ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ШИНЫ С ЗОНАЛЬНЫМ РАСПОЗНАВАНИЕМ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ МЕЖДУ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ БЛОКА СОПРЯЖЕНИЯ И ТРАНСФОРМАТОРОМ ТОКА
BUSBAR PROTECTION WITH ZONE DISCRIMINATION FOR FAULTS BETWEEN COUPLER CIRCUIT BREAKER AND CURRENT TRANSFORMER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к области защиты электрической шины в энергетических системах и, в частности, относится к распознаванию зон в системе электрической шины, разделенной на зоны шины.
Уровень техники
В сети электроснабжения, такой как передающая и распределительная электрическая сеть, центральной распределительной точкой для многих питающих линий является система электрической шины, в которой электрическая шина обеспечивает общее соединение для нескольких электрических цепей. Электрическая шина может, например, формировать часть подстанции. Короткие замыкания (далее - кз) электрической шины, хотя они происходят относительно редко по сравнению с кз на линии, могут вызвать значительные потери и нарушения в сети электропитания.
Конфигурации электрической шины, обычно применяемые на подстанции, могут в общих чертах классифицироваться на шесть категорий:
a) главная и обходная шина (Main & Transfer),
b) две главные шины (Main 1 & Main 2),
c) две главные и обходная шина (Main 1 - Main 2 & Transfer),
d) три главные шины,
e) сеточные схемы с угловыми узлами,
f) полтора выключателя на присоединение.
Применение любого специфического типа конфигурации электрической шины зависит от различных критериев, таких как уровень сетевого напряжения, требуемая операционная гибкость, возможность поддержки для выключателя или электрической шины, критичность нагрузки и гарантирование непрерывности подачи питания для любой плановой или неплановой остановки электрических шин магистральной линии.
Фиг. 1 показывает единственную систему шин с секционным выключателем шины. Шина содержит первую зону Z1 электрической шины и вторую зону Z2 электрической шины. Ячейки F11, F12, F13, F14 питающей линии, с которыми взаимодействуют соответствующие токовые трансформаторы СТ11, СТ12, СТ13, СТ14, присоединяются к первой зоне Z1 электрической шины с помощью соответствующих первых фидерных выключателей СВ11, СВ12, СВ13, СВ14. Ячейки F21, F22, F23, F24 питающей линии, с которыми взаимодействуют соответствующие токовые трансформаторы СТ21, СТ22, СТ23, СТ24, присоединяются ко второй зоне Z2 электрической шины с помощью соответствующих вторых фидерных выключателей СВ21, СВ22, СВ23, СВ24. Первые Ячейки питающей линии и вторые ячейки питающей линии соединяются вместе с помощью соединительной секции BCS1 шины, и таким образом образуют первую и вторую зоны электрической шины. Соединительная секция BCS1 шины является областью перекрытия первой и второй зон Z1, Z2 электрической шины, в которой располагаются выключатель СВ1 и два трансформатора СТ1, СТ2 тока, по одному с каждой стороны выключателя СВ1.
Если произойдет кз F в соединительной секции BCS1 шины между трансформатором тока и выключателем, то это кз попадает в область перекрытия, которая может быть идентифицирована как разность элементов зоны 1 и зоны 2.
Главным недостатком такой схемы является то, что невозможно различить, произошло ли кз с левой стороны или с правой стороны выключателя СВ1.
В соответствии с первой методологией отключения, поскольку кз не может эффективно распознаваться, производится одновременное автоматическое отключение обеих зон. Вследствие этого, теряются обе зоны Z1, Z2 электрической шины, что приводит к общему простою подстанции. В частности, исправная зона электрической шины отключается вследствие кз, которое произошло в соседней зоне электрической шины.
В другой методологии отключения вместо отключения обеих зон электрической шины и отсоединения всей шины, принимается последовательное приближение. Сначала выдается команда на отключение выключателя СВ1 и топология ожидает размыкания выключателя СВ1. Как только выключатель СВ1 успешно отключается, одна из зон электрической шины становится стабилизированной, в то время как перепад неисправной зоны все еще остается высокоактивным. Таким образом, идентификация этого состояния приводит к отключению одной неисправной зоны, в то же время сохраняя в рабочем состоянии исправную зону.
Главным недостатком этой второй методологии является то, что существует дополнительная задержка для прояснения кз, которая равна времени отключения выключателя + вспомогательных устройств + главного реле отключения + время обновления топологии реле. Как правило, эта задержка может составлять порядка 80-100 мс. На уровнях сверхвысокого напряжения (EHV) и ультравысокого напряжения (UHV) такое замедленное отключение может быть неприемлемым при кз шины, вследствие проблем стабильности системы.
Фиг. 2 показывает систему шин с «полтора выключателями на присоединение», в которой та же самая проблема проявляется вследствие отсутствия зонального распознавания кз, произошедших между выключателем соединительной секции шины и одним из взаимодействующих с ней трансформаторов тока.
На фиг. 2 две зоны Z3, Z4 электрической шины располагаются в соответствии с конфигурацией шины с 1.5 выключателями. Первая ячейка F3 питающей линии, с которой взаимодействует трансформатор СТ3 тока, присоединяется к первой зоне Z3 электрической шины с помощью первого фидерного выключателя СВ3. Вторая ячейка F4 питающей линии, с которой взаимодействует соответствующий трансформатор СТ4 тока, присоединяется ко второй зоне Z4 электрической шины с помощью второго фидерного выключателя СВ4. Первая ячейка питающей линии и вторая ячейка питающей линии соединяются вместе с помощью соединительной секции BCS2 шины, которая является связывающей соединительной секцией, к которой присоединяются зоны Z3, Z4 электрической шины с помощью, соответственно, первого и второго фидерных выключателей СВ3, СВ4.
Таким же образом, как и для показанной на фиг. 1 схемы электрической шины, соединительная секция BCS2 шины с конфигурацией по схеме полтора выключателя содержит выключатель СВ5 (секционный выключатель) и два трансформатора СТ5, СТ6 тока, по одному с каждой стороны выключателя СВ5.
Таким образом представляется, что традиционные решения для защиты электрической шины не являются распознаваемыми для кз, произошедших в соединительной секции шины между выключателем и одним из связанных с ним трансформаторов тока. Это приводит к немедленному отключению, причем с отключением также и исправной зоны, или к отключению с задержкой, при этом оба варианта являются неприемлемыми.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на преодоление упоминавшихся выше ограничений традиционных решений по защите электрической шины и предлагает с этой целью систему электрической шины, содержащую первую зону электрической шины и вторую зону электрической шины, по меньшей мере одну первую ячейку питающей линии, присоединенную к первой зоне электрической шины и по меньшей мере одну вторую ячейку питающей линии, присоединенную ко второй зоне электрической шины, при этом по меньшей мере одна первая ячейка питающей линии и по меньшей мере одна вторая ячейка питающей линии соединяются вместе с помощью соединительной секции шины, характеризующуюся тем, что трансформатор тока и два выключателя располагаются в соединительной секции шины, вышеуказанный трансформатор тока имеет одни из вышеуказанных выключателей на каждой из своих сторон.
Определенными предпочтительными, но не ограничивающими признаками этой системы являются следующие признаки:
- соединительная секция шины содержит пересекающуюся область двух зон электрической шины, где располагается трансформатор тока, а выключатели соединительной секции шины являются шиносоединительными выключателями для шины;
- две зоны электрической шины располагаются в соответствии с конфигурацией со схемой «полтора выключателя», при этом соединительная секция шины является связывающей соединительной секцией, к которой присоединяется каждая зона электрической шины с помощью соответствующего фидерного выключателя;
- система дополнительно содержит защитное устройство электрической шины, сконфигурированное таким образом, чтобы обнаруживать кз, произошедшее в соединительной секции шины на стороне одной из зон электрической шины между трансформатором тока и одним из выключателей, и после обнаружения кз подавать сигналы автоматического отключения, например, одновременно к обоим выключателям соединительной секции шины и по меньшей мере, к одной ячейке питающей линии, присоединенной к зоне электрической шины, на стороне которой обнаружено кз;
- трансформатор тока соединительной секции шины является оптическим трансформатором тока;
- выключатели соединительной секции шины присоединяются последовательно и запроектированы на напряжение, равное половине напряжения системы, при этом трансформатор тока располагается в центральной точке выключателей;
- трансформатор тока соединительной секции шины устанавливается в непосредственной близости к выключателям соединительной секции шины на расстоянии менее чем 1 метр, более предпочтительно, на расстоянии менее чем 50 см, еще более предпочтительно, на расстоянии менее чем 30 см, еще более предпочтительно, на расстоянии менее чем 10 см, еще более предпочтительно, на расстоянии менее чем 5 см.
Описание чертежей
Другие аспекты, цели, преимущества и признаки изобретения будут проявляться более отчетливо после прочтения последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве неограничивающего примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:
- фиг. 1, уже обсуждавшаяся, показывает конфигурацию электрической шины (Main 1 & Main 2) существующего уровня техники;
- фиг. 2, уже обсуждавшаяся, показывает конфигурацию электрической шины со схемой «полтора выключателя» (1.5 breaker bus) существующего уровня техники;
- фиг. 3а-3b показывают систему электрической шины, в соответствии с возможными вариантами осуществления изобретения, основанными на конфигурации электрической шины Main 1 & Main 2;
- фиг. 4a-4b показывают систему электрической шины, в соответствии с возможными вариантами осуществления изобретения, основанными на конфигурации электрической шины со схемой «полтора выключателя на присоединение»;
- фиг. 5a-5d показывают соединительные цепи шины, которые могут использоваться в вариантах осуществления изобретения, причем каждая из них имеет оптический трансформатор тока, установленный между двумя выключателями.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Последующее описание производится со ссылками, в частности, на фиг. 3а-3b и фиг. 4а-4b, которые соответственно показывают системы электрической шины, в соответствии с возможными вариантами осуществления изобретения, основанными на конфигурации электрической шины с двумя главными шинами (Main 1 & Main 2) (конфигурация существующего уровня техники такой системы иллюстрируется на фиг. 1), и основанными на конфигурации электрической шины со схемой «полтора выключателя на присоединение» (конфигурация существующего уровня техники такой системы иллюстрируется на фиг. 2).
Изобретение относится к системе электрической шины, содержащей первую зону Z1, Z3 электрической шины и вторую зону Z2, Z4 электрической шины, по меньшей мере одну первую ячейку F11-F14, F3 питающей линии, присоединенную к первой зоне Z1, Z3 электрической шины, и по меньшей мере одну вторую ячейку F21-F24, F4 питающей линии, присоединенную ко второй зоне Z2, Z4 электрической шины. По меньшей мере одна первая ячейка питающей линии и меньшей мере одна вторая ячейка питающей линии соединяются вместе с помощью соединительной секции BCS3, BCS4, BCS5 шины.
Как показано на фиг. 3а-3b, две зоны Z1, Z2 электрической шины могут располагаться в соответствии с конфигурацией электрической шины магистральной линии 1 и магистральной линии 2 с соединительной секцией BCS3, BCS4 шины, содержащей пересекающуюся область OR3, OR4 двух зон Z1, Z2 электрической шины.
Как показано на фиг. 4а-4b, две зоны Z3, Z4 электрической шины могут располагаться в соответствии с конфигурацией электрической шины со схемой «полтора выключателя на присоединение» с соединительной секцией BCS5 шины, являющейся связывающей соединительной секцией, к которой каждая зона Z3, Z4 электрической шины присоединяется с помощью, по меньшей мере, одного соответствующего фидерного выключателя СВ31, СВ32, СВ41, СВ42. Следует отметить, что система электрической шины на фиг. 4b отличается от системы на фиг. 4а тем, что она содержит два дополнительных трансформатора ОСТ5, ОСТ6 тока.
По сравнению с существующим уровнем техники изобретение основывается на различных расположениях трансформатора тока и выключателя внутри соединительной секции BCS3, BCS4, BCS5 шины. Вместо наличия одного выключателя и трансформаторов тока на каждой стороне, трансформатор СТ7, ОСТ7, ОСТ8 тока и два выключателя СВ6, СВ7, СВ8, СВ9 располагаются в соединительной секции шины настоящего изобретения, вышеуказанный трансформатор тока в соединительной секции шины имеет один из вышеуказанных выключателей на каждой из его сторон.
Как показано на фиг. 3а-3b и 4а-4b это расположение является таким, что область перекрытия OR3, OR4 зон Z1, Z2 электрической шины, показанных на фиг. 3а-3b, ограничивается центральным трансформатором СТ7, ОСТ7 тока. Таким же образом область перекрытия OR5, OR6 связывающих дифференциальных зон Т31, Т41 и Т32, Т42 на фиг. 4а-4b ограничивается центральным трансформатором ОСТ8 тока. Следовательно, кз между центральным трансформатором тока и одним из взаимодействующих с ним выключателей в соединительной секции шины не попадает в пересекающуюся область.
Система электрической шины изобретения может дополнительно содержать защитное устройство электрической шины (не показано), сконфигурированное таким образом, чтобы обнаруживать кз F (представленное на фиг. 3а), произошедшую в соединительной секции шины на стороне одной из зон электрической шины между трансформатором тока и одним из выключателей, а после обнаружения кз подавать сигналы автоматического отключения к обоим выключателям соединительной секции шины и по меньшей мере, к одной ячейке питающей линии, присоединенной к зоне электрической шины, на стороне которой обнаружено кз (эта зона электрической шины также называется неисправной зоной, а другая зона является исправной).
В варианте осуществления изобретения сигналы автоматического отключения подаются одновременно к обоим выключателям соединительной секции шины и по меньшей мере, к одной ячейке питающей линии, присоединенной к неисправной зоне электрической шины, на стороне которой обнаружено кз.
Преимущества соединительной секции шины, в соответствии с изобретением, следующие:
- она позволяет обеспечить реальное распознавание между исправной зоной и неисправной зоной электрической шины;
- сигналы отключения могут подаваться только к неисправной зоне электрической шины, таким образом предотвращая срабатывание механизма автоматического выключения для исправной зоны электрической шины;
- она сохраняет почти 50% нагрузок, которые присоединяются к исправной зоне электрической шины, и таким образом предотвращает полный простой подстанции. Другими словами, она предотвращает ситуацию с полным нарушением энергоснабжения на обширной территории для этой подстанции (которая имеет следующие схемы электрической шины: главная и обходная шины; две главные шины; две главные шины и обходная шина);
- для подстанций, которые используют такие схемы электрической шины, как три главные шины (главная 1, главная 2 и главная 3), такая схема шины сохраняет исправную зону электрической шины от нежелательного автоматического отключения, в то время как в способе одновременного автоматического отключения существующего уровня техники были бы автоматически отключены обе зоны электрической шины;
- не существует компромисса по времени, поскольку автоматическое отключение может быть произведено одновременно, в тот же самый момент времени, в отношении питающих линий неисправной зоны и двух выключателей соединительной секции шины;
- такая секция шины дополнительно гарантирует, что не существует компромисса с точки зрения стабильности системы, как было в случае с последовательным способом автоматического отключения существующего уровня техники.
Для подстанций с уровнем напряжения в диапазоне от 700 кВ до 1200 кВ, при обсуждении в расчете на полюс/фазу, выключатель традиционной соединительной секции шины является последовательностью двух единичных физических узлов. Например, если мы рассматриваем вариант применения с уровнем напряжения 800 кВ, тогда традиционный выключатель является последовательностью двух узлов по 400 кВ.
Следовательно, для этих уровней напряжения дополнительный выключатель, требуемый для достижения задачи изобретения, уже является доступным. Трансформатор тока может легко располагаться между двух выключателей, поэтому существует соответствие желаемых технических требований с существующими ресурсами. Фиг. 5d иллюстрирует такое расположение с оптическим трансформатором ОСТ40 тока, расположенным между двумя выключателями СВ70 и СВ80 на 400 кВ, соединенных между собой последовательно для уровня напряжения 800 кВ.
Фиг. 4а-4b иллюстрируют возможный вариант осуществления изобретения для подстанций с уровнем напряжения в диапазоне от 700 кВ до 1200 кВ. На этих фигурах существующие выключатели СВ8, СВ9, запроектированные на половину напряжения системы, в действительности представлены с трансформатором ОСТ8 тока, расположенным между ними. На этих фигурах также показано, что фидерные выключатели для присоединения ячеек F3, F4 питающей линии к соответствующей зоне Ζ3, Ζ4 электрической шины также являются последовательностями, соответственно, двух единичных физических узлов СВ31, СВ32 и СВ41, СВ42.
Таким образом, появляются следующие преимущества предложенного решения, когда оно используется при уровнях напряжения в диапазоне от 700 кВ до 1200 кВ:
- изобретение практически осуществимо с существующими ресурсами. Нет необходимости для одного или более выключателей;
- трансформатор тока может быть легко расположен в центральной точке, которая доступна для двух выключателей, соединенных последовательно по отношению друг к другу;
- по сравнению с традиционной схемой, которая требует использования двух трансформаторов тока и одного выключателя (точнее говоря, это последовательность двух выключателей, каждый из которых проектируется равным половине напряжения системы), изобретение требует использования только одного трансформатора тока, который должен располагаться в центральной точке, которая доступна для двух выключателей. Таким образом требуемые пространство и площадь являются намного меньшими по сравнению с традиционной схемой и, следовательно, помогают создать компактную схему расположения шины;
- одним из ключевых преимуществ для этой группы уровней напряжения, которые преимущественно применяются для конфигурации шины с «полтора выключателями на присоединение», является то, что это решение позволяет экономить на стоимости одного трансформатора тока в связывающей соединительной секции для соединения шин в расчете на ячейку. Таким образом, общая экономия в стоимости одного трансформатора тока умножается на количество ячеек.
Для подстанций с уровнем напряжения 1200 кВ выключатели, предпочтительно, являются выключателями с дугогасящей камерой под напряжением, хотя выключатели высокого напряжения с заземленным корпусом в целом являются предпочтительными для вариантов применения при уровне ультравысокого напряжения (UHV), где напряжения могут быть порядка 1000 кВ - 1200 кВ, главным образом вследствие пространственных требований и проблем, связанных с устранением короткого замыкания.
В конструкции выключателя с дугогасящей камерой под напряжением выключатель фактически является последовательностью двух выключателей, каждый из которых имеет номинал, равный половине напряжения системы. Следовательно, это подтверждает легкость установки трансформатора тока, в частности оптического трансформатора тока в центральной точке двух последовательно соединенных выключателей.
Однако в конструкциях с эквивалентом выключателя высокого напряжения с заземленным корпусом выключатель является единичным узлом, который имеет номинал, равный полному напряжению системы. Таким образом, применение изобретения вызывает необходимость в дополнительном выключателе высокого напряжения с заземленным корпусом.
Для подстанций с уровнем напряжения в диапазоне от 100 кВ до 550 кВ, еще раз обсуждающихся в расчете на полюс/фазу, выключатель соединительной секции шины главным образом является единичным физическим узлом. Например, если мы рассматриваем вариант применения с уровнем напряжения 550 кВ, то выключатель является единичным узлом, спроектированным для 550 кВ. Поэтому для таких вариантов применения изобретение может применяться в том случае, если рассматривается применение одного дополнительного выключателя. Фиг. 5а-5с иллюстрируют дополнительный выключатель СВ20, СВ40, СВ60, который присоединен по схеме «in back to back» к существующему выключателю СВ10, СВ30, СВ50 с оптическим трансформатором ОСТ10, ОСТ20, ОСТ30 тока, расположенным между выключателями, для уровня напряжения, соответственно, 100-145 кВ, 245-300 кВ и 550 кВ.
Следует отметить, что фиг. 5a-5d являются чертежами с вертикальной проекцией, показывающими физическое расположение или установку оптического трансформатора тока по отношению к выключателям. Эти чертежи не выполнены в масштабе, поскольку целью предоставления этой информации является помощь читающему описание в понимании практической ценности предложенного решения. В частности, оптические трансформаторы тока являются намного более компактными в реальных условиях по сравнению с тем, как они визуально выглядят на этих фигурах.
Что касается фиг. 3b, 4а и 4b в предпочтительном варианте осуществления изобретения, то физическое расстояние между выключателями и трансформатором тока в соединительной секции шины также является уменьшенным, для того чтобы также уменьшить вероятность кз, которое может произойти в соединительной секции шины между трансформатором тока и одним из выключателей.
Для этой цели трансформатор тока может быть смонтирован на выключателе или установлен в непосредственной близости к выключателю на расстоянии менее чем 1 метр, более предпочтительно - менее чем 50 см, еще более предпочтительно - менее чем 30 см, еще более предпочтительно - менее чем 10 см, еще более предпочтительно - менее чем 5 см. При выполнении этого условия, когда расстояние не более нескольких метров, вероятность кз в этой области почти стремится к нулю.
При использовании традиционного трансформатора тока может быть трудно практически осуществить уменьшение расстояния до значения, близкого к цифре «ноль», таким образом, вероятность кз не может быть полностью устранена. Предпочтительно, трансформаторы тока системы электрической шины настоящего изобретения являются оптическими трансформаторами тока, например, такими как оптические трансформаторы тока из серии трансформаторов COSI (Compact Optical Sensor Intelligence).
Оптические трансформаторы тока обеспечивают множество преимуществ по сравнению с традиционными трансформаторами тока. Помимо различных электрических, механических, относящихся к охране окружающей среды и многих других преимуществ, которые обеспечивают оптические трансформаторы тока, некоторыми из ключевых признаков, которые представляют интерес для защиты электрической шины настоящего изобретения, являются перечисленные ниже преимущества.
- Маленький вес. Например, оптический трансформатор тока для вариантов применения с уровнем напряжения 145 кВ и 800 кВ ориентировочно весит, соответственно, около 40 кг и 80 кг;
- Компактная конструкция. Конструкция оптических трансформаторов тока является очень компактной и меньшей по размеру по сравнению с традиционными трансформаторами тока. Как правило, они состоят из оптического датчика кольцевого типа с эффектом Фарадея на легковесной изолирующей стойке сухого типа;
- Изоляционная гибкость. Маленький вес и привлекательная компактная конструкция добавляют высокую степень гибкости в работе по изолированию.
- Никакие дополнительные структуры или строительные работы могут совсем не потребоваться. Благодаря своему маленькому размеру и меньшему весу, возможно устанавливать оптический трансформатор тока непосредственно на самом выключателе.
Как показано на фиг. 3b, 4а и 4b, оптические трансформаторы тока могут использоваться не только внутри соединительной секции BCS4, BCS5 шины, но также для других токовых трансформаторов системы, таких как оптические трансформаторы ОСТ11-ОСТ14, ОСТ21-ОСТ24, ОСТ3, ОСТ4 тока, взаимодействующих с ячейками F11-F14, F21-F24, F3, F4 питающей линии, в частности, таким образом, чтобы уменьшать расстояние до соответствующих фидерных выключателей СВ11-СВ14, СВ21-СВ24, СВ31, СВ32, СВ41, СВ42.
Предполагается, что изобретение не ограничивается системой электрической шины, как описывалось ранее, но также распространяется на способ обеспечения защиты электрической шины в такой системе электрической шины, в частности, способ, содержащий следующие шаги:
- обнаружение кз, произошедшего в соединительной секции шины на стороне одной из зон электрической шины между трансформатором тока и одним из выключателей; и
- после обнаружения кз выдаются сигналы автоматического отключения как для выключателей соединительной секции шины, так и для по меньшей мере одной ячейки питающей линии, присоединенной к зоне электрической шины, на стороне которой обнаруживается кз.