Повышение эффективности устройства резервирования отказов выключателя



В статье упоминаются причины крупных аварий в электроэнергетических системах мира за последние 20 лет. Предложен метод локализации аварий в условиях коротких замыканий на открытых распределительных устройствах, основанный на контроле вероятных сочетаний отказов и запрете отключения некоторых выключателей при их обнаружении. Представлено запатентованное устройство автоматики, построенное по этому методу с использованием алгебры логики, которое предотвращает погашение электростанции при отказах. Рассмотрена работа устройства на примере схемы открытого распределительного устройства «шестиугольник».

Ключевые слова: короткие замыкания, релейная защита, устройство резервирования отказов выключателя, автоматика, алгебра логики, открытое распределительное устройство.

За последние 20 лет в крупных авариях в электроэнергетических системах, в той или иной мере, пострадало около 2 млрд. человек. Причинами этих аварий были наложения отказов релейной защиты выключателей и оперативного персонала. Однако анализ показал, что автоматика для локализации и предотвращения подобных аварий отсутствует. В данной работе предлагается метод их локализации при одновременных отказах реле защиты и выключателей при коротких замыканиях (КЗ) на открытых распределительных устройствах (ОРУ) электростанций. Метод заключается в том, что контролируют наиболее вероятные сочетания отказов, и при обнаружении какого-то сочетания отказов запрещается отключение выключателей ОРУ, соответствующих этому сочетанию и определенных заранее.

Условия срабатывания на запрет при построении автоматики, реализующей метод, формулируются на основе мысленного моделирования с использованием алгебры логики, и по полученным формулам строится устройство на логических элементах любой природы или микропроцессоре. Запрет осуществляется с помощью дополнительной катушки индуктивности, намотанной на катушку отключения выключателя. На рис. 1 представлено запатентованное [1] устройство автоматики, реализующее метод в отношении УРОВ — устройства резервирования отказов выключателя (относится к устройствам релейной защиты) в схеме ОРУ шестиугольник. При внедрении оно позволит предотвратить погасание электростанции при отказе УРОВ.

Устройство резервирования при отказе выключателей линий схемы шестиугольника с первой линией 1 (рис. 1), подключенной к схеме через первый 2 и второй 3 выключатели, со второй линией 4, подключенной к схеме через третий 5 и четвертый 6 выключатели, с третьей линией 7, подключенной к схеме через пятый 8 и шестой 9 выключатели, с первым блоком генератор-трансформатор 10, подключенным к схеме через первый 2 и четвертый 6 выключатели, со вторым блоком генератор-трансформатор 11, подключенным к схеме через третий 5 и шестой 9 выключатели, с третьим блоком генератор-трансформатор 12, подключенным к схеме через второй 3 и пятый 8 выключатели, содержит шесть выполненных одинаково блоков логики 13 (БЛ1), 14 (БЛ2), 15 (БЛ3), 16 (БЛ4), 17 (БЛ5), 18 (БЛ6) (рис. 2), каждый из которых содержит последовательно соединенные первый элемент И 19 (И1), первое реле времени 20 (РВ1) и выходное реле 21 (ВР).

Рис. 1

В первом блоке логики 13 (БЛ1) первый вход первого элемента И 19 (И1) подключен к выходу первого реле положения «Включено» 22 (РПВ1) первого выключателя 2, второй вход — к выходу первого токового измерительного элемента 23 (ИЭ1), а третий вход — к выходу первого блока защиты 24 (БЗЛ1) первой линии 1.

Во втором блоке логики 14 (БЛ2) первый вход первого элемента И 19 (И1) подключен к выходу второго реле положения «Включено» 25 (РПВ2) второго выключателя 3, второй вход — к выходу второго токового измерительного элемента 26 (ИЭ2), а третий вход — к выходу первого блока защиты 24 (БЗЛ1) первой линии 1.

В третьем блоке логики 15 (БЛ3) первый вход первого элемента И 19 (И1) подключен к выходу третьего реле положения «Включено» 27 (РПВ3) третьего выключателя 5, второй вход — к выходу третьего токового измерительного элемента 28 (ИЭ3), а третий вход — к выходу второго блока защиты 29 (БЗЛ2) второй линии 4.

В четвертом блоке логики 16 (БЛ4) первый вход первого элемента И 19 (И1) подключен к выходу четвертого реле положения «Включено» 30 (РПВ4) четвертого выключателя 6, второй вход — к выходу четвертого токового измерительного элемента 31 (ИЭ4), а третий вход — к выходу второго блока защиты 29 (БЗЛ2) второй линии 4.

Рис. 2

В пятом блоке логики 17 (БЛ5) первый вход первого элемента И 19 (И1) подключен к выходу пятого реле положения «Включено» 32 (РПВ5) пятого выключателя 8, второй вход — к выходу пятого токового измерительного элемента 33 (ИЭ5), а третий вход — к выходу третьего блока защиты 34 (БЗЛ3) третьей линии 7.

В шестом блоке логики 18 (БЛ6) первый вход первого элемента И 19 (И1) подключен к выходу шестого реле положения «Включено» 35 (РПВ6) шестого выключателя 9, второй вход — к выходу шестого токового измерительного элемента 36 (ИЭ6), а третий вход — к выходу третьего блока защиты 34 (БЗЛ3) третьей линии 7.

Рис. 3

В седьмом блоке логики 37 (БЛ7) выход второго элемента И 38 (И2) через второе реле времени 39 (РВ2) подключен к входу первого промежуточного реле 40 (ПР1). Выход третьего элемента И 41 (И3) через третье реле времени 42 (РВ3) подключен к первому входу первого элемента ИЛИ 43 (ИЛИ1), выходом подключенного к входу второго промежуточного реле 44 (ПР2), выход которого является первым выходом седьмого блока логики 37 (БЛ7). Второй вход первого элемента ИЛИ 43 (ИЛИ1) подключен к выходу первого промежуточного реле 40 (ПР1), который является вторым выходом седьмого блока логики 37 (БЛ7). Входы третьего элемента И 41 (И3) являются первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами седьмого блока логики 37 (БЛ7). Три прямых входа второго элемента И 38 (И2) являются шестым, седьмым и девятым входами седьмого блока логики 37 (БЛ7), а инверсный вход второго элемента И 38 (И2) — его восьмым входом. Восьмой 45 (БЛ8), девятый 46 (БЛ9), десятый 47 (БЛ10), одиннадцатый 48 (БЛ11) и двенадцатый 49 (БЛ12) блоки логики выполнены точно так же, как и седьмой блок логики 37 (БЛ7).

В тринадцатом блоке логики 50 (БЛ13) элемент И-НЕ 51 (И-НЕ) выходом подключен ко второму входу четвертого элемента И 52 (И4), первый вход которого является вторым входом тринадцатого блока логики 50 (БЛ13). Выход четвертого элемента И 52 (И4) подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ 58 (ИЛИ2), первый вход которого является первым входом тринадцатого блока логики 50 (БЛ13), а выход — выходом этого блока. Входы элемента И-НЕ 51 (И-НЕ) являются третьим, четвертым и пятым входами тринадцатого блока логики 50 (БЛ13). Четырнадцатый 54 (БЛ14), пятнадцатый 55 (БЛ15), шестнадцатый 56 (БЛ16), семнадцатый 57 (БЛ17) и восемнадцатый 58 (БЛ18) блоки логики выполнены точно так же, как и тринадцатый блок логики 50 (БЛ13).

Выход первого реле положения «Включено» 22 (РПВ1) первого выключателя 2 подключен к третьему и седьмому входам седьмого блока логики 37 (БЛ7), ко второму и шестому входам десятого блока логики 47 (БЛ10) и к первому входу одиннадцатого блока логики 48 (БЛ11). Выход второго реле положения «Включено» 25 (РПВ2) второго выключателя 3 подключен ко второму и шестому входам одиннадцатого блока логики 48 (БЛ11), к третьему и седьмому входам восьмого блока логики 45 (БЛ8) и к первому входу десятого блока логики 47 (БЛ10). Выход третьего реле положения «Включено» 27 (РПВ3) третьего выключателя 5 подключен к первому входу седьмого блока логики 37 (БЛ7), к третьему и седьмому входам девятого блока логики 46 (БЛ9) и ко второму и шестому входам двенадцатого блока логики 49 (БЛ12). Выход четвертого реле положения «Включено» 30 (РПВ4) четвертого выключателя 6 подключен ко второму и шестому входам седьмого блока логики 37 (БЛ7), к третьему и седьмому входам десятого блока логики 47 (БЛ10) и к первому входу двенадцатого блока логики 49 (БЛ12). Выход пятого реле положения «Включено» 32 (РПВ5) пятого выключателя 8 подключен к первому входу девятого блока логики 46 (БЛ9), к третьему и седьмому входам одиннадцатого блока логики 48 (БЛ11) и ко второму и шестому входам восьмого блока логики 45 (БЛ8). Выход шестого реле положения «Включено» 35 (РПВ6) шестого выключателя 9 подключен к первому входу восьмого блока логики 45 (БЛ8), ко второму и шестому входам девятого блока логики 46 (БЛ9) и к третьему и седьмому входам двенадцатого блока логики 49 (БЛ12).

Выход первого блока защиты 24 (БЗЛ1) первой линии 1 подключен к пятому и девятому входам седьмого 37 (БЛ7) и восьмого 45 (БЛ8) блоков логики. Выход второго блока защиты 29 (БЗЛ2) второй линии 4 подключен к пятому и девятому входам девятого 46 (БЛ9) и десятого 47 (БЛ10) блоков логики. Выход третьего блока защиты 34 (БЗЛ3) третьей линии 7 подключен к пятому и девятому входам одиннадцатого 48 (БЛ11) и двенадцатого 49 (БЛ12) блоков логики.

Выход первого блока логики 13 (БЛ1) подключен к четвертому и восьмому входам седьмого блока логики 37 (БЛ7) и к первому входу четырнадцатого блока логики 54 (БЛ14). Выход второго блока логики 14 (БЛ2) подключен к четвертому и восьмому входам восьмого блока логики 45 (БЛ8) и к первому входу семнадцатого блока логики 57 (БЛ17). Выход третьего блока логики 15 (БЛ3) подключен к четвертому и восьмому входам девятого блока логики 46 (БЛ9) и к первому входу шестнадцатого блока логики 56 (БЛ16). Выход четвертого блока логики 16 (БЛ4) подключен к четвертому и восьмому входам десятого блока логики 47 (БЛ10) и к первому входу тринадцатого блока логики 50 (БЛ13). Выход пятого блока логики 17 (БЛ5) подключен к четвертому и восьмому входам одиннадцатого блока логики 48 (БЛ11) и к первому входу восемнадцатого блока логики 58 (БЛ18). Выход шестого блока логики 18 (БЛ6) подключен к четвертому и восьмому входам двенадцатого блока логики 49 (БЛ12) и к первому входу пятнадцатого блока логики 55 (БЛ15).

Первый выход седьмого блока логики 37 (БЛ7) подключен к третьему входу семнадцатого блока логики 57 (БЛ17), а второй выход– к четвертым входам пятнадцатого 55 (БЛ15) и шестнадцатого 56 (БЛ16) блоков логики. Первый выход восьмого блока логики 45 (БЛ8) подключен к третьему входу четырнадцатого блока логики 54 (БЛ14), а второй выход — к пятым входам пятнадцатого 55 (БЛ15) и шестнадцатого 56 (БЛ16) блоков логики. Первый выход девятого блока логики 46 (БЛ9) подключен к третьему входу тринадцатого блока логики 50 (БЛ13), а второй выход — к пятым входам семнадцатого 57 (БЛ17) и восемнадцатого 58 (БЛ18) блоков логики. Первый выход десятого блока логики 47 (БЛ10) подключен к третьему входу шестнадцатого блока логики 56 (БЛ16), а второй выход — к четвертым входам семнадцатого 57 (БЛ17) и восемнадцатого 58 (БЛ18) блоков логики. Первый выход одиннадцатого блока логики 48 (БЛ11) подключен к третьему входу пятнадцатого блока логики 55 (БЛ15), а второй выход — к пятым входам тринадцатого 50 (БЛ13) и четырнадцатого 54 (БЛ14) блоков логики. Первый выход двенадцатого блока логики 49 (БЛ12) подключен к третьему входу восемнадцатого блока логики 58 (БЛ18), а второй выход — к четвертым входам тринадцатого 50 (БЛ13) и четырнадцатого 54 (БЛ14) блоков логики.

Выход первого блока резервной защиты 59 (БРЗ1) первого блока генератор-трансформатор 10 подключен ко вторым входам тринадцатого 50 (БЛ13) и четырнадцатого 54 (БЛ14) блоков логики. Выход второго блока резервной защиты 60 (БРЗ2) второго блока генератор-трансформатор 11 подключен ко вторым входам пятнадцатого 55 (БЛ15) и шестнадцатого 56 (БЛ16) блоков логики. Выход третьего блока резервной защиты 61 (БРЗ3) третьего блока генератор-трансформатор 12 подключен ко вторым входам семнадцатого 57 (БЛ17) и восемнадцатого 58 (БЛ18) блоков логики.

Выход тринадцатого блока логики 50 (БЛ13) подключен к входу первого блока отключения 62 (БОВ1) первого выключателя 2. Выход восемнадцатого блока логики 58 (БЛ18) подключен к входу второго блока отключения 63 (БОВ2) второго выключателя 3. Выход пятнадцатого блока логики 55 (БЛ15) подключен к входу третьего блока отключения 64 (БОВ3) третьего выключателя 5. Выход четырнадцатого блока логики 54 (БЛ14) подключен к входу четвертого блока отключения 65 (БОВ4) четвертого выключателя 6. Выход семнадцатого блока логики 57 (БЛ17) подключен к входу пятого блока отключения 66 (БОВ5) пятого выключателя 8. Выход шестнадцатого блока логики 56 (БЛ16) подключен к входу шестого блока отключения 67 (БОВ6) шестого выключателя 9.

В качестве первого 23 (ИЭ1), второго 26 (ИЭ2), третьего 28 (ИЭ3), четвертого 31 (ИЭ4), пятого 33 (ИЭ5) и шестого 36 (ИЭ6) токовых измерительных элементов могут быть использованы токовые реле РТ-40. Первый 13 (БЛ1), второй 14 (БЛ2), третий 15 (БЛ3), четвертый 16 (БЛ4), пятый 17 (БЛ5), шестой 18 (БЛ6), седьмой 37 (БЛ7), восьмой 38 (БЛ8), девятый 39 (БЛ9), десятый 40 (БЛ10), одиннадцатый 41 (БЛ11), двенадцатый 42 (БЛ12), тринадцатый 50 (БЛ13), четырнадцатый 51 (БЛ14), пятнадцатый 52 (БЛ15), шестнадцатый 53 (БЛ16), семнадцатый 54 (БЛ17), восемнадцатый 55 (БЛ18) блоки логики могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя Atmel AT89S53. В качестве выходного реле 21 (ВР), первого 48 (ПР1) и второго 49 (ПР2) промежуточных реле могут быть использованы реле РП 16–1, а в качестве первого 20 (РВ1), второго 46 (РВ2) и третьего 47 (РВ3) реле времени могут быть использованы реле времени типа ТЕКО РВ1–220.

Устройство резервирования при отказе выключателей линий схемы шестиугольника работает следующим образом. При возникновении КЗ на любой из линий, например, на первой линии 1, срабатывает её защита, и с выхода блока 24 (БЗЛ1) сигнал поступает на отключение первого 2 и второго 3 выключателей (на рис. 1–3 не показано), на третий вход первого блока логики 13 (БЛ1), а также на девятые входы седьмого 37 (БЛ7) и восьмого 45 (БЛ8) блоков логики. При поступлении сигналов от первого блока защиты 24 (БЗЛ1) первой линии 1 и от первого токового измерительного элемента 23 (ИЭ1) на выходе первого элемента И 19 (И1), входящего в состав первого блока логики 13 (БЛ1), появляется сигнал, запускающий первое реле времени 20 (РВ1), которое имеет выдержку

где — время отключения выключателей поврежденной линии;

— время запаса.

В случае безотказного срабатывания первого 2 и второго 3 выключателей поврежденной первой линии 1 происходит её отключение, на выходе первого реле положения «Включено» 22 (РПВ1) первого выключателя 2 сигнал снимается, первое реле времени 20 (РВ1) возвращается в исходное положение и устройство не работает.

Если в режиме КЗ на первой линии 1 после срабатывания её защиты происходит отказ в отключении одного из выключателей, например, первого выключателя 2, то первое реле времени 20 (РВ1), входящее в состав первого блока логики 13 (БЛ1), успевает доработать, и на его выходе появляется сигнал, который поступает на четвертый и восьмой входы седьмого блока логики 37 (БЛ7), а также на первый вход четырнадцатого блока логики 54 (БЛ14). С выхода последнего подается сигнал на вход четвертого блока отключения 65 (БОВ4) четвертого выключателя 6, смежного отказавшему первому выключателю 2. В результате происходит отключение четвертого выключателя 6, при этом блоки отключения остальных выключателей схемы не блокируются.

Если при КЗ на первой линии 1 её защита сработает, но произойдет одновременный отказ в отключении одного из её выключателей, например, первого выключателя 2, и повреждение первого элемента И 19 (И1), первого реле времени 20 (РВ1) или выходного реле 21 (ВР) (то есть на выходе первого блока логики 13 (БЛ1) сигнал отсутствует), то, в связи с тем, что есть сигналы на выходах первого реле положения «Включено» 22 (РПВ1) отказавшего первого выключателя 2 и четвертого реле положения «Включено» 30 (РПВ4) четвертого выключателя 6, смежного с ним, появляется сигнал на выходе второго элемента И 43 (И2), входящего в состав седьмого блока логики 37 (БЛ7), который запускает второе реле времени 39 (РВ2). Данное реле имеет выдержку времени , которая выбирается по условию

где

— время срабатывания резервных защит первого 10, второго 11 и третьего 12 блоков генератор-трансформатор в схеме шестиугольника.

По истечении времени сигнал с выхода второго реле времени 39 (РВ2) через первое промежуточное реле 40 (ПР1) поступает на второй выход седьмого блока логики 37 (БЛ7), а также через первый элемент ИЛИ 43 (ИЛИ1) и второе промежуточное реле 44 (ПР2) — на первый выход упомянутого блока. С выходов седьмого блока логики 37 (БЛ7) сигналы поступают на четвертые входы пятнадцатого 55 (БЛ15) и шестнадцатого 56 (БЛ16) блоков логики, и на третий вход семнадцатого блока логики 57 (БЛ17), благодаря чему осуществляется блокировка работы третьего 64 (БОВ3), пятого 66 (БОВ5) и шестого 67 (БОВ6) блоков отключения третьего 5, пятого 8 и шестого 9 выключателей, соответственно. При этом через время после возникновения КЗ на первой линии 1 срабатывает резервная защита первого блока генератор-трансформатор 10, подключенного к отказавшему первому выключателю 2 поврежденной первой линии 1, которая отключает смежный ему четвертый выключатель 6. После отключения данного выключателя на выходе четвертого реле положения «Включено» 30 (РПВ4) сигнал снимается. Соответственно исчезает сигнал на выходе второго элемента И 38 (И2), второе реле времени 39 (РВ2) возвращается в исходное положение, и происходит снятие блокировки работы третьего 64 (БОВ3), пятого 66 (БОВ5) и шестого 67 (БОВ6) блоков отключения третьего 5, пятого 8 и шестого 9 выключателей.

Если в режиме КЗ на первой линии 1 после срабатывания защиты происходит одновременный отказ в отключении одного из её выключателей, например, первого выключателя 2, и четвертого выключателя 6, смежного с ним, который должен был отключиться при поступлении сигнала с выхода первого блока логики 13 (БЛ1) через четырнадцатый блок логики 54 (БЛ14) на вход четвертого блока отключения 65 (БОВ4), то из-за наличия сигналов на всех входах третьего элемента И 41 (И3), входящего в состав седьмого блока логики 37 (БЛ7), запускается третье реле времени 42 (РВ3), имеющее выдержку

где — время запаса.

По истечении времени сигнал через первый элемент ИЛИ 43 (ИЛИ1) и второе промежуточное реле 44 (ПР2) появляется на первом выходе седьмого блока логики 37 (БЛ7). Далее сигнал поступает на третий вход семнадцатого блока логики 57 (БЛ17), благодаря чему осуществляется блокировка работы пятого блока отключения 66 (БОВ5) пятого выключателя 8 третьего блока генератор-трансформатор 12, подключенного к исправному второму выключателю 3 поврежденной первой линии 1. При этом через время

после возникновения КЗ на первой линии 1 срабатывает резервная защита второго блока генератор-трансформатор 11, соединенного со второй 4 и третьей 7 неповрежденными линиями, которая отключает третий 5 и шестой 9 выключатели. После этого на первом входе седьмого блока логики 37 (БЛ7) сигнал снимается, третье реле времени 42 (РВ3) возвращается в исходное положение, и происходит снятие блокировки работы пятого блока отключения 66 (БОВ5) пятого выключателя 8. При возникновении КЗ на первой 1, второй 4 и третьей 7 линиях и отказах второго 2, третьего 5, четвертого 6, пятого 8 и шестого 9 выключателей устройство работает аналогичным образом.

Литература:

1. Патент на изобретение № 35134 Республики Казахстан. Устройство резервирования при отказе выключателя линии в схеме шестиугольника три блока генератор-трансформатор — три линии // Клецель М. Я., Барукин А. С., Амренова Д. Т., Полищук В. И. Опубликован 09.07.2021, Бюл. № 27. — 6 с.