (С3), четвертым 22 (С4), пятым 24 (С5), шестым 26 (С6) из условия, что ток в поврежденной линии больше тока в неповрежденной в k раз. При выполнении этого условия подается сигнал на отключение соответствующей линии. На выходах элементов сравнения 16 (С1), 18 (С2), 20 (С3) сигналы на отключение второй линии появляются, если соответственно выполняются следующие условия:
I<sub>А2</sub> ≥ k·I<sub>А1</sub>
(1)
I<sub>В2</sub> ≥ k·I<sub>В1</sub>
(2)
I<sub>С2</sub> ≥ k·I<sub>С1</sub>
(3)
A1
В1
С1
A2
В2
С2
где I, I, I и I, I, I - токи в фазах А, В, С линий 7, 14;
k - коэффициент отстройки.
На выходах элементов сравнения 22 (С4), 24 (С5), 26 (С6) сигналы на отключение первой линии появляются, если соответственно выполняются следующие условия:
I<sub>А1</sub> ≥ k·I<sub>А2</sub>
(4)
I<sub>В1</sub> ≥ k·I<sub>В2</sub>
(5)
I<sub>С1</sub> ≥ k·I<sub>С2</sub>
(6)
1
2
3
1
2
3
Значение k определяют следующим образом. Оно должно быть таким, чтобы защита не срабатывала излишне, когда короткие замыкания на линиях отсутствуют, а отношение токов в их одноименных фазах максимально. Это имеет место при трехфазных коротких замыканиях на шинах противоположной подстанции, когда погрешность ε трансформаторов тока достигает максимального значения. Также учтем погрешности ε, учитывающую разницу в сопротивлениях линий, и ε устройства. В соответствии с существующими допущениями принимаем ε=0,1, ε=0,02, ε=0,02. Тогда
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>к</mi><mi>ф</mi></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>к</mi><mi>ф</mi></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,18</mn></mrow>
,
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>к</mi><mi>ф</mi></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
где
- ток в фазах линий при трехфазном КЗ на шинах противоположной подстанции без учета погрешностей; с запасом принимают k=1,2.
Токи срабатывания первого 1, второго 2, третьего 3, четвертого 8, пятого 9, шестого 10 реле тока отстраиваются от токов холостого хода линий.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме токи одноименных фаз обеих линий равны. Поэтому неравенства (1-3) в первом 16 (С1), втором 18 (С2), третьем 20 (С3) элементах сравнения и неравенства (4-6) в четвертом 22 (С4), пятом 24 (С5), шестом 26 (С6) элементах сравнения не выполняются, на их выходах сигналов нет. Следовательно, на один вход первого 15 (И1), второго 17 (И2), третьего 19 (И3), четвертого 21 (И4), пятого 23 (И5), шестого 25 (И6) элементов И сигнал не поступает. И хотя первое 1, второе 2, третье 3, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока находятся в сработанном состоянии, сигналы на выходах первого 15 (И1), второго 17 (И2), третьего 19 (И3), четвертого 21 (И4), пятого 23 (И5), шестого 25 (И6) элементов И отсутствуют. Защита не срабатывает.
При отключении линии 7 с противоположной стороны первое 1, второе 2, третье 3 реле тока возвращаются в исходные положения и сигналов на их выходах нет. Четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока остаются в сработанном состоянии. На выходах четвертого 22 (С4), пятого 24 (С5), шестого 26 (С6) элементов сравнения сигналов нет, так как не выполняются условия их срабатывания. На выходах первого 16 (С1), второго 18 (С2) и третьего 20 (С3) элементов сравнения - есть (токи в фазах линии 14 больше, чем в линии 7, и соответствующие неравенства выполняются). На выходах первого 15 (И1), второго 17 (И2), третьего 19 (И3), четвертого 21 (И4), пятого 23 (И5), шестого 25 (И6) элементы И сигналов нет, так как к ним поступили сигналы лишь на один вход. Защита не срабатывает.
При трехфазном коротком замыкании на линии 7 (на фиг. 1 не показано) первое 1, второе 2, третье 3, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока остаются в сработанном состоянии, выполняются условия срабатывания четвертого 22 (С4), пятого 24 (С5), шестого 26 (С6) элементов сравнения и не выполняются - первого 16 (С1), второго 18 (С2) и третьего 20 (С3). Поэтому на выходах первого 15 (И1), второго 17 (И2), третьего 19 (И3) элементов И сигналов нет, а четвертого 21 (И4), пятого 23 (И5), шестого 25 (И6) элементов И и второго элемента ИЛИ 28 (ИЛИ2) - есть. В результате подается сигнал на отключение выключателя 30 линии 14. При двухфазном КЗ, например между фазами А и В, в точке 37 на линии 7 (фиг. 2), при наличии тока в неповрежденной фазе остаются сработанными первое 1, второе 2, третье 3, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока, при отсутствии - первое 1, второе 2, четвертое 8, пятое 9 реле тока, а третье 3, шестое 10 реле тока возвращаются в исходные положения. Сигналы появляются только на выходах четвертого 22 (С4) и пятого 24 (С5) элементов сравнения, четвертого 21 (И4) и пятого 23 (И5) элементов И и второго элемента ИЛИ 28 (ИЛИ2). Выключатель 30 отключается. При двухфазном коротком замыкании в зоне каскадного действия, например между фазами А и В, в точке 38, на линии 7 (фиг. 2), в первую очередь отключится выключатель 39 с приемной стороны (это сделает защита противоположной стороны). На выходах третьего 20 (С3), четвертого 22 (С4) и пятого 24 (С5) элементов сравнения появляются сигналы, первое 1, второе 2, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока остаются сработанными, третье реле тока 3 возвращается в исходное положение, на выходах четвертого 21 (И4), пятого 23 (И5) элементов И и второго элемента ИЛИ 28 (ИЛИ2) появляются сигналы (на выходах первого 15 (И1), второго 17 (И2), третьего 19 (И3), шестого 25 (И6) элементов И и первого элемента ИЛИ 27 (ИЛИ1) сигналы отсутствуют), выключатель 30 отключается.
A1
A2
При двойных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью, если одно повреждение произошло, например, в фазе А линии 7, а другое - в фазе С линии, отходящей от питаемой подстанции, точки 40, 41 (фиг. 3), то первое 1, второе 2, третье 3, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока (фиг. 1) остаются сработанными. Так как I ≥ k·I, то четвертый элемент сравнения 22 (С4) выдает сигнал, который через четвертый элемент И 21 (И4) и второй элемент ИЛИ 28 (ИЛИ2) подается на отключение выключателя 30. Если одно повреждение произошло, например, в фазе А линии 7 в зоне каскадного действия защиты, а другое - в фазе С линии, отходящей от питаемой подстанции, точки 42, 43 (фиг.3), то первое 1, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока (фиг. 1) остаются сработанными, второе 2, третье 3 реле тока возвращаются в исходные положения и блокируют действие защиты на отключение неповрежденной линии 14, появляются сигналы на выходах четвертого элемента сравнения 22 (С4), четвертого элемента И 21 (И4) и второго элемента ИЛИ 28 (ИЛИ2). Выключатель 30 отключается.
При однофазных коротких замыканиях в сети с заземленной нейтралью, например, в фазе А линии 7, точка 44 (фиг. 4), при отсутствии тока в неповрежденных фазах сработанными остаются первое 1 и четвертое 8 реле тока, а второе 2, третье 3 и пятое 9, шестое 10 реле тока возвращаются в исходные положения. При наличии в них тока первое 1, второе 2, третье 3, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока остаются сработанными. В обоих случаях на выходах первого 16 (С1), второго 18 (С2), третьего 20 (С3), пятого 24 (С5), шестого 26 (С6) элементов сравнения, первого 15 (И1), второго 17 (И2), третьего 19 (И3), пятого 23 (И5), шестого 25 (И6) элементов И, первого элемента ИЛИ 27 (ИЛИ1) сигналов нет, а на выходах четвертого элемента сравнения 22 (С4), четвертого элемента И 21 (И4) и второго элемента ИЛИ 28 (ИЛИ2) они есть. В результате выключатель 30 отключается. При однофазном коротком замыкании в зоне каскадного действия, точка 45 (фиг. 4), в сработанном состоянии находятся первое 1, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока. Второе 2, третье 3 реле тока возвращаются в исходные положения. Появляются сигналы на выходах второго 18 (С2), третьего 20 (С3), четвертого 22 (С4) элементов сравнения и четвертого элемента И 21 (И4). Выключатель 30 отключается. После его отключения первое 1, второе 2, третье 3 реле тока возвращаются в исходные положения, токи в трансформаторах 4 - 6 линии 7 отсутствуют и на выходах первого 15 (И1), второго 17 (И2), третьего 19 (И3), четвертого 21 (И4), пятого 23 (И5), шестого 25 (И6) элементов И сигналов нет. Защита выводится из действия.
При обрыве фазного провода, например фазы А (фиг. 5), и одностороннем его заземлении (с противоположной стороны) появляется сигнал на выходе первого элемента сравнения 16 (С1), но в исходное положение возвращается первое реле тока 1, и поэтому на выходах первого элемента И 15 (И1) и первого элемента ИЛИ 27 (ИЛИ1) сигналов нет. Защита не срабатывает.
По аналогии с изложенным легко проследить работу устройства при коротком замыкании на других фазах линии 7, обрывах их проводов и двойных замыканиях на землю. Точно также рассматривается поведение устройства при повреждениях на линии 14. Пусть, например, на ней произошло двухфазное короткое замыкание между фазами В и С. При наличии тока в неповрежденной фазе остаются сработанными первое 1, второе 2, третье 3, четвертое 8, пятое 9, шестое 10 реле тока, при отсутствии - второе 2, третье 3 и пятое 9, шестое 10, а первое 1 и четвертое 8 реле тока возвращаются в исходные положения. На выходах второго 18 (С2), третьего 20 (С3) элементов сравнения, второго 17 (И2), третьего 19 (И3) элементов И и первого элемента ИЛИ 27 (ИЛИ1) появляются сигналы. Выключатель 29 отключается.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить две параллельные линии чувствительной и надежной защитой от междуфазных замыканий.