Способ автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи
OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE AUTOMATIC RE-CLOSURE METHOD

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для кабельно-воздушных линий электропередачи.
Согласно Правил устройства электроустановок [Правила устройства электроустановок (ПУЭ) 7-ое издание (утв. Приказом Минэнерго от 08.07.2002. №204] п. 3.3.2. «…Должно предусматриваться автоматическое повторное включение (АПВ) воздушных и смешанных (кабельно-воздушных) линий всех типов напряжений выше 1 кВ. Отказ от применения АПВ долен быть в каждом отдельном случае обоснован».
Однако в электротехнической практике отсутствуют типовые технические решения, обеспечивающие АПВ кабельно-воздушных ЛЭП высокого напряжения (например, 110 кВ и выше).
Для обеспечения экономической эффективности высоковольтные кабельно-воздушные ЛЭП применяют в зоне мегаполисов. При этом с точки зрения безопасности и предотвращения травматизма людей, целесообразно реализовать АПВ кабельно-воздушных ЛЭП при повреждениях на воздушных участках и запретить АПВ при повреждения на кабельных участках. Действительно повторная подача высокого напряжения на высоковольтный кабель, проходящий в зоне жилых построек, может привести к существенному ущербу, травмированию и даже гибели людей. При этом особую опасность представляют переходы кабельных участков в воздушные, выполняемые, как правило, непосредственно на опорах ЛЭП. Следует отметить, что на высоковольтных кабелях, как правило, отсутствует механизм самоустранения повреждения и для повторной подачи напряжения они должны испытываться.
Поэтому для эффективного АПВ высоковольтных кабельно-воздушных ЛЭП необходимо с высокой точностью определить на каком из участков (воздушном или кабельном) произошло повреждение и при устранении повреждения на воздушном участке реализовать АПВ ЛЭП.
С точки зрения изложенной логики, существующие способы АПВ ЛЭП [Например, Богорад A.M., Назаров Ю.Г. Автоматическое повторное включение в энергосистемах. - М.: «Энергия», 1969.] для кабельно-воздушных линий непосредственно не применимы.
Известен способ автоматического повторного включения линии электропередачи [Патент РФ №2365013 МПК H02H 3/06, опубл. 20.08.2009 г.], при котором АПВ производится в случае положительного результата диагностики состояния ЛЭП, диагностику состояния ЛЭП проводят путем приема и анализа на каждой фазе непрерывных высокочастотных сигналов, содержащих, по крайней мере, один информационный признак работоспособности ЛЭП или наличия устойчивого повреждения, при этом прием и анализ высокочастотных сигналов осуществляют на одном конце линии, а информативные признаки формируют на основе собственных и взаимных сопротивлений фаз ЛЭП на разных частотах.
Однако применение известного способа и соответствующих устройств АПВ затруднительно на кабельно-воздушных ЛЭП из-за отражений непрерывных высокочастотных сигналов в местах соединения кабельных и воздушных участков, поскольку каждый из участков существенно отличается по значениям волновых сопротивлений.
Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ, реализованный в устройстве частотной токовой защиты кабельных линий [Патент РФ №2094920 Устройство частотной токовой защиты кабельных линий, H02H 7/26, опубл. 27.10.1997 г.], содержащем блоки аппаратуры на питающей и приемной подстанциях, соединенные каналом связи, каждый из которых включает приемопередатчик частотного сигнала, логическую схему, выключатель кабельной линии с приводом и катушкой отключения и комплект трансформаторов тока, блок аппаратуры на питающей подстанции дополнительно содержит комплект максимальной токовой защиты, вход которого соединен с выходом комплекта трансформаторов тока, а выход с отключающей катушкой привода выключателя кабельной линии, привод выключателя содержит замыкающий и размыкающий контакты, логическая схема по входу соединена с выходом приемника приемопередатчика, по одному выходу соединена с входом комплекта максимальной токовой защиты, а по другому выходу с входом передатчика приемопередатчика через размыкающий контакт привода выключателя, замыкающий контакт привода выключателя включен в цепь питания приемопередатчика и логической схемы, логическая схема на приемной подстанции по одному входу соединена с выходом комплекта датчиков тока и напряжения, входы которого соединены с выходами комплекта трансформаторов тока и трансформатора напряжения на приемной подстанции, по второму входу с выходом приемника приемопередатчика, а по выходу с отключающей катушкой привода выключателя кабельной линии. Согласно предложения канал связи образован металлической оболочкой кабеля и землей, соединенными заземляющими проводниками, в каждый блок аппаратуры введен трансформатор частотного сигнала, одна из обмоток которого служит заземляющим проводником, а другая соединена с приемопередатчиком, при этом логическая схема на питающей подстанции выполнена с возможностью обеспечения отключения выключателя кабельной линии без выдержки времени при коротком замыкании в зоне между трансформаторами тока питающей и приемной подстанций и обеспечивает селективную работу максимальной токовой защиты при коротком замыкании вне этой зоны, логическая схема на приемной подстанции выполнена с возможностью обеспечения кратковременного питания приемника приемопередатчика и отключения выключателя кабельной линии после отключения выключателя кабельной линии на питающей подстанции.
Устройство работает следующим образом:
а) в нормальном режиме работы схемы электроснабжения и при сквозном КЗ (не в зоне действия устройства). При нормальной работе электроснабжения на приемной подстанции на выходе комплекта датчиков тока и напряжения имеется выходное напряжение (комплект датчиков может быть выполнен как блок питания по току (БПТ) и напряжению (БПН)). Это напряжение подается на приемопередатчик и через разделительный диод на конденсатор. Нагрузкой передатчика является одна из обмоток трансформатора, другая обмотка которого включена в цепь заземления металлической оболочки кабеля. В контуре земля оболочка кабеля земля циркулирует сигнал частоты генератора. На питающей подстанции в этот контур включен трансформатор. Одна его обмотка включена в цепь заземления металлической оболочки кабеля, а с выхода другой сигнал подается на приемопередатчик. В приемопередатчике работает только приемник (усилитель). Напряжение питания на него подается через замыкающий контакт выключателя. С выхода приемника сигнал высокой частоты поступает на логическую схему. В состав логической схемы входит генератор пилообразного напряжения (ГПН), пороговый элемент, реле однократного действия, разделительный диод, конденсатор. При наличии высокочастотных сигналов в схеме ГПН вырабатываются сигналы пилообразной формы, а максимальное значение напряжений этих сигналов значительно ниже порога срабатывания порогового элемента. Так как выключатель включен, то конденсатор будет постоянно подзаряжаться через разделительный диод.
При сквозном КЗ на приемной подстанции генератор будет продолжать работать, так как с выхода комплекта будет поступать напряжение. На питающей подстанции также не изменится состояние логической схемы. Однако максимальная токовая защита, включающая токовые реле и реле времени, начнет работать. Одновременно начнет работать МТЗ на фидере, где произошло КЗ. Но так как уставка на реле времени в схеме МТЗ отходящей линии приемной подстанции меньше, чем уставка времени на реле, то произойдет отключение поврежденного участка, а выключатель останется включенным;
б) при коротком замыкании в кабеле. При КЗ в кабеле на приемной подстанции на выходе комплекта напряжение будет отсутствовать. Прекратится работа генератора. На питающей подстанции на выходе приемника будут отсутствовать сигналы высокой частоты, поэтому прекратится работа ГПН и на его выходе напряжение достигнет значения срабатывания порогового элемента. С выхода порогового элемента сигнал подается на реле однократного действия. Особенность схемы этого реле состоит в том, что при подаче сигнала это реле срабатывает мгновенно, но по истечении 0,5-1,0 с его контакт размыкается даже при наличии сигнала на срабатывание. Возврат в исходное состояние производится путем снятия напряжения питания с реле. Контакт реле включен таким образом, что сигнал с контактов токовых реле и подается на отключающую катушку выключателя. Таким образом, при КЗ в кабеле в кабеле мгновенно срабатывают токовые реле и почти мгновенно срабатывает реле (задержка определяется временем нарастания напряжения на ГПН). Таким образом реле времени исключается из работы при КЗ в кабеле.
При отключении выключателя переключаются его блок-контакты. Снимается напряжение с приемника и с логической схемы. Напряжение питания на передатчик подается с конденсатора через размыкающий блок-контакт выключателя. Передатчик выдает сигнал высокой частоты в канал связи в течение времени разрядки конденсатора. Этот сигнал высокой частоты через канал связи поступает на приемопередатчик. При отсутствии напряжения с комплекта напряжение питания на приемную часть приемопередатчика поступает с конденсатора. Сигнал высокой частоты через размыкающий контакт реле контроля напряжения подается на управляющий электрод тиристора. Тиристор включает реле. Реле подает напряжение на отключающую катушку выключателя.
Таким образом, при коротком замыкании в кабеле происходит практически мгновенное отключение поврежденного кабеля с обеих сторон. Отключение выключателя приведет в действие устройство автоматического включения резервного питания приемной подстанции. Таким образом, устройство позволяет быстро восстановить напряжение на приемной подстанции при КЗ в кабеле.
Отличительной особенностью устройства является возможность передачи сигнала о коротком замыкании в зоне защищаемой линии по заземленной оболочке кабеля.
Недостатком способа-прототипа является то, что он предназначен только для кабельных ЛЭП, предполагает размещение аппаратуры по обоим концам кабельной линии и невозможно его применение для АПВ кабельно-воздушных линий.
В настоящее время известно техническое решение АПВ кабельно-воздушных ЛЭП, разработанное в результате НИОКР в ПАО «МОЭСК» [Догадкин Д., Марин Р., Ширшова Е., Исмуков Г., Куликов А., Линт М., Подшивалин А. Устройство автоматического повторного включения кабельно-воздушных линий электропередачи мегаполисов // Электроэнергия. Передача и распределение. №5(38). 2016. с. 114-119.]. Основу указанного технического решения составляет патент на полезную модель [Патент на полезную модель РФ №1655635 Устройство автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи H02H 03/06, G01R 01/00, опубл. 27.10.2016 г., Б.И. №30]. Функционально соответствующее устройство предполагает выявление повреждений на воздушных участках и при их ликвидации разрешение на повторное включение кабельно-воздушной ЛЭП. Однако опытный образец такого устройства АПВ достаточно сложен в реализации, так как включает в себя устройства волнового определения мест повреждения (ОМП) и устройства активного зондирования с применением сложных модулированных высокочастотных сигналов.
Когда кабельно-воздушная ЛЭП включает лишь кабельные заходы на подстанции или имеются кабельные вставки на воздушных ЛЭП с соответствующими переходными пунктами в местах соединения кабельных и воздушных участков, задача существенно упрощается.
В таком случае целесообразно контролировать только состояние высоковольтного кабеля. Наиболее простым техническим решением будет являться подача специального сигнала на металлическую оболочку кабеля. Повреждения высоковольтного кабеля сопровождаются дуговыми замыканиями с нарушением изоляции и перекрытием на металлическую оболочку кабеля. При этом специальный сигнал поступает на жилы кабеля. Факт наличия специального сигнала на жилах кабеля свидетельствует о повреждении на кабельном участке кабельно-воздушной ЛЭП. При повреждениях на любом из воздушных участков специальный сигнал на жилах кабеля будет отсутствовать. Таким образом, достигается абсолютная селективность при определении поврежденного воздушного или кабельного участка ЛЭП.
Следует отметить, что для упрощения технического решения целесообразно применение специального непрерывного сигнала частоты, кратной 50 Гц, например, 200 Гц. При этом в качестве датчиков тока для обнаружения такого сигнала можно использовать имеющиеся трансформаторы тока, а приемное устройство выполнить, например, по принципу обычной максимальной токовой защиты, настроенной на частоту 200 Гц. Передатчик специального сигнала выполняется также просто в виде умножителя частоты 50 Гц. Дополнительно, сигнал частоты 200 Гц подавляется в измерительных органах цифровой релейной защиты [например, Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007.], так что формируемый специальный сигнал не будет оказывать влияния на релейную защиту.
Таким образом, реализация АПВ кабельно-воздушной ЛЭП с учетом изложенных выше особенностей существенно упрощает техническое исполнение соответствующего устройства.
Задача изобретения - создание способа автоматического повторного включения для кабельно-воздушных ЛЭП, который обеспечивает выдачу разрешающего сигнала на повторное включение, если повреждение произошло только на воздушных участках ЛЭП.
Поставленная задача достигается способом автоматического повторного включения кабельно-воздушной линии электропередачи (ЛЭП), согласно которому подают напряжение на приемо-передатчик, нагрузкой которого является одна из обмоток трансформатора, а другую обмотку этого трансформатора включают в цепь заземления металлической оболочки кабеля ЛЭП, с выхода передатчика через трансформатор подают специальный сигнал на металлическую оболочку кабеля ЛЭП, с выхода приемника управляющий сигнал подают на логическую схему, сигнал включения/отключения с выхода комплекта релейной защиты через контактную систему выключателя подают на логическую схему. Согласно предложения приемник подключают к выходам трансформаторов тока кабельно-воздушной ЛЭП, а разрешение на автоматическое повторное включение кабельно-воздушной ЛЭП выдают с выхода логической схемы на комплект релейной защиты в случае отсутствия специального сигнала, поступающего через металлическую оболочку на жилы кабеля, а затем через трансформаторы тока на вход приемника.
Предлагаемый способ автоматического повторного включения кабельно-воздушной ЛЭП может реализоваться устройством, представленным на фиг. 1.
Устройство (фиг. 1) включает: приемо-передатчик 1, состоящий из передатчика 2 и приемника 3; выключатель 4; трансформаторы тока 5; комплект релейной защиты 6; логическую схему 7; трансформатор специального сигнала 8.
Способ реализуется следующим образом.
На приемо-передатчик 1 подается напряжение питания, которое обеспечивает функционирование передатчика 2 и приемника 3. Передатчик 2 формирует специальный непрерывный сигнал (например, частоты 200 Гц), который через трансформатор специального сигнала 8 поступает на металлическую оболочку кабеля. В качестве трансформатора специального сигнала 8 может быть применен обычный трансформатор тока, причем специальный сигнал с выхода передатчика 2 при этом подается на вторичную обмотку трансформатора тока.
Таким образом, нагрузкой передатчика 2 является одна из обмоток трансформатора специального сигнала 8, другая обмотка которого включена в цепь заземления металлической оболочки кабеля. По металлической оболочке кабеля циркулирует специальный непрерывный сигнал частоты передатчика 2.
В нормальном режиме работы кабельно-воздушной ЛЭП, а также при КЗ на воздушных участках ЛЭП поскольку внутренняя изоляция кабеля не повреждена, специальный сигнал частоты передатчика 2 не поступает ни на жилы кабеля, ни через трансформаторы тока 5 на вход приемника 3. Соответственно управляющий сигнал с выхода приемника 3 на вход логической схемы не поступает, поэтому с выхода логической схемы 3 выдается на комплект релейной защиты 6 разрешающий сигнал на АПВ кабельно-воздушной ЛЭП. Поэтому при повреждении на воздушном участке кабельно-воздушной ЛЭП происходит ее АПВ.
При КЗ на кабеле пробивается внутренняя изоляция кабеля на металлическую оболочку. Специальный сигнал с выхода передатчика 2, через трансформатор специального сигнала 8, металлическую оболочку кабеля, жилу (жилы) кабеля, трансформатор (трансформаторы) тока 5 поступает на вход приемника 3. Приемник 3 фиксирует специальный сигнал передатчика 2 и направляет управляющий сигнал на логическую схему 7. При наличии сигнала отключения выключателя 4, а также поступившем управляющем сигнале с выхода приемника 3 логическая схема 7 выдает сигнал запрета АПВ кабельно-воздушной ЛЭП на комплект релейной защиты 6, поскольку приемником 3 зафиксировано повреждение кабеля.
Таким образом предлагаемый способ автоматического повторного включения для кабельно-воздушных ЛЭП реализует задачу изобретения - обеспечивает выдачу разрешающего сигнала на повторное включение, если повреждение произошло только на воздушных участках ЛЭП и запрещает АПВ при повреждениях кабельных участков.
Дополнительно следует отметить, что предлагаемый способ АПВ кабельно-воздушных ЛЭП также обеспечивает запрет на ручное включение ЛЭП при повреждениях на кабельных участках, например, при вводе ее в работу из ремонта.