УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ РЕЗЕРВНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ОТВЕТВИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Заявляемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано для релейной защиты радиальных воздушных линий и кабельных линий, имеющих ответвления с трансформаторными подстанциями.
Известно устройство дальнего резервирования УДР АХ-94.2 [Тез. докл. научно-технической конференции "Релейная защита и автоматика энергосистем-96".- Москва, 1996 г.], состоящее из измерительных органов тока и направления мощности, включенные на токи и напряжения фаз, схем сравнения модулей, схем сравнения фаз, орган выдержки времени, выходной орган, указательное реле, орган контроля и внешней сигнализации. Орган тока и направления мощности каждой фазы объединены логическим элементом И, а элементы И подключены ко входам логического элемента ИЛИ, выход которого подключен ко входу органа выдержки времени.
Недостатком описываемого технического решения является снижение чувствительности при наличии мощной двигательной нагрузки на ответвлениях линии, сложность распознавания коротких замыканий за маломощными трансформаторами ответвительных подстанций при наличии нагрузочного режима.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство резервной защиты линии с трансформаторами на ответвлениях [Патент РФ №101877], состоящее из датчиков токов всех трех фаз линии, выходы которых соединены с входами фильтров тока обратной, прямой и нулевой последовательностей, датчиков напряжения, включенных на фазные напряжения всех трех фаз A, B, C, выходы которых соединены со входами фильтров напряжения прямой и обратной последовательностей, выход фильтра тока прямой последовательности соединен с первым входом четвертой схемы сравнения фаз, выход фильтра напряжения прямой последовательности соединен со вторым входом четвертой схемы сравнения фаз, выход органа выдержки времени соединен с входом выходного органа, входы пятой схемы сравнения фаз соединены с выходом фильтра напряжения обратной последовательности и выходом фильтра тока обратной последовательности, выход пятой схемы сравнения фаз соединен с пятым входом блока анализа режимов, выход четвертой схемы сравнения фаз соединен со вторым входом блока анализа режимов, выход блока анализа режимов соединен с входом органа выдержки времени, выходы первого, второго, третьего датчиков тока соединены с первыми входами первой, второй, третьей схем сравнения фаз соответственно, выходы первого, второго, третьего датчиков напряжения соединены со вторыми входами первой, второй, третьей схем сравнения фаз, выходы первой, второй, третьей схем сравнения фаз соединены с первым, третьим и седьмым входами блока анализа режимов соответственно, выход фильтра тока нулевой последовательности соединен с восьмым входом блока анализа режимов, выход фильтра тока прямой последовательности соединен с четвертым входом блока анализа режимов, выход фильтра тока обратной последовательности соединен с шестым входом блока анализа режимов.
Недостатком описываемого технического решения является действие на отключение линии с одной выдержкой времени для любых видов повреждений вне зависимости от того, какой из объектов поврежден, что предполагает неселективное действие защиты или более длительное существование аварийного режима.
Задача полезной модели - повышение чувствительности, селективности и быстродействия защиты дальнего резервирования.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении чувствительности устройства к сетевым коротким замыканиям (одновременному обрыву одной из фаз ответвительного участка линии и замыканию на землю оборванной фазы со стороны ответвительной подстанции), повышении селективности работы устройства при аварийных режимах на ответвлении, а также повышении быстродействия устройства при коротких замыканиях за трансформаторами ответвительных подстанций и наличии нескольких ответвлений на линии электропередач. Это достигается тем, что устройство адаптивной резервной защиты трансформаторов ответвительных подстанций, содержащее датчики токов всех трех фаз линии, выходы которых соединены с входами фильтров тока обратной, прямой и нулевой последовательностей, датчики напряжения, включенные на фазные напряжения всех трех фаз A, B, C, выходы которых соединены со входами фильтров напряжения прямой и обратной последовательностей, так же выходы первого, второго, третьего датчиков тока соединены с первыми входами первой, второй, третьей схем сравнения фаз соответственно, а выходы первого, второго, третьего датчиков напряжения соединены со вторыми входами первой, второй, третьей схем сравнения фаз, входы четвертой схемы сравнения фаз соединены с выходом фильтра напряжения прямой последовательности и выходом фильтра тока прямой последовательности, входы пятой схемы сравнения фаз соединены с выходом фильтра напряжения обратной последовательности и выходом фильтра тока обратной последовательности, первый вход блока анализа режимов соединен с выходом первой схемы сравнения фаз, второй вход блока анализа режимов соединен с выходом четвертой схемы сравнения фаз, третий вход блока анализа режимов соединен с выходом второй схемы сравнения фаз, четвертый вход блока анализа режимов соединен с выходом фильтра тока прямой последовательности, пятый вход блока анализа режимов соединен с выходом пятой схемы сравнения фаз, шестой вход блока анализа режимов соединен с выходом фильтра тока обратной последовательности, седьмой вход блока анализа режимов соединен с выходом третьей схемы сравнения фаз, восьмой вход блока анализа режимов соединен с выходом фильтра тока нулевой последовательности, второй выход фильтра тока нулевой последовательности соединен с входом порогового элемента, выход которого соединен с входом логического элемента «НЕ», первый, второй, третий выходы блока анализа режимов соединены с входом первого, второго, третьего органа выдержки времени соответственно, выходы первого, второго, третьего органов выдержки времени соединены с входами логического элемента «ИЛИ», выход логического элемента «ИЛИ» соединен с первым входом логического элемента «И», второй вход логического элемента «И» соединен с выходом логического элемента «НЕ», выход логического элемента «И» соединен с входом выходного органа.
1
3
1
3
1
3
4
5
1
2
3
На фиг.1. приведена структурная схема устройства адаптивной резервной защиты трансформаторов ответвительных подстанций. Устройство содержит датчики напряжения (ДН-ДН) 1, 2, 3, установленные во всех трех фазах A, B, C и датчики тока (ДТ-ДТ) 4, 5, 6, также установленные в трех фазах A, B, C соответственно, схемы сравнения фаз (ССФ-ССФ) 7-9, фильтр напряжения прямой последовательности (ФНПП) 10, фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП) 11, фильтр тока прямой последовательности (ФТПП) 12, фильтр тока обратной последовательности (ФТОП) 13 и фильтр тока нулевой последовательности (ФТНП) 14, схемы сравнения фаз (ССФ, ССФ) 15, 16, блок анализа режимов (БАР) 17, пороговый элемент (ПЭ) 18, логический элемент «НЕ» 19, логический элемент «И» 24, логический элемент «ИЛИ» 23, первый орган выдержки времени (ОВВ) 20, второй орган выдержки времени (ОВВ) 21, третий орган выдержки времени (ОВВ) 22, выходной орган (ВО) 25.
1
3
1
3
1
3
1
2
3
1
3
1
2
3
4
5
1
4
2
5
3
1
2
3
1
2
3
Датчики тока (ДТ-ДТ) 4, 5, 6 включены на фазные токи всех трех фаз A, B, C линии, а их выходы соединены с входами фильтра тока обратной последовательности (ФТОП) 13, входами фильтра тока прямой последовательности (ФТПП) 12 и входами фильтра тока нулевой последовательности (ФТНП) 14, датчики напряжения (ДН-ДН) 1, 2, 3 включены на фазные напряжения всех трех фаз A, B, C линии, а их выходы соединены со входом фильтра напряжения прямой последовательности (ФНПП) 10 и входом фильтра напряжения обратной последовательности (ФНОП) 11, так же выходы первого, второго, третьего датчиков тока (ДТ-ДТ) 4, 5, 6 соединены с первыми входами первой, второй, третьей схем сравнения фаз (ССФ ССФ ССФ) 7, 8, 9 соответственно, а выходы первого, второго, третьего датчиков напряжения (ДН-ДН) 1, 2, 3 соединены со вторыми входами первой, второй, третьей схем сравнения фаз (ССФ ССФ ССФ) 7, 8, 9 соответственно, входы четвертой схемы сравнения фаз (ССФ) 15 соединены с выходом фильтра напряжения прямой последовательности (ФНПП) 10 и выходом фильтра тока прямой последовательности (ФТПП) 12, входы пятой схемы сравнения фаз (ССФ) 16 соединены с выходом фильтра напряжения обратной последовательности (ФНОП) 11 и выходом фильтра тока обратной последовательности (ФТОП) 13, первый вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом первой схемы сравнения фаз (ССФ) 7, второй вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом четвертой схемы сравнения фаз (ССФ) 15, третий вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом второй схемы сравнения фаз (ССФ) 8, четвертый вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом фильтра тока прямой последовательности (ФТПП) 12, пятый вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом пятой схемы сравнения фаз (ССФ) 16, шестой вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом фильтра тока обратной последовательности (ФТОП) 13, седьмой вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом третьей схемы сравнения фаз (ССФ) 9, восьмой вход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с выходом фильтра тока нулевой последовательности (ФТНП) 14, второй выход фильтра тока нулевой последовательности (ФТНП) 14 соединен с входом порогового элемента (ПЭ) 18, выход которого соединен с входом логического элемента «НЕ» 19, первый выход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с входом первого органа выдержки времени (ОВВ) 20, второй выход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с входом второго органа выдержки времени (ОВВ) 21, третий выход блока анализа режимов (БАР) 17 соединен с входом третьего органа выдержки времени (ОВВ) 22, выход первого органа выдержки времени (ОВВ) 20 соединен с первым входом логического элемента «ИЛИ» 23, выход второго органа выдержки времени (ОВВ) 21 соединен с вторым входом логического элемента «ИЛИ» 23, выход третьего органа выдержки времени (ОВВ) 22 соединен с третьим входом логического элемента «ИЛИ» 23, выход логического элемента «ИЛИ» 23 соединен с первым входом логического элемента «И» 24, второй вход логического элемента «И» 24 соединен с выходом логического элемента «НЕ» 19, выход логического элемента «И» 24 соединен с входом выходного органа (ВО) 25.
1
3
1
3
1
2
3
1
3
1
3
4
5
Устройство работает следующим образом: датчики напряжения (ДН-ДН) 1, 2, 3 обеспечивают преобразование напряжения в напряжение, датчики тока (ДТ-ДТ) 4, 5, 6 выполняют преобразование тока в напряжение. Схемы сравнения фаз (ССФ, ССФ, ССФ) 7-9, подключенные к выходам датчиков тока (ДТ-ДТ) 4, 5, 6 и датчиков напряжения (ДН-ДН) 1, 2, 3 всех фаз, обеспечивают выделение сигналов пропорциональных аргументам фазных токов. Фильтр напряжения прямой последовательности (ФНПП) 10 и фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП) 11 выделяют на выходе сигнал пропорциональный напряжениям прямой и обратной последовательностей соответственно, а фильтр тока прямой последовательности (ФТПП) 12, фильтр тока обратной последовательности (ФТОП) 13, фильтр тока нулевой последовательности (ФТНП) 14 обеспечивают выделение сигналов пропорциональных токам прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно. Схема сравнения фаз (ССФ) 15, подключенная к выходам фильтра тока прямой последовательности (ФТПП) 12 и фильтра напряжения прямой последовательности (ФНПП) 10, обеспечивает выделение сигнала пропорционального аргументу тока прямой последовательности. Схема сравнения фаз (ССФ) 16, подключенная к выходам фильтра тока обратной последовательности (ФТОП) 13 и фильтра напряжения обратной последовательности (ФНОП) 11, обеспечивает выделение сигнала, пропорционального аргументу тока обратной последовательности.
4
5
Блок анализа режимов (БАР) 17, подключенный к выходам схем сравнения фаз (ССФ-ССФ) 15, 16, обеспечивает комплексный анализ режима работы сети и при выявлении аварийного режима работы передает сигнал на отключение. При этом учитываются величины токов прямой, обратной и нулевой последовательности, величины аргументов токов всех трех фаз, прямой и обратной последовательностей, величины приращения аргументов фазных токов, величины приращения аргументов токов прямой и обратной последовательности. Блок анализа режимов (БАР) 17 обеспечивает обработку параметров подводимых сигналов, а также производит расчет собственных параметров:
, , ,
A.БАР
где ϕ - угол между токами прямой и обратной последовательности фазы А;
- ток прямой последовательности фазы А;
- ток обратной последовательности фазы А;
B.БАР
ϕ - угол между токами прямой и обратной последовательности фазы В;
- ток прямой последовательности фазы В;
- ток обратной последовательности фазы В;
C.БАР
ϕ - угол между токами прямой и обратной последовательности фазы С;
- ток прямой последовательности фазы С;
- ток обратной последовательности фазы С;
и оценка выполнения соотношений:
1
З.
нг.max.отп.
I≥kI,
1
где I - ток прямой последовательности;
З
k - коэффициент запаса;
нг.max.отп.
I - максимально возможный ток нагрузки ответвительной подстанции,
2
З.
погр.ТТ
I≥kI,
2
где I - ток обратной последовательности;
З
k - коэффициент запаса;
погр.ТТ
I - ток небаланса в максимальном нагрузочном режиме.
Пороговый элемент (ПЭ) 18 при появлении на его входе величины тока нулевой последовательности, большей заданной выдает на выход логическую единицу, иначе - логический ноль. При этом заданная для срабатывания величина выбирается с учетом отстройки от максимальных токов нулевой последовательности при аварийных режимах в зоне действия.
Логический элемент «НЕ» 19 производит соответствующую логическую операцию «НЕ» над поступающим на вход логическим сигналом. Логический элемент «И» 24 производит соответствующую логическую операцию «И» над поступающими на входы логическими сигналами. Логический элемент «ИЛИ» 23 производит соответствующую логическую операцию «ИЛИ» над группой поступающих на входы логических сигналов.
1
3
Органы выдержки времени (OBB-ОВВ) 20, 21, 22 обеспечивают набор выдержек времени для отстройки от действия основных защит или резервных защит защищаемых присоединений.
Выходной орган (ВО) 25 производит выходное воздействие устройства на внешнюю аппаратуру.
1
3
1
3
1
3
4
1
3
В нормальном режиме работы сети описанное устройство находится в следующем состоянии. Выходные сигналы датчиков тока (ДТ-ДТ) 4, 5, 6 определяются величиной нагрузочных токов линии, выходные сигналы датчиков напряжения (ДН-ДН) 1, 2, 3 близки к номинальным значениям и соответственно близко к номинальному значению напряжение на выходе фильтра напряжения прямой последовательности (ФНПП) 10. Выходной сигнал фильтра тока прямой последовательности (ФТПП) 12 также определяется величиной токов нагрузки. Выходные сигналы фильтров тока обратной последовательности (ФТОП) 13, напряжения обратной последовательности (ФНОП) 11 и тока нулевой последовательности (ФТНП) 14 близки к нулю и определяются только токами и напряжением небаланса. Выходные сигналы схем сравнения фаз (ССФ-ССФ) 7, 8, 9, а также схемы сравнения фаз (ССФ) 15 определяются величиной аргументов нагрузочных токов. Пороговый элемент (ПЭ) 18 находится в несработанном состоянии и на его выходе присутствует логический сигнал 0. На выходе логического элемента «НЕ» 19 присутствует логический сигнал 1. Блок анализа режимов (БАР) 17 определяет область нахождения нагрузочного режима и на его выходе присутствует логический ноль. На выходе всех органов выдержки времени (OBB-ОВВ) 20, 21, 22, логических элементов «ИЛИ» 23, «И» 24 и выходного органа (ВО) 25 присутствуют логические сигналы 0.
I
I
I
I
I
I
1
2
1
2
4
5
1
2
1
2
3
1
2
3
При двухфазном коротком замыкании (КЗ) на стороне низшего напряжения одного из трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Δ, подключенного на ответвлении ВЛ, устройство работает следующим образом. При металлическом КЗ угол между векторами токов поврежденных фаз прямой и обратной последовательности составляет 60° в месте КЗ и для неповрежденной фазы 180°. Из-за различного сдвига составляющих токов прямой  и обратной последовательности , обусловленного группой соединения обмоток трансформатора "звезда-треугольник", появляется дополнительный фазовый сдвиг между токами  и  всех фаз, что фиксируется схемами сравнения фаз (ССФ, ССФ) 15, 16 и блоком анализа режимов (БАР) 17. По уровню токов  и  блок анализа режимов (БАР) 17 определяет на стороне низшего напряжения какого трансформатора произошло короткое замыкание и подает логический сигнал 1 на вход соответствующего органа выдержки времени (OBB) 20, (ОВВ) 21 или (ОВВ) 22, обеспечивающего выдержку времени действия предлагаемого устройства, отстроенную от действия защит данного трансформатора. После набора необходимой выдержки времени на выходе органа выдержки времени (OBB) 20, (ОВВ) 21 или (ОВВ) 22 появляется логический сигнал 1. На выходе логического элемента «ИЛИ» 23 так же появляется логический сигнал 1. Пороговый элемент (ПЭ) 18 находится в не сработанном состоянии и на его выходе присутствует логический сигнал 0. На выходе логического элемента «НЕ» 19 присутствует логический сигнал 1. В результате на входы логического элемента «И» 24 приходят два логических сигнала 1 и на его выходе так же появляется логический сигал 1, подаваемый на вход выходного органа (ВО) 25. Устройство срабатывает.
I
I
I
2
1
2
При двухфазном металлическом КЗ на стороне низшего напряжения одного из трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Y, подключенного на ответвлении ВЛ, блоком анализа режима (БАР) 17 фиксируется повышенный уровень тока , повышенное положительное значение угла между напряжением и током прямой последовательности, а так же повышенное отрицательное значение угла между напряжением и током обратной последовательности. По уровню токов  и  блок анализа режимов (БАР) 17 определяет на стороне низкого напряжения какого трансформатора произошло короткое замыкание и в дальнейшем действие устройства аналогично его работе в режиме двухфазного КЗ за одним из трансформаторов, подключенном на ответвлении ВЛ, на стороне соединенной в треугольник.
1
a
b
c
1
a
b
c
1
1
I
При трехфазных КЗ на стороне низшего напряжения одного из трансформаторов с любой схемой соединения обмоток, подключенного на ответвлении ВЛ, блоком анализа режима (БАР) 17 фиксируется повышенное значение тока I, повышенное положительное значение углов между напряжениями U, U, U, U и токами I, I, I, I соответственно. По уровню тока  определяет на стороне низкого напряжения какого трансформатора произошло короткое замыкание и в дальнейшем действие устройства аналогично его работе в режимах двухфазного КЗ за одним из трансформаторов, подключенном на ответвлении ВЛ.
1
2
3
При возникновении «сетевых» замыканий (одновременного обрыва одной из фаз ответвительного участка линии и замыкания на землю оборванной фазы со стороны ответвительной подстанции) блоком анализа режимов (БАР) 17 фиксируется повышенный уровень тока нулевой последовательности, превышающий максимально возможный уровень тока нулевой последовательности в рабочих режимах. Блок анализа режимов (БАР) 17 подает логический сигнал 1 на вход органа выдержки времени с соответствующей поврежденному ответвлению выдержкой времени (OBB) 20, (ОВВ) 21 или (ОВВ) 22. В дальнейшем действие устройства аналогично его работе в режимах КЗ за одним из трансформаторов, подключенном на ответвлении ВЛ.
1
При двухфазных или трехфазных КЗ на линии блок анализа режима выявляет значительный уровень тока I, превышающий его максимальный уровень при КЗ на стороне низшего напряжения наиболее мощного из трансформаторов, подключенных на ответвлениях ВЛ. На всех выходах блока анализа режимов (БАР) 17 остается логический сигнал 0. Устройство не срабатывает.
1
2
3
При однофазном КЗ, что возможно только на ВЛ, происходит срабатывание порогового элемента (ПЭ) 18. На выходе логического элемента «НЕ» 19 появляется логический сигнал 0, который подается на вход логического элемента И 24. Таким образом даже при условии выдачи БАР логического сигнала 1 по одному из своих каналов и срабатывании одного из органов выдержки времени (OBB) 20, (ОВВ) 21 или (ОВВ) 22 на выходе логического элемента «И» 24 будет присутствовать логический сигнал 0 и устройство не сработает.
Таким образом, использование в заявляемом устройстве контроля модулей и аргументов трех фаз, многофазных схем сравнения фазовых соотношений токов прямой и обратной последовательностей и их аварийных составляющих (приращений), тока нулевой последовательности позволяет повысить степень распознаваемости аварийных режимов на фоне нагрузочных режимов, выявлять «сетевые» замыкания, а использование нескольких выдержек времени позволяет повысить селективность и быстродействие защит при коротких замыканиях за трансформаторами ответвительных подстанций и наличии нескольких ответвлений на линии электропередач.