устройство дистанционной защиты трехфазных линий электропередач от несимметричных коротких замыканий на земле

Формула изобретения

Устройство дистанционной защиты трехфазных линий электропередач от несимметричных коротких замыканий на землю, содержащее формирователь компенсированных фазных напряжений со входами для подключения к защищаемой сети, три выхода которого подключены соответственно к первым входам и через соответствующие фазоповоротные блоки - к вторым входам соответствующих блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивления, формирователь напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, выход которого подключен соответственно к третьим входам и через фазоповоротный блок - к четвертым входам блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивления, первые выходы которых через квадраторы подключены к первым входам соответствующих умножителей, а их вторые выходы подключены к вторым входам соответствующих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам логического элемента И, выход которого является выходом устройства, и источник первого опорного напряжения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит три логических элемента НЕ, шесть ключей и источник второго опорного напряжения, причем через первые три ключа к вторым входам соответствующих умножителей подключен источник второго опорного напряжения, через вторые три ключа к тем же входам умножителей подключен источник первого опорного напряжения, а управляющие входы первых трех ключей непосредственно и управляющие входы вторых трех ключей через логические элементы НЕ соответственно подключены к первым выходам соответствующих блоков формирования активных и реактивных составляющих сопротивления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к релейной защите линий электропередач от несимметричных коротких замыканий.

Известны устройства дистанционной защиты линий электропередач от однофазных коротких замыканий (к.з.) на землю ([1], с. 122, 142; [2]), которые содержат формирователь компенсированных фазных напряжений и тока нулевой последовательности, четыре выхода которого подключены к входам логического блока И через логические элементы и формирователи импульсов заданной формы и длительности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство дистанционной защиты от однофазных к.з. на землю по [3], которое содержит формирователь компенсированных фазных напряжений, три выхода которого подключены соответственно к первым входам и через соответствующие фазоповоротные блоки к вторым входам соответствующих блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивления, формирователь напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, выход которого подключен непосредственно к третьим входам блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивлений, первые выходы которых через квадраторы подключены к первым входам соответствующих умножителей, вторые входы которых подключены к выходу блока опорного напряжения, а выходы - к первым входам соответствующих сумматоров, вторые входы которых подключены к вторым выходам соответствующих блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивления, а выходы подключены к соответствующим входам логического блока И.

Недостатком известного устройства является недостаточная в ряде случаев чувствительность при однофазных к.з. на землю через переходное сопротивление. Обусловлен этот недостаток тем, что граничные линии характеристики, "отвечающие" за чувствительность к переходным сопротивлениям, и граничные линии, "отвечающие" за селективность при внешних к.з., формируются по одному и тому же закону. При этом необходимость отстройки от внешних к.з. в условиях влияния нагрузки приводит к изменению положения граничной линии, "отвечающей" за чувствительность к переходным сопротивлениям, что сопровождается снижением чувствительности к переходным сопротивлениям.

Целью изобретения является повышение чувствительности к однофазным коротким замыканиям на землю через переходное сопротивление.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве дистанционной защиты от однофазных к. з. на землю по [3] дополнительно введены три логических элемента НЕ и шесть ключей, причем через первые три ключа на вторые входы соответствующих умножителей подано первое опорное напряжение, через вторые три ключа на те же входы первых трех ключей подано второе опорное напряжение, управляющие входы первых трех ключей непосредственно и управляющие входы вторых трех ключей логические элементы НЕ соответственно подключены к первым входам соответствующих блоков формирования активных и реактивных составляющих сопротивления.

Сущность изобретения заключается в том, что уравнение граничной линии области срабатывания формируется в зависимости от знака активной составляющей комплексного сопротивления, равного отношению компенсированного фазного напряжения к току нулевой последовательности. При этом появляется возможность по разным законам формировать граничные линии, "отвечающие" за чувствительность к переходным сопротивлениям, и граничные линии, "отвечающие" за селективность при внешних к.з., что обеспечивает раздельное регулирование селективности и чувствительности предлагаемого устройства. В результате, без снижения селективности можно повышать чувствительность к переходным сопротивлениям.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 показаны граничные линии в комплексной плоскости отношения сравниваемых величин; на фиг. 3 - характеристика (область срабатывания) устройства в комплексной плоскости сопротивления петли к.з. при однофазном замыкании на землю фазы А.

Устройство содержит блок 1 формирования компенсированных фазных напряжений, блок 2 формирования напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, фазоповоротные блоки 3, блоки 4 формирования активной и реактивной составляющих сопротивления, квадраторы 5, умножители 6, ключи 7 и 8, логические элементы НЕ 9, логический элемент И 11.

Выходы блока 1 формирования компенсированных фазных напряжений подключены соответственно к первым входам блоков 4 непосредственно и через фазоповоротные блоки 3 - ко вторым входам соответствующих блоков 4 формирования активной и реактивной составляющих сопротивления. Выход блока 2 формирования напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, подключен к третьим входам блоков 4 непосредственно и через фазоповоротный блок 3 подключен к четвертым входам блоков 4 формирования активных и реактивных составляющих сопротивления, первые выходы которых подключены через квадраторы 5 к первым входам соответствующих умножителей 6, а также к управляющим входам соответствующих ключей 7 и через логические элементы НЕ 9 к управляющим входам соответствующих ключей 8. Входы ключей 8 подключены к источнику первого опорного напряжения, входы ключей 7 подключены к источнику второго опорного напряжения, а выходы ключей 7 и 8 подключены к вторым входам соответствующих умножителей 6, выходы которых подключены к первым входам сумматоров 10, вторые входы которых подключены к вторым выходам блоков 4 формирования активных и реактивных составляющих сопротивления. Выходы сумматоров 10 подключены к входам логического блока И 11, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Блок 1 формирования компенсированных фазных напряжений является входным блоком. На его входы поступают фазные напряжения U_A, U_B, U_C, фазные токи I_A, I_B, I_C и ток нулевой последовательности I₀, а на выходах формируются компенсированные напряжения согласно выражениям



где - сопротивление уставки;

K - коэффициент компенсации.

На вход блока 2 формирования напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, поступает ток нулевой последовательности I₀, а на выходе формируется напряжение пропорциональное току нулевой последовательности.

где n -коэффициент пропорциональности.

Фазоповоротные блоки 3 формируют на выходах напряжения пропорциональные соответственно напряжениям но сдвинутые относительно них на 90 электрических градусов. То есть напряжения на выходах первого, второго, третьего и четвертого фазоповоротных блоков 3 описываются соответственно уравнениями



где оператор сдвига напряжений.

Синусоидальные напряжения сдвинуты относительно друг друга на 90 электрических градусов, то есть мгновенные значения напряжений являются ортогональными составляющими компенсированного фазного напряжения (4, с.267)... ...270/. Аналогично, напряжения являются ортогональными составляющими напряжений (тока нулевой последовательности соответственно.

Блоки 4 формирования активных и реактивных составляющих сопротивления формируют выходные напряжения (сигналы) (обозначим их через R_ф и X_ф согласно выражениям





где индекс "ф" (фаза) должен быть заменен на "А", "В" или "С" для первого, второго и третьего блоков 4 формирования активных и реактивных составляющих сопротивления соответственно.

В соответствии с [3], напряжения (сигналы) R_A и X_A, R_B и X_B, R_C и X_C, вычисляемые по выражениям (5), пропорциональны ортогональным составляющим (активной R и реактивной X) отношений соответственно или с учетом выражения (2) - ортогональным составляющим комплексных сопротивлений







Запишем комплексные сопротивления в виде функции от активных и реактивных составляющих







где R_A и X_A, R_B и X_B, R_C и X_C вычисляются по (5).

Каждый из сигналов R_ф через один из квадраторов 5 поступает на первый вход одного из умножителей 6. На другой вход умножителей 6 поступает либо первое опорное напряжение при открытых ключах 8, либо второе опорное напряжение при открытых ключах 7. Ключи 7 и 8 управляются сигналами (напряжениями) R_ф. При положительном полупериоде напряжений R_ф открыты ключи 7 и на выходе умножителей 6 формируется напряжение



U₆= -n₂R²_ф

где n₂ - коэффициент, пропорциональный величине опорного напряжения

При отрицательном полупериоде напряжений R_ф открыты ключи 8 и на выходе умножителей 6 формируется напряжение



или

U₆= n₁R²_ф,

где n₁ - коэффициент, пропорциональный величине опорного напряжения

Напряжения U₆ с выхода умножителей 6 и напряжения X_ф со вторых выходов блоков 4 формирования активных и реактивных составляющих сопротивления поступают на входы сумматоров 10, которые суммируют напряжение U₆ с напряжением X_ф. При этом напряжения на выходах сумматоров 10 будут равны.

U₁₀= -n₂R²_ф-X_ф (10)

при R_ф > 0, либо

U₁₀= n₁R²_ф-X_ф (11)

при R_ф < 0.

С выходов сумматоров 10 напряжения U_10A, U_10B и U_10C поступают на входы логического блока 11.

На выходе логического блока И (на выходе устройства) появляется сигнал (устройство срабатывает), если одновременно на всех трех его входах появляются положительные напряжения U₁₀, т.е., как это следует из (10) и (11), если одновременно выполняются три неравенства из шести в соответствии со следующим алгоритмом







При отсутствии коротких замыканий на землю отсутствует ток нулевой последовательности I₀ на входе устройства, отсутствуют напряжения и устройство не работает.

При коротких замыканиях на землю в линии электропередачи протекают токи нулевой последовательности. При этом на входах устройства присутствуют все входные величины. Однако для срабатывания устройства необходимо, чтобы одновременно выполнялись три неравенства (12). Рассмотрим условия выполнения неравенств (12) в комплексной плоскости сопротивления.

В комплексных плоскостях сопротивлений по (7) граничные линии каждой пары неравенств (12) представляют собой несимметричные ветви параболы с вершиной, расположенной в начале координат (фиг. 2). Ординаты правой верви (ф" на фиг. 2) этой параболы (т.е. при R_ф > 0) соответствуют левым частям неравенств (12), а ординаты левых ветвей (ф" на фиг.2,а), т.е. при R_ф < 0 - правым частям неравенств (12).

Таким образом, в отличие от прототипа, каждая граничная линия предложенного устройства состоит из двух несимметричных параболических ветвей, положение каждой из которых регулируется изменением коэффициентов n₁ (левой ветви) и n₂ (правой ветви).

В соответствии с [4], (с. 140) точки, расположенные в комплексных плоскостях однозначно связаны с точками плоскости сопротивления петли короткого замыкания. При однофазном коротком замыкании на землю фазы А в соответствии с [4] , (с.140) парабола n₂R²_A+X_A= 0 (при R_A>0) и парабола n₁R²_A-X_A= 0 (при R_A<0) плоскости (фиг.2) при переходе к плоскости при отсутствии токов нагрузки и качаний перемещаются на величину вектора сопротивления уставки Обозначим полученные ветви через A" и A"" (фиг.3). Параболы n₂R²_B+X_B= 0 (при R_B>0) и n₁R²_B-X_B= 0 (при R₆ < 0) перемещаются параллельно себе на величину вектора (см. [4], с. 140) и поворачивается вокруг вершины (т. е. вокруг точки ) на угол 120^o против часовой стрелки (ветви B" и B"" на фиг. 3). Параболы n₂R²_C+X_C= 0 (при R_c > 0) и n₁R²_C-X_C= 0 (при R_c < 0) перемещаются параллельно себе на величину вектора /4.с.140/ и поворачиваются вокруг вершины на 120 по часовой стрелке (ветви C" и C"" на фиг.3).

Областью срабатывания устройства будет область, ограниченная шестью полученными несимметричными ветвями парабол и показанная на фиг. 3.

Для сравнения на фиг. 3 пунктирными линиями показана область срабатывания известного устройства, ограниченная тремя симметричными параболами, построенными в соответствии с принципом действия устройства по уравнениям типа nR²_ф+X_ф= 0.

Из сравнения линий предложенного устройства (сплошные линии на фиг. 3) и известного устройства (пунктирные линии на фиг. 3) следует:

граничные линии A", B" и C" предложенного устройства (соответствующие R_ф > 0) совпадают с граничными линиями известного устройства:

граничные линии A"", B"" и C"" предложенного устройства (соответствующие R_ф<0), "отвечающие" за чувствительность к переходным сопротивлениям, охватывают большую область срабатывания, чем соответствующие пунктирные линии известного устройства. Это означает, что предложенное устройство имеет выше чувствительность к переходным сопротивлениям, чем известное. Путем изменения коэффициентов n₁ и n₂ (то есть путем изменения опорных напряжений можно регулировать положение граничных линий области срабатывания на фиг. 3, причем можно раздельно регулировать положение граничных линий A", B" и C" коэффициентом n₂ и граничных линий A"", B"" и C"" коэффициентом n₁.

Таким образом, предложенное устройство по сравнению с известным имеет выше чувствительность к переходным сопротивлениям при коротком замыкании в защищаемой зоне.

Применение изобретения позволяет повысить чувствительность дистанционных защит, что приводит к повышению надежности энергоснабжения.