УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ УПРАВЛЯЕМОГО ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА ОТ ВНУТРЕННИХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности, к релейной защите и автоматике энергосистем, и может быть использовано для быстродействующей защиты управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов, установленных в электрических сетях высокого напряжения. Технический результат заключается в повышении быстродействия, чувствительности и упрощении защиты управляемого реактора от внутренних коротких замыканий.
Известны способы и устройства релейной защиты (РЗ) от внутренних повреждений, управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (УШР) напряжением выше 110 кВ [1] с тремя обмотками. Каждая обмотка реактора имеет встроенные трансформаторы тока (ТТ), позволяющие установить необходимое и достаточное количество устройств РЗ для отключения УШР при возникновении в нем любых внутренних повреждений. Причем сетевая обмотка (СО) реакторов такого исполнения, кроме обычной газовой защиты и резервной максимальной токовой защиты (МТЗ), защищается в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) основными быстродействующими защитами с абсолютной селективностью на группах встроенных трансформаторов тока (ТТ) каждой фазы - продольной дифференциальной токовой защитой от междуфазных коротких замыканий (к.з.) и от однофазных к.з. на землю (на корпус или магнитопровод), а также поперечной дифференциальной токовой защитой от витковых коротких замыканий в обмотке.
Управляемые подмагничиванием реакторы сравнительно меньшей мощности напряжением 110 кВ и ниже [2] для снижения расхода активных материалов выполняются с двумя обмотками - сетевой (СО) и обмоткой управления (ОУ). В таких реакторах вторичная обмотка управления за счет ее соединения в схему «двойной разомкнутый треугольник» совмещает в себе функции компенсационной обмотки (КО) - замыкание гармоник, кратных трем, и ОУ (подмагничивание магнитопровода для регулирования потребляемой реактивной мощности).
При этом в результате соосного расположения на стержнях магнитопровода секций СО и ОУ между обмотками имеется прямая электромагнитная связь, в отличие от УШР с тремя обмотками, в которых ОУ подключается своими секциями встречно к обмоткам СО и КО.
Такая электромагнитная связь вызывает появление постоянных составляющих в секциях обмоток реактора в переходных режимах набора или сброса мощности УШР.
В соответствии с осциллограммами токов в обмотках реактора при наборе мощности, ток первой гармоники протекает (преобладает, с небольшими искажениями 5 и 7 гармониками) только в потребляемом из сети токе фаз СО. В отдельных секциях и в ветвях как СО, так и ОУ при наборе мощности преобладает постоянная составляющая, вызванная ростом тока подмагничивания. Кроме того, заметное значение имеют вторая гармоника в полуветвях СО и третья гармоника в полуветвях треугольника ОУ.
В полунейтрали СО, объединяющей нейтральные выводы одной из «звезд» СО, в переходном процессе замыкается постоянная составляющая, которая является причиной насыщения ТТ и снижения быстродействия. Поэтому встроенные ТТ со стороны нейтрали охватывают оба вывода СО, что позволяет взаимно вычитать постоянную составляющую и организовать продольную дифференциальную токовую защиту нулевой последовательности (только для реакторов 110 кВ с глухим заземлением нейтрали).
Исполнение СО таких реакторов параллельными ветвями с вводом в середину позволило бы при установке дополнительных ТТ в полуветвях СО применить пофазные продольные и поперечные дифференциальные токовые защиты, как и в реакторах более высоких напряжений с тремя обмотками. Однако кроме увеличения числа выводов и усложнения конструкции следует иметь в виду указанную постоянную составляющую, не выходящую в сеть, но приводящую к насыщению ТТ в этих ветвях со стороны нейтрали.
Таким образом, циркуляция токов подмагничивания в ветвях обмоток таких двухобмоточных УШР и отсутствие по этой причине необходимых групп ТТ делает невозможным применение для них быстродействующих дифференциальных токовых защит с абсолютной селективностью, необходимых согласно ПУЭ для трансформаторного и реакторного оборудования для такого класса напряжения и мощности.
Возможность установки в реакторах такого исполнения напряжением 110 кВ с глухим заземлением нейтрали продольной дифференциальной токовой защиты нулевой последовательности не решает проблемы, поскольку такая защита действует только при маловероятных для СО замыканиях на магнитопровод, и не действует при витковых и междуфазных к.з. Для реакторов 35 кВ и ниже в сетях с изолированной нейтралью с малыми токами замыкания на землю такая защита вообще не действует и теряет смысл. В результате эти УШР защищаются от внутренних к.з. только медленно действующими защитами - газовой защитой и МТЗ со стороны питания, без всякого их резервирования.
Наиболее близким техническим решением и аналогом предлагаемого устройства является применяемая для статорных обмоток синхронных генераторов односистемная поперечная дифференциальная токовая защита, включенная на ток между нейтралями двух «звезд» сетевой обмотки генератора [3].
Однако применить указанную защиту для УШР без дополнительных решений и технических средств невозможно, поскольку в ветви между нейтралями «звезд» СО реактора нет встроенного трансформатора тока. Более того, если бы он был установлен, то по указанным выше причинам оказывался бы неработоспособным в режимах насыщения постоянными
составляющими тока подмагничивания.
Целью заявленного изобретения является оснащение управляемых подмагничиванием реакторов описанного исполнения релейной защитой с абсолютной селективностью без выдержки времени, чувствительной к наиболее вероятным витковым к.з.
Устройство легко реализуется на серийно выпускаемом оборудовании и позволяет обеспечить управляемые подмагничиванием реакторы основной быстродействующей защитой с абсолютной селективностью, отличающейся высоким быстродействием, чувствительностью и простотой исполнения.
Указанная цель и технический результат достигаются тем, что применяется односистемная поперечная дифференциальная токовая защита сетевой обмотки УШР, включенная на ток небаланса между нейтралями двух «звезд» расщепленной СО, при этом, для исключения режимов насыщения составляющими тока подмагничивания в качестве источника информации для защиты используется датчик тока, установленный в цепи между выведенными нейтралями «звезд» сетевой обмотки реактора, либо датчик напряжения, подключенный между этими выводами при наличии на них дополнительных сопротивлений для повышения быстродействия, далее сигнал любого из указанных датчиков преобразуется в фильтрах с выделением первой гармоники, которая подается на измерительный орган защиты для сравнения с уставкой, а, в случае заземленной нейтрали сетевой обмотки при внешних однофазных коротких замыканиях действие защиты блокируется суммарным током подпитки места внешнего повреждения через заземленную нейтраль реактора.
В существующих конструкциях управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов напряжением 35…110 кВ нейтрали двух «звезд» сетевой обмотки (СО) выводятся на крышку бака электромагнитной части реактора (РТДУ) для последующего их объединения и заземления при необходимости для реакторов 110 кВ и выше с глухо заземленной нейтралью. Встроенные трансформаторы тока со стороны нейтрали сетевой обмотки реактора охватывают оба эти вывода нейтрали, чтобы исключить насыщение этих ТТ составляющими выпрямленного тока подмагничивания, циркулирующими в переходных режимах в ветвях СО и в нейтралях каждой отдельной «звезды». Через указанные встроенные ТТ объединенной нейтрали СО реактора протекают только токи нулевой последовательности, возникающие при однофазных коротких замыканиях на землю в самой обмотке УШР либо во внешней сети.
Датчик тока (ДТ) устанавливается «в рассечку» между выводами нейтралей «звезд» первичной сетевой обмотки реактора, которые выводятся на крышку бака, после чего один из этих выводов может при необходимости заземляться. Датчик напряжения (ДН) используется вместо ДТ и подключается параллельно тем же выводам в случае подключения нейтралей «звезд» сетевой обмотки через дополнительные сопротивления для повышения быстродействия набора и сброса мощности. Датчики тока и напряжения выпускаются серийно (например, LEM, Твелем), имеют широкую номенклатуру по токам и напряжениям, могут измерять как постоянные, так и переменные величины без насыщения.
ДТ или ДН могут быть как встроенными внутрь электромагнитной части реактора, так и выносными, наружной установки. В последнем случае ими можно дополнительно оснастить уже находящиеся в эксплуатации реакторы, поскольку эти датчики выпускаются для наружной установки.
Фиг.1 - Устройство для защиты управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора от внутренних коротких замыканий, где
1 - электромагнитная часть реактора в масляном баке,
2 - нейтрали сетевой обмотки реактора,
3 - датчик тока,
4 - датчик напряжения,
5 - терминал релейной защиты, содержащий фильтры, измерительный и исполнительный органы,
6 - дополнительные сопротивления для повышения быстродействия,
7 - сетевая обмотка.
Ниже приводится пример осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.
Фиг.1 - Устройство для защиты управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора от внутренних коротких замыканий.
На Фиг.1 изображены варианты защиты с использованием датчика тока (изображено вверху), либо при заземлении выводов нейтрали УШР через дополнительные резисторы -датчика напряжения (изображено внизу).
В нормальных режимах работы ток первой гармоники в нейтрали 2 СО реактора отсутствует. При возникновении виткового замыкания в любой секции сетевой обмотки между нейтралями 2 СО и через датчик ДТ 3 начинает протекать значительный ток небаланса. Сигнал от ДТ 3 с информацией аварийного тока подается в терминал РЗ 5, где фильтруется, сравнивается с уставкой, и при превышении заданной уставки формируется команда на отключение выключателя реактора.
Предлагаемое устройство наиболее просто реализуется и более всего необходимо для УШР, работающих в сети с изолированной нейтралью (6, 10, 35 кВ), для которых другие быстродействующие защиты от внутренних повреждений реактора отсутствуют из-за невозможности реализации типовой дифференциальной защиты. Для них не требуются датчики напряжения, поскольку дополнительные сопротивления в нейтрали не используются, и блокировки по току нулевой последовательности в нейтрали, поскольку эти сети работают с малыми токами замыкания на землю.
Заявленное устройство необходимо и для двухобмоточных УШР 110 кВ, продольная дифференциальная токовая защита нулевой последовательности которых не действует при витковых к.з. в СО. Именно витковые замыкания СО являются наиболее вероятным внутренним повреждением, поскольку междуфазные к.з. внутри бака трансформатора (реактора), практически, исключены, а однофазные к.з. на магнитопровод для сетевой обмотки, расположенной поверх секций ОУ, также весьма маловероятны.
В сетях с изолированной нейтралью ток в реле защиты может появиться только при внутренних повреждениях. Для реакторов 110 кВ и выше с глухим заземлением нейтрали СО обмотки исключить излишние действия защиты при внешних однофазных к.з. со стороны питания можно путем ее блокировки по току подпитки внешнего к.з., протекающему через объединенную нейтраль СО реактора (от внешних либо имеющихся встроенных ТТ, охватывающих обе полунейтрали СО).
Для трехобмоточных реакторов напряжением выше 110 кВ, несмотря на возможность применения для них продольных и поперечных дифференциальных токовых защит с использованием установленных групп ТТ в каждой фазе СО, такая односистемная защита тоже применима, как более простая, поскольку для таких реакторов проблема насыщения ТТ в цепях первичной обмотки отсутствует, что позволяет использовать встроенные ТТ вместо дополнительных ДТ. Дополнительные сопротивления для таких реакторов также не требуются, поэтому и в ДН для них нет необходимости.
В случае подключения к выводам нейтралей 2 СО реактора низкоомных сопротивлений 6 (для повышения быстродействия таких УШР путем снижения переходных составляющих тока подмагничивания в ветвях СО) состав и структура защиты не изменяется. Информация с ДТ 3 заменяется на сигнал с ДН 4, подключенного параллельно тем же выводам нейтралей 2 СО, после чего они подключаются к дополнительным встроенным, либо внешним низкоомным сопротивлениям 6.
Сигнал с ДТ либо ДН обрабатывается в терминале РЗ 5 с целью фильтрации и выделения первой гармоники, одновременно исключая из реле терминала (измерительного органа) переходные постоянные составляющие, после чего подается на измерительный орган для сравнения с уставкой. Фильтрация, дальнейшая программная и логическая обработка в соответствующих измерительных и исполнительных органах защиты могут быть легко реализованы в существующих микропроцессорных терминалах релейной защиты.
Поскольку в нормальных режимах работы реактора в сети с изолированной нейтралью ток первой гармоники в нейтрали реактора отсутствует, а между полунейтралями СО может протекать лишь незначительный ток конструктивного небаланса, первичная уставка защиты может быть минимальной и составлять 10-20 А, что обеспечивает высокую чувствительность защиты к наиболее вероятным витковым коротким замыканиям обмотки.
Литература
1. А.Г.Долгополов, «Релейная защита управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов», журнал «Электрические станции» №12,2006 г., изд. НТФ «Энергопрогресс», г.Москва.
2. А.Г.Долгополов, «Особенности релейной защиты управляемых шунтирующих реакторов различных конструкций», журнал» Электрические станции» №4, 2009 г., изд. НТФ «Энергопрогресс», г.Москва.
3. A.M.Федосеев, учебное издание «Релейная защита электроэнергетических систем», Энергоатомиздат, 1992 г., г.Москва