СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROTECTION AGAINST SINGLE-PHASE EARTH FAULTS IN NETWORKS WITH ISOLATED NEUTRAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для защиты от однофазных замыканий на землю (далее ОЗЗ) кабельных и воздушных линий электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью. Задачей изобретения является повышение технического совершенства (селективности и чувствительности) токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ и расширение области их возможного применения.
0
50
уст
Известен способ максимальной токовой защиты нулевой последовательности (далее, ТЗНП) от ОЗЗ (Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. Защита электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 с.; Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с. и др.), получивший наиболее широкое применение в сетях среднего напряжения 6-10 кВ с изолированной нейтралью, в соответствии с которым измеряют полный ток нулевой последовательности защищаемого присоединения 3I или его составляющую основной частоты I, сравнивают измеренное значение с постоянной величиной - уставкой по току срабатывания I и формируют выходной сигнал, если измеренное значение тока превышает уставку.
По известному способу выполнены различные исполнения ТЗНП: с измерительными органами тока (реле тока) на электромеханической базе, например, РТ-40, РТ-140, ЭТД-551, с измерительными органами тока на электронной или микроэлектронной базе, например, РТЗ-51, РСТ-11, РСТ-11М, РСТ-13, РСТ-140 (Нудельман Г.С, Шамис М.А. Быстродействующее реле тока для защиты от замыканий на землю // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. - 1981. - Вып. 1 (92) - С. 13; Нудельман Г.С., Кочкин Н.А., Эверсков О.Л. Органы защит от замыканий на землю // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. - 1982, №1. - С. 16-18; http://www.cheaz.ru/ru/production/ustroystva-releynoy-zashchity/rele-toka-s-povyshennoy-chuvstvitelnostyu-staticheskie-rtz-51-01), с цифровыми измерительными органами тока на современной микропроцессорной базе (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektrosnabzenia&parent-category-id=4600; http://w5.siemens.com/web/ua/ru/em/automation,_control_and_protection/relay_protection/relay_for_different_purposes/pages/siprotec_7sn60.aspx; http://www.ekra.ru/produkcija/rza-podstancionnogo-oborudovanija-6-35-kv/373-be2502a10hh.html и др.).
Селективность несрабатываний при внешних ОЗЗ всех исполнений ТЗНП по данному способу обеспечивается выбором уставки по току срабатывания  из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: ПЭИПК. - 2003; Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит // Новости ЭлектроТехники. - 2005. - №5 (35); Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001):
где  - 1,2-1,3 - коэффициент отстройки;  - собственный емкостный ток защищаемого присоединения при устойчивом ОЗЗ (УОЗЗ);  - максимальное для данного исполнения ТЗНП значение коэффициента, учитывающего увеличение значения тока в неповрежденном присоединении за счет бросков переходных емкостных токов при дуговых перемежающихся ОЗЗ (ДПОЗЗ).
0
50
Значение  в (1) зависит от способа отстройки от влияния на работу ТЗНП переходных процессов, алгоритма формирования воздействующей величины и сравнения ее с уставкой, а также технических возможностей применяемой элементной базы. Для исполнений ТЗНП на электромеханической базе принимают , на электронной или микроэлектронной базе - , для цифровых исполнений на микропроцессорной базе -  (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / 4-е изд., перераб. и доп.- СПб.: ПЭИПК. - 2003; Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит // Новости ЭлектроТехники. - 2005. - №5 (35); Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001). В цифровых исполнениях ТЗНП на микропроцессорной базе для действия защиты, как правило, используется не полный ток нулевой последовательности 3I защищаемого присоединения, а его составляющая основной частоты 50 Гц I, что обеспечивает повышение отстроенности защиты от влияния переходных токов при ДПОЗЗ и возможность уменьшения величины  по сравнению с исполнениями на другой элементной базе.
Чувствительность ТЗНП по данному способу в сетях с изолированной нейтралью в соответствии с требованиями ПУЭ (Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. №204) оценивается только при внутренних УОЗЗ по выражению:
где  - коэффициент чувствительности;  - суммарный емкостный ток сети в расчетном минимальном режиме;  - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности (1,25 для защиты с действием на сигнал и 1,5 для защиты с действием на отключение).
Из (2) можно получить условие применимости (селективности при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ) ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью:
Из (2) и (3) можно видеть, что необходимость учета влияния переходных процессов при ДПОЗЗ на работу ТЗНП по данному способу в величине  значительно ограничивает чувствительность и область возможного применения защиты.
0
50
50
50
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью относится способ (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektrosnabzenia&parent-category-id=4600), основанный на измерении тока 3I защищаемого присоединения, выделении из него фильтром составляющей основной частоты 50 Гц I, сравнении значения составляющей I с эталонной величиной (уставкой)  и формировании выходного сигнала при превышении воздействующей величины I уставки ,;
50
50
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству, реализующим способ от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью является устройство http://w5.siemens.com/web/ua/ru/em/automation,_control_and_protection/relay_protection/relay_for_different_purposes/pages/siprotec_7sn60.aspx; http://www.ekra.ru/produkcija/rza-podstancionnogo-oborudovanija-6-35-kv/373-be2502a10hh.html и др.), содержащее фильтр тока нулевой последовательности (далее, ФТНП), подключенный к ФТНП фильтр, пропускающий составляющую основную частоты 50 Гц I, измерительный орган тока, сравнивающий значение тока на выходе фильтра, пропускающего составляющую основную частоты 50 Гц I с уставкой по току срабатывания , выбранной по условию (1). Для микропроцессорных исполнений ТЗНП по данному способу при , ,  из (3) получим:
,
.
т.е. область их применения ограничена присоединениями с величиной собственного емкостного тока не более 17% от суммарного емкостного тока сети
Для исполнений ТЗНП по данному способу на другой элементной базе значения коэффициента  больше, чем для цифровых исполнений ТЗНП на микропроцессорной базе, и область их возможного применения по величине  будет еще уже. В то же время на присоединениях, подключенных к шинам центров питания (ЦП) сетей с изолированной нейтралью, значения  могут достигать ~30-35% от , что не позволяет применить на них любые исполнения ТЗНП по данному способу.
Таким образом, известные способ выполнения ТЗНП и устройство для его осуществления не всегда обеспечивают требуемую чувствительность защиты и имеют ограниченную область применения.
Технический результат, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, заключается в повышении селективности защиты при внешних ОЗЗ, включая ДПОЗЗ, чувствительности при внутренних ОЗЗ и расширении области возможного применения.
Технический результат достигается тем, что:
0
50
50
50
0
ВГ
50
ВГ
50
ВГ
1. В способе токовой защиты от однофазных замыканий на землю, заключающийся в том, что измеряют ток нулевой последовательности 3I защищаемого присоединения, выделяют из него в качестве воздействующей величины составляющую основной частоты 50 Гц I, сравнивают значения составляющей основной частоты I с уставкой по току срабатывания  и формируют выходной сигнал при превышении составляющей основной величины I значения уставки , из тока 3I выделяют высшие гармонические составляющие I, сравнивают значения величин I и I и при I>I автоматически уменьшают уставку по току срабатывания защиты .
50
50
ВГ
50
ВГ
ВГ
50
ВГ
50
50
ВГ
2. В устройство для осуществления способа, содержащее фильтр тока нулевой последовательности, фильтр основной составляющей частоты 50 Гц I, подключенный к выходу фильтра тока нулевой последовательности, измерительный орган тока, первый вход которого подключен к выходу фильтра основной составляющей частоты 50 Гц I, введены фильтр высших гармонических составляющих I, схема сравнения абсолютных значений величин I и I, переключатель уставок по току срабатывания , при этом вход фильтра высших гармонических составляющих I подключен к выходу фильтра тока нулевой последовательности, выход - к второму входу схемы сравнения абсолютных значений величин I и I, первый вход которой подключен к выходу фильтра основной составляющей частоты 50 Гц I, выход схемы сравнения абсолютных значений величин I и I подключен к управляющему входу переключателя уставок по току срабатывания ,, выход переключателя уставок по току срабатывания  подключен к второму входу измерительного органа тока.
Заявляемый способ и устройство для его осуществления решает задачу токовой защиты от ОЗЗ, заключающуюся в повышении селективности защиты при внешних ОЗЗ, включая ДПОЗЗ, чувствительности при внутренних ОЗЗ и расширении области возможного применения в электрических сетях с изолированной нейтралью.
На фиг. 1 приведена зависимость минимальных значений отношения  при ДПОЗЗ от интервалов времени Δt при повторных пробоях изоляции, полученная на имитационных моделях электрических сетей среднего напряжения с изолированной нейтралью с различными значениями  (зависимость 1). Зависимость (прямая) 2 соответствует максимальному расчетному значению  при УОЗЗ в указанных сетях. На фиг. 2 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа защиты от 033 электрических сетей среднего напряжения с изолированной нейтралью. На фиг. 3 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу устройства защиты при ДПОЗЗ, переходящем в УОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью, где приняты следующие обозначения:
1 - фильтр тока нулевой последовательности,
50
0
2 - фильтр основной составляющей частоты 50 Гц I тока 3I,
3 - измерительный орган тока,
ВГ
0
4 - фильтр, выделяющий высшие гармонические составляющие I тока 3I,
50
ВГ
5 - схема сравнения абсолютных значений величин I и I,
6 - переключатель уставок по току срабатывания .
1
6
u…u - сигналы на выходах блоков 1…6 соответственно.
0
50
50
50
0
ВГ
50
ВГ
50
ВГ
Сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем. Способ токовой защиты от однофазных замыканий на землю, заключающийся в том, что измеряют ток нулевой последовательности 3I защищаемого присоединения, выделяют из него в качестве воздействующей величины составляющую основной частоты 50 Гц I, сравнивают значения составляющей основной частоты I с уставкой по току срабатывания  и формируют выходной сигнал при превышении составляющей основной величины I значения уставки , из тока 3I выделяют высшие гармонические составляющие I, сравнивают значения величин I и I и при I>I автоматически уменьшают уставку по току срабатывания защиты .
0
При УОЗЗ уровень высших гармоник (ВГ) в токе 3I определяется уровнем ВГ в напряжении поврежденной фазы сети в режиме, предшествующем ОЗЗ (Кискачи В.М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник // Электричество. - 1967. - №9. - С. 24-29), который ограничен требованиями ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии». Максимальный уровень ВГ в токе ОЗЗ можно оценить по предельно допустимым ГОСТ 32144-2013 для электрических сетей среднего напряжения значениям коэффициента несинусоидальности напряжения  и предельно допустимым коэффициентам  отдельных гармонических составляющих. В напряжениях сети и, соответственно, в токе УОЗЗ преобладают 5, 7, 11, 13-я гармоники (Жежеленко, И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко. - М: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.), предельный уровень которых по ГОСТ 32144-2013 равен: , , , . Максимальный расчетный уровень в токе УОЗЗ гармоник порядка v=5, 7, 11, 13 будет иметь место, если  определяется только указанными гармониками при соблюдении условия , и равен:
,
где  - коэффициент несинусоидальности тока.
0
50
ВГ
По данным (Вайнштейн, В.Л. Исследование высших гармоник тока замыкания на землю / В.Л. Вайнштейн // Промышленная энергетика. - №1. - 1986. - С. 39-40), полученным на основе измерений в реальных компенсированных кабельных сетях среднего напряжения, максимальный уровень высших гармоник в токе ОЗЗ не превышает 40%, т.е. меньше полученной выше расчетной оценки  (зависимость 1, фиг. 2). Таким образом, при УОЗЗ уровень составляющей основной частоты 50 Гц в токе 3I I всегда больше, чем уровень высших гармоник I.
ВГΣ
50
0
ВГΣ
50
СΣ
СΣ
ВГΣ
50
ВГΣ
50
СΣ
При ДПОЗЗ отношение I/I в токах 3i поврежденного и неповрежденного присоединения резко возрастает. Отношение I/I определяется интервалами времени между повторными пробоями изоляции, условиями гашения и повторного зажигания заземляющей дуги, суммарным емкостным током сети I, местом ОЗЗ в сети и другими факторами. Основными из указанных факторов являются величина интервалов времени Δt между повторными пробоями изоляции и суммарный емкостный ток сети I. Значение I/I увеличивается с увеличением интервалов времени Δt между повторными пробоями изоляции. Меньшие значения I/I соответствуют максимальным значениям суммарного емкостного тока сети I.
50
На фиг. 1 (зависимость 1) приведена зависимость отношения  от интервалов времени Δt при ДПОЗЗ, полученная на основе обработки результатов вычислительных экспериментов, выполненных на имитационных моделях электрических сетей среднего напряжения с изолированной нейтралью с максимальным значением : для сетей 6 кВ , 10 кВ - , 35 кВ -  (Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. №204). При ДПОЗЗ минимальные интервалы времени Δt между повторными пробоями изоляции в соответствии с теорией W. Petersen (Petersen, W. Der aussetzende (intermittierende) Erdschluss / W. Petersen. - ETZ, 1917. - H. 47, 48) равны половине периода промышленной частоты (при ƒ=50 Гц T/2=10 мс).
0
ВГ
50
0
ВГ
50
50
ВГ
50
ВГ
50
ВГ
На фиг. 1 зависимость 2 соответствует максимальному расчетному значению  при УОЗЗ. При УОЗЗ уровень высших гармоник в токе 3i I всегда меньше уровня составляющей основной гармоники I. При ДПОЗЗ уровень высших гармоник в токе 3i I всегда больше уровня составляющей основной гармоники I. Таким образом, сравнивая значения величин I и I, можно обеспечить четкое распознавание вида 033 (при I>I в сети имеет место УОЗЗ, а при I<I - ДПОЗЗ) и использовать данный признак для автоматического изменения уставки по току срабатывания защиты  в зависимости от условий ее функционирования.
На фиг. 2 приведена схема устройства защиты, реализующая предложенный способ.
50
50
ВГ
50
ВГ
50
ВГ
50
ВГ
50
ВГ
Для осуществления способа устройство токовой защиты от ОЗЗ содержит фильтр тока нулевой последовательности 1, фильтр основной составляющей частоты 50 Гц I 2, подключенный к выходу фильтра тока нулевой последовательности 1, измерительный орган тока 3, первый вход которого подключен к выходу фильтра основную составляющей частоты 50 Гц I 2, фильтр высших гармонических составляющих I 4, схема сравнения абсолютных значений величин I и I 5, сигнал на выходе которой появляется, если I>I, переключатель уставок по току срабатывания  6. Вход фильтра высших гармонических составляющих 4 подключен к выходу фильтра тока нулевой последовательности 1, выход - к второму входу схемы сравнения абсолютных значений величин I и I 5, первый вход которой подключен к выходу фильтра основной составляющей частоты 50 Гц 2, выход схемы сравнения абсолютных значений величин I и I 5 подключен к управляющему входу переключателя уставок по току срабатывания  6, сигнал на выходе которого  при отсутствии сигнала на управляющем входе равен первой уставке , задаваемой на первом информационном входе переключателя уставок по току срабатывания , а при наличии сигнала на управляющем входе - второй уставке , задаваемой на втором информационном входе, выход переключателя уставок по току срабатывания  6 подключен к второму входу измерительного органа тока 3, сигнал на выходе которого появляется при .
50
ВГ
Введенные в устройство фильтр высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности, схемы сравнения абсолютных значений величин I и I и переключателя уставок по току срабатывания  позволяют распознавать УОЗЗ и ДПОЗЗ и, в зависимости от вида ОЗЗ, автоматически изменять уставку по току срабатывания защиты  на втором входе измерительного органа тока. При ДПОЗЗ защита действует с уставкой , выбираемой по (1) при , при УОЗ3-с уставкой , выбираемой по (1) при , что обеспечивает повышение чувствительности защиты при УОЗЗ, оцениваемой по выражению (2), в  раз и существенное расширение области ее возможного применения, оцениваемой по выражению (3).
0
0
50
50
50
ВГ
ВГ
50
ВГ
Устройство для осуществления заявляемого способа работает следующим образом. При возникновении в сети ОЗЗ в поврежденном и неповрежденных присоединениях появляются токи нулевой последовательности 3I. От ФТНП 1 ток 3I подается на входы фильтра 2, выделяющего составляющую основной частоты 50 Гц I, и фильтра 4, выделяющего высшие гармонические составляющие (как правило, в диапазоне от 150 Гц до 1-2 кГц). С выхода фильтра 2, выделяющего основную составляющую 50 Гц I, сигнал подается на входы измерительного органа тока 3 и на первый вход схемы сравнения абсолютных значений величин I и I 5. С выхода фильтра высших гармонических составляющих I 4 сигнал подается на второй вход схемы сравнения абсолютных значений величин I и I 5.
0
50
0
ВГ
50
ВГ
При ДПОЗЗ сигнал на выходе фильтра 2, выделяющего из тока 3I составляющую основной частоты 50 Гц I, меньше, чем сигнал на выходе фильтра 4, выделяющего из тока 3I высшие гармонические составляющие I, и сигнал на выходе схемы сравнения значений величин I и I 5 и, соответственно, на управляющем входе переключателя 6 отсутствует, а сигнал на его выходе, задающий уставку измерительного органа тока 3, определяется уставкой, заданной на его информационном входе 1, и равен . Таким образом, при всех ДПОЗЗ защита действует с уставкой .
0
50
0
ВГ
50
ВГ
При УОЗЗ сигнал на выходе фильтра 2, выделяющего из тока 3I составляющую основной частоты 50 Гц I, больше, чем сигнал на выходе фильтра 4, выделяющего из тока 3I высшие гармонические составляющие I, и на выходе схемы сравнения значений величин I и I 5 и, соответственно, на управляющем входе переключателя 6 появляется сигнал, переключающий переключатель 6 из положения 1 в положение 2. В этом положении переключателя 6 сигнал на его выходе определяется уставкой, заданной на его информационном входе 2, и равен . Таким образом, при всех УОЗЗ защита действует с уставкой .
Уставка  измерительного органа тока, как и обычной ТЗНП, выбирается из условия отстройки от внешних ДПОЗЗ по выражению (1) при . Уставка  измерительного органа тока выбирается из условия отстройки только от внешних УОЗЗ по выражению (1) при , т.е. в  раз меньше, чем при ДПОЗЗ. Таким образом, предложенный способ обеспечивает увеличение чувствительности защиты при УОЗЗ в 2-3 раза расширение области ее возможного применения до значений:
.
Доля присоединений на центрах питания распределительных электрических сетей среднего напряжения, удовлетворяющих указанному условию, составляет практически 100%.