Устройство адаптивной токовой защиты от однофазных замыканий на землю

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована для защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) кабельных и воздушных линий электрических сетей среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью.
Большая часть распределительных сетей среднего напряжения, прежде всего, напряжением 6-10 кВ, работает с изолированной нейтралью (~80% кабельных сетей 6-10 кВ и ~100% воздушных сетей 6-10 кВ). Поэтому эксплуатационная надежность сетей, работающих с изолированной нейтралью, в значительной мере определяет надежность электроснабжения потребителей. В распределительных сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью основным видом повреждений являются ОЗЗ. Наиболее опасным видом ОЗЗ являются дуговые перемежающиеся замыкания (ДПОЗЗ), сопровождающиеся опасными для изоляции сети перенапряжениями и значительными бросками переходного тока, приводящими к опасному увеличению действующего (среднеквадратичного) значения тока в месте повреждения. Поэтому дуговые ОЗЗ часто переходят в двойные замыкания на землю или междуфазные короткие замыкания (КЗ) в месте повреждения и часто являются первопричиной аварийных отключений линий и электродвигателей, приводящих к нарушениям электроснабжения или технологических процессов потребителей.
0
Для защиты от ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью, как правило, применяются максимальные токовые защиты нулевой последовательности (ТЗНП), основанные на использовании полных емкостных токов нулевой последовательности 3i или их составляющих основной частоты 50 Гц.
Известны исполнения ТЗНП с измерительными органами тока на электромеханической базе, например, реле тока типа РТ-40, РТ-140, ЭТД-551 (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.; Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с. и др.), с измерительными органами тока на микроэлектронной базе, например, реле тока типа 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); а также с цифровыми измерительными органами тока на микропроцессорной базе (Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 549 с.). Цифровые исполнения ТЗНП, как правило, реализуются в составе защитных функций комплексных микропроцессорных устройств релейной защиты, автоматики и управления для электрических сетей среднего напряжения, выпускаемых различными российскими и зарубежными фирмами (ООО НПП «ЭКРА», ООО НПП «Бреслер», АО «РАДИУС Автоматика», НТЦ «Механотроника», ООО «Релематика», ABB, ALSTOM, Siemens, Schneider Electric и др.).
Принцип действия ТЗНП основан на сравнении значения воздействующей величины - полного тока нулевой последовательности 31о или его составляющей основной частоты 50 Гц в защищаемом присоединении с уставкой, выбираемой из условия отстройки от собственного емкостного тока данного присоединения при внешних ОЗЗ, (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: ПЭИПК. - 2003. - 350 с.; 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. - 104 с.):
отс
где К=1,2-1,3 - коэффициент отстройки;
бр.макс
К - максимальное значение коэффициента, учитывающего увеличение значения тока в неповрежденном присоединении за счет бросков переходных емкостных токов при наиболее опасной разновидности ДПОЗЗ с повторными зажиганиями заземляющей дуги каждый полупериод рабочей частоты сети 50 Гц, т.е. через ~10 мс (ДЛОЗЗ по теории В. Петересена (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов / Ф.А. Лихачев. - М.: Энергия, 1971. - 152 с. и др.);
C собс
С0 собс
ф.н
I=3 ω U собственный емкостный ток защищаемого присоединения;
С0 собс
3 - собственная емкость фаз защищаемого присоединения на землю;
ω=2πf - угловая частота (f=50 Гц);
ф.н
U - фазное номинальное напряжение сети.
брмакс
бр.макс
Для исполнений ТЗНП на электромеханической базе принимают К=4-5, на микроэлектронной или микропроцессорной базе принимают К=2-3.
ч
q
0н
Чувствительность ТЗНП может оцениваться коэффициентом чувствительности К или коэффициентом полноты замыкания на землю b=U/Uпри котором обеспечивается срабатывание защиты (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.).
В соответствии с требованиями Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), утвержденными приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. №204, чувствительность ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью оценивается только при внутренних металлических устойчивых ОЗЗ (УОЗЗ), т.е. при значении b=1, по выражению:
ч
C∑
0∑
ф.н
0∑
ч.мин
где К - коэффициент чувствительности; I=3СωU - суммарный емкостный ток сети; 3С - суммарная емкость фаз сети на землю; К - минимально допустимое по требованиям ПУЭ значение коэффициента чувствительности (1,25 для защиты с действием на сигнал и 1,5 для защиты с действием на отключение).
Из (2) можно получить комплексную оценку технического совершенства защиты (селективности при внешних и чувствительности при внутренних замыканиях), определяющую область возможного применения ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью
бр.макс
отс
ч.
мин
При К=2-5, К=1,3, К.=1,25 из (3) получим
C
собс
C∑
C собс
C∑
т.е. область применения традиционных исполнений ТЗНП в соответствии с существующими требованиями ограничена присоединениями с I ≤ (0,09-0,23)I. В то же время на присоединениях, подключенных к шинам центров питания (ЦП) сетей с изолированной нейтралью, I может достигать значений до ~30-35% и более от I.
макс
макс
макс
бр.мин
бр.мин
ДПОЗЗ сопровождаются опасными для сети перенапряжениями только при определенных интервалах времени Δt≤Δt между повторными зажиганиями заземляющей дуги. По данным (Шуин, В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ /В.А. Шуин, М.С. Аль-Хомиди, О.А. Добрягина, Т.Ю. Шадрикова и др. // Вестник ИГЭУ. - 2016. - Вып. 3. - С. 50-55) кратность перенапряжений достигает опасных для кабельных сетей среднего напряжения значений  при Δt≤50-60 мс. Так как при уменьшении максимальных перенапряжений амплитуды бросков переходного тока и его действующее значения при ДПОЗЗ также уменьшаются, указанному значении Δt можно поставить в соответствие значение коэффициента броска переходного тока К ≈ 0,25-0,35 (Шуин, В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ / В.А. Шуин, М.С. Аль-Хомиди, О.А. Добрягина, Т.Ю. Шадрикова и др. // Вестник ИГЭУ. - 2016. - Вып. 3. - С. 50-55). При известном значении К можно оценить чувствительность ТЗНП и условия ее применимости при ДПОЗЗ, представляющих опасность для всей электрически связанной сети по величине сопровождающих их перенапряжений, по выражениям (Шуин, В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ /В.А. Шуин, М.С. Аль-Хомиди, О.А. Добрягина, Т.Ю. Шадрикова и др. / /Вестник ИГЭУ. - 2016. - Вып.3. - С. 50-55):
брмин
бр
отс
чмии
Из (5) при К « 0,3, К,макс=2-5, К=1,3, К=1,25 получим
Из выражений (2)-(5) и приведенных расчетов можно видеть, что основным фактором, ограничивающим чувствительность и техническое совершенство традиционных исполнений ТЗНП, является влияние на их функционирование переходных процессов при ДПОЗЗ.
Оценка чувствительности ТЗНП по (2) не гарантирует устойчивых срабатываний защиты при УОЗЗ через переходное сопротивление, т.е. при b<1. По данным (Жежеленко И.В. Чувствительность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник в сетях промышленных предприятий / И.В. Жежеленко, О.Б. Толпыго // Электричество. - 1969. - №10. - С. 32-39.) величина переходного сопротивления в месте повреждения в кабельных сетях 6-10 кВ при УОЗЗ может достигать значений
что соответствует минимальному коэффициенту полноты замыкания
мин
Для воздушных линий коэффициент полноты замыкания на землю b может иметь значительно меньшие значения, чем на кабельных линиях.
0
0
В сети с изолированной нейтралью при УОЗЗ емкостные токи 3I в месте повреждения, в поврежденном и неповрежденных присоединениях пропорциональны напряжению U, т.е. b [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001. - 104 с.]. С учетом этого коэффициент чувствительности ТЗНП при УОЗЗ через переходное сопротивление может быть определен по выражению
а условие применимости ТЗНП (4) запишется в виде
мин
ч.мин
ч
мин
где К'<К, т.к. в значении К' не должны учитываться погрешности функционирования, обусловленные влиянием переходного сопротивления в месте повреждения.
бр.макс
отс
Принимая  при К=2-5, К=1,3, b=0,4 из (8) получим
Приведенные расчеты иллюстрируют значительное влияние переходного сопротивления в месте повреждения при УОЗЗ на чувствительность и область возможного применения ТЗНП.
Изложенное выше позволяет сделать вывод, что главными факторами, ограничивающими техническое совершенство традиционных исполнений ТЗНП, являются переходные процессы при ДПОЗЗ и переходное сопротивление в месте повреждения при УОЗЗ.
0
0
0
0
Известны также исполнения адаптивных ТЗНП с двумя подведенными величинами - током и напряжением нулевой последовательности 3i и 3u. Использование в ТЗНП напряжения 3u позволяет выполнить защиту с изменяемой в зависимости от значения 3u уставкой по току срабатывания и повысить ее чувствительность.
ср
Известно реле защиты (Патент на изобретение РФ №2088010, МПК Н02Н 3/16, Н01Н 83/20, 1997 г.) отходящего присоединения электрический сети с изолированной нейтралью от однофазного замыкания на землю, содержащее входной блок, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока нулевой последовательности, а выход с одним из входов измерительного блока, выход которого соединен с исполнительным органом, отличающееся тем, что оно снабжено блоком автоматического регулирования тока срабатывания, подключенного к другому входу измерительного органа и реализующего функцию: I при
0
0 нач
p
Icp.min
0
0
нач
ф.н
з
max
cр.min
ф.н.
0
нач
cp
0
cp
min
0
нач
ф.н
з
max
ф.н
U ≈ U, I=+ KU при U<U ≈U, где К=(I - I)/(U - U) - коэффициент наклона линейной части зависимости I=f(U); I. - минимальный ток срабатывания реле; U=(0…0,15)U - начальное значение напряжения смещения нейтрали сети; I. - наибольший ток однофазного металлического замыкания на землю в данной электрической сети; U - номинальное фазное напряжение сети.
ср
0
0
0
0
0 max
0max
0
0
ф.н
отс
ч.мин
0
0
з
max
cр
min
ф.н
0
нач
Возможность регулирования тока срабатывания реле I и, соответственно, первичного тока срабатывания защиты в зависимости от значения напряжения нулевой последовательности U позволяет увеличить чувствительность ТЗНП при УОЗЗ через переходное сопротивление, когда зависимость между током I и напряжением U, подведенными к защите, имеет линейный характер: I=b I, где I -максимальное значение тока Iпри металлическом ОЗЗ; b=U/U - коэффициент полноты замыкания на землю. Однако в приведенных выше выражениях, определяющих характеристику срабатывания защиты, не учтены минимально допустимые значения коэффициента отстройки К и коэффициента чувствительности К, без чего не может быть обеспечена требуемая устойчивость функционирования при внешних и внутренних устойчивых замыканиях на землю. Известно также (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971; Дударев Л.Е. Дуговые замыкания на землю в кабельных сетях / Л.Е. Дударев, С.И. Запорожченко, Н.М. Лукьянцев // Электрические станции. - 1971, №8. - С. 64-66; Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков B.C. и др. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002. - 268 с.), что большую часть ОЗЗ, особенно в начальной стадии развития повреждения изоляции, в сетях с изолированной нейтралью составляют ДПОЗЗ. При ДПОЗЗ значения I и U, в общем случае изменяются в разной степени в зависимости от ряда влияющих факторов (параметров сети и поврежденной линии, места ОЗЗ в сети, интервалов времени между повторными пробоями изоляции, условий гашения и повторного зажигания заземляющей дуги и др.), что не учитывается при выборе значения коэффициента К по выражению К=(I - I.)/(U - U) и не позволяет обеспечить селективность несрабатываний защиты при внешних ДПОЗЗ. За счет этого область возможного применения данной защиты, как и у традиционных ТЗНП с одной подведенной величиной, ограничена выражениями (3) и (5). Таким образом, рассматриваемое исполнение токовой защиты от ОЗЗ обеспечивает адаптивность только к влиянию переходного сопротивления в месте замыкания при УОЗЗ, но не позволяет увеличить эффективность функционирования в переходных режимах при наиболее опасных замыканиях через перемежающуюся дугу, т.е. динамическую устойчивость функционирования.
Известно устройство токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю (Патент на изобретение РФ №2422964, МПК Н02Н 3/16, G01R 31/08, 2011 г.), содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, кроме того, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, 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, а выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности. Второй вариант заявленного устройства - в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции величины сигнала о контролируемом токе нулевой последовательности линии, 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. За прототип принято устройство по п. 1 формулы изобретения.
уст
Преимуществом рассматриваемых вариантов ТЗНП по сравнению с защитой, описание которой приведено выше по патенту №2088010, является то, что уставка по току срабатывания I выбирается из условия (1), т.е. в ней учитывается влияние переходных процессов при ДПОЗЗ на устойчивость функционирования защиты.
уст
0
ф
ycm
0
Варианты защиты по пп. 1, 2 формулы рассматриваемого изобретения, практически равноценные с точки зрения эффективности функционирования при УОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью, обеспечивают повышение чувствительности при УОЗЗ через переходное сопротивление за счет уменьшения уставки 1 пропорционально коэффициенту неполноты замыкания n=U/U (вариант 1) или увеличения тока, подводимого к релейному органу защиты в In раз при I=const (вариант 2). Область возможного применения обоих вариантов защиты ограничена условием (8). Коэффициент неполноты замыкания линейно связан с током I, подводимым к защите, как было отмечено выше, только при УОЗЗ. Поэтому изменение уставки по току срабатывания в зависимости от значения коэффициента неполноты замыкания на землю n не позволяет обеспечить устойчивые несрабатывания защиты и повышение ее чувствительности при внешних ДПОЗЗ.
0
ф
Следует отметить, что отношение U/U принято называть коэффициентом полноты замыкания на землю (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.; Сирота И.М. Защита от замыканий на землю в электрических системах. - Изд-во академии наук Украинской ССР, 1955. - 208 с. и др.).
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение динамической устойчивости функционирования при дуговых перемежающихся замыканиях на землю в электрических сетях среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью и с заземлением нейтрали через высокоомный резистор.
Технический результат достигается тем, что устройство адаптивной токовой защиты от однофазных замыканий на землю, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, первый выход которого подключен к первому входу блока вычисления показателя полноты замыкания, выходом подключенного к первому входу блока автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, второй вход которого выполнен с возможностью получения сигнала о токе уставки, а выход подключен к первому входу релейного блока, дополнительно содержит первый и второй фильтры, пусковой орган по напряжению нулевой последовательности, логический элемент «И», при этом выход датчика тока нулевой последовательности подключен к входу первого фильтра, выход которого подключен ко второму входу релейного блока, соединенного с первым входом логического элемента «И», второй выход измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен к входу второго фильтра, выход которого подключен к второму входу блока вычисления показателя полноты замыкания, пусковой орган по напряжению нулевой последовательности подключен входом к второму выходу измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, а выходом ко второму входу логического элемента «И», вход которого является выходом устройства.
Сущность полезной модели поясняют графические материалы.
На фиг. 1 представлена схема устройства адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю.
На фиг. 2-5 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу заявляемого устройства адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю:
0
- осциллограмма тока нулевой последовательности 3i на выходе датчика тока нулевой последовательности 1,
0
- осциллограмма напряжения нулевой последовательности u на выходе измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности 2,
50
50УОЗЗ
- осциллограмма текущего значения показателя полноты замыкания b(t) на выходе блока вычисления показателя полноты замыкания 3 (кривая а) и в этих же осях показателя полноты замыкания, полученного на выходе блока вычисления полноты замыкания прототипа устройства b (кривая б),
0
50
yст
- осциллограмма текущего среднеквадратичного значения тока нулевой последовательности основной частоты 50 Гц 3i(t) на выходе первого фильтра 6 (кривая в) и в этих же осях текущего значения уставки по току срабатывания I(t) на выходе блока автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты 4 (кривая г).
п
На фиг. 2 приведены указанные осциллограммы при внутреннем дуговом ОЗЗ, переходящем в металлическое устойчивое ОЗЗ, а затем в УОЗЗ через переходное сопротивление R=1000 Ом в сети 6 кВ с изолированной нейтралью.
п
На фиг. 3 приведены указанные осциллограммы при внешнем дуговом ОЗЗ, переходящем в металлическое устойчивое ОЗЗ, а затем в УОЗЗ через переходное сопротивление R=1000 Ом в сети 6 кВ с изолированной нейтралью.
п
На фиг. 4 приведены указанные осциллограммы при внутреннем дуговом ОЗЗ, переходящем в металлическое устойчивое ОЗЗ, а затем в УОЗЗ через переходное сопротивление R=1000 Ом в сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор.
п
На фиг. 5 приведены указанные осциллограммы при внешнем дуговом ОЗЗ, переходящем в металлическое устойчивое ОЗЗ, а затем в УОЗЗ через переходное сопротивление R=1000 Ом в сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор.
Для фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - датчик тока нулевой последовательности;
2 - измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности;
3 - блок вычисления показателя полноты замыкания;
4 - блок автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты;
5 - релейный блок;
6 - первый фильтр;
7 - второй фильтр;
8 - пусковой орган по напряжению нулевой последовательности;
9 - логический элемент «И».
0
0
Устройство адаптивной токовой защиты от однофазных замыканий на землю содержит на каждой линии датчик тока нулевой последовательности 1 и измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности 2. Первый выход трансформатора напряжения нулевой последовательности 2 подключен к первому входу блока вычисления показателя полноты замыкания 3. Выход блока вычисления показателя полноты замыкания 3 подключен к первому входу блока автоматической адаптивной коррекции 4 тока уставки на срабатывание защиты, второй вход которого выполнен с возможностью получения сигнала о токе уставки. Выход блока автоматической адаптивной коррекции 4 тока уставки на срабатывание защиты подключен к первому входу релейного блока 5. Устройство дополнительно содержит первый фильтр 6, выделяющий составляющую основной частоты, и второй фильтр 7, выделяющий составляющую основной частоты. Введенные первый фильтр 6 и второй фильтр 7 имеют одинаковые частотные характеристики и предназначены для выделения составляющей основной частоты 50 Гц тока нулевой последовательности 3i и напряжения нулевой последовательности 3u используемые для работы устройства защиты в сетях с изолированной нейтралью и с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, в целях повышения устойчивости функционирования в переходных режимах при дуговых перемежающихся ОЗЗ. Пусковой орган 8 по напряжению нулевой последовательности необходим для отстройки устройства защиты от переходных процессов, связанных с коммутационными переключениями в защищаемой сети и другими режимами без ОЗЗ. Выход датчика тока нулевой последовательности 1 подключен к входу первого фильтра 6. Выход первого фильтра 6 подключен ко второму входу релейного блока 5. соединенного с первым входом логического элемента «И» 9. Второй выход измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности 2 подключен к входу второго фильтра, выход которого подключен к второму входу блока вычисления показателя полноты замыкания 3. Пусковой орган 8 по напряжению нулевой последовательности подключен входом к второму выходу измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности 2, а выходом ко второму входу логического элемента «И» 9, вход которого является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
0
0
0
При возникновении в сети ОЗЗ в поврежденном и неповрежденных присоединениях на входах датчиков тока нулевой последовательности 1 появляются первичные токи нулевой последовательности 3i, а на выходе измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности 2 появляется напряжение нулевой последовательности 3u. С выхода измерительного преобразователя напряжения нулевой последовательности 2 напряжение 3u подается на вход пускового органа 8 по напряжению нулевой последовательности. При любой разновидности ОЗЗ срабатывает пусковой орган 8 по напряжению нулевой последовательности и на его выходе появляется логический сигнал «единица».
0 50
0 50
Для мгновенных значений составляющих основной частоты 50 Гц тока нулевой последовательности 3i в месте ОЗЗ и напряжения нулевой последовательности 3u на шинах источника питания выполняется следующее соотношение:
0m
50
0
0 50
0
0m 50
0
где U - амплитуда составляющей основной частоты напряжения u(t); 3ϕ - начальная фаза составляющей основной частоты напряжения 3u; I - амплитуда составляющей основной частоты тока i(t).
0m
50
ф,m
П
0
0
В установившемся режиме ОЗЗ U зависит только от амплитуды фазного напряжения I в режиме, предшествующем замыканию, и переходного сопротивления R в месте повреждения. В спектре переходного тока 3i и переходного напряжения 3u при дуговых ОЗЗ также содержится составляющая с частотой 50 Гц. Так как на частоте 50 Гц проводимость нулевой последовательности кабельных и воздушных линий имеет практически чисто емкостный характер, то соотношение (9) справедливо не только для установившегося, но и для переходных режимов ОЗЗ.
Из (9) следует, что в любых режимах ОЗЗ текущее среднеквадратичное значение основной составляющей 50 Гц тока нулевой последовательности в месте замыкания связано с текущим среднеквадратичным значением основной составляющей 50 Гц напряжения нулевой последовательности соотношением
С учетом (10) при внешних (вне зоны действия защиты) и внутренних (в зоне действия зашиты) замыканиях на землю для среднеквадратичных значений основной составляющей 50 Гц токов нулевой последовательности в неповрежденном и поврежденном присоединениях на выходе первого фильтра 6, выделяющего составляющую основной частоты, будем иметь:
На выходе блока вычисления показателя полноты замыкания 3 будем иметь текущее значение коэффициента полноты замыкания на землю по составляющей основной частоты напряжения нулевой последовательности
л
где U - текущее среднеквадратичное значение линейного напряжения в контролируемой сети.
С учетом (13) из (11) и (12) получим
Для обеспечения несрабатываний при внешних устойчивых и дуговых ОЗЗ текущее значение уставки на выходе блока автоматической адаптивной коррекции 4 тока уставки на срабатывание защиты должно удовлетворять соотношению
отс
c cобс
где К - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности функционирования защиты (погрешности первичных преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности, схемы формирования сравниваемых величин, расчета I, оценки коэффициента полноты замыкания на основе (10) и др.).
отс
отс
отс
Для адаптивной защиты значение К должно быть несколько больше, чем для классической ТЗНП (К=1,2-1,3) из-за необходимости учитывать дополнительно погрешности первичного преобразователя напряжения и оценки коэффициента полноты замыкания на основе (13). С учетом указанных дополнительных погрешностей для адаптивной ТЗНП в (16), на наш взгляд, следует принимать К≈1,5.
0уст
отс
c собс
Текущее значение уставки по току срабатывания I(t) на выходе блока автоматической адаптивной коррекции 4 тока уставки на срабатывание защиты формируется умножением текущего значения коэффициента неполноты замыкания на выходе блока вычисления показателя полноты замыкания 3 на подаваемую на второй вход блока автоматической адаптивной коррекции 4 тока уставки на срабатывание защиты параметра настройки защиты К I и вычислением текущего среднеквадратичного значения результата перемножения указанных величин блоком автоматической адаптивной коррекции 4 тока уставки на срабатывание защиты.
На выходе релейного блока 5 при выполнении условия (16) появляется логический сигнал «единица». Сигнал срабатывания защиты появляется на выходе логического элемента «И» 9, если сработали пусковой орган 8 по напряжению нулевой последовательности и релейный блок 5.
Чувствительность адаптивной ТЗНП на рассматриваемом принципе как в установившемся, так и в переходных режимах ОЗЗ оценивается соотношением
0 50
c собс
R
N
0 50
Следует отметить, что предложенное техническое решение позволяет также обеспечить повышение динамической устойчивости функционирования не только в сетях с изолированной нейтралью, но и в сетях с высокоомным резистивным заземлением нейтрали. В сетях с заземлением нейтрали через высокоомный резистор при внешних ОЗЗ, как и в сетях с изолированной нейтралью, ток 3I в неповрежденных присоединениях определяется собственным емкостным током I, т.е. выражением (11). В поврежденном присоединении, кроме суммы емкостных токов всех неповрежденных присоединений, протекает также активный ток I, создаваемый заземляющим резистором R, подключенным к нейтрали. С учетом этого ток 3I в поврежденном присоединении определяется выражением
N
Активная составляющая тока ОЗЗ, создаваемая заземляющим резистором R, не влияет на выбор уставки по току срабатывания по условию отстройки от внешних ОЗЗ, но увеличивает чувствительность адаптивной токовой защиты при внутренних замыканиях.
Таким образом, заявляемое устройство адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю обеспечивает повышение динамической устойчивости функционирования при дуговых перемежающихся замыканиях на землю в электрических сетях среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью и с заземлением нейтрали через высокоомный резистор.
ycm
п
50
50УОЗЗ
Расчетные осциллограммы, приведенные на фиг. 2-5, иллюстрируют работу защиты и автоматическую коррекцию уставки I(t) при внутреннем и внешнем ДПОЗЗ, переходящем в УОЗЗ, в сети с изолированной нейтралью (фиг. 2 и 3) и в сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор (фиг. 4 и 5) при внутреннем и внешнем дуговом ОЗЗ, переходящем в металлическое устойчивое замыкание, а затем в УОЗЗ через большое переходное сопротивление (R=1000 Ом). Кривые а и б, иллюстрирующие изменение текущего значения показателя полноты замыкания b(t) на выходе блока вычисления показателя полноты замыкания 3 (кривая а) и показателя полноты замыкания, полученного на выходе блока вычисления полноты замыкания прототипа устройства b (кривая б), подтверждают, что в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, коэффициент полноты замыкания на землю увеличивается при дуговых ОЗЗ в переходных режимах, тем самым изменяя уставку по току срабатывания для отстройки от переходных режимов, обеспечивая повышение динамической устойчивости функционирования при дуговых перемежающихся замыканиях на землю в электрических сетях среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью и с заземлением нейтрали через высокоомный резистор.