МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Устройство относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите линий электропередач с односторонним питанием [Н02Н7/26].
Известно устройство релейной защиты от коротких замыканий, включающее известные органы релейной защиты и органы выявления и ввода в действие защиты, которые конструктивно представляют собой трансформаторный фильтр тока обратной последовательности и реле тока, питаемое током обратной последовательности от фильтра, пусковой орган в виде промежуточных реле и орган выдержки времени, выполненные в виде электромеханических реле (см. А.М. Федосеев «Релейная защита электрических систем», стр. 280-283). Недостатком этого устройства релейной защиты от коротких замыканий является то, что устройство не срабатывает и не вводит защиту в действие в случаях, когда трехфазное короткое замыкание возникает без протекания несимметрии, т.е. при одновременном перемыкании фаз и используемые для выявления и ввода в действие релейной защиты электромеханические реле тока, промежуточные и реле времени не обеспечивают по быстродействию срабатывание защиты, когда длительность протекания переходного процесса меньше времени срабатывания этих органов. Устройство не может быть корректно использовано в условиях быстропротекающих электромагнитных переходных процессов. Кроме того, устройство не исключает ложного срабатывания релейной защиты после отключения короткого замыкания на смежном элементе электрической сети, когда при удаленных коротких замыканиях защита не отличает токи короткого замыкания и токи перегрузки и реагирует на токи перегрузки, не выводя органы релейной защиты в этом случае из действия.
Известна микропроцессорная система защиты [Н.Н. Чернобровое, В.А. Семенов "Релейная защита энергетических систем", 1998 г., стр. 776, рис. 22.1, содержащая блоки промежуточных трансформаторов (блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения), блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему (микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты), причем группы выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения соединены с группами входов блока частотных фильтров, группа выходов которого соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя, группа входов-выходов которого соединена с первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, вторая группа входов-выходов которой является группой входов-выходов сигнального устройства, третья группа входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты является группой входов-выходов персональной ЭВМ. Устройство также не может быть корректно использовано в условиях быстропротекающих электромагнитных переходных процессов так как не учитывает свободные составляющие токов переходных процессов.
Наиболее близким аналогом является полезная модель РФ №50348 (опубл. 27.12.2005), в котором отражено устройство релейной защиты от коротких замыканий, включающее органы релейной защиты, орган выявления переходного процесса при трехфазном коротком замыкании, пусковой орган и орган введения защиты в действие на время, достаточное для ее срабатывания и возврата, отличается тем, что орган выявления трехфазного короткого замыкания выполнен в виде фильтра токов нижних частот в фазах и включенных на вход элемента ИЛИ, выполненного на микроэлектронной элементной базе, пусковой орган выполнен на триггере в микроэлектронном исполнении, на выходе которого включена релейная защита объекта, орган введения релейной защиты на время, достаточное для ее срабатывания и возврата, выполнен в виде элемента времени на микроэлектронной элементной базе, включенного на выход пускового органа, и дополнено органами сравнения в виде элементов времени на срабатывание, выполненных на микроэлектронной элементной базе и соединенных параллельно между собой по входу и последовательно по выходу с элементами органа возврата, состоящего из двухвходового элемента И с одним инверсным входом и элемента ИЛИ, выполненными на микроэлектронной элементной базе и включенными между органом выявления и пусковым органом, исполнительным органом в виде электромеханического промежуточного реле, включенного на выход релейной защиты, и дополнительным органом возврата устройства, состоящего из органа выявления переходного процесса при отключении трехфазного короткого замыкания в смежной сети в фазах и включенных на вход элемента ИЛИ, элемента времени на срабатывание, включенных через элемент И на орган возврата устройства, при этом орган выявления отключения трехфазного короткого замыкания в смежной сети выполнен в виде фильтра токов нижних частот, а элемент времени на срабатывание, элементы ИЛИ и И выполнены на микроэлектронной элементной базе.
Прототип не обеспечивает корректную работу при быстропротекающих электромагнитных переходных процессах.
Отличием прототипа от заявленной полезной модели является то, что в заявленной полезной модели имеется учет затухающих токов непромышленной частоты, апериодических затухающих токов, токов второй и третьей гармоник, что позволяет более эффективно реагировать на короткие замыкания.
Задачей создания настоящего технического решения является создание микропроцессорной релейной защиты от коротких замыканий, выполнить релейную защиту при однофазных, двухфазных, двухфазных на землю, трехфазных коротких замыканиях, которая корректно работает в условиях быстропротекающих переходных процессов при коротких замыканиях за элементами электрической сети, когда токи короткого замыкания соизмеримы с токами нагрузки и не срабатывает в режиме нагрузки.
Техническим результатом является возможность учета затухающих токов непромышленной частоты, апериодических затухающих токов, токов второй и третьей гармоник, что позволяет более эффективно реагировать на короткие замыкания.
Технический результат в предлагаемом техническом решении достигается тем, что заявленная микропроцессорная релейная защита от коротких замыканий, содержащая блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде токов, блок частотных фильтров с фильтром токов нижних частот, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, причем группы выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде токов соединены соответственно с группами входов блока частотных фильтров, группа выходов которого соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя, группа входов-выходов которого соединена с группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, отличающийся тем, что блок частотных фильтров содержит дополнительно фильтр токов второй гармоники, фильтр токов третьей гармоники, полосовой фильтр токов, функцией которого является формирование затухающих токов непромышленной частоты, причем фильтр токов нижних частот выполнен с возможностью формирования на выходе апериодических затухающих токов.
Краткое описание чертежей
На Фиг. изображена структурная схема микропроцессорной релейной защиты от коротких замыканий.
Осуществление полезной модели
Элемент 16 (см. Фиг.) выполнен в виде микропроцессорного блока тока релейной защиты от коротких замыканий, который состоит из:
- блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде токов ПТТ;
- блока частотных фильтров, состоящего из: фильтра токов промышленной частоты в фазах 1, фильтра токов второй гармоники в фазах 2, фильтра токов третьей гармоники в фазах 3, полосового фильтра токов в фазах 4, фильтра токов нижних частот в фазах 5;
- аналого-цифрового преобразователя АЦП;
- микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией, состоящей из: формирователя координат векторов токов 6, органа интерполяции токов 7, фильтра токов прямой, обратной и нулевой последовательностей 8, органов выявления междуфазных замыканий 9, выявления однофазных замыканий 10, выявления замыканий на землю 11, включенных на вход логического элемента «ИЛИ» 15.
Органы в устройстве соединены согласно функциональной схеме, и устройство подключено в фазы тока защищаемого объекта.
Устройство работает следующим образом.
1A
1B
1C
В режиме симметричной нагрузки на выходе элемента 1 появляются токи промышленной частоты IA, IB, IC. На выходах элементов 2, 3, 4, 5 появляются значения токов, близкие к нулю. Значения токов с выходов элементов 1-5 поступают на входы АЦП, с выходов которого поступают на элемент 6. На выходе элемента 6 по известному способу формируются значения Im1A, Im1B, Im1C, φ, ϕ, ϕ, ƒ1A, ƒ1B, ƒ1C, поступающие на входы элемента 7, где осуществляется интерполяция токов фаз A, B, C. Значения векторов токов , ,  поступают на вход элемента 8, в котором формируется ток прямой последовательности, поступающий на вход элемента 9, где производится его сравнение с уставкой, отстроенной от токов нагрузки, вследствие чего на выходе элемента 9 появляется логический ноль и защита не срабатывает.
В общем случае векторы токов на элементе 7 задаются с учетом токов промышленной частоты, токов второй и третьей гармоник, затухающих токов непромышленной частоты и апериодических затухающих токов:
,
,
.
В режиме двухфазного КЗ на линии, протекающие через трансформаторы тока (ТТ) защиты линии, оказываются значительно меньшими номинального тока нагрузки линии, и она продолжает нести нагрузку. На данном интервале времени, т.е. сегменте цифровой осциллограммы, тока имеются пять составляющих: синусоида с промышленной частотой (50 Гц), синусоида токов второй гармоники (100 Гц), синусоида токов третьей гармоники (150 Гц), затухающая синусоида и экспонента. Аналитическая формула в дискретной форме для тока фазы А представляется:
,
,
,
,
,
,
для фазы В:
,
,
,
,
,
,
для фазы С:
,
,
.
,
,
,
m
где l, ω и φ - амплитуда, угловая частота и начальная фаза синусоиды;
ω=2πf - угловая частота.
i1(t) - Ток фазы A, B или C промышленной частоты
i2(t) - Ток фазы A, B или C второй гармоники
i3(t) - Ток фазы A, B или C третьей гармоники
i4(t) - Затухающая синусоида фазного тока с неноминальной частотой
i5(t) - Апериодическая затухающая экспонента фазного тока
1A
2A
3A
4A
4A
5A
1B
2B
3B
4B
4B
5B
1C
2C
3C
4C
4C
5C
Таким образом, на вход элемента 6 поступают токи промышленной частоты с выходов элемента 1, токи второй гармоники с выходов элемента 2, токи третьей гармоники с выходов элемента 3, затухающие токи непромышленной частоты с выходов элемента 4, апериодические затухающие токи с выходов элемента 5. На выходе элемента 6 формируются значения Im1A, Im2A, Im3A, Im4A, Im5A, φ, φ, φ, φ, ƒ1A, ƒ2A, ƒ3A, ƒ4A, α α Im1B, Im2B, Im3B, Im4B, Im5B, φ, φ, φ, φ, ƒ1B, ƒ2B, ƒ3B, ƒ4B, α, α, Im1C, Im2C, Im3C, Im4C, Im5C, φ, φ, φ, φ, ƒ1C, ƒ2C, ƒ3C, ƒ4C, α, α, поступающие на входы элемента 7, где осуществляется интерполяция токов фаз А, В, С. Значения векторов токов , ,  поступают на вход элемента 8, в котором формируется ток обратной последовательности, поступающий на вход элемента 10, где производится его сравнение с уставкой, вследствие чего на выходе элемента 10 появляется логическая единица и защита срабатывает, о чем сигнализирует элемент СУ.
Если КЗ трехфазное, то на входе элемента 9 возникает ток больше уставки, вследствие чего на выходе элемента 9 появляется логическая единица и защита срабатывает, о чем сигнализирует элемент СУ.
1A
2A
3A
4A
4A
5A
1B
2B
3B
4B
4B
5B
1C
2C
3C
4C
4C
5C
При однофазном и двухфазном коротком замыкании на землю на вход элемента 6 поступают токи промышленной частоты с выходов элемента 1, токи второй гармоники с выходов элемента 2, токи третьей гармоники с выходов элемента 3, затухающие токи непромышленной частоты с выходов элемента 4, апериодические затухающие токи с выходов элемента 5. На выходе элемента 6 формируются значения Im1A, Im2A, Im3A, Im4A, Im5A, φ, φ, φ, φ, ƒ1A, ƒ2A, ƒ3A, ƒ4A, α α Im1B, Im2B, Im3B, Im4B, Im5B, φ, φ, φ, φ, ƒ1B, ƒ2B, ƒ3B, ƒ4B, α, α, Im1C, Im2C, Im3C, Im4C, Im5C, φ, φ, φ, φ, ƒ1C, ƒ2C, ƒ3C, ƒ4C, α, α, поступающие на входы элемента 7, где осуществляется интерполяция токов фаз A, B, C. Значения векторов токов , ,  поступают на вход элемента 8, в котором формируется ток нулевой последовательности, поступающий на вход элемента 11, где производится его сравнение с уставкой, вследствие чего на выходе элемента 11 появляется логическая единица и защита срабатывает, о чем сигнализирует элемент СУ.
Технико-экономическая эффективность заключается в том, что предлагаемое устройство микропроцессорного блока тока 16 точнее рассчитывает токи в момент короткого замыкания в виду учета затухающих токов непромышленной частоты, апериодических затухающих токов, токов второй и третьей гармоник и как следствие адекватнее реагирует на короткие замыкания.
Устройство может использоваться при выполнении релейной защиты линий распределительной сети с односторонним питанием.