УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE OF ELECTRIC CIRCUITS CURRENT PROTECTION AGAINST SINGLE-PHASE GROUND FAULTS (VERSIONS)

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в электрических сетях напряжением 6-35 кВ, работающих с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) через переходные сопротивления.
Известна токовая защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), основанная на контроле тока нулевой последовательности защищаемых линий [1]. Устройство этой защиты содержит датчик тока нулевой последовательности в виде трансформатора или фильтра тока нулевой последовательности, устанавливаемый на каждой линии. С датчиком тока связан релейный орган защиты в виде электромеханического токового реле (например, РТ-40) или полупроводникового устройства, или в виде микропроцессорного устройства.
Главным достоинством известной токовой защиты является простота принципа действия. Защита поврежденной линии при возникновении ОЗЗ срабатывает по величине контролируемого тока нулевой последовательности, превышающей уставку на срабатывание защиты. Действует защита на отключение поврежденной линии от секции шин или «на сигнал». Уставки на срабатывание органов для обеспечения селективности выбираются по условию отстройки от собственного емкостного тока неповрежденных линий с учетом необходимой надежности и чувствительности защиты.
П
П
П
П
Недостатком известной токовой защиты от ОЗЗ является то, что ей часто бывает невозможно обеспечить одновременное выполнение условий селективности и чувствительности даже при применении современных высокочувствительных микропроцессорных устройств из-за соизмеримости и небольшой разницы между токами поврежденной и неповрежденных линий. Другой недостаток известной защиты состоит в том, что если ОЗЗ происходит не как глухое «металлическое» замыкание, а через некоторое переходное сопротивление в точке замыкания фазы на землю R, то защита может оказаться вообще неработоспособной. Причина неработоспособности заключается в том, что при R>0 величина напряжения нулевой последовательности в сети будет меньшей, чем при «металлическом» замыкании, когда R=0. Следовательно, и фактические токи нулевой последовательности всех линий при возникновении ОЗЗ через переходное сопротивление R>0 окажутся меньшими по сравнению с их величинами, которые учитываются в расчете и выборе уставок защит.
З
Известно устройство токовой защиты от ОЗЗ электрических сетей с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и связанный с ним по входу релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание. Токовая защита основана на увеличении тока замыкания на землю путем искусственного заземления нейтрали через резистор [2]. Ток замыкания возрастает за счет активной составляющей тока резистора. Величину сопротивления резистора R предлагается подбирать по условиям одновременного снижения перенапряжений в сети при ОЗЗ и улучшения работоспособности токовой защиты. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, являющиеся общими с 1 вариантом заявляемого изобретения, - наличие на каждой линии датчика тока нулевой последовательности; наличие релейного органа блока защиты каждой линии с задаваемой уставкой на срабатывание; связь релейного органа блока защиты с датчиком тока.
Признаки прототипа, являющиеся общими с 2 вариантом заявляемого изобретения, - наличие на каждой линии датчика тока нулевой последовательности; наличие релейного органа блока защиты каждой линии с задаваемой уставкой на срабатывание.
П
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является снижение чувствительности и даже полная неработоспособность при неполных замыканиях на землю (через переходное сопротивление R>0 в точке ОЗЗ), вследствие того, что величины емкостных токов линий и тока через резистор, как одинаково зависящие от напряжения нулевой последовательности, будут меньшими, чем их величины, используемые в расчете и выборе уставок защит. Кроме того, известное устройство имеет ограниченную область применения - в основном только в режимах глухого «металлического» замыкания на землю.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании более функциональной токовой защиты электрических сетей от ОЗЗ.
Техническим результатом изобретения является обеспечение работоспособности токовой защиты от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью при замыканиях через переходное сопротивление за счет автоматической адаптации (подстройки) защиты к данному режиму замыкания.
Поставленная задача была решена за счет того, что известное устройство токовой защиты от ОЗЗ электрических сетей с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и связанный с ним по входу релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, а в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, на первый вход которого поступает сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты.
Признаки 1 варианта заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: наличие функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения; введение в блок защиты каждой защищаемой линии модуля автоматической адаптивной коррекции уставки на срабатывание, на первый вход которого подается сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты.
Поставленная задача также была решена за счет того, что известное устройство токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, а в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен с первым входом релейного органа блока защиты, а на второй его вход поступает сигнал о заданном токе уставки.
Признаки 2 варианта заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: наличие функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения; введение в блок защиты каждой линии модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен с первым входом релейного органа блока защиты, а на второй его вход поступает сигнал о заданном токе уставки.
Отличительные признаки обеспечивают автоматическую адаптацию (подстройку) защиты к режиму замыкания.
Отличительные признаки в совокупности с известными за счет того, что для целей защиты применены дополнительно функциональные элементы и новые схемные решения, обеспечивают работоспособность защиты при неполных замыканиях на землю (замыканиях через переходные сопротивления). Это позволит создать более функциональную адаптивную токовую защиту от ОЗЗ.
При анализе других известных технических решений заявителем не выявлена совокупность признаков, приводящая к обеспечению работоспособности токовой защиты от ОЗЗ при неполных замыканиях на землю. Также не выявлено применение для целей защиты автоматической адаптивной коррекции сигналов на срабатывание защиты. Т.е. можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Устройство предлагаемой защиты от ОЗЗ поясняют фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 изображена функциональная схема 1 варианта предлагаемого устройства.
На фиг.2 изображена функциональная схема 2 варианта предлагаемого устройства.
Защищаемая электрическая сеть содержит секцию шин 1 с группой присоединенных линий 2. Устройство токовой защиты электрических цепей от ОЗЗ содержит на каждой линии 2 датчик тока 3 нулевой последовательности в виде трансформатора или фильтра тока нулевой последовательности, блок защиты 4, включающий релейный орган 5 с двумя входами и с выходом, действующим на отключение поврежденной линии или «на сигнал».
УСТ
УСТ.СКОР
УСТ
0
Л
0
В первом варианте исполнения (фиг.1) в блок защиты 4 каждой линии 2 дополнительно введен модуль 6 для автоматической адаптивной коррекции величины тока уставки. На первый вход модуля 6 подается сигнал о токе уставке I на срабатывание защиты. На второй его вход поступает сигнал о показателе неполноты замыкания на землю n. С помощью модуля 6 реализуется операция перемножения двух его входных сигналов. На выходе модуля 6 формируется сигнал в виде скорректированного тока уставки I=n·I. В результате такого схемного решения на первый вход релейного органа 6 блока защиты 4 поступает сигнал с датчика тока 3 о фактической величине (с учетом неполноты замыкания) контролируемого тока нулевой последовательности линии, а на второй его выход поступает сигнал с модуля 6 в виде автоматически измененной (подстроенной) уставки на срабатывание защиты. Устройство токовой защиты электрических цепей от ОЗЗ снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю 7. На первый вход модуля 7 с измерительного трансформатора 8 напряжения подается напряжение смещения нейтрали в сети U, а на второй его вход - линейное напряжение U. Модуль 7 реализует операцию деления величины напряжения U на величину фазного напряжения . На выходе этого модуля 7 формируется сигнал в виде показателя неполноты замыкания на землю . Выход модуля 7 связан со вторыми входами всех модулей 6 автоматической коррекции тока уставки в блоках защиты 4 линий 2.
0
В другом варианте исполнения (фиг.2) в блок защиты 4 каждой линии 2 дополнительно введен модуль 6 для автоматической адаптивной коррекции величины сигнала о контролируемом токе нулевой последовательности линии. В этом случае первый вход модуля 6 связан с датчиком тока 3 нулевой последовательности, а на второй его вход поступает сигнал о показателе неполноты замыкания на землю n. Модуль 6 реализует операцию деления величины сигнала о токе нулевой последовательности линии I на величину показателя неполноты замыкания на землю n. На выходе модуля 6 формируется сигнал в виде скорректированного тока нулевой последовательности линии . В результате такого схемного решения на первый вход релейного органа 5 блока защиты 4 поступает сигнал с модуля 6 в виде автоматически измененной (подстроенной) величины контролируемого тока нулевой последовательности линии (с учетом неполноты замыкания), а на второй его вход поступает сигнал о фактически заданной уставке на срабатывание защиты.
Работоспособность предлагаемого устройства защиты от ОЗЗ при замыканиях через переходное сопротивление обеспечивается за счет автоматической подстройки (адаптации) к условиям, возникающим в сети при таком виде замыкания на землю.
В первом варианте работы устройства защиты (фиг.1) обеспечивается автоматическое уменьшение уставок на срабатывание защиты и тем самым подстройка к изменившимся (т.е. уменьшившимся) контролируемым токам нулевой последовательности защищаемых линий. Во втором варианте работы защиты (фиг.2) обеспечивается автоматическое увеличение сигналов о контролируемых токах нулевой последовательности линий и тем самым подстройка к заданным уставкам на срабатывание защит.
Убедиться в том, что предлагаемое устройство защиты работоспособно при неполных замыканиях на землю можно на основе следующего анализа.
Токи нулевой последовательности для обоснования уставок известной токовой защиты от ОЗЗ рассчитывают по формулам [1, 2]:
- для неповрежденных линий
- для поврежденной линии
(H)i
где С - емкость одной фазы относительно земли неповрежденной i-й линии сети;
(П)
С - емкость одной фазы относительно земли поврежденной линии;
Σ
С - суммарная емкость одной фазы относительно земли всех линий сети;
Ф
U - фазное напряжение сети.
0
Ф
0
П
В расчетах по формулам (1) и (2) считается, что напряжение смещения нейтрали в сети U равно фазному напряжению, т.е. U=U. Это справедливо для глухого «металлического» замыкания на землю, т.е. когда R=0.
П
0
Ф
Ф
0
Ф
В режиме ОЗЗ через переходное сопротивление R>0 напряжение U<U. Для этого режима замыкания в формулы (1) и (2) вместо напряжения U надо подставлять напряжение смещения нейтрали U=n·U, где  - показатель неполноты замыкания на землю, значения которого могут быть в пределах 0<n≤1.
П
0
П
П
Следовательно, при замыканиях на землю через R>0 токи нулевой последовательности всех линий из-за уменьшения U окажутся в n раз меньшими, чем при «металлическом» замыкании. Если в этом режиме ОЗЗ (R>0) уставки защит линий оставить неизменными, рассчитанными и выбранными по условиям «металлического» замыкания (R=0), то защита на поврежденной линии не сможет сработать. Т.е. известная токовая защита от ОЗЗ окажется неработоспособной.
П
0
В предлагаемом устройстве защиты от ОЗЗ, функционирующем по 1 варианту исполнения (фиг.1), при замыканиях через R>0 уменьшение напряжения U в n раз приведет к автоматическому уменьшению уставок защит тоже в n раз. В результате этого работоспособность защиты будет обеспечена.
Аналогично путем анализа можно убедиться, что функционирование предлагаемого устройства защиты от ОЗЗ и по 2 варианту исполнения (фиг.2) тоже обеспечивает работоспособность защиты при неполных замыканиях на землю.
П
Предлагаемая защита является более функциональной по сравнению с известной токовой защитой от ОЗЗ, т.к. она работоспособна не только при глухих «металлических» замыканиях на землю, но и при неполных замыканиях через переходные сопротивления R>0. Это особенно важно для защиты распределительных сетей 6-35 кВ с воздушными линиями, где величина переходного сопротивления может составлять десятки и сотни Ом [4], например при падении провода ЛЭП на сухой грунт или мерзлый снег. Такой вид замыкания на землю очень опасен для людей и животных.
Для практического исполнения предлагаемого устройства защиты можно применить известные функциональные элементы автоматики. Наиболее целесообразно для осуществления операций перемножения и деления сигналов в качестве модулей схемы защиты использовать микропроцессорные устройства.
Литература
1. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. - СПб, ПЭИПК, 2003.
2. Евдокунин Г.А. и др. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. - Ж. «Электричество», №12, 1998.