СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
METHOD OF PROTECTION THE GENERATOR FROM THE EARTH FAULT

Изобретение относится к области электротехники, а именно к защите генератора от замыканий на землю.
Известен способ защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, реализованный в устройстве (SU №221121 А1, опубл. 01.07.1968 г.), согласно которому для каждой фазы генератора выделяют остаточный сигнал путем удаления из фазных токов основной гармоники и определяют характеристический параметр, пропорциональный действующему значению остаточного сигнала. Выявляют признак замыкания на землю, сравнивая характеристические параметры фаз между собой.
Способ реализует защиту генератора с относительной селективностью, реагирующую на действующее значение суммы высших гармоник.
Недостатком аналога защиты является неспособность различать внешние и внутренние замыкания на землю.
Этот недостаток устранен в способе (SU 501445 A1, опубл. 30.01.1976), согласно которому для каждой из фаз генератора определяют дифференциальный ток как разность токов двух сторон фазной обмотки статора и выделяют из него остаточный сигнал путем удаления составляющей основной гармоники. Определяют характеристический параметр и выявляют признак замыкания на землю, сравнивая характеристические параметры фаз между собой. В качестве характеристического параметра используется действующее значение остаточного сигнала. Признак замыкания на землю фиксируется, если действующее значение остаточного сигнала одной из фаз превышает действующие значения остаточных сигналов двух других фаз.
Способ имеет зону нечувствительности при внутренних ОЗЗ в некоторой части обмотки генератора, поскольку при этом характеристический параметр (действующее значение остаточного сигнала) неповрежденной фазы оказывается больше, чем характеристический параметр поврежденной фазы.
Этот способ является наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату и принят за прототип.
Техническим результатом изобретения является устранение зоны нечувствительности защиты генератора от замыканий на землю.
С этой целью в известном способе защиты генератора от однофазных замыканий, согласно которому для каждой из фаз генератора определяют дифференциальный ток как разность токов двух сторон фазной обмотки статора, выделяют из него остаточный сигнал путем удаления составляющей основной гармоники, определяют характеристический параметр, выявляют признак замыкания на землю, сравнивая характеристические параметры фаз между собой, вводят новые операции, повышающие чувствительность защиты. Суть этих операций заключается в том, что гармоники упомянутого остаточного сигнала преобразуют во множество промежуточных сигналов в виде комплексных действующих значений в каждый момент времени и на его основе формируют совокупность контрольных сигналов фазы. На базе упомянутой совокупности контрольных сигналов определяют множество характеристических параметров. Затем, сравнивая одноименные элементы множества характеристических параметров фаз, выявляют индивидуальные признаки замыкания на землю и объединяют их в общий признак по схеме «ИЛИ».
В одном из вариантов способа элемент совокупности контрольных сигналов получают путем пропорционального преобразования соответствующего элемента множества промежуточных сигналов.
В другом варианте способа элемент совокупности контрольных сигналов получают как разность между соответствующими элементами множества промежуточных сигналов в режиме замыкания на землю и режиме, предшествующем ему. Это позволяет повысить чувствительность защиты генератора от замыканий на землю.
В одном из вариантов элемент множества характеристических параметров фазы определяют как модуль соответствующего элемента совокупности контрольных сигналов фазы.
В другом варианте элемент множества характеристических параметров фазы определяют как линейную комбинацию модулей элементов совокупности контрольных сигналов фазы.
Индивидуальный признак замыкания на землю выявляют, если наибольший из одноименных элементов множества характеристических параметров фаз превосходит в заданное число раз сумму других элементов.
На фиг. 1 приведена схема измерения токов защищаемого генератора. На фиг. 2 приведена блок-схема, поясняющая прототип. На фиг. 3 представлены зависимости действующих значений 3-й (фиг. 3 а), 5-й (фиг. 3 б) и 7-й (фиг. 3 в) гармоник и действующего значения суммы гармоник (фиг. 3 г) остаточного сигнала от относительного места расположения внутреннего ОЗЗ γ, отсчитываемого от нейтрали: 1 - поврежденной фазы; 2 - неповрежденных фаз. Кривые построены по расчетным выражениям, приведенным в работе (Солдатов А.В., Антонов В.И., Наумов В.А., Иванов Н.Г., Александрова М.И. Информационный базис защиты генератора от однофазных замыканий статора на землю с контролем высших гармоник дифференциального тока. «Релейная защита и автоматизация». №3(24), 2016. С. 12-20). Токи нормированы относительно дифференциального тока третьей гармоники защищаемого генератора в нормальном режиме работы. При расчете токов было сделано допущение, что все генераторы сети, кроме защищаемого, отключены, и эквивалентная емкостная проводимость внешней сети принята равной проводимости генератора, компенсация емкостных токов сети отсутствует. На фиг. 4 приведена блок-схема, поясняющая предложенный способ. На фиг. 5 представлены зависимости действующих значений разностей между соответствующими 3-й (фиг. 5 а), 5-й (фиг. 5 б) и 7-й (фиг. 5 в) гармониками остаточного сигнала в режиме замыкания на землю и режиме, предшествующем ему, от относительного места расположения внутреннего ОЗЗ γ, отсчитываемого от нейтрали: 1 - поврежденной фазы; 2 - неповрежденных фаз.
Рассмотрим сначала работу прототипа. Воспользуемся схемой измерения токов генератора (фиг. 1) и блок-схемой, поясняющей принцип действия прототипа (фиг. 2).
(A)
(B)
(C)
В прототипе признак замыкания на землю выявляют, сравнивая между собой характеристические параметры остаточного сигнала фаз s, s, s (фиг. 2, блок 4). Принимают, что ОЗЗ находится в генераторе, если один из характеристических параметров превосходит два других.
(σ)
Характеристический параметр фазы (s (σ=A, В, С) определяют в виде действующего значения остаточного сигнала  (фиг. 2, блок 3). Сам остаточный сигнал фазы (фиг. 2, блок 2)
определяют путем удаления составляющей основной гармоники  из дифференциального тока (фиг. 2, блок 1)
где  и  - токи фазной обмотки статора генератора со стороны выводов и нейтрали (фиг. 1).
Такой принцип определения характеристического параметра имеет существенный недостаток. Дело в том, что остаточный сигнал будет состоять из суммы нечетных гармоник (Солдатов А.В., Антонов В.И., Наумов В.А., Иванов Н.Г., Александрова М.И. Информационный базис защиты генератора от однофазных замыканий статора на землю с контролем высших гармоник дифференциального тока. «Релейная защита и автоматизация». №3 (24), 2016. С. 12-20). Как известно, квадрат действующего значения суммы гармоник равен сумме квадратов действующих значений отдельных гармоник. Из фиг. 3 видно, что действующие значения отдельных гармоник остаточного сигнала по-разному зависят от места расположения ОЗЗ. Причем при ОЗЗ на определенном участке обмотки статора (фиг. 3 а; γ≈0,75÷0,87) 3-я гармоника остаточного сигнала неповрежденных фаз (кривая 2) оказывается выше, чем поврежденной (кривая 1).
В то же время 3-я гармоника (фиг. 3 а) остаточного сигнала существенно преобладает над остальными высшими гармониками (фиг. 3 б, в), поэтому характеристический параметр, формируемый как действующее значение суммы высших гармоник остаточного сигнала, практически определяется уровнем 3-й гармоники. В связи с этим при расположении ОЗЗ на указанном участке обмотки статора (фиг. 3 г; γ≈0,77÷0,85) характеристический параметр поврежденной фазы (кривая 1) сравним с характеристическими параметрами неповрежденных фаз (кривая 2). В результате защита генератора от ОЗЗ имеет зону нечувствительности.
Предлагаемый способ (фиг. 4) не имеет зоны нечувствительности. Поясним, как это достигается.
Рассмотрим зависимость действующего значения отдельных гармоник остаточного сигнала от места ОЗЗ в обмотке генератора (фиг. 3 а, б, в). Видно, что при ОЗЗ на определенном участке обмотки статора генератора действующее значение гармоники в поврежденной фазе равно или меньше, чем в неповрежденных фазах. Однако для разных гармоник эти участки расположены на разных частях обмотки статора генератора. Например, для гармоник группы нулевой последовательности, для которых выполняется условие
т.е. ν=3, 9, 15 …, где  - множество натуральных чисел, зона нечувствительности будет находиться в обмотке статора генератора, для группы прямой последовательности, удовлетворяющих условию
т.е. ν=7, 13, 19 …, и группы обратной последовательности, удовлетворяющих условию
т.е. ν=5, 11, 17 …, располагается около нейтрали.
Это означает, что защита, реагирующая на отдельную гармонику, тоже нечувствительна к ОЗЗ на определенных участках. Но если выделять признак ОЗЗ индивидуально для каждой гармоники остаточного сигнала и логически объединять их в общий признак ОЗЗ, то защита не будет иметь зону нечувствительности.
В этом заключается основная идея изобретения.
Зона нечувствительности защиты также будет отсутствовать, если индивидуальный признак ОЗЗ сформировать на основе линейной комбинации гармоник, например, относящихся к одной группе с одинаковым чередованием фаз. Тогда для каждой из групп гармоник либо нулевой (3), либо прямой (4), либо обратной (5) последовательностей будут сформированы свои индивидуальные признаки ОЗЗ. Это позволит сократить количество операций и упростить реализацию способа в устройстве.
Способ включает в себя следующие операции. Для каждой фазы σ=А, В, С выделяют остаточный сигнал  (1) из дифференциального тока  (2) (фиг. 4, блоки 1) путем удаления составляющей основной гармоники (фиг. 4, блок 2). Нечетные гармоники остаточного сигнала в каждый момент времени к преобразуют во множество промежуточных сигналов  в виде комплексных действующих значений  (фиг. 4, блок 5), где М - размер множества (число нечетных высших гармоник).
H
(σ)
На основе множества промежуточных сигналов (k) формируют совокупность контрольных сигналов  (фиг. 4, блок 6).
В случае когда элементы  совокупности контрольных сигналов получают путем пропорционального преобразования соответствующих элементов  множества промежуточных сигналов, они содержат наряду с составляющими тока замыкания еще и составляющие емкостного тока нормального режима. Именно наличие составляющих емкостного тока нормального режима объясняет тот факт, что, например, минимумы зависимостей контрольных сигналов, пропорциональных 3-й гармонике, для поврежденной и неповрежденных фаз не совпадают (фиг. 3 а).
Если же элементы  совокупности контрольных сигналов получают в виде разности между соответствующими элементами множества промежуточных сигналов в режиме замыкания на землю  и режиме, предшествующем ему ,
пр
(k - момент времени, предшествующий ОЗЗ), то контрольные сигналы не будут зависеть от составляющих емкостного тока нормального режима. Как видно из фиг.5, благодаря этому зависимости контрольных сигналов от места ОЗЗ, определенных по (6), для поврежденных и неповрежденных фаз достигают минимума при ОЗЗ в одной и той же точке, и их уровень при этом равен нулю. Это позволяет минимизировать зону нечувствительности защиты по отдельным гармоникам.
C
(σ)
На основе элементов совокупности контрольных сигналов (k)
определяют множество характеристических параметров  (фиг. 4, блок 3), где L - размер множества. В одном из вариантов элемент  множества характеристических параметров фазы определяют как модуль соответствующего элемента  совокупности контрольных сигналов фазы. В этом случае L=М и  В другом варианте элемент  множества характеристических параметров фазы определяют как линейную комбинацию модулей элементов  совокупности контрольных сигналов фазы. Целесообразно каждый элемент  множества характеристических параметров формировать как линейную комбинацию гармоник, относящихся к одной из групп с одинаковым чередованием фаз.
Индивидуальные признаки ОЗЗ  выявляют путем сравнения одноименных элементов , ,  множества характеристических параметров фаз (фиг. 4, блок 4), принимая, что повреждение находится в обмотке защищаемого генератора, если наибольший из них, например , превосходит в заданное число раз сумму других элементов , где  - индивидуальный коэффициент чувствительности ОЗЗ.
Признак замыкания на землю получают, объединяя по схеме «ИЛИ» индивидуальные признаки ОЗЗ  (фиг. 4, блок 7).
Объединение индивидуальных признаков ОЗЗ позволяет исключить зону нечувствительности защиты, поскольку, как это видно, например, из фиг. 5, несрабатывание индивидуального признака ОЗЗ по 3-й гармонике (фиг. 5 а; около γ=0,75) дополняется срабатыванием индивидуальных признаков по 5-й и 7-й гармоникам (фиг. 5 б, в). И наоборот, несрабатывание индивидуальных признаков ОЗЗ по 5-й и 7-й гармоникам (фиг. 5 б, в; γ=0) дополняется срабатыванием индивидуального признака по 3-й гармонике (фиг. 5 а).
Таким образом, благодаря формированию признака ОЗЗ путем логического объединения индивидуальных признаков ОЗЗ исключается зона нечувствительности защиты, т.е. обеспечивается защита всей обмотки статора генератора.