УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к области релейных защит линий электропередачи (ЛЭП) и может быть применена в аппаратуре связи для обмена сигналами, необходимыми для функционирования дифференциально-фазной защиты (ДФЗ).
Уровень техники
Для функционирования высокочастотных релейных защит (дифференциально-фазной и направленной защиты с высокочастотной блокировкой) необходим обмен сигналами между полукомплектами защит, установленными на противоположных концах защищаемой линии. Сигналы релейной защиты передаются и принимаются с помощью приемопередатчиков по каналам высокочастотной (ВЧ) связи, организованным, как правило, по проводам защищаемых ЛЭП. Эти же приемопередатчики используются для передачи контрольного сигнала и команд управления удаленным полукомплектом защиты. Для функционирования ДФЗ между ее полукомплектами, размещенными на противоположных концах ЛЭП, передается сигнал, несущий информацию о фазе тока на удаленном конце линии.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано устройство для передачи и приема сигналов релейной защиты [Патент РФ №2272348. Способ передачи и приема сигналов релейной защиты и устройство (варианты) для его осуществления / B.C.Скитальцев // Бюл. Изобретения. 2006. №8].
В передатчике этого устройства при пуске ДФЗ формируется частотно-манипулированный сигнал. Для управления манипуляцией частоты используется переменное напряжение, несущее информацию о фазе тока на соответствующем конце ЛЭП.
Приемник устройства-прототипа содержит тракт приема, предназначенный для подключения к каналу связи, смеситель, выход которого предназначен для подключения к полукомплекту дифференциально-фазной защиты, и фильтры выделения верхней и нижней частоты двухпозиционного частотно-манипулированного сигнала. Входы фильтров объединены, а выходы через выпрямители подключены к двум входам компаратора. Выход компаратора подключен к одному из входов смесителя, выход которого предназначен для связи с полукомплектом дифференциально-фазной защиты. Другой вход смесителя через корректирующий фазовращатель подключен к входу устройства, предназначенному для подачи напряжения манипуляции от полукомплекта ДФЗ.
Недостатком устройства-прототипа является то, что сигнал, несущий информацию о сдвиге фаз между напряжениями манипуляции на концах ЛЭП, выдается на ДФЗ только в один из полупериодов манипуляции, то есть один раз за период промышленной частоты. Если короткое замыкание на защищаемой линии происходит во время другого полупериода, то срабатывание защиты задерживается.
Раскрытие полезной модели
Технический результат полезной модели - сокращение расчетного или гарантированного времени действия ДФЗ.
Предметом полезной модели является устройство для передачи и приема сигналов релейной защиты, снабженное входом манипуляции, предназначенным для подключения к выходу полукомплекта дифференциально-фазной защиты, и содержащее передатчик, снабженный управляющим входом и выполненный с возможностью формирования двухпозиционного частотно-манипулированного сигнала при пуске дифференциально-фазной защиты, и приемник, снабженный выходом, предназначенным для подключения к входу полукомплекта дифференциально-фазной защиты и выполненный с возможностью детектирования двухпозиционной огибающей принятого частотно-манипулированного сигнала и выдачи на каждой ее позиции сигнала, несущего информацию о фазовом сдвиге между детектированной огибающей и напряжением на входе манипуляции.
Это позволяет получить указанный выше технический результат.
Развитие полезной модели относится к частным случаям ее осуществления и состоит в следующем.
Приемник устройства может содержать усилительно-преобразовательный блок, фильтр выделения верхней частоты и фильтр выделения нижней частоты двухпозиционного частотно-манипулированного сигнала, выходы которых через выпрямители подключены к первым входам смесителей, вторые входы которых через формирователи и корректирующий фазовращатель подключены к входу манипуляции, при этом выходы смесителей предназначены для подключения к входу полукомплекта дифференциально-фазной защиты непосредственно либо через логическую схему ИЛИ.
Основным отличием полезной модели от прототипа является его способность формировать и выдавать полукомплекту ДФЗ сигнал, несущий информацию о разности фаз напряжений манипуляции на концах ЛЭП на обеих позициях напряжения манипуляции, т.е на каждом полупериоде промышленной частоты.
Полезная модель может быть реализована как с помощью микроэлектронных, так и с помощью микропроцессорных устройств, выполняющих цифровую обработку сигналов.
Краткое описание фигур
На фиг.1 представлен пример реализации предлагаемого устройства с учетом развитии полезной модели.
На фиг.2 и 3 представлены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства на линии электропередачи между пунктами А и В. Фиг.2 относится к случаю короткого замыкания на защищаемой линии при разности фаз напряжений манипуляции на концах линии 90 эл. градусов, а фиг.3 - к случаю внешнего короткого замыкания при разности фаз напряжений манипуляции 150 эл. градусов. При построении диаграмм не учитывался сдвиг фазы принимаемых сигналов, вызванный запаздыванием в трактах передачи, приема и в канале связи.
Осуществление полезной модели с учетом ее развития
На фиг.1 показаны передатчик 1 и приемник 2. Передатчик 1 имеет управляющий вход 3, а приемник 2 выход 4, предназначенные для подключения соответственно к выходу и входу полукомплекта ДФЗ.
Устройство имеет вход 5 манипуляции, предназначенный для подключения к выходу полукомплекта ДФЗ.
Передатчик 1 выполнен с возможностью формирования двухпозиционного частотно-манипулированного сигнала при пуске ДФЗ, его выход подключен к каналу связи.
Приемник 2 выполнен с возможностью детектирования двухпозиционной огибающей принятого частотно-манипулированного сигнала и выдачи на каждой ее позиции на выход 4 сигнала, несущего информацию о фазовом сдвиге между детектированной огибающей и напряжением манипуляции на входе 5.
В приемнике 2 вход усилительно-преобразовательного блока 6 подключен к каналу связи. К выходу 7 блока 6 подключены фильтр 8 выделения верхней частоты двухпозиционного частотно- манипулированного сигнала и фильтр 9 выделения нижней частоты двухпозиционного частотно-манипулированного сигнала.
Выход каждого из фильтров 8 и 9 через выпрямители 10 и 11 подключен к первому входу смесителя 12 и 13 соответственно. Вторые входы смесителей 12 и 13 через формирователи 14 и 15 и фазовращатель 16 подключены к входу 5. Выходы 17 и 18 смесителей 12 и 13 предназначены для подключения к входу полукомплекта ДФЗ непосредственно либо через схему ИЛИ 19 (выход 4 приемника).
Устройство работает следующим образом.
0
В режиме покоя (когда местный полукомплект релейной защиты не обнаруживает короткого замыкания) передатчик 1 формирует сигнал, имеющий частоту f+Δf.
0
0
0
0
При пуске каждого полукомплекта защиты ДФЗ от него на вход 5 поступает напряжение манипуляции и соответствующий передатчик 1 формирует частотно-манипулированный сигнал, который поступает в канал связи с частотами f±Δf, где f - частота несущей, a Δf - девиация частоты. Двухпозиционная огибающая этого сигнала повторяет напряжение манипуляции частотой 50 Гц. При этом положительному полупериоду напряжения манипуляции в данном примере соответствует верхняя частота f+Δf, а отрицательному - нижняя частота f-Δf.
Форма напряжения манипуляции на одном из концов линии (А) показана на фиг.2 и 3, строка 1, а частоты на выходе передатчика этого конца - на фиг.2 и 3, строка 2.
На другом конце линии (В) частотно-манипулированный сигнал из канала связи поступает в приемник 2 и после преобразования в блоке 6 поступает на входы фильтров 8 и 9.
0
0
Фильтр 8 выделяет частоты f+Δf, фильтр 9 - частоты f-Δf. Выходные сигналы фильтров 8 и 9 преобразуются выпрямителями 10 и 11 в положительные импульсы (фиг.2 и 3, строки 3 и 4), которые поступают на первые входы смесителей 12 и 13 соответственно.
Эти импульсы блокируют выход соответствующего смесителя, т.е. уменьшают до нуля ток или напряжение. На второй вход каждого из смесителей поступают положительные импульсы от соответствующего формирователя 14 (фиг.2 и 3, строка 6) или 15 (фиг.2 и 3, строка 7). Импульсы формирователей также блокируют выходы смесителей.
На объединенные входы формирователей 14 и 15 через корректирующий фазовращатель 16 поступает напряжение манипуляции с входа 5 (фиг.2 и 3, строка 5). Фазовращатель 16 служит для компенсации запаздывания принимаемого сигнала в трактах передачи и приема и в канале связи. При этом длительность положительных импульсов на выходах формирователей 14 и 15 может устанавливаться больше длительности полупериода напряжения манипуляции на входе 5. В рассматриваемом примере на смеситель 12 поступают положительные импульсы во время положительного полупериода напряжения на входе 5, а на смеситель 13 - во время отрицательного полупериода этого напряжения.
Выходные сигналы смесителей 12 (фиг.2 и 3, строка 8) и 13 (фиг.2 и 3, строка 9) поступают на выходы 17 и 18, предназначенные для подключения к входу полукомплекта ДФЗ непосредственно либо через схему ИЛИ 19 (фиг.2 и 3, строка 10).
Рассмотрение временных диаграмм фиг.2 позволяет сделать следующий вывод.
Сигнал на выходе 18 смесителя 13 (строка 9) аналогичен выходному напряжению устройства-прототипа. Положительные импульсы на этом выходе появляются один раз за период напряжения манипуляции, в то время как выходе 4 приемника (строка 10) импульсы появляются два раза за период. Таким образом, в предлагаемом устройстве выполняется двухполупериодное сравнение фаз напряжений манипуляции на концах защищаемой линии. Возможность выдачи выходного сигнала на каждой из двух позиций напряжения выходного сигнала на каждой из двух позиций напряжения манипуляции (а не на одной позиции, как в прототипе) составляет основное отличие предлагаемого технического решения, позволяющее ускорить действие ДФЗ при КЗ на защищаемой линии, что и является задачей полезной модели.
Промышленная применимость
Применение полезной модели обеспечит реализацию всех функций, выполняемых устройством-прототипом, и при этом уменьшит время действия дифференциально-фазной защиты, что важно для повышения устойчивости работы электрических сетей. Осуществимость полезной модели проверена на компьютерной модели.
Ранее в СССР и ныне в России приемопередатчики сигналов дифференциально-фазной защиты с двухполупериодным сравнением фаз промышленностью не выпускались и не использовались.