УСТРОЙСТВО ОБЩЕСЕКЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
TOTAL SECTIONALISING PROTECTION DEVICE FOR THREE-PHASE NETWORK FROM SINGLE PHASE-TO-GROUND FAULTS

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), а также может быть использовано в сетях, где нейтраль заземлена через резистор, дугогасящий реактор или комбинированно.
Известны различные способы и устройства защиты трехфазных сетей 6-35 кВ от ОЗЗ [1-5]. Известно устройство общесекционной защиты от ОЗЗ [6], работа которого основана на контроле уровней бросков токов нулевой последовательности защищаемых линий в переходном процессе ОЗЗ. Это устройство содержит специальный многоканальный (на 12 входов) микропроцессорный блок. Каждый вход блока подключен к ТТНП защищаемой линии данной секции шин. Для контроля напряжения нулевой последовательности использован общесекционный трансформатор напряжения нулевой последовательности. При появлении напряжения нулевой последовательности заданной величины (уставки) в микропроцессорном блоке производится сравнение между собой всех бросков тока нулевой последовательности и по максимальному уровню броска в переходном процессе на выходе блока формируется сигнал о поврежденной линии.
Известное устройство общесекционной защиты работает селективно, но только при переходных процессах ОЗЗ в кабельных сетях. Для устойчивости функционирования такого устройства необходимо, чтобы от секции шин отходило не менее трех линий, ток замыкания на землю должен быть более 15 А [6].
Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, являются: зависимость контролируемой величины (уровень мгновенного значения тока) от случайного характера замыкания на землю в сети; влияние на характер переходного процесса удаленности точки ОЗЗ от секции шин; влияние на бросок тока переходного сопротивления в точке ОЗЗ.
Известна защита от ОЗЗ [7], основанная на принципе контроля знаков (направлений) мощности нулевой последовательности защищаемых линий секций шин в начале переходного процесса при ОЗЗ. Устройство защиты, реализующее этот принцип контроля ОЗЗ, например, типа ИЗС, содержит на каждой линии трансформатор тока нулевой последовательности, общесекционный трансформатор напряжения нулевой последовательности, а также функциональный модуль, в котором по входным сигналам мгновенных значений тока и напряжения нулевой последовательности в начале переходного процесса ОЗЗ определяется знак (направление) мгновенной мощности нулевой последовательности защищаемой линии. Признаком для выявления поврежденной линии является отрицательный знак контролируемой мощности. На всех неповрежденных линиях данной секции шин знак мощности, направленной от секции шин в линию, положительный [7].
Устройства защиты от ОЗЗ, контролирующие знак (направление) мгновенной мощности нулевой последовательности на начальной стадии переходного процесса, работают селективно, но только при неустойчивых ОЗЗ. В установившихся длительных режимах замыкания на землю такие защиты работать не могут.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства относятся: зависимость контролируемого признака ОЗЗ от случайного характера переходного процесса при ОЗЗ; влияние удаленности от секции шин точки ОЗЗ; наличие переходного сопротивления в точке замыкания. На точность работы защиты существенно влияет малая продолжительность интервала (несколько микросекунд), на котором определяется знак (направление) мощности [7], защита не является помехозащищенной.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю [8], основанное на применении нового способа контроля замыканий на землю [9]. Устройство содержит на каждой линии сети измерительно-вычислительный модуль, три входа которого подключены к выходам трех измерительных трансформаторов тока фаз линии, а три других входа подключены к общему для секции шин измерительному трансформатору напряжения. Выход измерительно-вычислительного модуля соединен с первым входом сумматора и с первым входом управляемого блока памяти, выход которого подключен ко второму инверсному входу сумматора. Второй вход управляемого блока памяти соединен с выходом пускового органа защиты, имеющего уставку на срабатывание по напряжению смещения нейтрали. Вход пускового органа защиты соединен с общим для секции шин измерительным трансформатором напряжения. Выход сумматора соединен с входом блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения переменной составляющей мощности, выход которого соединен с исполнительным органом защиты, имеющим уставку на срабатывание по приращению мощности и срабатывающим «на сигнал» или отключение поврежденной линии. Данное устройство принято за прототип.
Это известное устройство [8, 9] может работать в двух вариантах алгоритма функционирования:
- индивидуальная защита для каждой линии, если выходной параметр сравнивается с уставкой на срабатывание защиты;
- общесекционная защита группы линий секции шин, если в функциональном исполнительном блоке защиты (максиселекторе) сравниваются между собой приращения контролируемой мощности всех защищаемых линий.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - основной измерительно-вычислительный модуль для каждой линии сети, три токовых входа которого подключены к трансформаторам тока фаз линии, а три других входа подключены к общему для секции шин измерительному трансформатору напряжения; выход основного измерительно-вычислительного модуля соединен с первым входом сумматора и с первым входом управляемого блока памяти; выход управляемого блока памяти подключен ко второму инверсному входу сумматора; второй вход управляемого блока памяти соединен с выходом основного пускового органа защиты, имеющего уставку на срабатывание по напряжению смещения нейтрали; вход основного пускового органа защиты соединен с общим для секции шин измерительным трансформатором напряжения; выход сумматора соединен с входом блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения переменной составляющей мощности; выход блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения переменной составляющей мощности соединен с одним из входов исполнительного органа защиты в виде основного максиселектора.
Известное устройство защиты характеризуется высокой чувствительностью и селективностью действия. Это обеспечивается тем, что на поврежденной линии выходной сигнал защиты всегда имеет максимальное значение, т.к. он зависит от величины общего для данной сети тока замыкания на землю [9]. Устройство обеспечивает высокую надежность функционирования защиты от ОЗЗ при устойчивых замыканиях на землю. При кратковременных перемежающихся ОЗЗ известное устройство защиты может оказаться неработоспособным.
0.уст
0.ном
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, является малая длительность неустойчивого перемежающегося дугового замыкания. Продолжительность каждого перемежающегося «клевка» при таком виде замыкания может составлять лишь десятки-сотни микросекунд (менее 1 мс). При пробое изоляции напряжение поврежденной фазы относительно земли кратковременно уменьшается практически до нуля. При этом в напряжении смещения нейтрали наблюдается всплеск (импульс), соответствующий во времени броску емкостного тока разряда емкости поврежденной фазы и дозаряда емкостей неповрежденных фаз относительно земли всех линий сети. В таком кратковременном состоянии ОЗЗ среднеквадратичное напряжение смещения нейтрали, которое в устройстве-прототипе вычисляется на интервале полупериода промышленной частоты (0,01 с), может оказаться недостаточным для срабатывания пускового органа защиты с уставкой на срабатывание U=(0,1÷0,15)U. Следовательно, в устройстве-прототипе функциональные операции «память», «вычет» и последующие операции выполняться не будут, то есть оно не сможет контролировать кратковременные перемежающиеся ОЗЗ.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создание устройства универсальной защиты от ОЗЗ, совмещающей функции контроля как устойчивых замыканий, так и неустойчивых перемежающихся дуговых замыканий с обеспечением высокой селективности и надежности выявления поврежденной линии в сети.
зад
Поставленная задача была решена за счет того, что известное устройство общесекционной защиты от ОЗЗ, содержащее для каждой линии сети основной измерительно-вычислительный модуль, три токовых входа которого подключены к трансформаторам тока фаз линии, а три других входа подключены к общему для секции шин измерительному трансформатору напряжения, выход основного измерительно-вычислительного модуля соединен с первым входом сумматора и с первым входом управляемого блока памяти, выход которого подключен ко второму инверсному входу сумматора, второй вход управляемого блока памяти соединен с выходом основного пускового органа защиты, имеющего уставку на срабатывание по напряжению смещения нейтрали, вход основного пускового органа защиты соединен с общим для секции шин измерительным трансформатором напряжения, выход сумматора соединен с входом блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения переменной составляющей мощности защищаемой линии, выход которого соединен с соответствующим входом исполнительного органа защиты в виде основного максиселектора, согласно изобретению оно снабжено дополнительным вычислительным модулем для вычисления на заданном ограниченном по длительности интервале осреднения Θ<1 мс интегрального среднего значения броска переменной составляющей мгновенной мощности трехфазной линии и одновременного определения знака этого броска при перемежающемся замыкании, дополнительным пусковым органом защиты, выполненным в виде таймера-задатчика начала отсчета и длительности интервала осреднения броска мощности, а в исполнительный орган защиты введен дополнительный логический максиселектор-анализатор для выявления наибольшей величины среднего значения броска мгновенной мощности линии и одновременного определения противоположности знака этого броска по отношению к аналогичным броскам мощности на других линиях сети, для каждой защищаемой линии применен релейный исполнительный орган защиты, реализующий логическую функцию «ИЛИ» для обеспечения функций совместимости контроля как устойчивых, так и перемежающихся замыканий, при этом первый вход дополнительного вычислительного модуля соединен с выходом основного измерительно-вычислительного модуля, а второй его вход соединен с соответствующим выходом дополнительного пускового органа защиты, выход дополнительного вычислительного модуля соединен с соответствующим входом дополнительного логического максиселектора-анализатора, первый вход релейного исполнительного органа защиты соединен с одним из выходов основного максиселектора, а второй его вход связан с соответствующим для данной линии выходом дополнительного логического максиселектора-анализатора.
зад
Признаки заявляемого устройства, отличительные от устройства по прототипу, - дополнительный вычислительный модуль для вычисления на заданном ограниченном по длительности интервале осреднения Θ<1 мс интегрального среднего значения броска переменной составляющей мгновенной мощности трехфазной линии и одновременного определения знака (направления) этого броска при перемежающемся замыкании;
дополнительный пусковой орган защиты, выполненный в виде таймера-задатчика начала отсчета и длительности интервала осреднения броска мощности; исполнительный орган защиты содержит дополнительный логический максиселектор-анализатор для выявления наибольшей величины среднего значения броска мгновенной мощности линии и одновременного определения противоположности знака этого броска по отношению к аналогичным броскам мощности на других линиях сети; для каждой защищаемой линии применен релейный исполнительный орган защиты, реализующий логическую функцию «ИЛИ», для обеспечения функции совместимости контроля как устойчивых, так и перемежающихся замыканий; первый вход дополнительного вычислительного модуля соединен с выходом основного измерительно-вычислительного модуля, а второй его вход соединен с выходом дополнительного пускового органа защиты; выход дополнительного вычислительного модуля соединен с входом дополнительного логического максиселектора-анализатора; первый вход релейного исполнительного органа защиты соединен с одним их выходов основного максиселектора, а второй его вход связан с соответствующим для данной линии выходом дополнительного логического максиселектора-анализатора.
Благодаря новым дополнительным функциональным элементам устройства осуществляется:
1) формирование и затем контроль средних значений бросков мощности линий, что повышает точность работы и помехоустойчивость защиты;
2) совместный контроль двух признаков поврежденной линии, а именно наибольшей величины броска мощности и противоположность знака (направления) этого броска, что повышает достоверность выявления поврежденной линии при перемежающихся ОЗЗ.
Таким образом, за счет известных и отличительных признаков в заявляемом устройстве будет обеспечиваться совместимость функционирования защиты при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях.
При анализе других известных технических решений заявителем не выявлена совокупность признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, приводящая к повышению достоверности выявления поврежденной линии. Также не выявлено использование для целей защиты от ОЗЗ такой электрической величины, как усредненное значение броска мгновенной мощности защищаемой линии и одновременно противоположность знака (направления) этого броска по отношению к неповрежденным линиям. То есть можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
На чертеже представлена структурно-функциональная схема устройства защиты от ОЗЗ.
Схема содержит следующие элементы:
1 - секция шин распредустройства сети 6-35 кВ с группой защищаемых линий;
2 - одна из защищаемых линий;
3 - основной измерительно-вычислительный модуль защиты данной линии. Три его токовых входа подключены к трансформаторам тока 4 фаз линии. Три других входа подключены к общесекционному трансформатору напряжения 5;
4 - измерительные трансформаторы тока;
5 - измерительный трансформатор напряжения;
6 - общесекционный пусковой орган защиты, содержащий основной 7 и дополнительный 8 пусковые органы защиты;
0.уст
0.ном
7 - основной пусковой орган защиты с уставкой на срабатывание по величине напряжения смещения нейтрали U=(0,1÷0,15)U. Его вход подключен к обмотке «открытый треугольник» трансформатора напряжения;
8 - дополнительный пусковой орган защиты в виде таймера-задатчика начала отсчета и длительности интервала осреднения броска мощности. Его вход тоже подключен к трансформатору напряжения;
9 - управляемый блок памяти. Его первый вход связан с выходом модуля 3, а на второй вход подается сигнал с пускового органа защиты 7;
10 - сумматор для вычисления приращения переменной составляющей мгновенной мощности линии при ОЗЗ. Его первый вход связан с выходом модуля 3, а на второй его инверсный вход подается сигнал с блока памяти 9;
11 - блок для вычисления среднеквадратичного значения приращения переменной составляющей мгновенной мощности при ОЗЗ;
зад
12 - дополнительный вычислительный модуль. Его первый вход связан с выходом модуля 3, а на второй его вход подается сигнал с дополнительного пускового органа защиты 8. Модуль 12 служит для вычисления среднего значения броска переменной составляющей мгновенной мощности линии на ограниченном по длительности интервале осреднения мощности Θ. Одновременно в модуле 12 определяется знак (направление) броска мощности при перемежающемся ОЗЗ;
13 - исполнительный орган защиты, содержащий основной 14 максиселектор и дополнительный 15 логический максиселектор-анализатор;
14 - основной максиселектор. Его входы (по числу защищаемых линий) связаны с выходами блоков 11 защит соответствующих линий. Только на одном его выходе, соответствующем поврежденной линии, формируется сигнал на срабатывание защиты при устойчивом ОЗЗ;
15 - дополнительный логический максиселектор-анализатор для выявления наибольшей величины среднего значения броска мгновенной мощности линии и одновременного определения противоположности знака (направления) этого броска по отношению к аналогичным броскам мощности на других линиях сети. Только при совпадении этих двух признаков повреждения при перемежающемся замыкании в максиселекторе-анализаторе 15 формируется логический сигнал о поврежденной линии.
Его входы (по числу защищаемых линий) связаны с выходами модулей 12 защит всех линий. Только на одном его выходе, соответствующем поврежденной линии, формируется сигнал на срабатывание защиты при перемежающемся ОЗЗ;
16 - релейный исполнительный орган защиты (по числу защищаемых линий сети). Модуль 16 служит для обеспечения функции совместимости контроля как устойчивых, так и перемежающихся замыканий в схеме устройства.
Первый его вход связан с выходом основного максиселектора 14, а второй вход - с выходом дополнительного максиселектора 15. Релейный орган защиты реализует логическую функцию «ИЛИ». Срабатывает он при устойчивом или перемежающемся ОЗЗ только на поврежденной линии.
Предлагаемое устройство защиты от ОЗЗ работает следующим образом.
i
0.ном
фазн
i
<mrow><msup><mi>p</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><msub><mrow /><mrow><msub><mo>∼</mo><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>p</mi><mrow><msub><mo>∼</mo><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mi>p</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><msub><mrow /><mrow><msub><mo>∼</mo><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mrow><msub><mo>∼</mo><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
С помощью основного измерительно-вычислительного модуля 3 устройства производится вычисление мгновенной мощности i-й трехфазной линии, ее среднего значения и выделение переменной составляющей мгновенной мощности р~(t). Значения этой составляющей мощности до возникновения ОЗЗ непрерывно запоминаются в управляемом блоке памяти 9. При возникновении устойчивого ОЗЗ на любой линии сети напряжение смещения нейтрали увеличивается до номинального значения U=U. При этом срабатывает основной общесекционный пусковой орган защиты 7. С его выхода подается сигнал на блоки памяти 9 защит всех линий. В результате этого операция «память» приостанавливается, а с выхода блока 9 запомненный до ОЗЗ сигнал подается на инверсный вход сумматора 10. На первый вход сумматора при этом поступает сигнал о переменной составляющей мощности в режиме ОЗЗ -
. В результате операции «вычет» на выходе сумматора 10 формируется сигнал о приращении мощности
. А затем в блоке 11 вычисляется среднеквадратичное значение приращения переменной составляющей мощности линии ΔP, которое обусловлено возникновением в сети устойчивого ОЗЗ.
i
i
макс
Такие значения приращений мощности ΔP вычисляются в блоках 11 комплектов защит (по числу линий) всех линий. Все сигналы о величинах ΔPпоступают на соответствующие входы основного максиселектора 14. Но так как, согласно принципу известного способа защиты [9], наибольшая величина приращения мощности ΔP при устойчивом ОЗЗ всегда бывает только на поврежденной линии, то соответственно на выходе максиселектора 14 появится сигнал только на одном выходе. Он подается на релейный исполнительный орган защиты 16, который срабатывает «на сигнал» или отключение поврежденной линии.
~i
При перемежающихся ОЗЗ в модуле 3 также производятся вычисления и выделение переменной составляющей мгновенной мощности линии р(t), которая содержит броски мощности, соответствующие броскам емкостных токов при каждом «клевке». В этом режиме из-за небольшой величины напряжения смещения нейтрали основной пусковой орган защиты 7 может не сработать. Значит, операции «память», «вычет» и последующие в устройстве выполняться не будут.
зад
зад
cp.i
зад
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi><mo>.</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mi>t</mi><mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><msub><mo>∼</mo><mrow><msub><mrow /><mi>i</mi></msub></mrow></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Однако в этом режиме ОЗЗ срабатывает дополнительный пусковой орган защиты 8. Он реагирует на появление импульсов (бросков) напряжения смещения нейтрали при пробоях изоляции («клевках»). В пусковом органе 8 импульс напряжения на его входе задает начало отсчета длительности интервала Θ. Сигнал с выхода пускового органа 8 об интервале Θ подается на входы дополнительных вычислительных модулей 12 защит всех линий. Он используется в модулях 12 для синхронных вычислений средних значений бросков мгновенной мощности P на каждой защищаемой линии на одинаковом интервале осреднения Θ, т.е.
.
cp.i
cp.i
ср.макс
cp.i
ср.макс
Сигналы о значениях P с учетом знаков (направлений) бросков мощности подаются на соответствующие входы дополнительного логического максиселектора-анализатора 15. В нем сопоставляются между собой все величины P и выделяется сигнал Р, соответствующий поврежденной линии. Одновременно анализируются знаки (направления) бросков мощности P и выявляется факт противоположности знака броска ΔР знакам других бросков мощности. Этот факт является вторым устойчивым признаком поврежденной линии при перемежающихся ОЗЗ.
ср.макс
Таким образом, в дополнительном максиселекторе-анализаторе 15 предусмотрена реализация логической функции «И» совпадения двух признаков поврежденной линии: наибольшая величина ΔР и одновременно противоположность знака (направления) этого броска по отношению к броскам мощности на других линиях сети. Контроль этих двух признаков повышает надежность и достоверность выявления поврежденной линии.
В результате только на одном из выходов дополнительного максиселектора-анализатора 15 формируется логический сигнал, соответствующий поврежденной линии. Этот сигнал поступает на второй вход релейного исполнительного органа защиты 16, реализующего логическую функцию «ИЛИ». Такое техническое решение будет обеспечивать работу предлагаемого устройства защиты от ОЗЗ как при устойчивых, так и при перемежающихся замыканиях на землю.
Для практического исполнения предлагаемого устройства общесекционной защиты от ОЗЗ могут быть применены известные функциональные элементы. Наиболее просто устройство может быть реализовано на основе применения микропроцессорной техники.
Использование предлагаемого устройства защиты в сетях 6-35 кВ будет обеспечивать повышение надежности и селективности выявления поврежденных линий в распределительной сети при совмещении функций контроля как устойчивых, так и перемежающихся дуговых замыканий на землю. Применение высокоэффективной защиты от ОЗЗ уменьшит неоправданные отключения линий и перерывы в электроснабжении потребителей, что будет способствовать повышению эффективности производства.
Источники информации
1. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: «Энергия», 1976.
2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М. :«Высшая школа», 2006.
3. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001.
4. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Достоинства и недостатки различных защит. - «Новости электротехники». - 2005, №3(33).
5. Шабад М.А. Защиты от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. - СПб :ПЭИПК, 2003.
6. Уперман В.И. Общесекционная защита от однофазных замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ. - Журнал «Энергетик», 2012, №7.
7. Попов И.Н., Лачугин В.Ф., Соколова Г.В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. - М., «Энергоатомиздат», 1986.
8. Сапунков М.Л. и др. Устройство защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю. Патент на полезную модель №103039 (RU) МПК Н02Н 3/16. Заявл. 27.09.2010, опубл. 20.03.2011, бюл. №8.
9. Сапунков М.Л., Сапунков Л.М. Способ защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю. Патент на изобретение №2309507 (RU) МПК Н02Н 3/16, Н02Н 3/42. Заявл. 10.05.2006, опубл. 27.10.2007, бюл. №30.