Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите и автоматике, и может быть использовано в противоаварийной автоматике для автоматического ограничения повышения напряжения (АОПН) высоковольтного оборудования.

Известен способ автоматического ограничения повышения напряжения высоковольтного оборудования, реализованный в устройстве АОПН (Розенблюм Ф.М., Салова В.Г., Брухис Г.Л., Гладышев В.А., Глускин И.З. Устройство автоматического ограничения повышения напряжения на базе шкафа автоматики ШП 2704 // Электрические станции. №4. 1989. С. 61-62). Согласно ему измеряют электрическое напряжение, делят диапазон возможных перенапряжений на ступени и на каждой из них осуществляют соответствующие технические мероприятия, направленные на ликвидацию перенапряжения. Успешность действия технических мероприятий ступени контролируют путем измерения длительности перенапряжения на данной ступени. Если длительность перенапряжения превысит заданное время, то формируют признак отказа технических мероприятий ступени и приводят в действие технические мероприятия следующей ступени.

В аналоге предусмотрены два диапазона возможных перенапряжений (две ступени). На первой ступени предусматриваются технические мероприятия, направленные на ликвидацию перенапряжения путем снижения напряжения, а на второй - путем отключения высоковольтного оборудования от сети. Принимается, что технические мероприятия первой ступени не сработали (формируется признак отказа), если в течение заданного времени (уставки по времени) после приведения технических мероприятий в действие перенапряжение не исчезло. Уставка по времени для первой ступени выбирается исходя из средней скорости расхода ресурса изоляции с таким расчетом, чтобы осталось время для приведения в действие технических мероприятий второй ступени (отключение оборудования). Использование фиксированного времени для контроля успешности технических мероприятий является паллиативом, заменяющим оценку уровня остаточного ресурса изоляции контролем продолжительности перенапряжений. Это снижает эффективность применения технических мероприятий, особенно в случае перемежающихся перенапряжений, поскольку не учитывается расход ресурса изоляции при предыдущих перенапряжениях. В связи с этим защищаемое оборудование может быть либо отключено преждевременно, либо, наоборот, необоснованно оставлено под напряжением. В первом случае неверная оценка ресурса приводит к излишнему отключению оборудования, а во втором случае - к его повреждению.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является способ автоматического ограничения повышения напряжения высоковольтного оборудования, реализованный в микропроцессорном устройстве АОПН (Акинин А.А., Иванов И.А., Любарский Д.Р. Микропроцессорное устройство автоматики ограничения повышения напряжения с контролем ресурса оборудования // Вестник ИГЭУ. 2005. №1 (стр. 92-101)). Он принят за прототип. Согласно ему измеряют электрическое напряжение, делят диапазон возможных перенапряжений на ступени и на каждой из них осуществляют соответствующие технические мероприятия, направленные на снижение уровня перенапряжения, контролируют признак отказа технических мероприятий ступени и при его появлении приводят в действие технические мероприятия следующей ступени, причем признак отказа формируется при достижении длительностью перенапряжения заданного значения (уставки по времени).

Кроме того, диапазон перенапряжений каждой ступени делят на поддиапазоны и для каждого поддиапазона формируют свою уставку по времени. Это повышает точность аппроксимации вольт-временной характеристики защищаемого высоковольтного оборудования (ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. 1998 (таблицы Б. 1, Б. 2)), что позволяет более обоснованно выбирать уставки времени при формировании признака отказа технических мероприятий ступени.

Однако прототип, как и аналог, заменяет операцию контроля остаточного ресурса изоляции на операцию сравнения продолжительности перенапряжения с уставкой по времени. Единственное существенное отличие от аналога состоит лишь в том, что признак отказа технических мероприятий ступени формируется в прототипе на каждом из поддиапазонов напряжений ступени. Поэтому недостатки, характерные для аналога, присущи и прототипу.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение эффективности эксплуатации высоковольтного оборудования за счет более точной оценки остаточного ресурса изоляции высоковольтного оборудования и повышения гибкости осуществления технических мероприятий по ликвидации перенапряжения. Это достигается тем, что в известном способе автоматического ограничения повышения напряжения высоковольтного оборудования, согласно которому измеряют электрическое напряжение, делят диапазон возможных перенапряжений на ступени и на каждой из них осуществляют соответствующие технические мероприятия, направленные на ликвидацию перенапряжения, контролируют признак отказа технических мероприятий ступени и при его появлении приводят в действие технические мероприятия следующей ступени, вводят новые действия. Во-первых, оценивают остаточный ресурс изоляции путем уменьшения его величины с интенсивностью расхода, соответствующей текущему уровню перенапряжения. Во-вторых, упомянутый признак отказа формируется при понижении остаточного ресурса изоляции до пороговой величины, равной произведению времени, отведенного для выполнения технических мероприятий следующих ступеней, и интенсивности расхода ресурса изоляции, соответствующей текущему уровню перенапряжения. Вследствие введения новых операций учет расхода ресурса изоляции осуществляется согласно вольт-временной характеристике защищаемого оборудования, благодаря чему интенсивность расхода ресурса изоляции полностью согласуется с текущим уровнем перенапряжения. Это позволяет вводить технические мероприятия следующей ступени в действие вовремя, не допуская ни преждевременного приведения их в действие (исключая недоиспользование ресурсов электрооборудования), ни их запаздывания (предотвращая повреждение оборудования).

На фиг. 1 показана вольт-временная характеристика (ВВХ) высоковольтного оборудования (ГОСТ 1516.3-96) в форме, удобной для пояснения ее применения (масштаб времени условный), а на фиг. 2 и 3 - иллюстрация работы предлагаемого способа и прототипа с помощью диаграммы расхода ресурса изоляции защищаемого оборудования.

Дадим предварительные пояснения к фиг. 1-3, призванные облегчить изложение принципа действия способа.

Вольт-временную характеристику (фиг. 1) в технике высоких напряжений (Важов В.Ф., Лавринович В.А., Лопаткин С.А. Техника высоких напряжений. Курс лекций для бакалавров направления 140200 «Электроэнергетика». Томск. 2006) определяют обычно как зависимость допустимого уровня перенапряжения γ_п от длительности T_п нахождения изоляции высоковольтного оборудования под этим напряжением. Величину перенапряжения γ_π задают как отношение текущего уровня напряжения U_п к максимально допустимому уровню напряжения рабочего режима U₀: γ_п=U_п/U₀.

Обычно ВВХ делят на диапазоны по уровню перенапряжения с таким расчетом, чтобы на каждом из них предпринять наиболее эффективные технические мероприятия по ликвидации перенапряжения. Например, высоковольтное оборудование номинальным напряжением 750 кВ в диапазоне перенапряжений γ=1,025÷1,1 может находиться достаточно длительное время, от десятков минут до нескольких часов (до 8 ч для ВВХ фиг. 1). Поэтому для ликвидации перенапряжений этого диапазона можно использовать инерционные во времени технические мероприятия, такие как изменение режимов работы синхронных компенсаторов на подстанции, переключение РПН силовых трансформаторов и т.д. В диапазоне γ=1,1÷1,25 уменьшение напряжения изменением коэффициента трансформации силовых трансформаторов достигнуть не удается. Кроме того, допустимое время нахождения оборудования под таким напряжением уже не столь большое (от 20 с до 20 мин). В этом случае необходимы более быстродействующие технические мероприятия. И, как правило, они направлены на изменение режима работы сети, к которой подключено защищаемое электрооборудование. Одним из вариантов таких технических мероприятий является ввод в действие шунтирующих реакторов с целью компенсации емкости сети. При перенапряжениях γ>1,25 допустимое время нахождения изоляции под напряжением составляет единицы секунд (меньше 20 с). Очевидно, что в этом случае речь о регулировании напряжения не может идти. Поэтому автоматика ограничения повышения напряжения действует сразу на отключение высоковольтного оборудования от сети.

Из вышеизложенного следует, что АОПН должна иметь несколько ступеней (фиг. 1), на каждой из которых применяются соответствующие технические мероприятия, направленные на ликвидацию перенапряжения. Число ступеней должно соответствовать числу диапазонов перенапряжений, заданных на ВВХ.

Для задач релейной защиты и автоматики удобно рассматривать ВВХ несколько иначе, а именно как зависимость допустимого времени T_п нахождения изоляции под перенапряжением γ_п. При известном уровне перенапряжения это позволяет определить по ВВХ интенсивность расхода ресурса изоляции оборудования. Положим, что ресурс изоляции не расходован и составляет 1 (отн. ед.). Если высоковольтное оборудование подвергнется перенапряжению γ_п, то ресурс его изоляции будет полностью израсходован за время T_п. Отсюда следует, что интенсивность расхода ресурса изоляции при постоянном уровне перенапряжения γ_п определяется как

Используя ВВХ, можно построить диаграмму расхода ресурса изоляции (понятие вводится впервые). Такие диаграммы, соответствующие ВВХ фиг. 1, приведены на фиг. 2 и 3. Диаграмма расхода ресурса показывает, как меняется остаток ресурса R изоляции в течение времени действия на изоляцию перенапряжения γ_п. Если уровень перенапряжения γ_п не меняется во времени, то, как следует из (1), ресурс изоляции уменьшается линейно от 1 до 0 за время T_п. Поэтому диаграмма расхода ресурса R представляет собой семейство прямых, имеющих общее начало в точке R=1 при T=0 и заканчивающихся на пересечении с осью T в точках T_п. Каждая линия дает количественную оценку изменения остаточного ресурса R изоляции во времени при перенапряжении с неизменным заданным уровнем. На фиг. 2 и 3 сплошные наклонные прямые соответствуют линиям расхода ресурса изоляции при перенапряжениях γ_I÷γ_III (допустимые времена T_I÷T_III) на границе ступеней, а штриховые - текущим перенапряжениям γ₁ и γ₂ (допустимые времена T₁ и T₂). В дальнейшем линии расхода при перенапряжении неизменного уровня γ_п и соответствующем ему допустимым временем T_п будем обозначать как γ_п(T_п).

Способ может иметь неограниченное число ступеней для управления техническими мероприятиями. Однако с целью упрощения пояснения принципа его работы будем считать, что на ВВХ и диаграмме расхода ресурса технические мероприятия представлены тремя ступенями. Способ в первую очередь и без замедления вводит в действие технические мероприятия той ступени, на которую приходится перенапряжение γ_п(T_п). И логика действия ступеней такова, что отказ предпринятых данной ступенью технических мероприятий (отказ оборудования или неэффективность действия) должен привести в действие технические мероприятия следующей ступени.

Рассмотрим вначале работу предлагаемого способа при возникновении перенапряжения невысокого уровня, когда будет задействована первая ступень. Как уже указывалось выше, в этом случае способ приводит в действие технические мероприятия невысокого быстродействия, связанные с изменением напряжения с помощью переключения РПН и т.п. Если по каким-либо причинам они не сработают (отказ оборудования или предпринятые меры оказались не эффективными), то способ должен привести в действие техническое мероприятие следующей ступени. В данном случае ими будут технические мероприятия второй ступени.

В предлагаемом способе за признак отказа технических мероприятий принимается снижение остаточного ресурса R изоляции до пороговой величины текущей ступени, при которой еще способ успеет последовательно, по мере необходимости, привести в действие технические мероприятия остальных ступеней. В случае первой ступени пороговой величиной будет , при достижении которой приводятся в действие технические мероприятия второй ступени. Пороговая величина ресурса изоляции рассчитывается исходя из времени T_∑1, необходимого для осуществления технических мероприятий всех оставшихся ступеней с учетом вероятности отказа всех ступеней, кроме последней - ступени отключения оборудования от сети. Под действием текущего напряжения γ₁ расход ресурса будет происходить с интенсивностью, определяемой выражением (1) (на диаграмме фиг. 2 изменение ресурса происходит по штриховой наклонной линии γ₁(T₁)). Поэтому пороговая величина будет равна

и будет тем выше, чем круче линия расхода ресурса на диаграмме (чем меньше T₁). Как видно из (2), кривая зависимости пороговой величины признака отказа технических мероприятий первой ступени на диаграмме будет представлять собой гиперболу (фиг. 2).

Поведение способа на второй ступени практически полностью совпадает с поведением на первой ступени. Разница лишь в том, что пороговая величина признака отказа технических мероприятий на второй ступени рассчитывается исходя из времени T_∑2, нужного для осуществления технических мероприятий третьей ступени - отключения оборудования от сети

Величина порога (3) также будет зависеть от уровня перенапряжения γ_п(T_п). Поэтому для каждой линии расхода ресурса будет свое значение пороговой величины. И, как видно из фиг. 2, оно может быть определено как точка пересечения линий расхода ресурса с кривой . Например, на второй ступени пороговая величина - точка пересечения с линией γ₂(T₂), а на первой ступени - с линией γ₁(T₁).

На диаграмме кривая пороговой величины берет начало на верхней граничной линии γ_III(T_III) второй ступени (точка ) и заканчивается на нижней граничной линии γ_I(T_I) первой ступени (точка ). Это дает возможность, в случае последовательного отказа мероприятий первой, а затем и второй ступени, выработать признак их отказа и ввести в действие третью ступень (в данном случае - дать сигнал на отключение оборудования). Сценарий такого действия способа иллюстрируется примером развития событий по линии γ₁(T₁): в точке способ вводит в действие технические мероприятия второй ступени, а затем, при их отказе, в точке - мероприятия третьей ступени.

При работе способа на последней ступени (в данном примере - третьей) оборудование отключается от сети без выдержки времени.

Несложно увидеть разницу в условиях возникновения признаков отказа технических мероприятий прототипа и предлагаемого способа. В прототипе считается, что признак отказа технических мероприятий данной ступени появился, если длительность перенапряжения достигла уставки по времени. При выборе уставки по времени предполагается, что начальное значение ресурса изоляции R=1. Тогда уставка должна быть выбрана такой, чтобы на линии с максимальным перенапряжением данной ступени оставалось достаточно времени для срабатывания технических мероприятий других ступеней в случае отказа предыдущих ступеней. Предположим для простоты изложения, что прототип не делит напряжение ступеней на поддиапазоны (каждая ступень - один диапазон напряжений). Тогда уставка времени первой ступени на диаграмме (фиг. 3) будет изображена в виде вертикального отрезка, исходящего из точки пересечения линии максимального перенапряжения γ_II(T_II) ступени с кривой пороговой величины (из точки ). В случае отказа второй ступени в прототипе будут приведены в действие технические мероприятия третьей ступени; уставка времени будет выбираться исходя из точки пересечения линии γ_II(T_II) с кривой пороговой величины (точка ). Аналогично выбирается уставка второй ступени (исходя из точки ).

Как видно из фиг. 3, прототип во многих случаях преждевременно вводит технические мероприятия следующих ступеней. Например, при перенапряжении γ₁(T₁) признак отказа первой ступени возникает в точке P₁, что приведет к преждевременному вводу технических мероприятий второй ступени. Если же и вторая ступень будет неэффективна, то в точке пересечения линии расхода ресурса γ₁(T₁) с порогом признака отказа второй ступени P₂ прототип перейдет на технические мероприятия третьей ступени, преждевременно отключая оборудование от сети.

Но самый существенный недостаток прототипа заключается в том, что он не учитывает вероятность возникновения случая, когда начальное значение ресурса может быть не равно 1. Он возможен, когда перенапряжения носят перемежающийся характер. Каждый раз при появлении перемежающихся перенапряжений, прототип начинает отсчитывать длительность перенапряжений заново. Поскольку начальное значение ресурса R=R_s<1, а длительность перенапряжения прототип отсчитывает без учета затраченного ресурса, то технические мероприятия ступеней могут быть введены в действие уже при исчерпанном ресурсе изоляции. Это может привести к повреждению высоковольтного оборудования.

Предлагаемый же способ приводит в действие технические мероприятия ступеней всегда исходя из оценки остаточного ресурса изоляции, что позволяет осуществлять их вовремя.

Таким образом, предложенный способ автоматического ограничения повышения напряжения высоковольтного оборудования позволяет повысить эффективность эксплуатации высоковольтного оборудования за счет повышения гибкости осуществления технических мероприятий по ликвидации перенапряжения.