УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЛИНИИ С ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
DEVICE FOR DISCONNECTION OF LINE WITH GROUND FAULT IN NETWORK WITH INSULATED NEUTRAL

Изобретение относится к области электроснабжения потребителей по воздушным линиям электропередачи напряжением 6, 10, 35 кВ. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью не отключаются релейными защитами линий из-за малых емкостных токов, такое повреждение только сигнализируется на питающей подстанции за счет изменения фазных напряжений. На отыскание и локализацию повреждения в электрических сетях отводится в среднем два часа, а иногда отыскивают десятки часов. За это время соединение фазного провода с землей представляет угрозу для жизни людей и животных, приближающихся к проводу, лежащему на земле, или к опоре с поврежденной изоляцией. Поэтому желательно быстро отключать линию с замыканием на землю, особенно, если линия проходит по населенному пункту. Кроме этого замыкание на землю одной фазы приводит к повышению фазных напряжений, от которых пробивается изоляция другой фазы, что приводит к отключению одной или двух линий от токов двойного замыкания на землю.
Известен способ селективной защиты от замыканий на землю в электрической сети с малыми токами замыкания на землю [1] по которому измеряются токи нулевой последовательности всех отходящих присоединений и выявляется сигнал с минимальным фазовым сдвигом относительно базового сигнала, а базовый сигнал формируется суммированием мгновенных значений токов нулевой последовательности всех присоединений.
Недостатком этого способа является необходимость применения на каждой линии трансформаторов токов нулевой последовательности, которые можно установить только на кабельной вставке в воздушную линию.
0
Известно устройство для отключения линий при замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью [2], содержащее подключаемые к трансформатору токов нулевой последовательности 3I фильтры высших гармонических составляющих и фильтры 50 Гц в токе замыкании на землю в силовой сети, а выходы фильтров через пороговые органы, элемент «ИЛИ» и элемент выдержки времени действуют на отключение выключателя линии.
Недостатком этого устройства является необходимость применения на каждой линии трансформаторов тока нулевой последовательности, которые устанавливаются только на кабельных линиях или на кабельных вставках в воздушную линию. На большинстве подстанций в сельской местности кабельные вставки по экономическим соображениям не устанавливают.
В сельской местности большинство потребителей получает электроэнергию от трансформаторных пунктов 10/0,4 кВ, подключенных к воздушным линиям электропередачи 10 кВ. Управление линиями электропередачи осуществляется выключателями с переменным оперативным током, поэтому наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является устройство для управления выключателем линии на переменном оперативном токе [3]. Устройство содержит подключенные к шинам подстанции через силовые выключатели линии электропередачи, источник оперативного переменного тока, к которому на каждом выключателе подключены:
- последовательно соединенные первый размыкающий конечный выключатель включающих пружин и электродвигатель редуктора;
- через контакт «отключить» ключа управления на три положения с самовозвратом, через первый замыкающий вспомогательный контакт силового выключателя соленоид отключения;
- через последовательно соединенные: съемную перемычку, контакт аварийного отключения, проскальзывающий контакт реле времени автоматического повторного включения (АПВ), катушку первого указательного реле, замыкающий конечный выключатель включающих пружин, второй размыкающий вспомогательный контакт силового выключателя, соленоид включения; причем между нулевым проводом и точкой соединения блок-контакта аварийного отключения и контакта реле времени АПВ подключена цепочка из последовательно соединенных катушки реле времени АПВ и третьего размыкающего вспомогательного контакта силового выключателя, а между фазным проводом и точкой соединения катушки первого указательного реле и замыкающего конечного выключателя включающих пружин подключен контакт «включить» ключа управления на три положения с самовозвратом.
Недостатком этого устройства является невозможность автоматического выбора и отключения только той линии, на которой произошло замыкание на землю.
Указанные недостатки устраняются тем, что в предлагаемом устройстве к шинам подстанции присоединены через силовые выключатели линии электропередачи, источник оперативного переменного тока, к которому на каждом выключателе подключены:
- последовательно соединенные первый размыкающий конечный выключатель включающих пружин и электродвигатель редуктора;
- через контакт «отключить» ключа управления на три положения с самовозвратом, через первый замыкающий вспомогательный контакт силового выключателя соленоид отключения;
- через последовательно соединенные: съемную перемычку, контакт аварийного отключения, проскальзывающий контакт реле времени автоматического повторного включения (АПВ), катушку первого указательное реле, замыкающий конечный выключатель включающих пружин, второй размыкающий вспомогательный контакт силового выключателя, соленоид включения; причем между нулевым проводом и точкой соединения блок-контакта аварийного отключения с контактом реле времени АПВ подключена цепочка из последовательно соединенных катушки реле времени АПВ и третьего размыкающего вспомогательного контакта силового выключателя, а между фазным проводом и точкой соединения катушки первого указательного реле с замыкающим конечным выключателем включающих пружин подключен контакт «включить» ключа управления на три положения с самовозвратом, а также к шинам подстанции присоединен трансформатор напряжения, ко вторичной обмотке которого, соединенной в разомкнутый треугольник, подключено реле напряжения с замыкающим и размыкающими контактами, а к фазному и нулевому проводам упомянутого источника переменного оперативного тока подключены первый и второй входы программного реле времени и входы однофазного двухполупериодного диодного моста, первый выход которого через замыкающий контакт реле напряжения соединен с третьим входом программного реле времени, у которого четвертый вход соединен со вторым выходом диодного моста, а к выходам программного реле времени в цепи управления каждого силового выключателя присоединены последовательно соединенные зарядное сопротивление и связанный со вторым выходом диодного моста конденсатор, параллельно которому подключены последовательно соединенные пороговый орган и катушка промежуточного реле, имеющего первый замыкающий контакт, шунтирующий контакт «отключить» ключа управления, и второй замыкающий контакт, подключающий через размыкающий контакт реле напряжения к выходам диодного моста в цепи управления каждого выключателя катушку второго указательного реле, размыкающие контакты которого включены в рассечку упомянутой цепочки из последовательно соединенных катушки реле времени АПВ и третьего размыкающего вспомогательного контакта силового выключателя.
На фиг. 1 представлена схема подключения цепей к шинам питающей подстанции. К шинам 4 подстанции подключены: - через выключатель 1 воздушная линия электропередачи 3; - через выключатель 2 воздушная линия электропередачи 5, на которой в точке 6 произошло замыкание на землю; - через коммутационный аппарат 7 источник питания собственных нужд 8 с автоматическим выключателем 19; - через коммутационный аппарат 9 трансформатор напряжения 10 с первичной обмоткой 10.1, соединенной в звезду с заземленной нулевой точкой, со вторичной обмоткой 10.2, к которой подключаются обмотки напряжения счетчиков и вольтметр (на схеме не показаны) и с третьей обмоткой 10.3, соединенной в разомкнутый треугольник. К выходу обмотки 10.3 подключена катушка 11.1 реле напряжения 11 с замыкающим контактом 11.2 и с размыкающим контактом 11.3.
От одной фазы источника собственных нужд 8 фазный провод 12 подключен к одному входу двухполупериодного выпрямителя 14, а другой вход выпрямителя 14 подключен к нулевому проводу 13, отходящему от источника собственных нужд 8. Фазный провод 12 и нулевой провод 13 соединены соответственно с первым 17.01 и вторым 17.02 входами программного реле времени 17. Первая выходная клемма (+) диодного моста 14 проводом 15 соединена с входом размыкающего 11.3 и входом замыкающего 11.2 контактов реле напряжения 11. Вторая выходная клемма (-) диодного моста проводом 16 связана с четвертым входом 17.04 программного реле времени и со схемами управления выключателями (провода 16.1, 16.2, 16.i). Выход замыкающего 11.2 контакта реле напряжения 11 соединен с третьим входом 17.03 программного реле времени. В программном реле времени выходные контакты проводами 17.1, 17.2 и 17.i соединены со схемами управления выключателей. К выходным контактам 17.1, 17.2, 17.i подключаются провода только от тех выключателей, которые должны отключаться при замыканиях фазы на землю, особенно на тех линиях, которые проходят через населенные пункты.
Питание схем управления выключателями 1 и 2 осуществляется фазным напряжением от источника собственных нужд 8 проводами фаза 20(1), 20(2) и нуль (13(1), 13(2). В схемах управления выключателями 1 и 2 использованы идущие от второй выходной клеммы (-) диодного моста 14 провода 16(1), 16(2). С выхода размыкающего 11.3 контакта реле напряжения 11 в схемы управления выключателями 1 и 2 проложены провода 18(1), 18(2).
Питание схемы управления i-м выключателем осуществляется проводами 20(i) - фаза, 13(i) - нуль. Провода 20.i, 13.i, 16.i, 17.i, 18.i прокладываются до ячейки i-ro выключателя. В схеме управления i-м выключателем использован идущий от второй выходной клеммы (-) диодного моста 14 провод 16(i). С выхода размыкающего 11.3 контакта реле напряжения 11 в схему управления i-м выключателем проложен провод 8(i).
На фиг. 2 представлена схема управления выключателем 1 на переменном оперативном токе, для этого по проводам 20(1) и 13(1) через автоматический выключатель 34(1) подается фазное напряжение от источника питания 8 (фиг. 1). В схеме управления выключателя 1 (в скобках (1) показывает принадлежность к схеме управления выключателем 1) используются: -замыкающие вспомогательные контакты силового выключателя 1.1; - размыкающие вспомогательные контакты силового выключателя 1.2 и 1.3; - электродвигатель 21(1) для растяжения через редуктор включающих пружин; - размыкающий конечный выключатель включающих пружин 22.1(1), замыкающий конечный выключатель включающих пружин 22.2(1); - ключ управления 35(1) на три положения с самовозвратом: при повороте влево замыкается контакт «отключить» верхнего пакета ключа управления, при повороте вправо замыкается контакт «включить» нижнего пакета ключа управления, после поворотов в положения «отключить» и «включить» ключ при отпускании пружиной возвращается в исходное положение; - соленоид отключения выключателя 24(1); - соленоид включения выключателя 25(1); - съемная перемычка 26(1), позволяющая отключать автоматическое повторное включение (АПВ); - блок-контакт аварийного отключения 27(1), размыкающийся только при отключении выключателя от ключа управления 35(1) и остается замкнутым при автоматическом отключении, при включении силового выключателя блок-контакт 27(1) замыкается; - реле времени АПВ 28(1) с катушкой и с контактом, имеющим выдержку времени на замыкание; - первое указательное реле 23(1), фиксирующее факт срабатывания АПВ.
Для управления выключателем 1 при замыкании на землю на любой воздушной линии, подключенной к шинам 4, введены (фиг. 2):
- указательное реле 33(1) с размыкающим контактом; - последовательно соединенные резистор 29(1) и конденсатор 30(1), который заряжается от диодного моста 14 через контакт 17.1 программного реле времени 17 и замыкающий контакт 11.2 реле напряжения 11 при замыкании на землю в высоковольтной сети;
- параллельно конденсатору 30(1) включена цепочка из последовательно соединенных порогового элемента (динистора) 31(1) и катушки промежуточного реле 32(1), которая управляет замыкающими контактами 32.1(1) и 32.2(1): замыкающий контакт 32.1(1) шунтирует верхний пакет ключа управления «отключить» 35(1), а замыкающий контакт 32.2(1) через размыкающий контакт 11.3 реле напряжения 11 подает питание от диодного моста 14 на катушку второго указательного реле 33(1), размыкающий контакт которого разрывает цепь питания катушки реле времени АПВ 28(1).
Включение выключателя 1 может осуществляться ключом управления 35(1) и от действия АПВ, а отключение выключателя 1 осуществляется ключом управления 35(1) или от действия релейной защиты, действующей на отдельную планку отключения в приводе выключателя. В процессе отключения от ключа управления 35(1) блок-контакт 27(1) размыкается, при отключении от схемы замыканий на землю и от релейной защиты линии он остается замкнутым.
Рассмотрим управление выключателя от ключа управления 35(1). После включения автоматического выключателя 34(1) в фазном проводе 20(1) через первый размыкающий конечный выключатель включающих пружин 22.1(1) подается питание на электродвигатель 21(1). Электродвигатель 21(1) через редуктор растягивает пружины включения, в конце растяжения включающие пружины становятся на первую защелку, а размыкающий, конечный выключатель включающих пружин 22.1(1) размыкается, электродвигатель 21(1) останавливается, и одновременно замыкается замыкающий конечный выключатель включающих пружин 22.2(1) в цепи соленоида включения 25(1).
Для включения выключателя 1 вручную ключ управления 35(1) поворачивают вправо, замыкается контакт нижнего пакета «включить» выключателя, тогда от источника оперативного тока 8 протекает ток через контакт нижнего пакета ключа управления 35(1), через замкнувшийся конечный выключатель включающих пружин 22.2(1), через второй размыкающий вспомогательный контакт 1.2 силового выключателя, через соленоид включения 25(1). Сердечник соленоида 25(1) ударяет по первой защелке, удерживающей включающие пружины в растянутом состоянии, включающие пружины сжимаются и поворачивают вал выключателя, в результате главные контакты выключателя 1 замыкаются и одновременно изменяют свое состояние вспомогательные контакты силового выключателя. Вспомогательный контакт 1.2 размыкается, разрывая ток, протекающий через соленоид включения 25(1), вспомогательный контакт 1.3 в цепи пуска АПВ размыкается, вспомогательный контакт 1.1 в цепи соленоида отключения 24(1) замыкается, подготавливая выключатель к отключению. В процессе сжатия включающих пружин растягиваются менее мощные пружины отключения и устанавливаются на вторую защелку. При сжавшихся пружинах включения их конечный выключатель 22.1(1). замыкается, а конечный выключатель 22.2(1) размыкается, что разрывает цепь соленоида включения 25(1) выключателя при сжатых пружинах. Включающие пружины электродвигателем 21(1) через редуктор снова растягиваются, становятся на первую защелку, конечный выключатель 22.1(1) пружин включения размыкается, электродвигатель останавливается, а конечный выключатель 22.2(1) замыкается, подготавливая схему для последующего включения выключателя от ключа управления 23(1) или от АПВ.
Для отключения выключателя 1 вручную ключ управления 35(1) поворачивают влево, замыкается контакт верхнего пакета «отключить» ключа управления 35(1). Тогда от источника оперативного тока 8 протекает ток через контакт верхнего пакета ключа управления 35(1), через замкнувшийся вспомогательный контакт силового выключателя 1.1, через соленоид отключения 24(1). Сердечник соленоида 24(1) ударяет по второй защелке, удерживающей пружины отключения в растянутом положении, вал выключателя 1 поворачивается, размыкаются силовые контакты в линии 3 (10 кВ), а вспомогательные контакты выключателя 1 изменяют свое положение, и потребители, подключенные к линии 3 обестачиваются. Вспомогательный контакт 1.1 разрывает цепь соленоида отключения 24(1), вспомогательный контакт 1.2. замыкается, вспомогательный контакт 1.3 также замыкается, но через него не протекает оперативный ток, так как блок-контакт аварийного отключения 27(1) размыкается.
Аналогично включается и отключается от ключа управления 35(2) выключатель 2, при рассмотрении схемы следует обозначения (1) заменить на обозначение (2).
Рассмотрим работу схемы управления выключателем 1 на той линии, где нет замыкания на землю. Пусть замыкание фазного провода на землю произошло в точке 6 на линии 5, управляемой выключателем 2. В исходном положении выключатели 1 и 2 (фиг. 1) включены и их включающие пружины растянуты и готовы к повторному включению выключателей. Замыкание фазного провода на землю в точке 6 на линии 5 приводит к искажению фазных напряжений, на всех линиях, подключенных к шинам 4. Искаженные фазные напряжения подводятся к первичной обмотке 10.1 трансформатора напряжения 10 и на его вторичной обмотке 10.3, соединенной в разомкнутый треугольник появляется напряжение до 100 В. От этого напряжения срабатывает реле напряжения 11, его контакт 11.2 замыкается, а контакт 11.3 размыкается. Через замкнувшийся контакт 11.2 подается (+) по проводу 15 от диодного моста 14 на вход 17.4 программного реле времени 17, которое начинает отсчет времени. Через небольшой промежуток времени появляется напряжение на выходной клемме 17.1 и удерживается примерно 5…6 секунд. От напряжения между клеммой 17.1 и проводом 16(1) (фиг.2) через резистор 29(1) заряжается конденсатор 30(1). При определенном уровне напряжения на конденсаторе 30(1) открывается пороговый орган (динистор) 31(1) и конденсатор 30(1) разряжается на катушку реле 32(1). Пока не разрядится конденсатор 30(1) реле 32(1) находится в сработавшем состоянии с выдержкой времени на размыкание в пределах 2 секунд. За это время контакт 32.1(1) замыкается и через замкнутый вспомогательный контакт выключателя 1.1 подает питание на соленоид отключения 24(1). Сердечник соленоида 24(1) ударяет по второй защелке, удерживающей пружины отключения в растянутом положении, вал выключателя 1 поворачивается, размыкаются силовые контакты в линии 3, а вспомогательные контакты изменяют свое положение. Вспомогательный контакт 1.1 разрывает цепь соленоида отключения 24(1), вспомогательный контакт 1.2. замыкается и вспомогательный контакт 1.3 также замыкается и подает питание через размыкающий контакт 33(1) указательного реле на катушку 28(1) реле времени АПВ. Реле времени отсчитывает время примерно 5 секунд. Одновременно с замыканием контакта 32.1(1) замыкается контакт 32.2(1), второе указательное реле 33(1) не срабатывает, так как замыкание на землю не ликвидировалось (замыкание на землю на другой линии) и контакт 11.3 реле напряжения 11 остается разомкнутым. После отсчета выдержки времени 5 секунд замыкаются контакт реле времени АПВ 28(1). Тогда протекает ток через накладку 26(1), блок-контакт 27(1), контакт реле времени 28(1), катушку первого указательного реле 23(1), замкнувшийся при растянутых включающих пружинах конечный выключатель 22.1(1), через вспомогательный контакт выключателя 1.2 и через соленоид включения 25(1). Сердечник соленоида 25(1) ударяет по первой защелке, удерживающей включающие пружины в растянутом состоянии, включающие пружины сжимаются и поворачивают вал выключателя, в результате главные контакты выключателя 1 замыкаются и одновременно изменяют свое состояние вспомогательные контакты силового выключателя. Вспомогательный контакт 1.2 размыкается, разрывая ток, протекающий через соленоид включения 25(1), вспомогательный контакт 1.3 в цепи пуска АПВ размыкается, вспомогательный контакт 1.1 в цепи соленоида отключения 24(1) замыкается, подготавливая выключатель к отключению. При сжатых пружинах включения замыкается конечный выключатель 22(1), и электродвигатель 21(1) через редуктор растягивает включающие пружины, которые удерживаются первой защелкой. Таким образом АПВ восстанавливается питание потребителей через выключатель 1 по линии 3. Потребители, подключенные к линии 3, теряют питание только на время действия АПВ, примерно 5 сек. По выпавшему флажку указательного реле 23.1 обслуживающий персонал определяет, что АПВ на линии 1 успешное.
По фиг. 3 рассмотрим работу схемы управления выключателем 2; питающим линию 5, на которой в точке 6 произошло замыкание на землю одной фазы. На выходах программного реле времени 17 примерно через 7…8 секунд после исчезновения сигнала с клеммы 17.1 появляется напряжение на клемме 17.2. От искаженных фазных напряжений реле напряжения 11 находится в сработавшем состоянии, его контакт 11.2 замкнут, а контакт 11.3 разомкнут.Включающие пружины выключателя 2 растянуты и этим самым подготовлены к действию АПВ. От напряжения между клеммой 17.2 и проводом 16(2) (фиг. 3) через резистор 29(2) заряжается конденсатор 30(2). При определенном уровне напряжения на конденсаторе 30(2) открывается пороговый орган (динистор) 31(2) и конденсатор 30(2) разряжается на катушку реле 32(2). Пока не разрядится конденсатор 30(2) реле 32(2) находится в сработавшем состоянии в пределах 2 секунд. За это время контакт 32.1(2) замыкается и через замкнутый вспомогательный контакт выключателя 2.1 подает питание на соленоид отключения 24(2). Сердечник соленоида 24(2) ударяет по второй защелке, удерживающей пружину отключения в растянутом положении, вал выключателя 2 поворачивается, размыкаются силовые контакты выключателя в линии 5, а вспомогательные контакты изменяют свое положение. Вспомогательный контакт 2.1 разрывает цепь соленоида отключения 24(2), вспомогательный контакт 2.2. замыкается и вспомогательный контакт 2.3 также замыкается и подает питание через размыкающий контакт 33(2) указательного реле на катушку 28(2) реле времени АПВ. Реле времени начинает отсчет времени примерно 5 секунд. Одновременно с замыканием контакта 32.1(2) замыкается контакт 32.2(2). Но при отключении выключателя 2 исчезает несимметрия фазных напряжений и к обмотке 10.1 трансформатора напряжения 10 подводится симметричное фазное напряжение. Тогда на выходе обмотки 10.3, соединенной в разомкнутый треугольник, напряжение исчезает, реле напряжения размыкает замыкающие контакты 11.2 и замыкает размыкающие контакты 11.3. Тогда через размыкающие контакты 11.3 и через замкнувшийся контакт 32.2(2) подается питание от выпрямительного моста 14 по проводам 18.(2) и 16(2) на катушку второго указательного реле 33(2). Реле 33(2) срабатывает, и его контакты разрывают цепь питания катушки реле времени АПВ 28(2), указательное реле 33(2) возвращается в исходное состояние только вручную. Поэтому выключатель 2 остается в отключенном состоянии, несмотря на то, что через 30…40 секунд электродвигатель 21(2) растянет включающие пружины. По выпавшему флажку указательного реле 33(2) обслуживающий персонал определяет, что на линии произошло замыкание на землю.
После размыкания контактов 11.2 реле напряжения 11 программное реле времени 17 возвращается в исходное состояние (фиг. 1).
Таким образом примерно через 10-15 секунд после замыкания на землю отключается линия с поврежденной фазной изоляцией, если на линии 2 не обнаружится замыкание на землю, то программное реле времени 17 поочередно подает команды на отключение других линий, пока не отключит линию с поврежденной изоляцией, подключенной к шинам 4. Этим обеспечивается безопасная эксплуатация линий при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью. В первую очередь цепи отключения и включения от АПВ при замыканиях на землю выполняется на тех линиях, которые проходят через населенные пункты.
Использованные источники
1. Патент №2529684 по классу Н02Н 3/16. Способ селективной сигнализации от замыканий на землю в электрической сети с малыми токами замыкания на землю. Опубл. 27.09.2014
2. Микропроцессорное устройство защиты «Сириус-2-Л». Руководство по эксплуатации. Паспорт. - М.: ЗАО «Радиус-автоматика». - 60 с. (стр. 12, рис. 2).
3. Шабад М.А. Защита и автоматика электрических сетей агропромышленных комплексов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. Отд-ие, 1987. - 120 с (стр. 51, рис. 23).