СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ТОКОВ УДАЛЕННЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
METHOD OF PROTECTION FROM CURRENTS OF REMOTE SHORT CIRCUITS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам защиты трехфазных электрических цепей от токов короткого замыкания, в частности электрических цепей с длинными линиями и подключенными к этим линиям достаточно мощными электродвигателями, пусковой ток которых может оказаться больше тока короткого замыкания в конце длинной линии.
КЗmin
r
sd
r
r
пд
сз
sd
К числу наиболее актуальных проблем в электрических сетях низкого напряжения следует относить токи удаленных коротких замыканий. Россия имеет огромный фонд электрооборудования, в том числе сотни тысяч километров линий электропередачи 0,4 кВ, особенно воздушных линий. Протяженность отдельных участков таких линий особенно в сельских районах может достигать десятков километров. В связи с тем что воздушные линии в основном выполняются стальными проводами (с большим удельным сопротивлением) и имеют большую протяженность, значения тока короткого замыкания в конце такой линии получаются сравнительно небольшими. В результате в указанных системах защиты величина тока короткого замыкания в конце длинной линии I зачастую оказывается близкой к значению рабочего тока защитного аппарата I. Поэтому для надежной защиты цепей от токов удаленных коротких замыканий значения соответствующих токовых уставок расцепителей Iзащитных аппаратов выбирают в пределах от 1,5 I до 3 I. Однако, если в начале магистральной линии подключен фидер с мощным электродвигателем, например асинхронным, то величина его пускового тока I в начале процесса запуска или величина тока I в начале процесса самозапуска нескольких двигателей при наличии системы резервирования питания оказывается больше значения токовой уставки расцепителя I защитного аппарата.
sd
Тот факт, что по уровню токов режим удаленного короткого замыкания очень похож на режим пуска мощного асинхронного двигателя, не дает возможности уменьшать токовую уставку расцепителя I защитного аппарата, которая позволяла бы отключать токи удаленных коротких замыканий, поскольку нормальный режим пуска мощного асинхронного двигателя также будет отключаться. Таким образом необходимо различать аварийный режим при токах удаленного короткого замыкания от нормального режима пуска асинхронного двигателя.
Из описания изобретения (патент №2389116, H02H 3/00, 2010.05.10) известен способ построения защиты от токов удаленных коротких замыканий.
Известный способ основан на фиксации факта появления апериодической составляющей в специально сформированном электрическом сигнале при условии наличия апериодической составляющей хотя бы в одном из фазных токов трехфазной линии электропередачи при переходном процессе после возникновения токов короткого замыкания.
К недостаткам известного способа можно отнести следующее:
- сложность выделения признака из-за малой длительности переходного процесса;
- необходимость применения мощного вычислительного устройства при реализации способа;
- малая различимость признака в режиме токов удаленного короткого замыкания и при пуске асинхронного двигателя;
- низкая надежность способа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ построения защиты от токов удаленных коротких замыканий, известный из описания изобретения (патент №2353015, H01H 7/00, H01H 73/00, 2009.04.20), заключающийся в измерении тока линии электропередач и оценке характера его изменения. В основу данного способа положена физическая суть распознавания случаев возникновения пусковых токов и токов удаленных коротких замыканий, заключающаяся в том, что значение индуктивности цепи, а следовательно, и значение cosφ для указанных выше случаев существенно отличаются друг от друга. Так, в случае запуска электродвигателей величина cosφ цепи находится в диапазоне 0,2÷0,3, а в случае токов коротких замыканий на кабельных и воздушных линиях значения cosφ находятся, как правило, в диапазоне 0,65÷0,8, где меньшая величина cosφ=0,65 относится к воздушным линиям со стальными проводами.
В известном способе определение значения индуктивности цепи производится на основании анализа только протекающих через аппарат токов без напряжений.
К недостаткам известного способа можно отнести следующее:
- сложность алгоритма, требующая время для произведения вычислительных операций, что тем самым снижает быстродействие способа;
- необходимость применения мощного вычислительного устройства при реализации способа;
- применимость алгоритма для защиты только от трехфазных симметричных коротких замыканий;
- работа алгоритма только на основной частоте, т.е. в режиме идеально синусоидальных токов, что на практике почти не встречается.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - построение защиты от токов удаленных коротких замыканий, позволяющей быстро различать аварийный режим удаленного короткого замыкания от нормального режима пуска асинхронного двигателя.
Технический результат - повышение быстродействия способа для защиты от токов одно-, двух- и трехфазных удаленных коротких замыканий при наличии нелинейных электроприемников.
Указанный технический результат достигается тем, что способ построения защиты от токов удаленных кротких замыканий заключается в непрерывном измерении тока линии и оценке характера его изменения.
Ii
(1)i
кзmin
пд
Ii
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что измеряют гармонический состав тока и при этом непрерывно вычисляют коэффициент искажения синусоидальности кривой тока К, причем в каждый момент, когда действующее значение основной гармонической составляющей тока линии I превысит значение минимального тока короткого замыкания линии электропередач I или значение тока пуска асинхронного двигателя I, полученное в данный момент значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока сравнивают с предыдущим значением коэффициента искажения синусоидальности кривой тока К и при условии его снижения формируют сигнал о возникновении удаленного короткого замыкания на линии электропередач.
Физическая суть распознавания токов удаленных коротких замыканий и пуска асинхронных двигателей заключается в том, что в нормальном режиме работы участка электрической сети гармонический состав тока весьма разнообразен и изменяется при возникновении токов коротких замыканий, удаленного или какого-либо другого, гармонический состав тока слабеет: высшие гармоники теряют в весе, т.к. участок сети при токе короткого замыкания линеен, уменьшается количество электроприемников, вызывающих несинусоидальность, например, лампы ДРЛ, нелинейные нагрузки, т.е. коэффициент искажения синусоидальности уменьшается. В то же время при пуске мощных асинхронных двигателей их зубцовая зона насыщается потоками рассеяния, что ведет к тому, что при синусоидальном напряжении магнитный поток будет несинусоидальным, а следовательно, ток также будет несинусоидальным, т.е. коэффициент искажения синусоидальности будет увеличиваться.
Ui
ГОСТ 13109-97 «Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» определяет два показателя качества электроэнергии, оценивающих уровень несинусоидальности напряжения, одним из которых является коэффициент искажения синусоидальности напряжения К. Согласно рекомендациям этого же стандарта этот показатель определяется по формуле [1]:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>U</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow><mrow><mn>40</mn></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>i</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
(n)i
где U - действующее значение напряжения n-й гармонической составляющей для i-го наблюдения;
(1)i
U - действующее значение напряжения основной гармонической составляющей для i-го наблюдения;
n - наибольшее число зарегистрированных гармонических составляющих (в тексте указанного стандарта наибольшее число гармонических составляющих ограничено цифрой 40).
Ii
В предлагаемом способе оценивается уровень несинусоидальности тока. В этом случае коэффициент искажения синусоидальности кривой тока К будет определяться следующим образом (аналогично напряжению) по формуле [2]:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>I</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow><mrow><mn>40</mn></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>i</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
(n)i
где I - действующее значение тока n-й гармонической составляющей для i-го измерения;
(1)i
I - действующее значение тока основной гармонической составляющей для i-го измерения;
n - число измеренных гармонических составляющих.
Для пояснения сущности изобретения на чертеже изображена блок-схема, представляющая собой последовательность действий построения защиты от токов удаленных коротких замыканий.
φ
1 - измеряют значений тока i в линии электропередач;
(n)i
2 - постоянно вычисляют действующее значение тока n-ых гармонических составляющих I любым из известных методов;
Ii
3 - постоянно вычисляют коэффициент искажения синусоидальности кривой тока К по формуле [2];
кзmin
(1)i
кзmin
4 - сравнивают текущее действующего значение тока основной гармонической составляющей I(i)j с минимальным током КЗ линии I и при условии I>I переходят к проверке следующего условия;
Ii
Ii-1
5 - текущее значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока К сравнивают с предыдущим значением коэффициента искажения синусоидальности кривой тока К в момент, предшествующий наступлению выполнения условия по поз.4, и проверяют выполнение следующих условий:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>I</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>I</mi><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>I</mi><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>I</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>к</mi><mi>з</mi><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
6 - условия по поз.5 выполнены - формируют сигнал, информирующий о наличии токов удаленного короткого замыкания (аварийный режим);
7 - условия по поз.5 не выполнены - формируют сигнал, информирующий о наличии нормального режима пуска асинхронного двигателя.
Предлагаемый способ построения защиты от токов удаленных коротких замыканий может быть реализован на микропроцессорных устройствах, в частности в микропроцессорных расцепителях автоматических выключателей, защищающих, например, длинные магистральные линии, в разных частях которых по всей длине подключены фидерные линии, нагрузками которых являются электродвигатели большой мощности (дробилки, насосы, конвейеры и т.п.).