КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Изобретение относится к технике релейной защиты и противоаварийной автоматики и предназначено для селективного отключения отходящих от секции распределительного устройства 6-35 кВ линий при однофазных устойчивых и неустойчивых замыканиях на землю (ОЗЗ), в том числе дуговых.
0
Известное устройство защиты при однофазных замыканиях на землю ЗЗП-1М [Алексеев B.C., Варганов Г.П., Панфилов Б.И., Розенблюм P.З. "Реле защиты" М., Энергия, 1976. Стр.371] [1], содержащее согласующий трансформатор, схему ограничения, усилитель переменного тока, фазочувствительный усилитель и исполнительный орган представляет собой направленную защиту в сетях с изолированной нейтралью и селективно срабатывает при металлических и устойчивых дуговых замыканиях, но при наличии дугогасящего реактора направленная защита не действует из-за подавления основной составляющей тока 3I, либо действует заведомо неселективно при перекомпенсации. При перемежающихся дуговых замыканиях направленная защита также либо не действует, либо срабатывает неселективно.
0
Известное устройство защиты при однофазных замыканиях на землю УСЗ-3М [Шабад М.А. "Защита от однофазных замыканий на землю" - конспект лекций, Кафедра релейной защиты и автоматики электрических станций, сетей и энергосистем, 1997. Стр.21, 32-34] и [Шуин В.А., Гусенков А.В. "Защита от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ" - Библиотечка электротехника - приложение к журналу "Энергетик" 2001. Стр.64] [2] содержащее согласующий трансформатор, шунтирующий фильтр LC, фильтр RC, выпрямитель, два резистора, конденсатор и электроизмерительный прибор позволяет персоналу подстанции методом поочередного сравнения определить фидер с наибольшим значением суммы высших гармоник в токе 3I и вручную отключить этот фидер, но действует только при устойчивом однофазном замыкании на землю, имеет длительный ручной процесс определения поврежденного фидера и необходимость в большом количестве контрольных кабелей от фидерных ячеек КРУ до места установки УСЗ-3М.
Наиболее близким техническим решением является устройство - "Микропроцессорная система защиты" [Патент RU №22173924 Н 02 Н 7/26 Б.И. №26 от 20.09.2001] содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, формирователь сигналов контроля и
диагностики, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты.
Недостатком прототипа является возможность излишнего (неселективного) срабатывания при:
-однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) в сетях с перекомпенсацией;
- перемежающихся (прерывистых) дуговых однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью.
Цель изобретения - при использовании хорошо проверенных методов селективного определения поврежденного присоединения:
- уменьшение вероятности излишнего действия направленной защиты;
0
- автоматизация действия защиты контролирующей высокочастотные составляющие тока 3I;
- обеспечение непрерывности действия при устойчивых ОЗЗ;
- регистрация одиночных и повторно-кратковременных ОЗЗ;
- получение максимально возможной чувствительности и быстродействия;
- получение широкого диапазона уставок по времени и по углу срабатывания (для направленной защиты).
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, 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 тока и напряжения соединены, соответственно, с первой и второй группой 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, введены реле направления мощности, два компаратора и два элемента И, причем микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты содержит набор шинных формирователей, центральный процессор, супервизор, два оперативных запоминающих устройства, постоянное запоминающее устройство, часы, два набора буферных
регистров, мини-дисплей и индикаторы, клавиатуру, микропроцессор, устройство аналогового ввода-вывода, устройство дискретного ввода-вывода, драйвер для связи с АСУ и драйвер для связи с ПЭВМ, причем группы входов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения являются, соответственно, первыми и вторыми группами входов устройства, первая, вторая и третья группа входов-выходов которого является, соответственно, второй, третьей и четвертой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, первый вход которой соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом реле направления мощности, первый и второй входы которого являются выходами из групп выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, соответственно, второй вход первого элемента И соединен с выходом первого компаратора, первый вход которого соединен с первым выходом из группы выходов блока частотных фильтров, второй выход из группы выходов которого соединен с первым входом второго компаратора и с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго компаратора, выход второго элемента И соединен со вторым входом микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, вторые входы первого и второго компараторов соединены с цепями первого и второго опорных напряжений, соответственно.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства.
0
На фиг.2 - характеристика зависимости времени срабатывания токовой защиты высоких частот от тока 3IВЧ.
На фиг.3 - пример реализации аналого-цифрового преобразователя.
На фиг.4 - пример реализации блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока.
На фиг.5 - пример реализации микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты.
На фиг.6 - пример реализации блока гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения.
На фиг.7 - пример реализации блока частотных фильтров
На фиг.1 обозначены:
1 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока;
2 - блок гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения;
3 - реле направления мощности типа РБМ-178/1 или РБМ-178/2 или аналогичное;
4 - блок частотных фильтров;
5, 6 - компараторы типа 554 САЗ или аналогичные;
7 - аналого-цифровой преобразователь;
8, 9 - элементы И типа КР1554ЛИ1 или аналогичные;
10 - микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты;
11 - группа токовых сигналов защищаемого объекта;
12 - группа сигналов напряжения защищаемого объекта;
0
13 - цепь тока 3I от трансформатора тока защищаемого объекта;
0
14 - цепь напряжения 3U от трансформатора напряжения защищаемого объекта;
0
15 - цепь сигнала действующего значения основной гармоники тока нулевой последовательности (3I50);
0
16 - цепь сигнала действующего значения высокочастотной составляющей нулевой последовательности в полосе частот от 150 до 650 Гц (3IВЧ);
17 - шина связи с АСУ;
18 - группа входов - выходов для связи с внешними устройствами, т.е. входы-выходы устройства аналогового ввода-вывода и входы-выходы устройства дискретного ввода-вывода;
19 - шина связи с ПЭВМ.
ОП1
ОП2
U и U - цепи первого и второго опорного напряжения.
На фиг.2 обозначены:
0
max
3IВЧ - наибольшее значение собственного емкостного тока любого неповрежденного присоединения;
0
∑3IBЧ - суммарное значение емкостных токов всех присоединений секции.
На фиг.3 обозначены:
20 - мультиплексор, может быть реализован на микросхеме типа ADG4288A или аналогичной;
21 - аналого-цифровой преобразователь, может быть реализован на микросхемах типа AD677AD и REF-01CP или аналогичных;
22 - микропроцессорное устройство, может быть реализовано на микросхеме типа ADSP-2115BP-66 с памятью М27С256 или аналогичной;
23 - буферные регистры, могут быть реализованы на микросхеме типа 74HC374N или аналогичной.
На фиг.4 обозначены:
24 - операционный усилитель, микросхема типа QP177GP или аналогичная;
R - резисторы типа С2-33 или аналогичные;
Т - трансформатор тока типа ТТ-1Т...ТТ-5Т или аналогичный;
Д - диоды типа 2D510A или аналогичные;
V1 - транзистор типа BD135 или аналогичный;
V2 - транзистор типа BD136 или аналогичный.
На фиг.5 обозначены:
25 - набор шинных формирователей типа КР1554АП5 или 74НС244 или аналогичных;
26 - центральный процессор типа AT89C52-24PI или аналогичный (для упрощения схемы не показаны резонатор и цепи управления);
27 - супервизор типа ADM693AN фирмы "ANALOG DEVICES" или аналогичный;
28 - набор буферных регистров типа КР1554ИР23 или аналогичных;
29 - мини-дисплей и индикаторы;
30 - клавиатура;
31 - часы реального времени типа RTC72423B фирмы "EPSON" или аналогичные;
32, 33 - ОЗУ типа SRM2A256LLCT или аналогичные;
34 - ПЗУ типа АТ28С256 или аналогичное;
35 - набор буферных регистров типа КР1554ИР23 или аналогичных;
36 - микропроцессор типа AT89C52-24PI или аналогичный (для упрощения схемы не показаны резонатор и цепи управления);
37, 38 - устройства аналогового и дискретного ввода-вывода;
39, 40 - драйверы для связи с АСУ и ПЭВМ типа ADM232AAN фирмы "ANALOG DEVICES" или аналогичные.
На фиг.6 обозначены:
41 - операционный усилитель, микросхема типа QP177GP или аналогичная;
R - резисторы типа С2-33 или аналогичные;
Т - трансформатор тока типа ТТ-1Т...ТТ-5Т или аналогичный;
Д - диоды типа 2D510A или аналогичные.
На фиг.7 обозначены:
R - резисторы типа С2-29В или аналогичные;
С - конденсаторы типа К73-39 или аналогичные;
L - индуктивности (дроссели) типа SMCC фирмы "FASTRON" или отечественные типа ДМ, ДПМ или аналогичные.
На фиг.1 подробно не показаны, как не влияющие на работу устройства и приведенные в описаниях элементов, цепи реле направления мощности 3 и компараторов 5, 6 (входные цепи 13-16, цепь замыкающего контакта, цепи питания, опоры и т.д.). Описание реле направления мощности приведено в [В.М.Елфимов "Реле направления мощности" 1966 Стр.4-30] [3].
Сигналы с выходов элементов И 8 и 9 поступают в порт Р1 (на фиг.5 не показан) центрального процессора 26 микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10.
Комбинированное устройство релейной защиты от однофазных замыканий на землю содержит блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2, реле направления мощности 3, блок частотных фильтров 4, компараторы 5 и 6, аналого-цифровой преобразователь 7, элементы И 8, 9 и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10, группы входов 11 и 12 блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2 являются, соответственно, первыми и вторыми группами входов устройства, первая 17, вторая 18 и третья 19 группа входов-выходов которого является, соответственно, второй, третьей и четвертой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10, первый вход которой соединен с выходом первого элемента И 8, первый вход которого соединен с выходом реле направления мощности 3, входы 13 и 14 которого являются выходами групп выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2, соответственно, второй вход первого элемента И 8 соединен с выходом первого компаратора 5, первый вход которого соединен с первым выходом 15 из группы выходов блока частотных фильтров 4, второй выход из группы выходов 16 которого соединен с первым входом второго компаратора 6 ис первым входом второго элемента И 9, второй вход которого соединен с выходом второго компаратора 6, выход второго элемента И 9 соединен со вторым входом
ОП1
ОП2
микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10, вторые входы первого 5 и второго 6 компараторов соединены с цепями первого U и второго U опорного напряжения, соответственно, группы выходов блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2 соединены, соответственно, с первой и второй группой входов блока частотных фильтров 4, группа выходов которого соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя 7, группа входов-выходов которого соединена с первой группой входов-выходов микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10, микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10 содержит набор шинных формирователей 25, центральный процессор 26, супервизор 27, два оперативных запоминающих устройства 32, 33, постоянное запоминающее устройство 34, часы 31, два набора буферных регистров 28 и 35, мини-дисплей и индикаторы 29, клавиатуру 30, микропроцессор 36, устройство аналогового ввода-вывода 37, устройство дискретного ввода-вывода 38, драйвер для связи с АСУ 39 и драйвер для связи с ПЭВМ 40.
Комбинированная система защиты работает следующим образом:
1. Описание общего принципа
Сигналы от первичных трансформаторов тока 11 и напряжения 12 защищаемого объекта поступают через резисторы R на промежуточные трансформаторы Т блоков гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока 1 и напряжения 2 (фиг.4 и 6).
Промежуточные трансформаторы Т обеспечивают гальваническую развязку и предварительное масштабирование входных сигналов. Первичные обмотки трансформаторов обеспечивают заданную термическую стойкость при перегрузках. Прецизионные усилители, реализованные на микросхемах 24 и 41, диодах Д, резисторах R, транзисторах V1 и V2 служат для точного масштабирования сигналов и согласования импедансов промежуточных трансформаторов и аналого-цифрового преобразователя. С выходов прецизионных усилителей сигналы поступают на входы аналоговых фильтров блока частотных фильтров 4. Фильтры нижних частот RC (фиг.7) пропускают составляющие тока и напряжения определенной частоты и не пропускают высокочастотные гармоники, являющиеся помехами,
искажающими синусоиду тока и напряжения. Далее аналоговые сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую), т.к. последующая обработка сигналов будет производиться цифровыми микросхемами. Входные отфильтрованные сигналы по n-каналам группы сигналов поступают на мультиплексор 20, который производит последовательное подключение входа АЦП 21 к одному из n-каналов. Всей работой аналого-цифрового преобразователя 21 управляет микропроцессорное устройство 22, которое обеспечивает цифровую фильтрацию входных сигналов, расчет вторичных электрических параметров сети, а также поддерживает обмен с микропроцессорной системой управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10 через буферные регистры 23. Микропроцессорная система управления выходными реле и сигнализацией 10 в соответствии с алгоритмами защиты получает значения электрических параметров защищаемого объекта из аналого-цифрового преобразователя 7 и информацию о состоянии дискретных входов от УДВВ 38. На основании этой информации, а также значений программных ключей и уставок, хранящихся в ППЗУ, вырабатываются команды управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты, которые поступают через УАВВ 37 на объекты управления и сигнализации. Помимо выполнения функций защиты и автоматики центральный процессор микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты управляет мини-дисплеем и индикаторами 29, обслуживает клавиатуру пульта 30, а также обеспечивает обмен с персональной ЭВМ и АСУ по каналам 19 и 17. Более подробная информация о работе микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты приведена в [Н.Н.Чернобровов, В.А.Семенов "Релейная защита энергетических систем" 1998 г. стр.778-783].
0
0
ОП1
2. Направленная защита от однофазных замыканий на землю - НЗ50. Напряжение нулевой последовательности 3U и ток 3I по цепям 14 и 13 поступают на реле направления мощности 3, которое формирует сигнал, определяющий направление мощности нулевой последовательности. По этому сигналу, поступающему, при наличии сигнала от компаратора 5 с опорой U в микропроцессорную систему 10 через элемент И 8, выполняется алгоритм НЗ50. При выполнении этого алгоритма контролируется:
0
- действующее значение основной гармоники тока нулевой последовательности 3I50, которое поступает со вторичной обмотки
стандартного трансформатора тока нулевой последовательности (цепи 13 и 15);
0
- действующее значение основной гармоники напряжения нулевой последовательности 3U, поступающего с "разомкнутого" треугольника трансформатора напряжения (цепь 14);
0
0
- угол между векторами основных гармоник 3I и 3U.
Выполняемая таким образом высокочувствительная быстродействующая направленнная защита НЗ50 кВ имеет следующие характеристики:
0
- чувствительность по току 3I50 - 2 мА;
0
- чувствительность по напряжению 3U - 5 В;
0
- устойчивость к перегрузке по напряжению 3U - 350 В;
0
0
- зону срабатывания между векторами 3I и 3U - ±85°;
- возможность задания диаграммы направленности в пределах от 0 до 360° с дискретностью 1°.
- минимальное время срабатывания - 40 мс.
3. Токовая защита высоких частот - ТЗВЧ
0
0
0
0
0
ОП2
0
Обозначим действующее значение тока 3I в полосе частот от 150 до 650 Гц - 3IВЧ (цепь 16). При этом вклад в 3IВЧ дают не только гармоники частоты 50 Гц, но и любые "свободные" составляющие в спектре 3I при однофазных замыкания на землю, в том числе при неустойчивых дуговых замыканиях. В качестве пускового органа для регистрации аварийного параметра 3IВЧ используется компаратор 6 с опорой U от 10 В и временем срабатывания от 40 мс. После срабатывания компаратора 6 величина 3IВЧ поступая через блок фильтров 4, аналого-цифровой преобразователь 7 записывается в память 33 микропроцессорной системы управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты 10 и может использоваться:
- для относительного замера по принципу [2] с передачей информации от токовой защиты всех фидеров диспетчеру и релейщику по каналу АСУ 17;
- для селективного отключения поврежденного присоединения с помощью специальной время - токовой зависимости.
В токовой защите высоких частот используется характеристика изображенная на фиг.2.
0
max
0
Ток 3IВЧ любого присоединения не должен превышать сумму токов 3IВЧ остальных присоединений секции. Работа токовой защиты высоких частот происходит следующим образом:
во всех защитах на присоединениях секции КРУ устанавливаются одинаковые уставки. При однофазном замыкании на землю токи всех
0
max
max
0
max
0
min
max
неповрежденных присоединений находятся на участке от 0 до 3IВЧ (фиг.2) и время срабатывания ТЗВЧ на этих присоединениях составляет Т. Через поврежденное присоединение протекает суммарный ток всех неповрежденных присоединений (участок от 3IВЧ до ∑3IB4 на фиг.2). Защита на поврежденном участке сработает с временем от Т до Т. На остальных присоединениях произойдет возврат защит.
4. Комбинированная защита от однофазных замыканий на землю. В заявляемом устройстве создана комбинированная защита от однофазных замыканий на землю. Защита реализует вышеописанные алгоритмы НЗ50 и ТЗВЧ.
При этом, в зависимости от характера однофазных замыканий на землю, действует либо один, либо другой алгоритм:
- при устойчивых замыканиях, в том числе дуговых, действует направленная защита НЗ50;
- при неустойчивых дуговых однофазных замыканий на землю
действует токовая защита ТЗВЧ.
0
с
Пуск той или иной защиты осуществляется по результату спектрального анализа тока 3I в начальной стадии однофазного замыкания на землю. Признак устойчивости/неустойчивости замыкания - К.
с
0
0
К=3I/3IВЧ
с
0
где К - коэффициент синусоидальности тока 3I.
с
Величина К приближается к нулю при кратковременных пробоях и дуговых прерывистых однофазных замыканий на землю, и стремиться к ∞ при устойчивых металлических замыканиях.
с
с
с.п
Практически для применения К в качестве условия выбора защиты используется значение К от 0,2 до 1,0, которое задается в виде уставки К.
с
с.п.
При К>К активизируется направленная защита, контролирующая направление мощности нулевой последовательности - НЗ50.
с
с.п
При К<К защита НЗ50 блокируется и действует защита ТЗВЧ. Оба алгоритма могут действовать, как на отключение, так и на сигнализацию.
Таким образом, данное комбинированное устройство релейной защиты использует проверенные практикой принципы. Реализация устройства позволила усилить достоинства каждого из них и сократить недостатки. Каждый алгоритм имеет собственное выходное реле и может использоваться самостоятельно на отключение и/или на сигнализацию.