УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ РЕЗЕРВНОЙ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ОТВЕТВИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ

Заявляемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано для релейной защиты трансформаторов ответвительных подстанций радиальных воздушных линий. Основной проблемой построения резервной защиты трансформаторов ответвительных подстанций является сопоставимость параметров нормальных нагрузочных режимов и допустимых режимов работы (максимальные нагрузочные режимы, включение трансформаторов на холостой ход, пуски и самозапуски мощных высоковольтных электродвигателей) с аварийными режимами при коротких замыканиях за рассматриваемыми трансформаторами и режимами сетевых замыканий на землю (обрыв фазного провода и его замыкание со стороны защищаемого трансформатора).
Известно устройство резервной защиты линии с трансформаторами на ответвлениях [Патент РФ №101877], предназначенное для решения проблемы дальнего резервирования и 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 А, В, С, 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 указанного 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 из-за необходимости согласования выдержек времени с защитами трансформаторов ответвительных подстанций с наибольшими временами срабатывания.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство адаптивной резервной защиты трансформаторов ответвительных подстанций [Патент РФ 131246], 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 А, В, С, 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 со входом выходного органа.
Недостатком описываемого технического решения является недостаточная чувствительность к симметричным коротким замыканиям за трансформаторами малой мощности при значительной нагрузке остальных более мощных трансформаторов и в режимах пуска (самозапуска) высоковольтных электродвигателей.
Задача полезной модели - повышение чувствительности, селективности защиты дальнего резервирования.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении чувствительности и селективности устройства к симметричным и несимметричным коротким замыканиям, происходящим на фоне максимальных нагрузочных режимов питающей линии и пусков (самозапусков) мощных электродвигателей, повышении селективности работы устройства при аварийных режимах за трансформаторами ответвительных подстанций и наличии нескольких ответвлений на линии электропередач. Это достигается тем, что в устройство адаптивной многопараметрической резервной защиты трансформаторов ответвительных подстанций воздушной линии, содержащее датчики токов всех трех фаз линии А, В, С, датчики напряжения, включенные на фазные напряжения всех трех фаз А, В, С, блок анализа режимов, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входами первого, второго, третьего органов выдержки времени, выходы первого, второго, третьего органов выдержки времени соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами логического элемента «ИЛИ», выход логического элемента «ИЛИ» соединен со входом выходного органа, дополнительно введены мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, блок сравнения фаз, блок сравнения модулей, блок фильтров составляющих сигналов, блок контроля предшествующего режима, блок фильтров аварийных составляющих, выход которого соединен с шестым входом блока анализа режимов, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами блока сравнения фаз, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй и третий входы блока сравнения фаз соединены с выходом блока фильтров составляющих сигналов и выходом блока фильтров аварийных составляющих соответственно, третий вход блока анализа режимов соединен с блоком фильтров составляющих сигналов, четвертый и пятый входы блока анализа режимов соединены с первым и вторым выходами блока сравнения модулей, первый, второй и третий входы которого соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, выходом блока фильтров составляющих сигналов, выходом блока фильтров аварийных составляющих соответственно, седьмой вход блока анализа режимов соединен с выходом блока контроля предшествующего режима, который также соединен со вторым входом блока фильтров аварийных составляющих, первый вход которого подключен к выходу блока фильтров составляющих сигналов, а последний также соединен с первым входом блока контроля предшествующего режима, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, восьмой вход блока анализа режимов соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход блока фильтров составляющих сигналов соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом мультиплексора, а его первый, второй, третий входы соединены с выходами первого, второго, третьего датчиков напряжения, четвертый, пятый, шестой входы мультиплексора подключены к выходам первого, второго, третьего датчиков тока.
На фиг. 1. приведена структурная схема устройства адаптивной резервной защиты трансформаторов ответвительных подстанций. Устройство содержит датчики напряжения (ДН1-ДН3) 1, 2, 3, установленные во всех трех фазах А, В, С и датчики тока (ДТ1-ДТ3) 4, 5, 6, также установленные в трех фазах А, В, С соответственно, мультиплексор (МП) 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, блок сравнения фаз (БСФ) 9, блок фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10, блок контроля предшествующего режима (БКПР) 11, блок сравнения модулей (БСМ) 12, блок фильтров аварийных составляющих (БФАС) 13, блок анализа режимов (БАР) 14, первый орган выдержки времени (ОВВ1) 15, второй орган выдержки времени (ОВВ2) 16, третий орган выдержки времени (ОВВ3) 17, логический элемент «ИЛИ» 18, выходной орган (ВО) 19.
Датчики тока (ДТ1-ДТ3) 4, 5, 6 включены на фазные токи всех трех фаз А, В, С линии, а их выходы соединены со входами мультиплексора (МП) 7, датчики напряжения (ДН1-ДН3) 1, 2, 3 включены на фазные напряжения всех трех фаз А, В, С линии, а их выходы также соединены со входами мультиплексора (МП) 7. Датчики тока обеспечивают преобразование токов в напряжение, а датчики напряжения соответственно напряжения в напряжение. Выходные сигналы датчиков тока и напряжения в аварийных режимах не превышают максимально-допустимого уровня на входе мультиплексора. Указанные датчики обеспечивают также гальваническое разделение первичных и вторичных цепей. Выход мультиплексора (МП) 7 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, а его выход соединен соответственно со входами блока сравнения фаз (БСФ) 9, блока сравнения модулей (БСМ) 12, блока фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10, блока контроля предшествующего режима (БКПР) 11, блока анализа режимов (БАР) 14. Выходы блоков: сравнения фаз (БСФ) 9, сравнения модулей (БСМ) 12, фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10, контроля предшествующего режима (БКПР) 11, фильтров аварийных составляющих сигналов (БФАС) 13 соединены со входами блока анализа режимов (БАР) 14. Выходы блока анализа режимов (БАР) 14 соединены со входами первого (ОВВ1) 15, второго (ОВВ2) 16, третьего (ОВВ3) 17 органов выдержки времени, а соответственно их выходы соединены со входами логического элемента «ИЛИ» 18. Выход логического элемента «ИЛИ» 18 подключен ко входу выходного органа (ВО) 19.
Устройство работает следующим образом: датчики напряжения (ДН1-ДН3) 1, 2, 3 обеспечивают преобразование напряжения в напряжение, датчики тока (ДТ1-ДТ3) 4, 5, 6 выполняют преобразование тока в напряжение. Мультиплексор (МП) 7 обеспечивает подключение выхода соответствующего датчика напряжения (ДН1-ДН3) 1, 2, 3 и тока (ДТ1-ДТ3) 4, 5, 6 ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8. Последний обеспечивает преобразование аналогового сигнала в цифровую форму.
Блок анализа режимов (БАР) 14, подключенный к выходам (АЦП) 8, блоков: сравнения фаз (БСФ) 9, сравнения модулей (БСМ) 12, фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10, контроля предшествующего режима (БКПР) 11, фильтров аварийных составляющих сигналов (БФАС) 13 обеспечивает комплексный анализ режима работы сети и при выявлении аварийного режима работы передает сигнал на отключение воздушной линии. 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, величины ортогональных составляющих токов и их приращения. Блоки фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10, фильтров аварийных составляющих сигналов (БФАС) 13, анализа режимов (БАР) 14 обеспечивают обработку параметров подводимых сигналов, а также производят расчет собственных параметров:
- аргументов фазных токов, токов прямой и обратной последовательностей, их аварийных составляющих;
- модулей фазных токов, токов прямой, обратной и нулевой последовательностей, ортогональных составляющих, и их приращений;
- модулей и аргументов специально сформированных сигналов из отдельных составляющих с учетом предшествующего нагрузочного и аварийного режимов.
Блок анализа режимов (БАР) 14 обеспечивает формирование областей нагрузочных режимов, аварийных режимов за трансформаторами ответвительных подстанций, аварийных режимов на воздушной линии с учетом предшествующего режима (блок контроля предшествующего режима (БКПР) 11).
Логический элемент «ИЛИ» 18 производит соответствующую логическую операцию «ИЛИ» над группой поступающих на ее входы логических сигналов от органов выдержки времени (ОВВ1) 15, (ОВВ2) 16, (ОВВ3) 17.
Органы выдержки времени (ОВВ1) 15, (ОВВ2) 16, (ОВВ3) 17 обеспечивают набор выдержек времени для отстройки от действия основных защит или резервных защит защищаемых трансформаторов.
Выходной орган (ВО) 19 обеспечивает формирование выходного воздействия на коммутационные аппараты воздушной линии.
В нормальном режиме работы сети описанное устройство находится в следующем состоянии. Уровни выходных сигналов датчиков тока (ДТ1-ДТ3) 4, 5, 6 определяются величиной нагрузочных токов линии, выходные сигналы датчиков напряжения (ДН1-ДН3) 1, 2, 3 близки к номинальным значениям. Мультиплексор обеспечивает подключение соответствующих входов датчиков тока (ДТ1-ДТ3) 4-6 и датчиков напряжения (ДН1-ДН3) 1-3 ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8. Последний обеспечивает преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму. Сигналы с (АЦП) 8 поступают на входы блоков фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10 и фильтров аварийных составляющих сигналов (БФАС) 13, которые обеспечивают выделение: токов и напряжений симметричных составляющих прямой, обратной, нулевой последовательностей, ортогональных составляющих токов (реактивной и активной составляющих) и их аварийных составляющих (в блоке (БФАС) 13). Для выделения аварийных составляющих также используется блок контроля предшествующего режима (БКПР) 11, запоминающий на заданное время параметры составляющих сигналов в предшествующем до аварийном режиме. При этом на вход блока (БКПР) 11 сигналы поступают с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, так и с блока фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10.
Блоки сравнения фаз (БСФ) 9 и сравнения модулей (БСМ) 12 обеспечивают сравнение с заданными значениями (уставками) модулей и аргументов входных сигналов: прямой, обратной, нулевой последовательностей, реактивной и активной составляющих и их аварийных составляющих (приращений сигналов). Блок анализа режима (БАР) 14 на основе состояния блока сравнения фаз (БСФ) 9 (на первом и втором выходах присутствуют сигналы логический 0) и блока сравнения модулей (БСМ) 12 (на первом и втором выходах присутствуют сигналы логический 0), входных сигналов о токах и напряжениях фаз А, В, С, их симметричных и ортогональных составляющих ((БФСС) 10), аварийных составляющих ((БФАС) 13) обеспечивает их отнесение к области нагрузочных режимов, т.е. к области допустимых режимов защищаемого оборудования, что не позволяет блоку анализа режима (БАР) 14 сформировать выходные сигналы на набор выдержек времени соответствующими органами выдержки времени (ОВВ1) 15, (ОВВ2) 16, (ОВВ3) 17. По этой причине на входах логического элемента «ИЛИ» 18 присутствует логический сигнал 0 и, следовательно, выходной орган не формирует отключающий сигнал на коммутационный аппарат. В нагрузочном режиме входные сигналы токов и напряжений фаз А, В, С, их симметричных и ортогональных составляющих находятся в области допустимых значений, а их аварийные составляющие также не превышают значений при включении потребителя максимальной мощности. Токи и напряжения обратной и нулевой последовательностей не превышают максимальных значений небаланса в нагрузочном режиме.
I
I
I
I
1
2
1
2
При двухфазном коротком замыкании (КЗ) на стороне низшего напряжения одного из трансформаторов ответвительных подстанций возникает несимметрия, и как следствие, появляются токи и напряжения обратной последовательности. На выходе блока фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10 обеспечивается выделение сигналов соответствующих последовательностей. Входной сигнал блока сравнения модулей (БСМ) 9, пропорциональный току обратной последовательности, превышает максимальное значение тока небаланса, что приводит к формированию выходного сигнала логическая единица на входе блока анализа режимов (БАР) 14. В зависимости от группы соединения обмоток трансформатора «звезда-треугольник» (Y/Δ) или «звезда-звезда» (Y/Y) возможен различный фазовый сдвиг между векторами токов прямой и обратной последовательностей. При металлическом КЗ за трансформатором с группой соединения «звезда-треугольник» (Y/Δ) 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 блоком сравнения фаз (БСФ) 9 и блоком анализа режимов (БАР) 14. Параметры наблюдаемого режима попадают в область аварийного режима - двухфазного КЗ.
I
I
I
2
1
2
При двухфазном металлическом КЗ на стороне низшего (среднего) напряжения одного из трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда-звезда» Y/Y, подключенного на ответвлении ВЛ, блоком сравнения фаз (БСФ) 9 и блоком анализа режима (БАР) 14 фиксируется нахождение фазового сдвига между токами прямой и обратной последовательностей в другом диапазоне, повышенный уровень тока обратной последовательности , повышенное положительное значение угла между напряжением и током прямой последовательности, а также повышенное отрицательное значение угла между напряжением и током обратной последовательности. По уровню токов  и , фазовому углу между ними блок анализа режимов (БАР) 14 определяет, что повреждение произошло на стороне низшего напряжения защищаемого трансформатора.
Проверка нахождения контролируемого режима в области аварийных режимов (в данном случае оценивается нахождение в области двухфазных КЗ) также осуществляется путем контроля ортогональных составляющих (активной и реактивной составляющей), их аварийных составляющих. При этом с помощью блоков сравнения модулей (БСМ) 12 (появляется логический сигнал 1 на первом выходе), блока сравнения фаз (БСФ) 9 (появляется логический сигнал 1 на первом выходе) осуществляется проверка нахождения контролируемых параметров в аварийной области трансформатора заданной мощности. Блок анализа режимов (БАР) 14 фиксирует в многомерном информационном пространстве попадание параметров контролируемых сигналов в сформированную область срабатывания трансформатора заданной мощности.
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) 14 фиксируется повышенное значение тока прямой последовательности I, повышенное положительное значение углов между фазными напряжениями U, U, U, U и фазными токами I, I, I, I соответственно. По уровню тока  блок анализа режима (БАР) 14 определяет на стороне низшего 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.
Проверка нахождения контролируемого режима в области аварийных режимов (в данном случае оценивается нахождение в области трехфазного КЗ) также осуществляется путем контроля ортогональных составляющих (активной и реактивной составляющей), их аварийных составляющих. При этом с помощью блоков сравнения модулей (БСМ) 12 (появляется логический сигнал 1 на первом выходе), блока сравнения фаз (БСФ) 9 (появляется логический сигнал 1 на первом выходе) осуществляется проверка нахождения контролируемых параметров в аварийной области. Блок анализа режимов (БАР) 14 фиксирует в многомерном информационном пространстве попадание параметров контролируемых сигналов прямой последовательности, ортогональных составляющих и их аварийных составляющих в сформированную область срабатывания для трехфазных КЗ.
На сильно нагруженных ВЛ, а также при наличии ответвительных подстанций со значительной двигательной нагрузкой формирование областей срабатывания с помощью блока анализа режимов (БАР) 14 может осуществляться с коррекцией в зависимости от предшествующего нагрузочного режима (блок контроля предшествующего режима (БКПР) 11), а также с адаптацией к существующему аварийному режиму в блоках фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10 и фильтров аварийных составляющих (БФАС) 13. В этом случае предусматривается формирование сигналов, как разности реактивной и части активной составляющих.
При возникновении «сетевых» замыканий (одновременного обрыва одной из фаз ответвительного участка линии и замыкания на землю оборванной фазы со стороны трансформатора ответвительной подстанции с заземленной нейтралью) блоком анализа режимов (БАР) 14 фиксируется повышенный уровень тока нулевой последовательности, превышающий максимально возможный уровень тока небаланса в рабочих режимах. При этом также формируется сигнал логическая единица на первых выходах блока сравнения модулей (БСМ) 12, блока сравнения фаз (БСФ) 9. Область срабатывания в этом случае строится в пространстве токов симметричных составляющих и их аргументов, фазных токов и их аргументов. Попадание параметров контролируемых сигналов в данную область проверяется с помощью, блоков сравнения фаз (БСФ) 9, сравнения модулей (БСМ) 12, анализа режимов (БАР) 14. При данном виде повреждения формируется на одном из выходов блока анализа режимов (БАР) 14 логический сигнал 1, обеспечивающий пуск соответствующего органа выдержки времени.
1
2
I
При двухфазных или трехфазных КЗ на линии блоки сравнения модулей (БСМ) 12 и сравнения фаз (БСФ) 9 формируют сигналы логическая единица на вторых своих выходах, блок анализа режима (БАР) 14 выявляет значительный уровень токов прямой и обратной последовательностей I, , реактивной составляющей, превышающих их максимальные уровни при КЗ на стороне низшего напряжения наиболее мощного из трансформаторов, подключенных на ответвлениях ВЛ. На всех выходах блока анализа режимов (БАР) 14 присутствует логический сигнал 0. Устройство не срабатывает.
При однофазном КЗ, что возможно только на ВЛ или на ее ответвлении, обеспечивается выделение блоком фильтров составляющих сигналов (БФСС) 10 тока нулевой последовательности и проверка его уровня с помощью блока сравнения модулей (БСМ) 12. Уровень тока нулевой последовательности в данном случае превышает возможный ток сетевого замыкания (обрыв фазного провода и его замыкание на землю со стороны поврежденного трансформатора ответвительной подстанции с заземленной нейтралью). При этом как и при двухфазных и трехфазных КЗ на втором выходе блока сравнения модулей (БСМ) 12 формируется сигнал логическая 1, запрещающий формирование выходного сигнала блоком анализа режимов (БАР) 14.
Таким образом, использование в заявляемом устройстве формирования областей режимов в многомерном информационном пространстве с последующим контролем параметров фазных токов, токов симметричных составляющих (токов прямой, обратной и нулевой последовательностей), токов ортогональных составляющих (активной и реактивной составляющей), их аварийных составляющих, специально сформированных токов из отдельных составляющих в зависимости от предшествующего режима позволяет повысить степень распознаваемости аварийных режимов на фоне нагрузочных режимов и особенно на сильно нагруженных линиях и при наличии мощной двигательной нагрузки за трансформаторами, выявлять «сетевые» замыкания, а использование нескольких выдержек времени позволяет повысить селективность и быстродействие защит при коротких замыканиях за трансформаторами разновеликой мощности ответвительных подстанций и наличии нескольких ответвлений на линии электропередач.