УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Полезная модель относится к электроэнергетике и предназначена для защиты электрических сетей напряжением 6-35 кВ с изолированной, компенсированной или заземленной через резистор нейтралью от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ).
Известно устройство защиты электрических сетей от ОЗЗ, содержащее, согласующий трансформатор, фильтр, подавляющий составляющие промышленной частоты и высшие гармоники с частотой более 2 кГц, реагирующий орган, включенный на выходе фильтра через измерительный мост [см. В.А.Шуин, А.В.Гусенков. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - Москва, 2001].
Недостатком известного устройства является сложная зависимость состава и уровня естественных гармоник в токе замыкания от числа линий и сопротивления в месте повреждения, вследствие этого оно обладает низкой чувствительностью и селективностью действия защиты.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство дистанционной защиты трехфазных сетей от ОЗЗ, содержащее блок формирования компенсированных фазных напряжений трех фаз (измерительно-вычислительный модуль) с выводами для подключения к защищаемой сети, блок формирования напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, с выходами для подключения к защищаемой сети, фазоповоротные блоки, блоки формирования активных и реактивных составляющих сопротивления, квадраторы, умножители, сумматоры, блок опорного напряжения, логический блок «И» (исполнительный орган защиты) [см. авторское свидетельство №1379860 от 07.03.88]. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели - измерительно-вычислительный модуль, три входа которого подключены к выходам трех измерительных трансформаторов токов фаз линии; три входа измерительно-вычислительного модуля подключены к общему для секции шин измерительному трансформатору напряжения; сумматор; исполнительный орган защиты.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является недостаточная чувствительность при замыканиях на землю через переходные сопротивления.
Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель-повышение чувствительности и селективности действия защиты за счет увеличения полезного сигнала на срабатывание защиты и, следовательно, повышения достоверности выявления поврежденной линии в сети.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известное устройство защиты трехфазной сети от ОЗЗ, содержащее на каждой линии сети измерительно-вычислительный модуль, три входа которого подключены к выходам трех измерительных трансформаторов токов фаз линии, а три других входа подключены к общему для секции шин измерительному трансформатору напряжения, сумматор и исполнительный орган защиты, введены управляемый блок памяти, пусковой орган защиты и блок для вычисления среднеквадратичного значения приращения результирующей переменной составляющей мощности, при этом выход измерительно-вычислительного модуля соединен с первым входом сумматора и с первым входом управляемого блока памяти, инверсный выход которого подключен ко второму входу сумматора, второй вход управляемого блока памяти соединен с выходом пускового органа защиты, имеющего уставку на срабатывание по напряжению смещения нейтрали сети, вход пускового органа защиты соединен с общим для секции шин измерительным трансформатором напряжения, выход сумматора соединен с входом блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения результирующей 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.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - управляемый блок памяти; пусковой орган защиты; блок для вычисления среднеквадратичного значения приращения результирующей переменной составляющей мощности; выход измерительно-вычислительного модуля соединен с первым входом сумматора и с первым входом управляемого блока памяти; инверсный выход управляемого блока памяти подключен ко второму входу сумматора; второй вход управляемого блока памяти соединен с выходом пускового органа защиты, имеющего уставку на срабатывание по напряжению смещения нейтрали сети; вход пускового органа защиты соединен с общим для секции шин измерительным трансформатором напряжения; выход сумматора соединен с входом блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения результирующей мощности; выход блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения результирующей переменной составляющей мощности соединен с исполнительным органом защиты, имеющим уставку на срабатывание по приращению мощности и срабатывающим «на сигнал» или отключение поврежденной линии.
Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают увеличение полезного сигнала на срабатывание защиты и, следовательно, повышение достоверности выявления поврежденной линии в сети, что позволяет создать защиту с повышенной чувствительностью и селективностью действия.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства защиты трехфазной сети от ОЗЗ.
На фиг.2 показан исполнительный орган защиты, работающий по принципу максиселектора.
Защищаемая электрическая сеть содержит секцию шин 1 с группой присоединенных линий 2. Устройство защиты трехфазной сети от ООЗ содержит на каждой линии 2 сети (фиг.1) измерительно-вычислительный модуль 3, три входа которого подключены к выходам трех измерительных трансформаторов токов 4 фаз линии. Другие три входа измерительно-вычислительного модуля 3 соединены с общим для секции шин измерительным трансформатором напряжения 5 для контроля линейных напряжений и напряжения смещения нейтрали сети. Выход измерительно-вычислительного модуля 3 связан с первым входом сумматора бис первым входом управляемого блока памяти 7. Второй вход управляемого блока памяти 7 соединен с выходом пускового органа защиты 8, имеющего уставку на срабатывание по напряжению смещения нейтрали. Вход пускового органа защиты 8 соединен с общим для секции шин измерительным трансформатором напряжения 5. Инверсный выход управляемого блока памяти 7 подключен ко второму входу сумматора 6. Выход сумматора 6 соединен с входом блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения результирующей переменной составляющей мощности 9. Выход блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения мощности 9 соединен с исполнительным органом защиты 10, имеющим уставку на срабатывание по приращению мощности и срабатывающим «на сигнал» или отключение поврежденной линии.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
СР
На входы модуля 3 каждой защищаемой линии подаются три линейные напряжения сети и токи трех фаз линии 2. В модуле 3 производится вычисление мгновенной мощности линии ρ(t) с учетом первой гармоники и высших гармонических составляющих напряжений и токов, среднего значения мощности P и выделение результирующей переменной составляющей мощности в виде
П
где ρ(t) - пульсирующая мощность частотой 100 Гц;
ДОП
ρ(t) - дополнительная переменная составляющая мощности, обусловленная высшими гармониками.
Сигнал с выхода модуля 3 поступает на вход управляемого блока памяти 7 и на первый вход сумматора 6.
В управляемом блоке памяти 7 до возникновения ОЗЗ производится постоянное запоминание текущих значений результирующей переменной составляющей мощности с небольшим шагом дискретизации и на некоторых одинаковых промежутках времени, например, в течение каждого периода промышленной частоты. Запомненная информация фиксируется по принципу сдвигового регистра. При возникновении устойчивого ОЗЗ срабатывает пусковой орган защиты 8. По сигналу, поступающему на управляемый блок памяти 7 от пускового органа защиты 8, запоминание останавливается. С инверсного выхода управляемого блока памяти 7 запомненный непосредственно перед ОЗЗ сигнал поступает на второй вход сумматора 6.
Сумматор 6 реализует операцию «вычет», в результате которой на выходе сумматора 6 формируется сигнал в виде приращения результирующей суммарной переменной составляющей мощности линии при замыкании на землю согласно выражению
где ,  - соответственно пульсирующая мощность и дополнительная переменная составляющая мощности при ОЗЗ;
,  - соответственно приращение пульсирующей мощности и приращение дополнительной переменной составляющей мощности при ОЗЗ.
То есть этот сигнал равен разности мгновенного значения результирующей переменной составляющей мощности линии при ОЗЗ и аналогичного запомненного до ОЗЗ значения мощности.
Сигнал на выходе сумматора 6 представляет собой сложную временную функцию, так как он содержит в себе одновременно и приращение пульсирующей мощности частотой 100 Гц и приращение дополнительной переменной составляющей мощности линии, обусловленной высшими гармониками напряжений и токов.
В новой защите используются обе составляющие приращения мощности при ОЗЗ, что увеличивает действующее значение выходного полезного сигнала. Для этого выходной сигнал с сумматора 6 подается на вход блока для вычисления среднеквадратичного (эффективного) значения приращения результирующей мощности 9. Работа блока 9 основана на том, что среднеквадратичное значение несинусоидальной периодической функции, представленной спектром гармоник, зависит от амплитуд всех гармоник [Основы теории цепей / Г.В.Зевеке и др. - 5-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989]. То есть на выходе блока 9 формируется сигнал в виде действующего значения приращения результирующей мощности
Пт
где ΔР - амплитуда приращения пульсирующей мощности;
ДОП.νт
ΔР - амплитуда приращения дополнительной переменной составляющей мощности ν-й гармоники;
ν - порядковый номер высшей гармоники.
Величина этого сигнала всегда будет большей благодаря учету в работе защиты высших гармоник.
Таким образом, за счет учета в блоке 9 дополнительной переменной составляющей мощности результирующий полезный сигнал защиты увеличивается. Причем, увеличение сигнала будет наибольшим на поврежденной линии, что будет способствовать повышению чувствительности защиты.
На всех неповрежденных линиях сети приращения мощности при ОЗЗ будут равны нулю или будут в виде незначительных сигналов помех [Сапунков М.Л., Худяков А.А. Аналитическое обоснование нового способа защиты трехфазных сетей от однофазных замыканий на землю. «Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений». - М.: ОАО «ВНИИО-ЭНГ», 2008, №8].
Чтобы поврежденную линию можно было выявить с наибольшей чувствительностью и достоверностью, в предлагаемой полезной модели для вычислений мгновенной мощности линии и ее составляющих в измерительно-вычислительном блоке 2 используются три линейных напряжения сети без сдвига по фазе, которые контролируются имеющимся на секции шин измерительным трансформатором напряжения. Это обеспечивает удобство подключения устройств защиты. Использование линейных напряжений способствует увеличению контролируемых сигналов без нарушения соотношений составляющих мгновенной мощности линии. Кроме того, использование линейных напряжений позволяет учесть возможную несинусоидальность напряжений источника питания и ее влияние на естественный гармонический состав токов защищаемых линий.
Сформированный выходной сигнал с блока для вычисления среднеквадратичного значения приращения результирующей переменной составляющей мощности 9 подается на исполнительный орган защиты 10. Исполнительный орган срабатывает «на сигнал» или отключение поврежденной линии, если контролируемое приращение мощности этой линии превысит уставку на срабатывание защиты.
Если алгоритм функционирования защиты предусматривает относительное сравнение контролируемых приращений мощности при ОЗЗ, то выходные сигналы блоков 9 всех защищаемых линий подаются на входы общего для группы линий исполнительного органа защиты 10 (фиг.2), работающего по принципу максиселектора. В таком случае при возникновении в сети ОЗЗ только на одном выходе исполнительного органа 10 появится сигнал на срабатывание защиты именно поврежденной линии.
Для практической реализации предлагаемой защиты от ОЗЗ могут быть использованы известные устройства и функциональные элементы. Для подключения к сети защиты каждой линии можно использовать обычные трансформаторы тока и один общий на секцию шин трансформатор напряжения. Измерительно-вычислительный модуль и все другие функциональные элементы защиты наиболее просто можно реализовать с применением микропроцессорных устройств. Использование цифровых элементов позволит создать быстродействующую и точную защиту от ОЗЗ с повышенной чувствительностью и селективностью действия.
Использование в предлагаемой защите дополнительной переменной составляющей мощности, обусловленной высшими гармониками, совместно с пульсирующей мощностью линии согласно (4) способствует увеличению полезного сигнала защиты. Дополнительная составляющая контролируемого приращения мощности является дополнительным информационным и количественным признаком возникновения ОЗЗ. Так как именно на поврежденной линии приращение мощности при ОЗЗ зависит от полного для данной сети тока однофазного замыкания и уровень высших гармоник наиболее высок в токе замыкания на землю, то благодаря этому в предлагаемой защите именно на поврежденной линии будет формироваться наибольший по величине полезный сигнал защиты. Это в конечном итоге будет способствовать повышению чувствительности и селективности работы защиты от ОЗЗ.
Преимущество полезной модели состоит в том, что за счет повышения чувствительности и селективности действия защиты будут исключаться неоправданные отключения линий и перерывы в электроснабжении потребителей, сократятся простои оборудования, что способствует повышению эффективности производства. При быстром отключении поврежденных линий уменьшится вероятность электротравм, снизится вероятность взрывов и пожаров, что наиболее важно для горных, нефтегазовых и аналогичных по опасности предприятий.