СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ С РЕЗИСТИВНО-ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROTECTION FROM SINGLE-PHASE EARTH FAULT FOR TRIPLE-PHASE NETWORK WITH RESISTANCE EARTHING NEUTRAL AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для защиты трехфазных сетей с резистивно-заземленной нейтралью от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ).
С
RN
Известен способ защиты трехфазных сетей от ОЗЗ, основанный на подборе величины сопротивления заземляющего резистора в зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю [1]. В соответствии с этим способом сопротивление заземляющего резистора выбирают равным  где  - суммарная фазная емкость сети. При этом емкостной ток сети и активный ток через заземляющий резистор равны, т.е. I=I, а результирующий ток ОЗЗ увеличится в  раз, что повышает чувствительность защиты.
Недостаток известного способа заключается в том, что для селективного действия защита каждой линии должна быть отстроена от собственного тока линии. В сетях, где собственный ток отдельной линии оказывается соизмеримым с результирующим током ОЗЗ, условия селективности действия и достаточной чувствительности не выполнимы и защита в таких сетях становится неработоспособной.
Наиболее близким к предлагаемому является способ защиты трехфазных сетей от ОЗЗ, основанный на использовании «наложенных токов» непромышленной частоты [2]. Способ заключается в контроле тока нулевой последовательности защищаемых линий, сформированного путем наложения на основную составляющую этого тока тока непромышленной частоты, получаемого при помощи дополнительного источника, и выделении из результатов контроля составляющей «наложенного тока», по которой выявляют поврежденную линию. Составляющая «наложенного тока» присутствует только на поврежденной линии и является признаком повреждения этой линии.
Признаки известного способа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения:
1) контролирование электрической величины в виде тока нулевой последовательности линии;
2) выделение из контролируемого тока нулевой последовательности электрической величины, которая является признаком повреждения линии.
Недостаток известного способа заключается в сложности отстройки от естественных гармонических, являющихся составляющими контролируемого тока нулевой последовательности линий, спектр частот которых зависит от параметров сети, местоположения точки ОЗЗ в сети и ряда других факторов.
Сложность отстройки от естественных гармонических составляющих не позволяет обеспечить достаточную селективность и надежность действия защиты в известном способе.
Известно устройство селективной защиты от однофазных замыканий на землю типа УЗСЗ, основанное на использовании «наложенных токов» непромышленной частоты [3]. Устройство состоит из двух основных частей: блока-модулятора преобразователя БМП, предназначенного для наложения на защищаемую сеть контрольного переменного тока частотой 25 Гц, и блока селективного релейного БСР, предназначенного для выделения и преобразования сигнала контрольного тока, а также для обработки информации и выдачи сигнала на отключение поврежденного присоединения.
БМП содержит согласующий трансформатор ТС, подключенный к вторичной (дополнительной) обмотке дугогасящей катушки ДК, схему управления СУ, которая через входной усилитель ВУ обеспечивает включение тиристорного коммутатора ТК, с помощью которого при ОЗЗ осуществляется наложение на сеть оперативного тока частотой 25 Гц.
БСР содержит частотный фильтр ЧФ, служащий для выделения из входного сигнала составляющей 25 Гц, орган измерения ОИ, который производит сравнение входного сигнала с опорным, исполнительный орган ИО, который подает команды на отключение силового выключателя и на срабатывание сигнализации.
Недостаток известного устройства защиты заключается в сложности выделения из токов в поврежденном присоединении составляющей оперативного тока непромышленной частоты.
Известно устройство защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, содержащее заземляющий трансформатор, первичные обмотки которого соединены по схеме звезды с заземленной нейтралью и подключены к контролируемой трехфазной сети, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и подключены к заземляющему резистору. Заземляющий резистор выполнен секционированным и содержит две последовательно соединенные секции, коммутируемую и некоммутируемую, причем параллельно коммутируемой секции заземляющего резистора подключен коммутатор, снабженный блоком управления, при этом в качестве коммутатора использован тиристорный ключ, содержащий два параллельно соединенных и встречновключенных тиристора, блок управления содержит релейный модуль и модуль управляющего напряжения, выход которого является выходом блока управления и подключен к входу коммутатора, релейный модуль содержит пусковой релейный орган и коммутационный релейный орган, причем их входы соединены между собой, являются входом блока управления и подключены к вторичным обмоткам заземляющего трансформатора, а выходы соединены с входами модуля управляющего напряжения.
Признаки известного устройства, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения:
1) заземляющий резистор, выполненный в виде последовательно соединенных коммутируемой и некоммутируемой секций;
2) использование тиристорного ключа в качестве коммутатора одной из секций заземляющего резистора;
3) использование блока управления тиристорным ключом.
Недостатками известного устройства защиты являются:
1) ограниченная область применения - в основном в сетях с малыми емкостными токами замыкания на землю;
2) невозможность селективной работы и недостаточная чувствительность защиты в сетях, где емкостной ток линии соизмерим с результирующим током замыкания на землю.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа защиты трехфазных сетей от ОЗЗ с повышенной селективностью и надежностью действия за счет повышения достоверности выявления поврежденной линии, а также устройства, реализующего предлагаемый способ.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе защиты трехфазной сети с резистивно-заземленной нейтралью от однофазных замыканий на землю, основанном на контроле тока нулевой последовательности линий, выделении из сложного сигнала результата контроля электрической величины, по которой фиксируют поврежденную линию, ток нулевой последовательности линий формируют путем коммутации одной из секций заземляющего резистора однонаправленным тиристорным ключом на долю полупериода промышленной частоты на интервале модуляции длительности поиска поврежденной линии, равным целому числу периодов напряжения смещения нейтрали. В соответствии с заявляемым способом контролируют мгновенные значения токов линий и тока заземляющего резистора, выделяют в момент срабатывания тиристорного ключа приращение тока заземляющего резистора и приращение тока линии, сравнивают приращения между собой и при совпадении упомянутых приращений мгновенных значений токов по величине фиксируют первый признак повреждения линии; одновременно измеряют или вычисляют среднее положительное и среднее отрицательное значения тока нулевой последовательности линии за полный период промышленной частоты, сравнивают между собой по величине упомянутые средние значения тока и по превышению положительного значения тока над отрицательным фиксируют второй признак повреждения линии и далее только при совпадении на интервале длительности поиска первого и второго упомянутых признаков повреждения окончательно фиксируют поврежденную линию.
Признаки, отличительные от прототипа, - ток нулевой последовательности линий формируют путем коммутации одной из секций заземляющего резистора однонаправленным тиристорным ключом на долю полупериода промышленной частоты на интервале модуляции длительности поиска поврежденной линии, равным целому числу периодов напряжения смещения нейтрали, контролируют мгновенные значения токов линий и тока заземляющего резистора, выделяют в момент срабатывания тиристорного ключа приращение тока заземляющего резистора и приращение тока линии, сравнивают их между собой и при совпадении упомянутых приращений мгновенных значений токов по величине фиксируют первый признак повреждения линии; одновременно измеряют или вычисляют среднее положительное и среднее отрицательное значения тока нулевой последовательности линии за полный период промышленной частоты, сравнивают между собой по величине упомянутые средние значения тока и по превышению положительного значения тока над отрицательным фиксируют второй признак повреждения линии и далее только при совпадении на интервале длительности поиска первого и второго упомянутых признаков повреждения окончательно фиксируют поврежденную линию.
Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают достоверность выявления именно поврежденной линии трехфазной сети, что позволяет создать защиту с повышенной селективностью и надежностью действия.
Коммутация позволяет создать специальную форму кривой тока через заземляющий резистор, который накладывается в точке замыкания на землю на емкостной ток сети, в результате чего формируют сложный по форме ток нулевой последовательности поврежденной линии, который содержит признаки повреждения.
Поставленная задача решается также за счет того, что в известном устройстве для защиты трехфазной сети с резистивно-заземленной нейтралью, содержащем заземляющий резистор в виде последовательно соединенных некоммутируемой и коммутируемой секций, тиристорный ключ с блоком управления, подсоединенный параллельно коммутируемой секции заземляющего резистора, общий для секции шин пороговый орган защиты, датчики тока нулевой последовательности для каждой защищаемой линии и блок защиты, реализующий функции измерений, логики и исполнительного устройства защиты, параллельно коммутируемой секции резистора подсоединен однонаправленный тиристорный ключ, блок управления тиристорным ключом своим входом подключен к выходу модулятора длительности поиска повреждения в сети, вход которого соединен с выходом порогового органа защиты, при этом блок защиты каждой защищаемой линии имеет следующие входы: вход сигнала с датчика тока нулевой последовательности данной линии; вход сигнала с датчика тока заземляющего резистора; вход сигнала управления тиристорным ключом; вход сигнала с модулятора длительности поиска. Блок защиты содержит два функциональных вычислительно-логических модуля защиты, контролирующих два признака повреждения линии, выходы функциональных модулей подключены к двум входам логического исполнительного органа защиты, на третий вход которого поступает сигнал с модулятора длительности поиска повреждения. Первый вычислительно-логический модуль защиты содержит два функциональных элемента для вычисления приращения тока заземляющего резистора и приращения тока линии и блок сравнения упомянутых приращений, причем первые входы функциональных элементов подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП), вторые их входы - к тем же выходам АЦП через элементы задержки на интервал дискретизации, третьи их входы подключены к блоку управления тиристорным ключом, выходы упомянутых функциональных элементов подключены к входам блока сравнения, а выход блока сравнения является выходом первого вычилительно-логического модуля защиты. Второй вычислительно-логический модуль защиты содержит управляемый интегратор отрицательных значений тока нулевой последовательности линии, управляемый интегратор положительных значений этого тока, цифровой синхронизатор работы интеграторов и блок сравнения средних значений тока линии, каждый из интеграторов подключен первым входом к АЦП, а вторым входом - к этому же АЦП через цифровой синхронизатор, выход первого интегратора подключен к первому входу элемента сравнения через управляемый элемент памяти, выход второго интегратора подключен к второму входу элемента сравнения, выход блока сравнения является выходом второго вычислительно-логического модуля защиты.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - параллельно коммутируемой секции резистора подсоединен однонаправленный тиристорный ключ, блок управления тиристорным ключом своим входом подключен к выходу модулятора длительности поиска повреждения в сети, вход которого соединен с выходом порогового органа защиты, при этом блок защиты каждой защищаемой линии имеет следующие входы: вход сигнала с датчика тока нулевой последовательности данной линии; вход сигнала с датчика тока заземляющего резистора; вход сигнала управления тиристорным ключом; вход сигнала с модулятора длительности поиска. Блок защиты содержит два функциональных вычислительно-логических модуля защиты, контролирующих два признака повреждения линии, выходы функциональных модулей подключены к двум входам логического исполнительного органа защиты, на третий вход которого поступает сигнал с модулятора длительности поиска повреждения. Первый вычислительно-логический модуль защиты содержит два функциональных элемента для вычисления приращения тока заземляющего резистора и приращения тока линии и блок сравнения упомянутых приращений, причем первые входы функциональных элементов подключены к выходам соответствующих АЦП, вторые их входы - к тем же выходам АЦП через элементы задержки на интервал дискретизации, третьи их входы подключены к блоку управления тиристорным ключом, выходы упомянутых функциональных элементов подключены ко входам блока сравнения, а выход блока сравнения является выходом первого вычислительно-логического модуля защиты. Второй вычислительно-логический модуль защиты содержит управляемый интегратор отрицательных значений тока нулевой последовательности линии, управляемый интегратор положительных значений этого тока, цифровой синхронизатор работы интеграторов и блок сравнения средних значений тока линии, каждый из интеграторов подключен первым входом к АЦП, а вторым входом - к этому же АЦП через цифровой синхронизатор, выход первого интегратора подключен к первому входу элемента сравнения через управляемый элемент памяти, выход второго интегратора подключен к второму входу элемента сравнения, выход блока сравнения является выходом второго вычислительно-логического модуля защиты.
Отличительные признаки заявляемого технического решения в совокупности с известными за счет того, что для целей защиты используется приращение мгновенного значения тока линии в момент преднамеренной коммутации секции заземляющего резистора при помощи однонаправленного тиристорного ключа и отличие средних положительных и отрицательных значений тока линии за период промышленной частоты, обеспечат достоверность выявления именно поврежденной линии трехфазной сети, что позволит создать защиту с повышенной селективностью и надежностью действия.
На фиг.1 приведена структурная схема защиты сети, на фиг.2 - блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - диаграммы изменения тока и напряжения поврежденной линии контролируемой сети и параметров предлагаемого устройства.
Способ защиты трехфазной сети с резистивно-заземленной нейтралью от ОЗЗ поясняется с помощью структурной схемы защиты сети (фиг.1).
Защищаемая электрическая сеть содержит пусковое звено защиты 1, блок защиты 2, группу линий 3, подключенных к общей секции шин, заземляющий резистор 4, состоящий из двух последовательно соединенных некоммутируемой и коммутируемой секций, однонаправленный тиристорный ключ 5, подсоединенный параллельно коммутируемой секции резистора 4, трансформатор 6 для присоединения заземляющего резистора 4, датчики 7 и 8, контролирующие ток заземляющего резистора и ток нулевой последовательности поврежденной линии.
0
В соответствии с заявленным способом при ОЗЗ по сигналу напряжения нулевой последовательности U, поступающего на пусковое звено 1 защиты, производят коммутацию (шунтирование) одной из секций заземляющего резистора 4 с помощью однонаправленного тиристорного ключа 5, формируя тем самым специальную форму кривой тока нулевой последовательности именно на поврежденной линии. Угол открывания тиристорного ключа 5 устанавливают таким, чтобы шунтирование части сопротивления заземляющего резистора 4 производилось кратковременно на долю полупериода напряжения смещения нейтрали сети и только на заданном интервале модуляции длительности поиска поврежденной линии, который равен целому числу периодов промышленной частоты.
С помощью датчиков 7 и 8 контролируют мгновенные значения тока нулевой последовательности защищаемых линий 3 сети и тока заземляющего резистора 4. В момент коммутации регистрируют приращение тока заземляющего резистора 4 и приращение тока линии 3, далее сравнивают их между собой и при совпадении упомянутых приращений по величине фиксируют это как первый признак повреждения линии.
Одновременно измеряют (или вычисляют по известным формулам и алгоритмам) среднее положительное и среднее отрицательное значения тока нулевой последовательности линии на соответствующих интервалах времени за полный период промышленной частоты, сравнивают между собой вычисленные значения и по превышению среднего положительного значения тока над средним отрицательным значением фиксируют второй признак повреждения.
Два признака повреждения линии используют для повышения достоверности выявления линии, на которой произошло ОЗЗ.
Для повышения помехозащищенности и надежности защиты коммутацию секции заземляющего резистора 4 производят на модулированном интервале длительности поиска повреждения в сети, который должен быть равен целому числу периодов напряжения смещения нейтрали сети.
Таким образом, предлагаемый способ защиты предусматривает наличие первого и второго признаков повреждения на интервале длительности поиска, и только при выполнении этого условия окончательно фиксируют поврежденную линию.
Устройство для осуществления способа защиты трехфазной сети с резистивно-заземленной нейтралью от ОЗЗ (фиг.2) содержит пусковое звено защиты 1, двухканальный блок 2 защиты линии, структурно состоящий из двух вычислительно-логических модулей: модуль 2-I - для выявления первого признака повреждения и модуль 2-II - для выявления второго признака повреждения линии.
Пусковое звено защиты 1 содержит на входе пороговый орган защиты 9, блок управления 10, подключенный первым входом через модулятор длительности поиска 11 к упомянутому блоку 9, а вторым - к входу порогового органа защиты 9.
Модуль 2-I блока защиты 2 содержит два функциональных элемента 12, каждый из которых подключен первым входом к входному АЦП 13 соответственно модуля 2-I и модуля 2-II, вторым входом - к этим же АЦП 13 через элементы задержки 14, а третьим входом - к выходу блока управления 10 пускового звена защиты 1; модуль 2-I также содержит блок сравнения 15, подключенный первым и вторым входами к выходам элементов 12 соответственно.
Модуль 2-II блока защиты 2 содержит два управляемых интегратора 16, каждый из которых подключен первым входом к АЦП 13 модуля 2-II, а вторым входом - к этому же АЦП через цифровой синхронизатор 17, а также содержит блок сравнения 18, подключенный первым и вторым входами к выходам упомянутых интеграторов 16 соответственно, причем первый вход блока сравнения 18 подключен через управляемый элемент памяти 19, который управляющим входом подключен ко второму выходу упомянутого синхронизатора 17.
Исполнительный орган защиты 20, являющийся общим для модулей 2-I и 2-II блока защиты 2, подключен первым входом к выходу модулятора 11 блока 1, а вторым и третьим входами соответственно к выходу блока сравнения 15 модуля 2-I и к выходу элемента сравнения 18 модуля 2-II.
Устройство защиты трехфазных сетей от ОЗЗ работает следующим образом.
0
0
0
0
RN
0Л
При возникновении в защищаемой сети ОЗЗ на вход порогового органа 9 защиты пускового звена 1 защиты поступает сигнал в виде напряжения нулевой последовательности U. Если U превышает заданную величину уставки, на выходе порогового органа 9 защиты формируется сигнал, который через модулятор 11 длительности поиска поврежденной линии поступает на блок управления 10 тиристорным ключом 5. Блок управления 10 синхронизирован с напряжением U и настроен так, что выходной импульс управления формируется на интервале полупериода напряжения U. Срабатывание тиристорного ключа 5 обеспечивает кратковременную коммутацию секции заземляющего резистора 4. Это приводит к изменению тока заземляющего резистора 4 i и тока нулевой последовательности i поврежденной линии.
Упомянутые токи контролируются с помощью датчиков 7 и 8 соответственно.
RN
0Л
Одновременно сигнал с датчика тока заземляющего резистора 7 iи сигнал с датчика тока нулевой последовательности линии 8 i поступают на соответствующие входы блоков 2 защиты линий, где они при помощи входных АЦП 13 преобразуются в цифровые коды и в таком виде поступают на первые входы соответствующих функциональных элементов 12. На вторые входы функциональных элементов 12 эти же сигналы поступают через элементы задержки 14 с заданным временем дискретизации. На третьи входы элементов 12 подается сигнал с выхода блока управления 10.
RN
0Л
RN
0Л
В одном функциональном элементе 12 вычисляется приращение мгновенного значения тока заземляющего резистора Δi, а во втором - приращение мгновенного значения тока линии Δi, которые затем сравниваются между собой по величине и во времени в блоке сравнения 15. В случае совпадения Δi и Δi по величине и во времени на выходе блока сравнения 15 формируется логический сигнал, указывающий на первый признак повреждения линии.
СР.0Л
СР.0Л
0Ё
0Л
Одновременно при помощи управляемых интеграторов 16 вычисляются среднее отрицательное (-I) и среднее положительное (+I) значения тока i за период промышленной частоты. При этом разрешающие операцию интегрирования сигналы поступают на управляемые входы упомянутых интеграторов 16 соответственно с первого и второго выходов цифрового синхронизатора 17. В свою очередь синхронизатор 17 формирует поочередно на своих выходах сигналы постоянного уровня до смены знака подводимого сигнала i.
СР.0Л
СР.0Л
Вычисленные значения (-I)) и (+I) поступают в блок сравнения 18, где они сравниваются между собой по величине, причем подключение первого интегратора 16 к упомянутому элементу 18 осуществляется через управляемый элемент памяти 19, который настроен на запоминание результата интегрирования на время работы второго интегратора 16.
СР.0Л
СР.0Л
При выполнении условия, что (+I) превышает (-I) на интервале времени, равном периоду промышленной частоты, на выходе блока сравнения 18 формируется логический сигнал, указывающий на второй признак повреждения линии.
МОД
Для срабатывания устройства защиты необходимо наличие на общем исполнительном органе защиты 20 трех сигналов: сигнала с модулятора длительности поиска 11 - U и разрешающих логических сигналов с блоков сравнения 15 и 18, указывающих соответственно на первый и второй признаки повреждения линии. Только в этом случае на выходе исполнительного органа 19 защиты окончательно формируется сигнал на срабатывание защиты.
0
C
МОД
УПР.
RN
0
0Л
СР.0Л
СР.0Л
СИНХ.1
СИНХ.2
Кривые на фиг.3а характеризуют изменение напряжения смещения нейтрали U и емкостного тока нулевой последовательности линии i. На фиг.3б приведены напряжения на выходе модулятора длительности поиска повреждения U и на выходе формирователя управляющих импульсов UКривая на фиг.3в показывает характер изменения тока заземляющего резистора i и приращение этого тока в момент коммутации (показан характерный случай коммутации при максимальном значении U). На фиг.3г приведена кривая изменения специально сформированного сложного по форме тока нулевой последовательности поврежденной линии i, который является результатом сложения емкостного тока линии и тока заземляющего резистора. Здесь же показаны средние значения этого тока (+I) и (-I) на интервалах периода промышленной частоты. На фиг.3д и 3е приведены соответственно выходные сигналы синхронизатора Uи U, которые используют для управления работой интеграторов на интервалах времени за полный период промышленной частоты.
Таким образом, предлагаемыми техническими решениями обеспечивается селективное выявление и отключение поврежденной линии в сети, что будет предотвращать возможное развитие ОЗЗ в еще более опасные аварийные междуфазные замыкания. При быстрой локализации повреждения уменьшается вероятность поражения электрическим током, снижается вероятность взрывов и пожаров. За счет повышения селективности и надежности действия защиты будут исключаться неоправданные отключения линий и перерывы в электроснабжении, сократятся простои оборудования, что будет способствовать повышению эффективности производства.
Литература
1. Евдокунин Г.А. и др. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. - «Электричество», №12, 1998.
2. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. Изд. 2-е, дополненное. ПЭИпк, С.-Петербург, 2003.
3. Пивняк Г.Г., Шкрабец Ф.П. Несимметричные повреждения в электрических сетях карьеров: Справочное пособие. - М.: Недра, 1993.
4. Патент РФ №2232457 Устройство защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью (варианты).