УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ МНОГОФАЗНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Большой опыт эксплоатации направленных защит с высокочастотной телеблокировкой свидетельствует о том, что этот вид защиты должен рассматриваться в настоящее время в качестве основного и наиболее совершенного для защиты высоковольтных линий электропередач, в особенности в системах ответственного назначения, с большим числом участков и с многосторонним питанием.

Существующие схемы направленных высокочастотных защит характеризуются следующим:

а) В схемах, как правило, предусматриваются две отдельные группы элементов, реагирующие на случаи замыканий между фазами и замыканий на землю.

б) Запуск высокочастотной и релейной частей защиты осуществляется, как правило, раздельно (высокочастотная часть снабжается более чувствительным пусковым органом, чем релейная часть).

в) Высокая частота в релейной части защиты используется исключительно для целей телеблокировки, причем запуск каждого передатчика осуществляется отдельно, вне зависимости от запуска другого передатчика.

г) Защита нуждается в применении отдельных специальных устройств, предотвращающих неправильные действия при качаниях и при перегорании предохранителей или обрыве цепи напряжения.

Указанные схемы защит имеют следующие недостатки:

1) Возможен отказ в действии при замыкании между двумя фазами на линии, работающей по условиям эксплоатации в режиме одностороннего питания (имеющей в другое время двухстороннее питание).

2) Возможен отказ в действии защит при коротких замыканиях, сопровождаемых переходными сопротивлениями на длинных линиях, вследствие применения двух комплектов пусковых органов разной чувствительности.

3) Даже при наличии специальной блокировки от неправильных действий защиты при перегорании цепей напряжения, медленное перегорание предохранителей (порядка нескольких периодов) может приводить к неселективным отключениям.

4) Применение избирательных органов в фазах, дублирование отдельных элементов (органов пуска, направления и т.д.), а также применение различного рода специальных блокировок (от качаний, от перегорания предохранителей и др.) значительно осложняют схемы защит и удорожают их изготовление, монтаж и эксплоатацию.

Об относительной сложности существующих направленных защит с высокочастотной телеблокировкой можно судить на основании данных следующей таблицы:

Все существующие схемы направленных высокочастотных защит основаны на применении относительно большого числа сложных реле (импедансных, направленных и др.), в то время как в предлагаемой схеме из девяти реле только одно является относительно сложным (трехфазное реле направления), а все остальные реле простейшего типа, преимущественно электромагнитного.

Предметом настоящего авторского свидетельства является устройство для направленной защиты многофазных линий передачи с применением высокочастотной блокировки, осуществляемой установленными на каждом из концов защищаемого участка высокочастотными передатчиком и приемником, первый из которых включается при коротком замыкании, а второй служит для питания приемного реле.

Предлагаемое устройство отличается тем, что, для повышения надежности действия защиты и сокращения числа реле за счет устранения избирательных пусковых органов в фазах и совмещения в одном органе функций пуска релейной и высокочастотной частей защиты и блокировки от неправильного действия ее при качаниях, при условии использования реле направления энергии (преимущественно реагирующего на мощность отрицательной последовательности фаз) в качестве единственного органа, определяющего наличие повреждения на защищаемом участке, применено дополнительное включение высокочастотного передатчика приемным реле, включенным в анодную цепь высокочастотного приемника, с тем, чтобы при пуске защиты только одного из концов участка имел место дистанционный пуск передатчика на другом конце, обеспечивающий протекание высокочастотного тока в линии и блокировку защиты.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 которого дана развернутая схема цепей постоянного тока, на фиг. 2 - развернутая схема цепей тока, и на фиг.3 - развернутая схема цепей напряжения.

На чертеже приняты следующие обозначения и примерные типы релейной аппаратуры:

1 - реле напряжения (макс), 2 - реле промежуточное - ЭП-401, 3 - реле промежуточное - ЭП-401, 4 - реле времени - ЭВ-187, 5 - реле промежуточное - ЭП-401, 6 - реле трехфазное направления энергии -ИМБ или RW-6, 7 - реле поляризованное - ПС-11, 8 - реле промежуточное - ЭП-402, 9 - блинкер сериесный - ЭС-91, 10 - реле промежуточное сериесное, 11 - блинкер сериеоный - ЭС-91, 12 и 13 - добавочное сопротивление ВУ-51, 14 - кнопка - КЗ, 15 - накладка, 16 - фильтр напряжения отрицательной последовательности.

Для максимального упрощения защиты, при соблюдении требований в отношении чувствительности в нереагировании на качания или асинхронный режим работы генераторов в системе, пуск высокочастотной и релейной части защиты осуществляется от одного реле напряжения отрицательной последовательности. При кратковременном или длительном появлении напряжения на выходе фильтра отрицательной последовательности происходит пуск передатчика (на время, достаточное для отключения в системе наиболее затяжного короткого замыкания) и подается оперативный постоянный ток к релейной части защиты (на время, достаточное для действия самой высокочастотной защиты).

Благодаря тому что на указанное реле напряжения возлагаются функции не только блокировки при качаниях, но и функции пускового органа всей защиты в целом, отпадает надобность в применении пусковых органов минимального импеданса в фазах или максимального тока нулевой последовательности для запуска защиты при всевозможных видах короткого замыкания.

В свою очередь использование в качестве органа направления энергии одного реле мощности отрицательной последовательности также исключает необходимость применения избирательных пусковых органов в фазах и в нулевом проводе трансформаторов тока.

Как видно из схемы фиг. 1 даже кратковременное размыкание нормально замкнутого контакта реле напряжения отрицательной последовательности (реле 1) приводит в действие промежуточное реле 3, которое своим переключающим контактом подает плюс к передатчику, а другим {замыкающим) контактом замыкает цепь постоянного тока релейной части защиты.

Во избежание неправильного действия защиты при качаниях, могущих возникнуть в результате короткого замыкания, оперативная цепь защиты замыкается контактом реле 3 кратковременно, а именно в течение времени, достаточного для срабатывания данной защиты на отключение при наличии повреждения в пределах защищаемой зоны.

Достигается это тем, что одновременно с запуском передатчика переключающий контакт реле 3 приводит в действие реле времени 4, имеющее цепь самоудерживания. По истечении времени, достаточного для действия защиты (например, спустя десятые доли секунды), скользящий контакт реле времени 4 возвращает реле 3 в исходное положение, а по истечении времени, превышающего максимально возможное время отключения короткого замыкания в данной сети (например, 5-10 секунд), реле времени 4, шунтируя свою обмотку, деблокируется и защита приходит в исходное положение.

Выпадание блинкера при коротком замыкании (помимо случаев перегорания предохранителя) исключается тем, что, в момент запуска реле времени 4, мгновенный контакт реле времени, имеющий механическую выдержку времени порядка 0,1 секунды, шунтирует размыкающий контакт реле 1 (и, соответственно, контакт 2 вместе с блинкером) на все время действия реле 4. Наличие указанного мгновенного контакта предотвращает также возможность повторных запусков реле 3 при переходах одного вида короткого замыкания в другой или при отключении короткого замыкания, когда возможно повторное срабатывание реле 1.

Промежуточное реле 2 используется в схеме высокочастотной защиты для переключения обмотки напряжения органа направления энергии с системы напряжений положительной последовательности на систему отрицательной последовательности (при несимметричном коротком замыкании).

Дополнительный дистанционный запуск передатчика при помощи токов высокой частоты, посылаемых с противоположного конца линии, является одной из существенных особенностей предлагаемой защиты.

С помощью «ответного» высокочастотного сигнала предотвращается неправильное действие защиты при отказе пускового элемента на одном из концов неповрежденного участка, при внешних коротких замыканиях и при перегорании предохранителей или обрывах в цепях напряжения. Достигается это тем, что поляризованное реле, включенное в анодную цепь приемника на противоположном конце участка, под влиянием принятого высокочастотного сигнала срабатывает и запускает передатчик на ближайшем конце участка. Поскольку оперативный ток подводится к релейной части защиты кратковременно, благодаря получению «ответного» сигнала, блокирующего защиту, неправильное действие защиты, установленной на том конце линии, где перегорел предохранитель, исключается.

Предлагаемое устройство устраняет, таким образом, необходимость дублирования пусковых органов для раздельного запуска высокочастотной и релейной частей защиты, а также исключает необходимость применения специальных блокировок от перегорания предохранителей в цепях напряжения и т.д.

При появлении тока в канале высокой частоты, а следовательно, при протекании тока в анодной цепи приемника, реле 7 размыкает оперативную цепь защиты и одновременно замыкает цепь анода передатчика.

Таким образом, с момента запуска передатчика на одном из концов линии происходит автоматический дополнительный запуск передатчиков на обоих концах линии при помощи реле 7. Этот дополнительный запуск продолжается в течение времени, превышающего время, на которое замыкается цепь оперативного тока защиты контактом реле.

По истечении этого времени промежуточное реле 8, имеющее задержку на отпускание, размыкает контакт в цепи дополнительного запуска передатчика.

Если под влиянием мощности небаланса, возросшей в результате перегорания предохранителя (из-за появления напряжения отрицательной последовательности), орган направления сработает и остановит свой передатчик, неправильного отключения масляного выключателя не последует ввиду того, что одновременно автоматически будет запущен передатчик противоположного конца линии, который будет посылать блокирующий сигнал в течение времени действия реле 3.

В цепи дополнительного запуска передатчика (последовательно с контактом реле 8) предусматривается добавочное сопротивление 13 порядка 600 , не отражающееся на работе передатчика, но предотвращающее запуск релейной части полукомплекта от реле 7 (при его дистанционном включении или при опробовании высокочастотной части от руки - нажатием кнопки).

Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что возможность неправильного действия защиты при перегорании предохранителя в цепи напряжения исключается в данном случае независимо от скорости протекания процесса перегорания предохранителя.

Положение, аналогичное описанному выше, будет иметь место также и при внешнем коротком замыкании, сопровождаемом отказом пускового органа 1 на конце линии, где энергия короткого замыкания направлена к шинам.

Для обеспечения правильного выбора направления энергии при всех видах короткого замыкания (при отсутствии избирательных пусковых органов в фазах) и, в частности, для правильной фиксации направления энергии короткого замыкания с приемного конца поврежденной линии (работающей временно в режиме одностороннего питания), в качестве органа направления энергии принимается однофазное реле, реагирующее при всех видах несимметричных коротких замыканий на мощность отрицательной последовательности, а при отсутствии последней - на мощность положительной последовательности.

Такой способ выполнения органов направления энергии имеет следующие преимущества перед обычным выполнением с помощью трехфазного реле (или трех однофазных), включенного на междуфазовые напряжения, и одного реле направления энергии нулевой последовательности:

а) взамен двух комплектов органов направления энергии используется одно реле направления;

б) отпадает необходимость в применении избирательных органов в фазах и в нулевом проводе;

в) исключается возможность неправильных действий на приемном конце (при одностороннем питании) в случае несимметричных коротких замыканий.

В качестве органа направления положительной или отрицательной последовательности может быть также применено одно трехфазное реле, включенное на полные фазовые токи и на систему напряжений положительной или отрицательной последовательности.

Этим самым устраняется необходимость применения фильтров тока отрицательной последовательности и становится возможным использовать стандартную и проверенную на практике аппаратуру (реле типа ИМБ или RW-6), в сочетании с трехфазным фильтром напряжения отрицательной последовательности, например типа Жанкена.

При отсутствии напряжения отрицательной последовательности реле подключается к трансформатору напряжения помимо фильтра.

Необходимость включения реле на мощность положительной последовательности может встретиться относительно редко, например при условии, что симметричное трехфазное замыкание наступит раньше, чем успеет подействовать защита (например, при включении линии на закоротку).

При симметричном трехфазном коротком замыкании на линии с односторонним питанием, возникающим в результате чрезвычайно быстрого перехода несимметричного короткого замыкания в симметричное, правильное действие реле направления энергии на приемном конце поврежденной линии может последовать также благодаря использованию мощности положительной последовательности при условии, что хотя бы часть нагрузки (синхронные и мощные асинхронные двигатели) будет питать место короткого замыкания.

Один из возможных вариантов схемы приведен на фиг. 2 и 3 (с реле типа ИМБ).

Сочетание токов и напряжений в реле направления энергии типа ИМБ показано в следующей таблице:

В приведенной таблице напряжения отрицательной последовательности на выходе фильтра снабжены индексом («штрих»).

Поскольку напряжения отрицательной последовательности на входе и на выходе фильтра системы Жанкена сдвинуты друг относительно друга (при холостом ходе фильтра) на 180°, то при указанном на схемах фиг. 2 и 3 способе включения реле ИМБ последнее реагирует при несимметричном коротком замыкании на мощность

где: φ_р - угол между векторами и отсчитываемый со знаком минус от вектора I_2A по направлению к вектору U′_2c, по ходу часовой стрелки.

При α≈20° и φ_р≈50° имеем:

При симметричном трехфазном коротком замыканий: Р_Р=GU_1A·I_1A·cos(φ_р-60°+α), где φ_Р - угол между вектором и отсчитываемый со знаком минус от вектора по направлению к вектору по ходу часовой стрелки.

При α≈20° и φ_р≈60°имеем:

P_p≅GU_lA·I_lA·cos·20°>0.

Итак, одно и то же реле типа ИМБ, включенное по схеме фиг. 2 и 3, обладает достаточным вращающим моментом от составляющих токов и напряжений как положительной, так и отрицательной последовательности.

Трехфазный фильтр напряжения отрицательной последовательности может быть использован также для питания пускового реле напряжения, так как в реле типа ИМБ, согласно заводским данным, ветвь с двумя последовательными обмотками напряжения I и V (фиг. 3) имеет сопротивление большее, чем отдельные ветви III и VII (последние одинаковы). Поэтому подключение реле напряжения к зажимам А и В фильтра отрицательной последовательности является желательным, с точки зрения уравновешивания всех трех фаз. Применение, взамен указанного выше органа направления энергии, двух реле: трехфазного (включенного по одной из обычных схем, без вывода из действия элемента неповрежденной фазы), предназначенного для замыканий между фазами, и второго реле - направления энергии нулевой последовательности, предусмотренного на случай замыканий на землю, может быть допущено в качестве варианта на линиях, обеспеченных постоянным двусторонним питанием.

На фиг. 1 показаны основные элементы предлагаемого устройства - пусковое устройство (совмещающее в себе одновременно функции блокировки при качаниях) и блокирующее устройство (совмещающее в себе функции дистанционного запуска передатчика).

Эти элементы объединены и подчинены общей задаче отключения выключателя при коротком замыкании в зоне защиты и блокировки оперативной цепи отключения во всех других случаях. С этой целью, при коротком замыкании в зоне защиты, органы направления энергии на обоих концах участка (включенные в качестве одного из возможных вариантов по схеме фиг. 2 и 3) замыкают контакты и подводят минус к сеткам генераторов: блокирующий высокочастотный сигнал снимается и цепь отключения (контакты реле 7-3-5) оказывается замкнутой, и выключатели с обоих концов отключаются. В выходной цепи предусмотрено быстродействующее сернесное промежуточное реле 10, шунтирующее своим; контактом контакты 7-3-5 в начальной стадии возрастания отключающего тока (растущего в соответствии с постоянной времени цепи отключения).

Одновременно с разгрузкой указанных контактов реле 10 осуществляет самоудерживание с последующим разрывом цепи блоккоктактом выключателя.

Контакт реле 7 в цели отключения предусматривается в целях блокировки защиты неповрежденного участка благодаря наличию токов высокой частоты (когда на одном из концов участка контакт органа направления остается разомкнутым и передатчик не останавливается).

Контакт реле 3 в цепи отключения предусматривается для обеспечения только кратковременной возможности действия защиты на отключение. Он необходим для избежания неправильных действий при качаниях и при получении «ответного» сигнала в случае перегорания предохранителя в цепи напряжения или отказа пускового органа на одном из концов линии.

Контакт реле 5 предусматривается в той же цепи для создания некоторой задержки, необходимой для размыкания контакта реле 7 в случае внешнего короткого замыкания, т.е. когда реле 7 должно блокировать защиту.

Реле 5 одновременно выполняет функции промежуточного реле, подводящего напряжение к органу направления в момент аварии.

Для устранения возможности неправильного действия защиты при работе трубчатых разрядников взамен сериесного реле 10 в схеме должно быть предусмотрено выходное промреле, действующее от контактов 7-3-5, с собственным временем порядка нескольких периодов.

Предполагается, что при однократной или многократной работе трубчатого разрядника длительность одновременного замыкания контактов органов направления 6 на обоих концах линии не будет достаточна для приведения в действие выходного промреле.

Неправильные действия защиты при перемене направления энергии короткого замыкания в схеме исключены благодаря применению органа направления энергии с замыкающим контактом, а также благодаря кратковременному действию реле 3.

Предлагаемое устройство предназначается преимущественно для магистральных линий с двусторонним питанием. Предполагается, что в случае оставления защищаемой линии без питания с одной из сторон (что может иметь место при относительно кратковременных эксплуатационных режимах) действие органов направления энергии на приемном конце обеспечивается благодаря достаточной чувствительности реле мощности отрицательной последовательности. Случай полного отсутствия нагрузки на приемном конце магистральной линии, работающей временно с односторонним питанием, не учитывается, как практически вероятный.

На случай включения линии на металлическое трехфазное короткое замыкание (закоротка на линии за пределами мертвой зоны реле 6), когда выключатель на противоположном конце отключен, в схеме фиг. 1 исключена возможность ответного действия передатчика на отключенном конце при помощи блок-контакта выключателя (или контакта реле положения) в цепи подвода плюса к аноду. При этом снятие высокочастотного сигнала со стороны питающего конца производит реле 6.

В случае особо длинной линии, обладающей большим емкостным током, может иметь место неправильное действие защиты на линии, включенной с одного конца, если возникнет несимметричное короткое замыкание вне данной линии. Во избежание этого запуск защиты линии (на которой емкостные токи отрицательной последовательности могут быть достаточны для приведения в действие органа направления отрицательной последовательности) целесообразно осуществлять пусковым органом максимального тока отрицательной последовательности (взамен органа напряжения). Это целесообразно также и потому, что при наличии длинных линий напряжение отрицательной последовательности на шинах при коротком замыкании в конце защищаемой линии может быть недостаточным для действия пускового органа напряжения, в то время как ток отрицательной последовательности будет изменяться вдоль линии только под влиянием емкости, т.е. менее значительно.

Следует иметь в виду, что при наличии фильтра токов (взамен фильтра напряжения), в схеме фиг. 3 должно быть предусмотрено некоторое балластное сопротивление, включенное взамен обмотки напряжения (фиг. 1), для уравновешивания нагрузки трехфазного фильтра (ввиду неидентичности обмоток ИМБ).

В качестве фильтра токов наиболее целесообразным является применение комбинированного фильтра токов отрицательной и нулевой последовательности, например, по типу фильтра защиты НСВ фирмы Вестингауз. На выходе такого фильтра напряжение пропорционально где k - произвольный коэфициент.

Следует иметь в виду, что в защите НСВ применен фильтр типа I₁+kI_o,однако простым изменением порядка чередования фаз данный фильтр превращается в вышеуказанный фильтр отрицательной последовательности.