устройство защиты электрооборудования подстанции и линий электропередачи высокого напряжения

Формула изобретения

1. Устройство защиты электрооборудования подстанции и линий электропередачи высокого напряжения, содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью, а вторичная обмотка - по схеме разомкнутый "треугольник", реактор в нейтрали первичной и между выводами вторичной обмоток силового трансформатора, параллельно которому и реактору подсоединен шунтирующий резистор через шунтирующий коммутационный аппарат, заземляющий коммутационный аппарат с целью управления и параллельно подсоединенным в заземленной нейтрали силового трансформатора заземляющим резистором, однофазный трансформатор напряжения и трансформаторы тока, отличающееся тем, что дополнительно содержит между нейтралью первичной обмотки силового трансформатора и заземляющим контуром нулевой заземляющий коммутационный аппарат с целью управления и последовательно подсоединенным нулевым заземляющим резистором, между нейтралью конденсаторной батареи подстанции и заземляющим контуром нулевой конденсаторный коммутационный аппарат с последовательно подсоединенным контуром, содержащим параллельно соединенные индуктивность и резистор, при этом однофазный трансформатор напряжения подсоединен между заземляющим контуром и нейтралью конденсаторной батареи подстанции, один трансформатор тока подсоединен в нейтраль конденсаторной батареи подстанции, другой - в нейтраль высоковольтной обмотки трансформатора напряжения контроля изоляции на питающей системе шин подстанции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления шунтирующего коммутационного аппарата содержит реле напряжения, реле времени и промежуточное реле в дополнительной низковольтной обмотке, соединенной по схеме разомкнутый "треугольник", трансформатора напряжения контроля изоляции на питающей системе шин подстанции, а также реле тока и промежуточное реле во вторичной цепи трансформатора тока, подсоединенного в нейтраль высоковольтной обмотки указанного трансформатора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления заземляющего коммутационного аппарата содержит реле напряжения в каждой фазе основной низковольтной обмотки, соединенной по схеме "звезда", трансформатора напряжения контроля изоляции на питающей системе шин подстанции, а также реле времени и промежуточное реле.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления нулевого заземляющего коммутационного аппарата содержит реле тока и промежуточное реле во вторичной цепи трансформатора тока, подсоединенного в конденсаторной батареи подстанции, а также реле напряжения, реле времени и промежуточное реле во вторичной цепи однофазного трансформатора напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к защите силовых трансформаторов и батарей статических конденсаторов в высоковольтных сетях 6÷220 кВ с изолированной нейтралью от воздействия внутренних перенапряжений, а также тепловых и динамических воздействий коммутационных ударных токов опасных величин, сопровождающихся переходными и колебательными процессами, резонансными и феррорезонансными явлениями.

Известно устройство для защиты конденсаторной батареи, соединенной по схеме "звезда", от перенапряжений (см. авторское свидетельство СССР №922946; Н 02 Н 7/16; 1980), содержащее основной коммутационный аппарат и разрядный блок, представляющий собой трехфазную обмотку с магнитопроводом, подключаемый к выводам конденсаторной батареи посредством вспомогательного коммутационного аппарата, нулевой коммутационный аппарат в нулевой шине, соединяющей нейтрали конденсаторной батареи и разрядного блока и к которой подключен дугогасительный аппарат.

Недостатками известного устройства являются возможность возникновения высокочастотных резонансных токов при включении и перенапряжений при отключении между емкостью конденсаторной батареи и индуктивностью обмотки разрядного блока, вероятность появления феррорезонансных процессов при последовательных коммутациях по причине неполнофазных режимов.

Известно устройство ограничения параметров электромагнитных процессов при аварийных режимах (см. авторское свидетельство СССР №2014706; Н 02 Н 9/00, 9/04; 1990) в сетях 6÷10 кВ с компенсированным режимом нейтрали, у которого параллельно дугогасящей катушке подсоединена высоковольтная обмотка однофазного трансформатора напряжения, между выводами низковольтной обмотки которого подсоединен резистор с помощью нормально отключенного коммутационного аппарата, включаемого цепью управления при возникновении в глухозаземленных нейтралях компенсирующего устройства и трансформатора напряжения контроля изоляции резонансного или феррорезонансного токов соответствующих величин.

Недостатками известного устройства являются: обеспечение эффективности его работы только в режимах резонанса или перекомпенсации однофазных токов замыкания на землю и отсутствие ограничения внутренних перенапряжений в режиме недокомпенсации, возможность развития аварийных режимов в циклично-каскадной последовательности в случае возникновения замыканий на землю в нескольких местах и разных фазах при наличии переходных сопротивлений между ними соответствующих величин, нарушение селективности работы устройств релейной защиты и автоматики, недостаточная надежность эксплуатации в связи с наличием индивидуальных трансформаторов - силового с дугогасительной катушкой в нейтрали высоковольтной обмотки и компенсирующего с реактором в низковольтной обмотке.

Известно устройство ограничения параметров электромагнитных процессов в высоковольтных сетях (см. патент Украины №51323 А; Н 02 Н 9/00; 2002), содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью, а вторичная - по схеме разомкнутый "треугольник", реактор, подключенный к выводам вторичной обмотки и при этом высоковольтным вводом - к нейтрали, а низковольтным выводом - к заземляющему контуру, коммутационный аппарат с цепью управления и шунтирующий резистор, соединенные последовательно и шунтирующие реактор, трансформатор напряжения, трансформаторы тока, заземляющий коммутационный аппарат с цепью управления, заземляющий резистор.

Данное устройство принимаем за прототип.

Недостатки прототипа: недостаточная эффективность по ограничению ударных токов при включении и коммутационных перенапряжений при отключении конденсаторных батарей, отсутствие функциональной зависимости работы устройства от режимов заземления нейтрали конденсаторных батарей, невозможность в случае необходимости ограничения феррорезонансных процессов и устранения возможных высокочастотных колебаний напряжений на питающей системе шин после отключения поврежденного фидера из-за отсутствия функциональной взаимосвязи с трансформатором напряжения контроля изоляции.

В основу изобретения поставлена задача создания комбинированного устройства, которое базируется на функциональном взаимодействии разработанных элементов защиты, специального силового трансформатора, дугогасящего реактора, существующего трехфазного трансформатора напряжения контроля изоляции на питающей системе шин и однофазного трансформатора напряжения в нейтрали конденсаторной батареи подстанции с изменяющимися режимами заземления нейтрали.

Решение поставленной задачи обеспечивает устройство защиты электрооборудования подстанции и линий электропередачи высокого напряжения, содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью, а вторичная обмотка - по схеме разомкнутый "треугольник", реактор в нейтрали первичной и между выводами вторичной обмоток силового трансформатора, параллельно которому и реактору подсоединен шунтирующий резистор через шунтирующий коммутационный аппарат, заземляющий коммутационный аппарат с цепью управления и параллельно подсоединенным в заземленной нейтрали силового трансформатора заземляющим резистором, однофазный трансформатор напряжения и трансформаторы тока, за счет того, что дополнительно содержит между нейтралью первичной обмотки силового трансформатора и заземляющим контуром нулевой заземляющий коммутационный аппарат с цепью управления и последовательно подсоединенным нулевым заземляющим резистором, между нейтралью конденсаторной батареи подстанции и заземляющим контуром нулевой конденсаторный коммутационный аппарат с последовательно подсоединенным контуром, содержащим параллельно соединенные индуктивность и резистор, при этом однофазный трансформатор напряжения подсоединен между заземляющим контуром и нейтралью конденсаторной батареи подстанции, один трансформатор тока подсоединен в нейтраль конденсаторной батареи подстанции, другой - в нейтраль высоковольтной обмотки трансформатора напряжения контроля изоляции на питающей системе шин подстанции. Цепь управления шунтирующего коммутационного аппарата содержит реле напряжения, реле времени и промежуточное реле в дополнительной низковольтной обмотке, соединенной по схеме разомкнутый "треугольник", трансформатора напряжения контроля изоляции на питающей системе шин подстанции, а также реле тока и промежуточное реле во вторичной цепи трансформатора тока, подсоединенного в нейтраль высоковольтной обмотки указанного трансформатора. Цепь управления заземляющим коммутационным аппаратом содержит реле напряжения в каждой фазе основной низковольтной обмотки, соединенной по схеме "звезда", трансформатора напряжения контроля изоляции на питающей системе шин подстанции, а также реле времени и промежуточное реле. Цепь управления нулевого заземляющего коммутационного аппарата содержит реле тока и промежуточное реле во вторичной цепи трансформатора тока, подсоединенного в нейтраль конденсаторной батареи подстанции, а также реле напряжения, реле времени и промежуточное реле во вторичной цепи однофазного трансформатора напряжения.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения:

- эффективное ограничение ударных токов и перенапряжений при коммутациях конденсаторной батареи, благодаря обеспечению эффективного функционального взаимодействия между работой устройства и режимами заземления конденсаторной батареи;

- исключение вероятности возникновения феррорезонансных процессов и устранение возможных высокочастотных колебаний напряжений на питающей секции шин после отключения поврежденного участка сети, благодаря наличию функциональной взаимосвязи с трансформатором напряжения контроля изоляции;

- обеспечение возможности эффективной работы устройства при аварийно-изменяющихся режимах компенсации однофазных токов замыкания на землю и быстрых изменениях результирующей емкости электрической сети, особенно при дуговых замыканиях, приводящих к возникновению перенапряжений опасных величин;

- существенный экономический эффект при внедрении предлагаемого устройства, благодаря использованию уже существующего электрооборудования на подстанции с наличием надежных электромагнитных устройств релейной защиты с простыми цепями управления.

Заявляемое устройство поясняется нижеприведенными описанием и схемой. По изобретению устройство защиты электрооборудования подстанции и линий электропередачи высокого напряжения содержит силовой трансформатор Т с коэффициентом трансформации, равным 1, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и при помощи коммутационного аппарата QF1 подключена к питающей системе шин. Между нейтралью и заземляющим контуром подстанции подсоединен реактор L1 (с отводами для настройки), шунтирующий выводы разомкнутого "треугольника" вторичной обмотки силового трансформатора Т, параллельно которому и реактору L1 подсоединен шунтирующий резистор R1 через шунтирующий коммутационный аппарат 1, а заземляющий резистор R2 в заземленной нейтрали силового трансформатора Т зашунтирован заземляющим коммутационным аппаратом 2. Кроме этого, нейтраль силового трансформатора Т может заземляться при включении нулевого заземляющего коммутационного аппарата 3 через соответствующий нулевой заземляющий резистор R3.

Конденсаторная батарея С имеет эффективно заземленную нейтраль через нулевой конденсаторный коммутационный аппарат 4 и параллельно соединенные индуктивность L2 и резистор R4, при этом в цепь заземления нейтрали подсоединен трансформатор тока ТА1, к вторичной цепи которого подсоединена цепь управления по току нулевым заземляющим коммутационным аппаратом 3, состоящая из реле тока 5 и промежуточного реле 6. Непосредственно между нейтралью и заземляющим контуром подсоединен однофазный трансформатор напряжения TV1 с цепью управления по напряжению нулевым заземляющим коммутационным аппаратом 3 в его вторичной обмотке, состоящей из реле напряжения 7, реле времени 8 и промежуточного реле 9.

Работа цепей управления коммутационными аппаратами шунтирующим 1 и заземляющим 2 обеспечивается трехфазным трансформатором напряжения контроля изоляции TV2 с трансформатором тока ТА2 в глухозаземленной нейтрали высоковольтной обмотки, низковольтные обмотки которого соединены: основная - по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и дополнительная - по схеме разомкнутый "треугольник". Цепь управления шунтирующего коммутационного аппарата 1 содержит реле напряжения 12, реле времени 13 и промежуточное реле 14 в дополнительной низковольтной обмотке трансформатора напряжения контроля изоляции TV2, а также реле тока 10 и промежуточное реле 11 во вторичной цепи трансформатора тока ТА2. Цепь управления заземляющим коммутационным аппаратом 2 содержит реле напряжения 15, 16, 17 в каждой фазе основной низковольтной обмотки трансформатора напряжения контроля изоляции TV2, реле времени 18 и промежуточное реле 19.

Устройство работает следующим образом. При нормальном режиме работы электрических сетей указанных напряжений при замкнутых коммутационных аппаратах QF1, QF2, заземляющего 2 и разомкнутых шунтирующего 1, нулевого заземляющего 3, нулевого конденсаторного 4 устройство находится в режиме ожидания.

В случае возникновения дугового замыкания фазы на землю, например фазы С, возникшие высокочастотные перенапряжения на неповрежденных фазах А и В приводят к срабатыванию реле напряжений 15, 16 в основной низковольтной обмотке трансформатора напряжения контроля изоляции TV2 с последующим срабатыванием реле времени 18 и промежуточного реле 19, приводящих к отключению заземляющего коммутационного аппарата 2, обеспечивающего автоматическое подсоединение заземляющего резистора R2, что способствует снижению указанных перенапряжений, воздействующих на изоляцию обмоток трансформатора Т и реактора L1, до безопасной величины.

Возникновение высокочастотных перенапряжений приводит к появлению феррорезонансных явлений и соответственно эффективному снижению индуктивного сопротивления вторичной обмотки силового трансформатора Т в результате естественного кратковременного повышенного насыщения магнитным потоком, превышающим расчетные величины, стержней магнитопровода неповрежденных фаз с одновременным возникновением в нейтрали трансформатора напряжения контроля изоляции TV2 тока феррорезонансного процесса, который приводит к срабатыванию реле тока 10 и промежуточного реле 11 во вторичной цепи трансформатора тока ТА2, приводящих к включению шунтирующего коммутационного аппарата 1, а следовательно, к подсоединению шунтирующего резистора R1 между выводами реактора L1 и вторичной обмотки силового трансформатора Т, чем обеспечивается снижение магнитных потоков в магнитопроводах силового трансформатора Т и реактора L1, а также трансформатора напряжения контроля изоляции TV2 до расчетных уровней с одновременным сохранением эффективности ограничения перенапряжений до величины линейных напряжений с частотами, не превышающими промышленную частоту, и устранением феррорезонансных явлений, благодаря чему обеспечивается защита изоляции электрооборудования энергосистем и промышленных предприятий.

При включенном нулевом конденсаторном коммутационном аппарате 4 обеспечивается эффективное заземление нейтрали конденсаторной батареи С посредством цепи, содержащей трансформатор тока ТА1 и параллельный контур L2R4, что в случае возникновения переходных и возрастающих колебательных процессов приводит к срабатыванию реле тока 5 и промежуточного 6 во вторичной цепи трансформатора тока ТА1 с последующим включением нулевого заземляющего коммутационного аппарата 3 и подсоединением нулевого заземляющего резистора R3 в нейтраль первичной обмотки силового трансформатора Т с целью исключения развития аварийных режимов в циклично-каскадной последовательности.

Таким образом, работа элементов трансформаторно-реакторного устройства, конденсаторной батареи подстанции и трансформатора напряжения контроля изоляции при взаимных электрических связях между цепями управления, работающими в функциональной зависимости от электрических, электромагнитных и емкостных процессов в распределительных и потребительских сетях указанных напряжений, обеспечивает ограничение до безопасных величин для изоляции конденсаторной батареи подстанции всех видов внутренних перенапряжений, включая коммутационные, переходные и колебательные процессы, а также феррорезонансные и резонансные явления при различных спектрах частот с одновременной эффективной компенсацией возникающих однофазных дуговых замыканий на землю, а следовательно, исключают развитие аварий в циклично-каскадной последовательности, чем обеспечивается:

- защита электротехнического оборудования;

- качество электрической энергии;

- снижение электрических потерь.