СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ОБРЫВОВ ФАЗНЫХ И НУЛЕВОГО ПРОВОДОВ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНОЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PROTECTION FROM BREAKS OF PHASE AND NEUTRAL WIRES OF FOUR-WIRE OVERHEAD LINE OF ELECTRIC MAINS VOLTAGE OF 380 V AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты от обрывов фазных и нулевого проводов воздушной линии электрической сети напряжением 380 В.
Известно большое количество устройств защиты от обрывов фазных и нулевого проводов воздушных линий электрических сетей напряжением 380 В.
Известно устройство для токовой защиты участка трехфазной линии от обрыва одного из фазных проводов [А.с. СССР №714562, кл. Н02Н 5/10; Н02Н 3/08; опубл. 05.02.1980, БИ №5], содержащее фильтр токов обратной последовательности, блок защиты и исполнительный орган, предназначенное для защиты трехфазной двигательной нагрузки. Для работы используется информация о токах обратной последовательности. При обрыве фазного провода питающей линии нарушается симметрия фазных токов и на выходе фильтра появляется сигнал, пропорциональный токам обратной последовательности, что приводит к срабатыванию блока защиты и отключению двигателя от линии исполнительным органом. Недостатком данного устройства является то, что оно устанавливается перед двигателем и может защитить только отдельный электроприемник.
Известно устройство для защиты электрических сетей 0,38 кВ при обрыве проводов, содержащее фильтр напряжения обратной последовательности, блок защиты и короткозамыкатель, устанавливаемые в конце линии перед потребителем, а также токовое устройство защиты, устанавливаемое в начале питающей линии [Сагутдинов Р.Ш. и др. Защита электрических сетей 0,38 кВ при обрыве проводов. Электрические станции, 1982, №7. С. 56-58]. При обрыве фазного провода на выходе фильтра появляется сигнал, пропорциональный напряжению обратной последовательности, что приводит к срабатыванию блока защиты, который включает короткозамыкатель, создавая искусственное короткое замыкание в конце линии. Токовая защита, установленная в начале линии, должна почувствовать это короткое замыкание и отключить линию с оборванными проводами. Недостатками данного устройства являются, во-первых, то, что для отключения поврежденной линии создается искусственное короткое замыкание и это в целом неблагоприятно сказывается на оборудовании электрической сети, во-вторых, известно, что токовые защиты, устанавливаемые в начале воздушных линий, имеют недостаточную чувствительность к удаленным коротким замыканиям и не могут их отключать.
Известно устройство защиты от несимметричного режима работы электрической сети с изолированной или компенсированной нейтралью [А.с. СССР №815833, кл. Н02Н 3/24; Н02Н 5/10, опубл. 23.03.1981, БИ №11], содержащее подключенные к каждой из фаз сети преобразователи переменного напряжения в логический сигнал с уставками по напряжению, логическую схему и исполнительный орган. При обрыве фазного провода соответствующий преобразователь, имеющий минимальную уставку по напряжению, меняет выходной сигнал с логической единицы на логический нуль. Логическая схема, анализируя сочетания выходных сигналов преобразователей, выявляет обрыв фазного провода и, воздействуя на исполнительный орган, отключает потребителя от сети. Недостатком данного устройства является также то, что оно защищает только отдельный электроприемник.
Известны счетчики электрической энергии с защитным отключением, одной из технических задач которых является обеспечение защиты от повышения или понижения напряжения сети [Пат. РФ №2498322, кл. G01R 11/00, опубл. 10.11.2010 г.; Счетчик активной и реактивной электрической энергии трехфазный СЕ 303 / Руководство по эксплуатации. - Ставрополь: ЗАО «Энергомера», 2012. - 65 с.]. Данная функция счетчиков предназначена для защиты электроприемников при выходе параметров напряжения за допустимые значения - при снижении или повышении напряжения ниже или выше определенных значений счетчики с помощью реле управления нагрузкой отключают потребители от сети. Недостатком данных устройств является защита только отдельных потребителей, а также отсутствие функции определения обрыва фазных и нулевого проводов питающей электрической сети.
Известно устройство для защиты электроустановки от обрыва нулевого провода в сети с глухо заземленной нейтралью, в котором с целью контроля целостности нулевого провода четырехпроводной электрической сети в контур нулевой последовательности с помощью специального генератора вводится ток непромышленной частоты. Блок защиты, контролирующий протекание тока непромышленной частоты по контуру нулевой последовательности, в случае уменьшения или исчезновения этого тока воздействует на исполнительный орган, отключающий поврежденную линию [А.с. СССР №854249, кл. Н02Н 5/10; опубл. 07.05.92, БИ №7]. Недостатком данного устройства является ухудшение качества электрической энергии, подаваемой потребителю.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому техническому результату является «Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений и устройство для его осуществления (их варианты)» (Пат. РФ №2087918, G01R 11/24; опубл. 20.08.1997 г.), принятый за прототип, заключающийся в том, что в электрической сети, состоящей из силового трансформатора, питающей линии и нагрузки, для измерения мощности используют микропроцессорный счетчик электрической энергии.
Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности распознавания аварийных ситуаций, возникающих в питающей воздушной линии при обрывах фазных и нулевого проводов.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы электрических сетей напряжением 380 В и улучшение условий электробезопасности.
Технический результат достигается тем, что устройство для защиты от обрывов фазных и нулевого проводов четырехпроводной воздушной линии электрической сети напряжением 380 В, подключенной с помощью автоматического выключателя к питающей трансформаторной подстанции, содержащее последовательно соединенные микропроцессорный счетчик электрической энергии и электрическую нагрузку, дополнительно содержит последовательно соединенные канал передачи команды отключающего сигнала и исполнительный блок, а микропроцессорный счетчик электрической энергии дополнительно содержит последовательно соединенные блок измерения фазных напряжений относительно нулевого провода, логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов и блок формирования команды отключающего сигнала, причем блок измерения фазных напряжений соединен с тремя фазными и нулевым проводами четырехпроводной воздушной линии, выход блока формирования команды отключающего сигнала соединен с входом канала передачи команды отключающего сигнала, выход исполнительного блока соединен с автоматическим выключателем, при этом логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов содержит первые три преобразователя мгновенного фазного напряжения в логический сигнал с минимальной уставкой по напряжению, последовательно соединенные блок суммирования трех мгновенных фазных напряжений относительно нулевого провода и четвертый преобразователь мгновенного напряжения в логический сигнал с максимальной уставкой по напряжению, два логических блока ИЛИ, причем входы первых трех преобразователей мгновенного фазного напряжения в логический сигнал с минимальной уставкой по напряжению и три входа блока суммирования трех мгновенных фазных напряжений относительно нулевого провода соединены с тремя выходами блока измерения мгновенных фазных напряжений относительно нулевого провода, три входа первого логического блока ИЛИ соединены с выходами первых трех преобразователей мгновенного фазного напряжения в логический сигнал с минимальной уставкой по напряжению, два входа второго логического блока ИЛИ соединены соответственно с выходами первого логического блока ИЛИ и четвертого преобразователя мгновенного напряжения в логический сигнал с максимальной уставкой по напряжению, а его выход соединен с входом блока формирования команды отключающего сигнала.
На фиг. 1 приведена схема устройства защиты от обрывов фазных и нулевого проводов четырехпроводной воздушной линии электрической сети напряжением 380 В; на фиг. 2 приведена схема первого варианта логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов; на фиг. 3 приведена схема второго варианта логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов; на фиг. 4 приведена схема устройства блока формирования команды отключающего сигнала; на фиг.5 приведена схема исполнительного блока.
Электрическая сеть напряжением 380 В содержит последовательно соединенные трансформаторную подстанцию 1, автоматический выключатель 2, четырехпроводную воздушную линию 3, в конце которой подключены последовательно соединенные микропроцессорный счетчик электрической энергии 4 и электрическая нагрузка, последовательно соединенные канал передачи команды отключающего сигнала 8 и исполнительный блок 9, микропроцессорный счетчик электрической энергии 4 содержит последовательно соединенные блок измерения фазных напряжений относительно нулевого провода 5, логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов 6 и блок формирования команды отключающего сигнала 7, причем четыре входа блока измерения фазных напряжений относительно нулевого провода 5 соединены с тремя фазными и нулевым проводами воздушной линии 3, выход блока формирования команды отключающего сигнала 7 соединен с входом канала передачи отключающего сигнала 8, а выход исполнительного блока 9 соединен с автоматическим выключателем 2.
Для пояснения работы устройства рассмотрим, как изменяются напряжения в электрической сети напряжением 380 В при различных режимах ее работы.
При нормальном режиме работы электрической сети значения напряжений фаз относительно нулевого провода близки к номинальным значениям, а напряжение несимметрии трехфазной системы напряжений относительно нулевого провода даже при предельных вариантах несимметрии фазных нагрузок потребителя (отсутствие нагрузки на одной или сразу на двух фазах) не превышает 60% фазного значения.
При обрыве фазного или нулевого проводов возникает аварийная ситуация на четырехпроводной воздушной линии, опасная как для электрооборудования электрической сети, потребителей электрической энергии, так и людей, и животных, находящихся вблизи оборванных проводов. При обрыве фазного провода напряжение на фазе относительно нулевого провода за местом повреждения (со стороны потребителя - на входе микропроцессорного счетчика) становится близким к нулевому значению. При обрыве нулевого провода напряжения фаз относительно нулевого провода на участке электрической сети за местом повреждения (со стороны потребителя - на входе микропроцессорного счетчика) зависят от симметрии фазных нагрузок потребителя и в предельных случаях несимметрии нагрузок могут составлять:
- напряжения на фазах относительно нулевого провода на одних фазах могут повышаться в пределах до 0,866-1 линейного значения, а на других фазах могут уменьшаться в пределах до 0,866-0 фазного значения;
- напряжение несимметрии трехфазной системы напряжений относительно нулевого провода может увеличиваться в пределах 1,5-3 фазного значения;
- напряжение нулевого провода относительно земли может увеличиваться в пределах до 0,5-1 фазного значения.
Изменения напряжений фаз относительно нулевого провода и напряжения несимметрии можно использовать для выявления обрывов соответственно фазных и нулевого проводов четырехпроводной воздушной линии электрической сети напряжением 380 В - для этого в микропроцессорный счетчик электрической энергии, установленный в конце линии на вводе потребителя, введен логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов.
Устройство функционирует следующим образом.
В электрической сети напряжением 380 В от силового трансформатора трансформаторной подстанции 1 при включенном автоматическом выключателе 2 по четырехпроводной воздушной линии 3 питается потребитель электрической энергии, на вводе которого включен микропроцессорный счетчик электрической энергии 4. Блок 5 измеряет фазные напряжения относительно нулевого провода и подает их на входы логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6. При нормальном режиме работы электрической сети на выходе логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6 сигнал равен логическому нулю, микропроцессорный счетчик 4 не формирует какой-либо команды отключения, автоматический выключатель 2 находится во включенном состоянии, подавая напряжения в воздушную линию 3, по которой питаются потребители электрической энергии.
При обрыве фазного или нулевого проводов воздушной линии 3 логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов 6 выявляет этот обрыв, его выходной сигнал становится равным логической единице, при этом блок 7 формирует команду отключающего сигнала. Команда отключающего сигнала по каналу передачи 8 (например, по каналу сотового оператора связи GSM) передается в трансформаторную подстанцию 1 и, воздействуя на исполнительный блок 9, отключает автоматический выключатель 2, снимая напряжения с воздушной линии с оборванными фазными или нулевым проводами. Таким образом, ликвидируется аварийная ситуация в электрической сети напряжением 380 В.
В микропроцессорных счетчиках для измерения потребляемой электрической энергии используют обработку информации о мгновенных напряжениях фаз относительно нулевого провода либо обработку информации о среднеквадратичных напряжениях фаз относительно нулевого провода. В связи с этим в заявке рассматриваются два варианта исполнения логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6. Соответственно блок измерения фазных напряжений относительно нулевого провода 5 на своих выходах может выделять мгновенные либо среднеквадратичные напряжения фаз относительно нулевого провода.
На фиг. 2 приведен первый вариант исполнения логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6, который содержит первые три преобразователя мгновенного фазного напряжения в логический сигнал с минимальной уставкой по напряжению 10, 11, 12, последовательно соединенные блок суммирования трех мгновенных фазных напряжений относительно нулевого провода 14 и четвертый преобразователь мгновенного напряжения в логический сигнал с максимальной уставкой по напряжению 15, два логических блока ИЛИ 13, 16, причем входы первых трех преобразователей 10, 11, 12 и три входа блока суммирования 14 соединены с тремя выходами блока измерения мгновенных фазных напряжений относительно нулевого провода 5, три входа первого логического блока ИЛИ 13 соединены с тремя выходами первых трех преобразователей напряжения 10, 11, 12, два входа второго логического блока ИЛИ 16 соединены соответственно с выходами первого логического блока ИЛИ 13 и четвертого преобразователя 15, а его выход соединен с входом блока формирования команды отключающего сигнала 7.
AN
BN
CN
HC
УСТ1
Ф
УСТ2
Ф
HC
Логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов 6 по первому варианту исполнения функционирует следующим образом. Мгновенные напряжения фаз сети относительно нулевого провода U, U, U подаются на входы первых трех преобразователей 10, 11, 12 и входы сумматора 14. В результате векторного суммирования трех мгновенных напряжений на выходе сумматора 14 получается мгновенное напряжение несимметрии U трехфазной системы мгновенных напряжений относительно нулевого провода. Первые три преобразователя 10, 11, 12 имеют минимальную уставку по напряжению (например, U=0,1·U), которая обеспечивает изменение выходного сигнала F указанных преобразователей с логического нуля на логическую единицу при обрыве фазного провода при соответствующем понижении напряжения на фазе относительно нулевого провода. Логические сигналы F с выходов первых трех преобразователей 10, 11, 12 подаются на входы первого логического элемента ИЛИ 13. Его выходной сигнал К в нормальном режиме равен логическому нулю, а при возникновении обрыва провода на любой из фаз воздушной линии 3 становится равным логической единице. Четвертый преобразователь 15 имеет максимальную уставку по напряжению (например, U=0,7·U) при обрыве нулевого провода и повышении напряжения несимметрии U его выходной сигнал N изменяется с логического нуля на логическую единицу. Сигналы K и N с выходов соответственно первого логического элемента ИЛИ 13 и четвертого преобразователя 15 подаются на входы второго логического элемента ИЛИ 16. Его выходной сигнал L в нормальном режиме работы сети равен логическому нулю, а при обрыве любого фазного провода или нулевого провода становится равным логической единице. Таким образом, при возникновении аварийного режима работы воздушной линии логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов 6 формирует соответствующий логический сигнал.
На фиг. 3 приведен второй вариант исполнения логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6, который содержит первые три преобразователя среднеквадратичного фазного напряжения в логический сигнал с минимальной уставкой по напряжению 10, 11, 12, последовательно соединенные блок вычисления среднеквадратичного напряжения несимметрии трех среднеквадратичных фазных напряжений относительно нулевого провода 17 и четвертый преобразователь среднеквадратичного напряжения в логический сигнал с максимальной уставкой по напряжению 15, два логических блока ИЛИ 13, 16, причем входы первых трех преобразователей 10, 11, 12 и три входа блока вычисления 17 соединены с тремя выходами блока измерения среднеквадратичных фазных напряжений относительно нулевого
9
провода 5, три входа первого логического блока ИЛИ 13 соединены с тремя выходами первых трех преобразователей среднеквадратичного напряжения 10, 11, 12, два входа второго логического блока ИЛИ 16 соединены соответственно с выходами первого логического блока ИЛИ 13 и четвертого преобразователя 15, а его выход соединен с входом блока формирования команды отключающего сигнала 7.
HC
AN
BN
CN
УСТ1
Ф
УСТ2
Ф
Логический блок определения обрывов фазных и нулевого проводов 6 по второму варианту исполнения функционирует аналогично логическому блоку определения обрывов фазных и нулевого проводов по первому варианту исполнения. Отличием является то, что среднеквадратичное напряжение несимметрии U системы трех среднеквадратичных фазных напряжений относительно нулевого провода на входе микропроцессорного счетчика U, U, U вычисляются с помощью блока вычисления 17, а первые три преобразователя среднеквадратичного фазного напряжения в логический сигнал с минимальной уставкой по напряжению 10, 11, 12 производят сравнение фазных среднеквадратичных напряжений с минимальной уставкой по напряжению (например, U=0,1·U) и четвертый преобразователь среднеквадратичного напряжения в логический сигнал с максимальной уставкой по напряжению 15 производит сравнение среднеквадратичного напряжения несимметрии с максимальной уставкой по напряжению (например, U=0,1·U).
На фиг. 4 приведена схема блока формирования команды отключающего сигнала 7, который содержит последовательно соединенные фильтр случайных срабатываний 18, блок преобразования логического сигнала в сигнал канала связи 19 и передающий модем канала связи 20, причем вход фильтра 18 соединен с выходом логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6, а передающий модем 20 имеет выход на канал передачи команды отключающего сигнала 8 (например, на канал сотового оператора связи GSM).
Блок формирования команды отключающего сигнала 7 работает следующим образом. Фильтр 18 блокирует прохождение случайных срабатываний, которые могут быть вызваны воздействием индустриальных или иных помех. Логика действия фильтра 18 может быть построена, например, на двух- или трехкратном подтверждении выходного сигнала, поступающего с логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6. При возникновении аварийного режима работы электрической сети, когда на выходе логического блока определения обрывов фазных и нулевого проводов 6 появляется «устойчивая» логическая единица, проходящая через фильтр случайных срабатываний 18 и поступающая на вход блока 19, который преобразует логический сигнал в сигнал канала связи, а передающий модем 20 обеспечивает его передачу через канал связи 8 (например, канал сотового оператора связи GSM) до исполнительного блока 9 с целью отключения линии, в которой произошел обрыв фазного или нулевого проводов, автоматическим выключателем 2.
На фиг. 5 приведена схема исполнительного блока 9, который содержит последовательно соединенные приемный модем 21, блок отключения 22 и независимый расцепитель 23, причем вход приемного модема 21 связан с каналом передачи команды отключающего сигнала 8, а независимый расцепитель 23 соединен с автоматическим выключателем 2.
Исполнительный блок 9 работает следующим образом. При возникновении аварийного режима работы электрической сети команда отключающего сигнала, передаваемая от микропроцессорного счетчика электрической энергии 4 по каналу передачи 8 (например, по каналу сотового оператора связи GSM), поступает на приемный модем 21 (например, приемный модем GSM) и блок отключения 22. Блок 22, подавая напряжение на независимый расцепитель 23, обеспечивает срабатывание автоматического выключателя 2, который отключает напряжения с воздушной линии с оборванными фазными или нулевым проводами и ликвидирует аварийную ситуацию в электрической сети напряжением 380 В.