УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Техническое решение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для релейной защиты воздушных линий напряжением 110-220 кВ.
Устройство предназначено для установки на панелях, в шкафах управления, расположенных в релейных залах и пультах управления. Устройство предназначено для применения в качестве резервной защиты различных присоединений, в виде самостоятельного изделия или совместно с другими устройствами РЗА, выполненными на различной элементной базе (в т.ч. и на электромеханической элементной базе). Устройство обеспечивает взаимодействие с маломасляными, вакуумными, элегазовыми выключателями, оснащенными различными типами приводных механизмов.
Известно микропроцессорное устройство релейной защиты, применяющееся для защиты воздушных линий 110-220 кВ, содержащее трансформаторы тока (по числу фаз), трансформатор тока нулевой последовательности, трансформаторы напряжения (по числу фаз), трансформаторы напряжения разомкнутого треугольника, преобразователи ток-напряжение (по числу трансформаторов тока), преобразователи напряжение-напряжение (по числу трансформаторов напряжения), модуль питания, первую ступень дистанционной защиты, вторую ступень дистанционной защиты, третью дистанционной защиты, блокировку при качаниях, схему «ИЛИ», блокировку при неисправностях цепей напряжения, схему «И», блок отключения выключателя, причем трансформаторы тока и напряжения соединены с первыми входами преобразователей ток-напряжение и напряжение-напряжение соответственно, выходы этих преобразователей соединены с первыми входами первой ступени дистанционной защиты, второй ступени дистанционной защиты, третьей ступени дистанционной защиты, блокировки при качаниях, блокировки при неисправностях цепей напряжения, а вторые входы - с первым выходом модуля питания, первые выходы первой ступени дистанционной защиты, второй ступени дистанционной защиты и третьей ступени дистанционной защиты соединены с входами схемы «ИЛИ», выход которой соединен с первым входом схемы «И», выход блокировки при качаниях соединен с вторым входом схемы «И», выход блокировки при неисправностях цепей напряжения соединен с третьим входом сдхемы «И», выход схемы «И» соединен с входом блока отключения выключателя. (Шкаф ступенчатых защит и автоматики управления выключателем присоединений 110-220 кВ типа «Бреслер ШЛ2606». Руководство по эксплуатации АИПБ.656467.002-06.101 РЭ. ООО «ИЦ «Бреслер». 2015).
Недостатком этого устройства является его недостаточная чувствительность к коротким замыканиям (КЗ) с значительным переходным сопротивлением, неправильная работа при близких трехфазных КЗ, сложность расчета уставок срабатывания.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение чувствительности защиты, исключение неверной работы при близких трехфазных КЗ, упрощение процедуры расчета уставок срабатывания.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее трансформаторы тока (по числу фаз), трансформатор тока нулевой последовательности, трансформаторы напряжения (по числу фаз), трансформаторы напряжения разомкнутого треугольника, преобразователи ток-напряжение (по числу трансформаторов тока), преобразователи напряжение-напряжение (по числу трансформаторов напряжения), модуль питания, первую ступень дистанционной защиты, вторую ступень дистанционной защиты, третью дистанционной защиты, блокировку при качаниях, схему «ИЛИ», блокировку при неисправностях цепей напряжения, схему «И», блок отключения выключателя, причем трансформаторы тока и напряжения соединены с первыми входами преобразователей ток-напряжение и напряжение-напряжение соответственно, выходы этих преобразователей соединены с первыми входами первой ступени дистанционной защиты, второй ступени дистанционной защиты, третьей ступени дистанционной защиты, блокировки при качаниях, блокировки при неисправностях цепей напряжения, а вторые входы - с первым выходом модуля питания, первые выходы первой ступени дистанционной защиты, второй ступени дистанционной защиты и третьей ступени дистанционной защиты соединены с входами схемы «ИЛИ», выход которой соединен с первым входом схемы «И», выход блокировки при качаниях соединен с вторым входом схемы «И», выход блокировки при неисправностях цепей напряжения соединен с третьим входом сдхемы «И», выход схемы «И» соединен с входом блока отключения выключателя вводятся блоки расчета отношения мощности для каждой из ступеней защиты, причем первый выход преобразователей ток-напряжение и напряжение-напряжение соединен не с входом соответствующей ступени, а с входом блока расчета отношения мощности, а выходы блоков расчета отношения мощности соединены с соответствующими входами ступеней защит.
Повышение чувствительности защиты достигается благодаря тому, что блоки расчета отношения мощности, в отличие от классической дистанционной защиты, производят расчет величины отношения мощности в ненаблюдаемом конце зоны защиты к мощности в месте наблюдения, а не величину сопротивления.
Верная работа устройства при близких трехфазных КЗ обуславливается тем, что замер, на который реагирует реле дистанционной защиты, определяет точное направление на место повреждения вследствие использования аварийных составляющих наблюдаемых величин, источником которых является только возникшее в сети повреждение.
Упрощение процедуры расчета уставок срабатывания достигается тем, что модуль дистанционной защиты не требует видоизменения характеристики срабаытвания в зависимости от параметров защищаемого объекта.
Параметрирование защиты сводится к заданию известных параметров защищаемого объекта: длины линии, погонных параметров, мощности отпаечных трансформаторов, режимов заземления их нейтралей, что значительно проще нежели расчет параметров характеристики срабатывания.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, где изображено микропроцессорное устройство адаптивной дистанционной релейной защиты линий электропередач 110-220 кВ.
Устройство по фиг. 1 содержит трансформаторы тока 1 (по числу фаз), трансформатор тока нулевой последовательности 2, трансформаторы напряжения (по числу фаз) 3, трансформаторы напряжения разомкнутого треугольника 4, преобразователи ток-напряжение (по числу трансформаторов тока) 5, преобразователи напряжение-напряжение (по числу трансформаторов напряжения) 6, модуль питания 7, первую ступень дистанционной защиты 8, вторую ступень дистанционной защиты 9, третью дистанционной защиты 10, блокировку при качаниях 11, схему «ИЛИ» 12, блокировку при неисправностях цепей напряжения 13, схему «И» 14, блок отключения выключателя 15, трансформаторы тока и напряжения соединены с первыми входами преобразователей ток-напряжение и напряжение-напряжение соответственно, выходы этих преобразователей соединены с первыми входами первой ступени дистанционной защиты, второй ступени дистанционной защиты, третьей ступени дистанционной защиты, блокировки при качаниях, блокировки при неисправностях цепей напряжения, а вторые входы - с первым выходом модуля питания, первые выходы первой ступени дистанционной защиты, второй ступени дистанционной защиты и третьей ступени дистанционной защиты соединены с входами схемы «ИЛИ», выход которой соединен с первым входом схемы «И», выход блокировки при качаниях соединен с вторым входом схемы «И», выход блокировки при неисправностях цепей напряжения соединен с третьим входом сдхемы «И», выход схемы «И» соединен с входом блока отключения выключателя, блоки расчета отношения мощности для каждой из ступеней защиты 16-18, причем первый выход преобразователей ток-напряжение 5 и напряжение-напряжение 6 соединен не с входом соответствующей ступени, а с входом блока расчета отношения мощности 16-18, а выхода блоков расчета отношения мощности соединены с соответствующими входами ступеней защит.
На фиг. 2 представлена структура блока расчета отношения мощности. Блок расчета отношения мощности содержит элемент памяти 19, хранящий информацию о режиме, предшествующем короткому замыканию, преобразователь напряжений и токов 20, измеряемых в месте установки устройства, в напряжения и токи в ненаблюдаемом конце зоны защиты, блок сложения, умножения и деления 21.
На фиг. 3-10 приведены иллюстрации, поясняющие теоретические аспекты заявляемого решения: на фиг. 3 - двухпроводная модель электропередачи в текущем режиме короткого замыкания, случившегося в защищаемой зоне либо вне ее; на фиг. 4 - часть модели, преобразующая величины начала линии в напряжение конца защищаемой зоны в предположении, что линия не повреждена. На фиг. 5 - эта же модель в чисто аварийном режиме (режим аварийных составляющих) при замыкании в зоне действия защиты; на фиг. 6 - то же, но при замыкании вне зоны; на фиг. 7 и 8 даны векторные диаграммы величин, определяемых соответственно в моделях фиг. 5 и 6. На фиг. 9 и 10 приведен пример, иллюстрирующий задание характеристики срабатывания защиты: На фиг. 9 - имитационная модель конкретной электропередачи, а на фиг. 10 - отображения контролируемых и альтернативных режимов на плоскости замера дистанционной защиты, действующей по предлагаемому способу.
Устройство работает следующим образом.
Ток от измерительных трансформаторов тока 1 и 2 (фиг. 1) подается на преобразователи ток-напряжение 5 и преобразуется до необходимого уровня. Аналогично, напряжение с трансформаторов напряжения 3, 4 подается на преобразователи напряжение-напряжение 6 и преобразуется до необходимого уровня. Блок питания 7 обеспечивает питание преобразователей ток-напряжение 5 и преобразователей напряжение-напряжение 6. Измерения токов производятся с учетом коэффициентов трансформации измерительных ТТ. Для достоверной индикации токов и напряжений необходимо правильно задать коэффициент трансформации фазных токов, тока нулевой последовательности, фазных напряжений и напряжений с разомкнутого треугольника первичного трансформатора напряжения.
Преобразованные до необходимых уровней сигналы фазных токов и напряжений подаются на входы блоков расчета отношения мощностей 16-18.
Элемент памяти 19 (фиг. 2) фиксирует ток и напряжение предшествующего режима  в месте наблюдения (x=0), где x - координата произвольного места наблюдения), где v=А, В, С - обозначение любой из трех фаз электропередачи.
По замеряемым величинам текущего режима КЗ  и хранящимся в памяти значениям  преобразователь 20 напряжений и токов рассчитывает аварийные составляющие наблюдаемых величин по формулам
з
и использует модель линии в пределах защищаемой зоны и в неповрежденном состоянии с тем, чтобы рассчитать напряжение текущего режима КЗ в конце защищаемой зоны  и аварийную составляющую тока в конце защищаемой зоны , где l - координата конца зоны.
Блок сложения, умножения и деления 21 производит расчет величины фазной мощности в месте наблюдения по формуле:
мощности в ненаблюдаемом конце защищаемой зоны по формуле:
взаимную трехфазную комплексную мощность в месте наблюдения по формуле
взаимную трехфазную комплексную мощность в ненаблюдаемом конце защищаемой зоны по формуле:
замер отношения мощности по формуле:
Замер отношения мощности является той величиной, на которую реагирует реле адаптивной дистанционной защиты.
Под адаптацией понимается использование информации о предшествующем режиму КЗ режиме в расчете величины замера, на который реагирует дистанционный орган.
Функционально все три ступени 8, 9 и 10 дистанционной защиты идентичны. Условием срабатывания защиты является срабатывание хотя бы одной из ступеней, что соответствует появлению единичного логического сигнала на выходе элемента «ИЛИ» 12. При этом необходимо разрешение срабатывания от блокировки при качаниях 13 и блокировки при неисправности в цепях напряжения 11. В конечном итоге сигнал срабатывания подается на вход блока отключения выключателя 15 передающего команду отключения во внешние цепи.
s
r
Теоретические основы предлагаемого технического решения поясняются на примере трехфазного симметричного короткого замыкания, которому отвечает двухпроводная модель электропередачи (фиг. 3), где A и A - активные граничные двухполюсники, моделирующие питающие системы по прямой последовательности. Верхний индекс α присвоен параметрам и величинам режима короткого замыкания в защищаемой зоне (α-режим). Верхний индекс β предусмотрен для режима короткого замыкания вне защищаемой зоны (β-режим). Модель содержит переходные сопротивления  и  для разных ситуаций, включенные в местах замыкания с координатами  или . Токи короткого замыкания  или , протекающие в переходных сопротивлениях, являются единственными источниками  и  аварийных составляющих соответственно α- и β-режимов. Без учета распределенной емкости можно утверждать, что напряжение в конце зоны  применительно к модели по фиг. 4 определяется по выражению
s
r
В моделях чисто аварийных режимов (фиг. 5 и 6), активируемых единственным источником  или , активные двухполюсники A и A замещены внутренними сопротивлениям  и . Известны токи в начале линии  или . Что же касается определения токов в конце зоны  или , то они определяются однотипно, без разграничения α- и β-режимов, поскольку тип режима наблюдателю неизвестен. Без учета распределенной емкости
з
что не отвечает состоянию модели в α-режиме (фиг. 5) и отвечает в β-режиме (фиг. 6). Несоответствие α-режима модели неповрежденной линии является существенным признаком данного способа, что объясняется векторной диаграммой по фиг. 9. Токораспределение в электрической сети определяется главным образом ее индуктивными сопротивлениями, поэтому на фиг. 7 токи  и  изображены синфазными. То же токи  и  на фиг. 8. Кроме того, учтена синфазность этих токов с напряжениями в месте замыкания -  на фиг. 7 и  на фиг. 8. Пунктиром показаны годографы векторов  при изменении x от нуля до l и далее. Как видно из фиг. 7, 8, в α-режиме напряжение , определяемое операцией (8), отстает от тока , а в β-режиме напряжение  опережает ток . Что же касается пар величин  и , то их соответствие однотипно. Следовательно, комплексные мощности  и  имеют принципиальное отличие - первая активно-индуктивная, а вторая - активно-емкостная, что и вводит физическое разграничение α- и β-режимов.
Приведенные далее результаты обучения устройства адаптивной дистанционной защиты, действующей по предлагаемому способу, получены для ВЛ-110 кВ Ленинская-Лосинка (АО «Тюменьэнерго»). Модель линии (фиг. 9) включает в себя подстанции (ПС): наблюдаемую ПС 110 кВ Лосинка с параметрами прямой и нулевой последовательности  и ненаблюдаемую ПС 220 кВ Ленинская с параметрами . Емкостная проводимость линии учитывалась. Первичные параметры прямой и нулевой последовательностей:
Варьируемые параметры и диапазоны их изменения:  ( в нормальном режиме электропередачи, который принадлежит к числу альтернативных режимов); угол передачи δ=-10°…10°.
cp
На фиг. 10 показан результат обучения защиты на плоскости замера . Это область срабатывания W в виде нормированного прямоугольника. Вариации параметров подстанций  не сказываются на этой области. Проверено, что данное положение остается в силе и при вариациях параметров подстанций.
cp
Как видим, для задания характеристики срабатывания L, как и для формирования замера , нет необходимости в привлечении информации о каких-либо иных частях электропередачи, кроме защищаемой зоны, а именно востребована структура этой части линии и ее параметры. Отсюда следует вывод об универсальности замера, положенного в основу предлагаемого технического решения.