способ защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю

Формула изобретения

Способ защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю, основанный на измерении, выделении и контроле электрической величины в защищаемой электрической сети, сравнении полученных величин входного параметра для каждой линии сети с уставкой на срабатывание защиты или относительном сравнении упомянутых величин между собой с последующей фиксацией поврежденной линии, отличающийся тем, что в качестве контролируемой электрической величины используют пульсирующую мощность защищаемых линий, которую выделяют путем измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и одновременно ее среднего значения, пульсирующую мощность линии определяют путем вычитания из мгновенной мощности средней мощности; измерения или вычисления составляющих мощности ведут непрерывно до и после возникновения замыкания на землю для всех защищающих линий, а в качестве входного параметра на срабатывание защиты используют приращение пульсирующей мощности, возникающее при замыкании на землю, причем упомянутое приращение определяют сразу же после возникновения замыкания путем вычитания из текущего значения пульсирующей мощности запомненного ранее до замыкания на землю аналогичного значения пульсирующей мощности, например амплитудного значения; для измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и ее составляющих используют фазные напряжения, которые измеряют относительно нейтрали трехфазной системы, или используют линейные напряжения, которые предварительно сдвигают по фазе на угол минус 30°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), а также может быть использовано в сетях, где нейтраль заземлена через резистор или дугогасящий реактор.

Известен способ защиты от ОЗЗ [1, 8, 9], для осуществления которого применяют дополнительный источник переменного тока непромышленной частоты, например 25 Гц. При этом используют принцип «наложения" этого тока на защищаемую сеть и контролируют протекание «наложенного» тока на каждой линии с помощью трансформаторов тока нулевой последовательности и избирательных устройств, выделяющих сигналы заданной частоты. Поврежденную линию фиксируют по максимальной величине выходного сигнала с трансформатора тока.

Признаки известного способа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - контролируют электрическую величину, изменяющуюся с частотой, отличающейся от промышленной; из сложного сигнала выделяют контролируемую величину.

Защита от ОЗЗ, основанная на известном способе, работает селективно, но только при устойчивых замыканиях. При перемежающихся замыканиях на стабильность функционирования защиты большое влияние оказывают естественные гармонические составляющие контролируемого тока.

Причинами, препятствующими получению технического результата, который обеспечивается предлагаемым техническим решением, являются зависимость контролируемой величины от случайного характера замыканий в сети, возможность протекания «наложенного тока" не только по поврежденной линии, но и по неповрежденным линиям с относительно большей емкостью линии, особенно при замыканиях через большое переходное сопротивление. Это снижает достоверность выявления поврежденной линии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ защиты от ОЗЗ [1, 4] путем контроля совокупности естественных высших гармоник тока замыкания на землю, основанный на измерении всех высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности. При защите от ОЗЗ по этому способу измеряют ток нулевой последовательности на всех защищаемых линиях сети, из результата измерений отфильтровывают первую гармонику и выделяют составляющую, величина которой пропорциональна высшим гармоникам тока нулевой последовательности. Затем путем сравнения полученных величин для каждой линии с уставкой на срабатывание защиты или путем относительного сравнения упомянутых величин между собой фиксируют поврежденную линию.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - выделение и контроль электрической величины в защищаемой сети, сравнение полученной величины с уставкой на срабатывание защиты или относительное сравнение упомянутых величин между собой и фиксация поврежденной линии.

Причиной, препятствующей получению технического результата, который обеспечивается предлагаемым техническим решением, является то, что способ по прототипу основан на контроле электрической величины, имеющей случайный характер. Высшие гармонические составляющие тока нулевой последовательности и по амплитуде, и по спектру частот могут изменяться в большом диапазоне из-за ряда случайных факторов, таких как несинусоидальность напряжений сети, резонансные процессы, влияние высших гармоник тока нагрузки и др. Именно по этой причине применяемые в сетях устройства защиты, например, типа УС3 2/2, УС3-3М, УС3-3, основанные на известном способе, часто срабатывают неселективно, ложно [1, 2, 3, 6].

К другим существенным недостаткам известного способа относятся невозможность контроля неустойчивых ОЗЗ, зависимость функционирования защит от конфигурации контролируемой сети.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создание способа защиты от ОЗЗ с повышенной селективностью и надежностью действия за счет повышения достоверности выявления поврежденной линии в сети при ОЗЗ.

Задача была решена за счет того, что в известном способе защиты от однофазных замыканий на землю, основанном на измерении, выделении и контроле электрической величины в защищаемой электрической сети, сравнении полученных величин входного параметра для каждой линии сети с уставкой на срабатывание защиты или относительном сравнении упомянутых величин между собой с последующей фиксацией поврежденной линии, в качестве контролируемой электрической величины используют пульсирующую мощность защищаемых линий. Пульсирующую мощность защищаемых линий выделяют путем измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и одновременно ее среднего значения. Пульсирующую мощность линии определяют путем вычитания из мгновенной мощности средней мощности. Измерения или вычисления составляющих мощности ведут непрерывно до и после возникновения замыкания на землю для всех защищающих линий. В качестве входного параметра на срабатывание защиты используют приращение пульсирующей мощности, возникающее при замыкании на землю, причем упомянутое приращение определяют сразу же после возникновения замыкания путем вычитания из текущего значения пульсирующей мощности запомненного ранее до замыкания на землю аналогичного значения пульсирующей мощности, например амплитудного значения. Чтобы наиболее достоверно и с наибольшей чувствительностью выявить поврежденную линию, для измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и ее составляющих используют фазные напряжения сети, которые измеряют относительно нейтрали трехфазной системы, или используют линейные напряжения, которые предварительно сдвигают по фазе на угол минус 30°.

Признаки заявляемого способа, отличительные от способа по прототипу, - в качестве контролируемой величины используют пульсирующую мощность защищаемых линий, которую выделяют путем измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и одновременно ее среднего значения, пульсирующую мощность линии определяют путем вычитания из мгновенной мощности средней мощности; измерения или вычисления составляющих мощности ведут непрерывно до и после возникновения замыкания на землю для всех защищающих линий; в качестве контролируемой электрической величины защиты используют приращение пульсирующей мощности, возникающее при замыкании на землю, причем упомянутое приращение определяют сразу же после возникновения замыкания путем вычитания из текущего значения пульсирующей мощности запомненного ранее до замыкания на землю аналогичного значения пульсирующей мощности, например амплитудного значения; для измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и ее составляющих используют фазные напряжения сети, которые измеряют относительно нейтрали трехфазной системы, или линейные напряжения, которые предварительно сдвигают по фазе на угол минус 30°.

При анализе других известных технических решений заявителем не выявлена совокупность признаков, отличающих заявленное техническое решение от прототипа, приводящая к повышению достоверности выявления поврежденной линии и локализации повреждения в электрической сети. Также не выявлено использование для целей защиты сетей такой электрической величины, как пульсирующая мощность защищаемых линий. То есть можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена функциональная блок-схема защиты от ОЗЗ, на фиг.2 - схема распределения токов при замыкании фазы А, на фиг.3а и 3б - векторные диаграммы для неповрежденных линий и поврежденной линии.

Предлагаемый способ защиты от ОЗЗ поясняется с помощью блок-схемы 1, которая содержит следующие функциональные блоки:

1 - блок измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии, среднего значения этой мощности и выделения пульсирующей мощности;

2 - блок, где запоминают значение пульсирующей мощности перед возникновением ОЗЗ (t 0);

3 - блок операции вычитания и определения значения приращения пульсирующей мощности;

4 - блок сравнения приращения пульсирующей мощности с уставкой (или сравнения между собой приращения пульсирующей мощности всех защищаемых линий) и формирования логического сигнала на срабатывание (или несрабатывание) защиты поврежденной линии;

5 - исполнительный орган защиты.

Способ осуществляется следующим образом.

На входы блока 1 подаются напряжения фаз сети, измеренные относительно нейтрали, и фазные токи конкретной линии. В блоке 1 выделяют пульсирующую мощность путем измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и одновременно ее среднего значения и затем вычитания из мгновенной мощности средней мощности по формулам [10]:

где p(t) - мгновенная мощность трех фаз линии;

- мгновенные значения соответственно фазных напряжений сети и токов линии;

P_ср - среднее значение мощности;

P(t)_пульс - пульсирующая мощность линии, изменяющаяся во времени с двойной частотой сети.

Сигнал p(t)_пульс с выхода блока 1 поступает на первый вход блока 2 и на первый вход блока 3.

В блоке 2 запоминают некоторое значение пульсирующей мощности, например амплитудное значение, которое было перед возникновением ОЗЗ (возможны варианты запоминания среднего или действующего значения). Запоминание останавливают только по сигналу о возникновении ОЗЗ, поступающему на второй вход блока 2, например по напряжению нулевой последовательности. С выхода блока 2 сигнал с запомненным значением поступает на второй вход блока 3.

В блоке 3 производят операцию вычитания из текущего значения пульсирующей мощности ранее запомненного в блоке 2 аналогичного значения и определяют приращение пульсирующей мощности при ОЗЗ по формуле:

То есть в блоке 3 формируют сигнал р_пульс, который далее является входным параметром на срабатывание защиты.

Действия и операции вычисления согласно выражениям (1), (2), (3) производят одновременно для всех защищаемых линий сети. В результате получают ряд значений p_пульс.i по числу линий.

Сигнал р_пульс с блока 3 поступает на вход блока 4, в котором путем сравнения полученного приращения пульсирующей мощности с заранее заданной величиной (уставкой), например небалансной величиной, фиксируют поврежденную линию, если приращение пульсирующей мощности на линии превысит уставку. Возможен и другой алгоритм работы защиты, когда в блоке 4 путем относительного сравнения упомянутых приращений мощности всех защищаемых линий между собой по наибольшей величине приращения пульсирующей мощности фиксируют поврежденную линию. Сигнал с блока 4 поступает к исполнительному органу (блок 5).

Для практического осуществления предлагаемого способа защиты от ОЗЗ могут быть использованы известные устройства и функциональные элементы. Для подключения защиты к сети можно использовать имеющиеся на линиях трансформаторы тока и один трансформатор напряжения на секцию шин. Причем обычно применяемые трансформаторы или фильтры тока нулевой последовательности в предлагаемом способе не потребуются. В функциональном блоке 1 можно применить известные аналоговые или цифровые преобразователи мощности, а также интегрирующие устройства и сумматоры. Функцию «Память» в блоке 2 можно осуществить также и аналоговыми, и цифровыми элементами. Для операции вычитания в блоке 3 можно использовать сумматор с одним инверсным входом. В функциональном блоке 4 для сравнения приращения пульсирующей мощности с уставкой можно применить известные схемы сравнения по величине аналоговых или цифровых сигналов, а для варианта алгоритма действия защиты с относительным сравнением приращения пульсирующей мощности линий между собой удобно использовать элементы, работающие по принципу максиселектора.

Наиболее просто способ можно реализовать с помощью микропроцессорных устройств. С их помощью можно сравнительно просто выполнить операции по вычислению составляющих мгновенной мощности линий, запоминанию и сравнению значений пульсирующей мощности и, в конечном итоге, обеспечить быстродействующую селективную защиту от ОЗЗ.

Теоретической основой предлагаемого способа защиты от ОЗЗ является известное положение [10] о том, что в трехфазной системе с изолированной нейтралью при абсолютной симметрии линейных напряжений сети, а также симметрии параметров нагрузки линии и симметрии проводимостей фаз линии на землю в суммарной мгновенной мощности трех фаз линии пульсирующая мощность отсутствует. Но при замыкании фазы на землю на любой линии защищаемой сети нарушается симметрия всех линий относительно земли. При коротком замыкании фазы ее проводимость на землю станет бесконечно большой величиной. Напряжение этой фазы уменьшится до нуля, а напряжение двух других фаз относительно земли увеличится до линейного значения. Это вызовет появление пульсирующей мощности.

Особенности распределения составляющих тока замыкания на землю в сети при замыкании, например, фазы А и изменения напряжений поясняют схема на фиг.2 и векторные диаграммы на фиг 3. Именно эти особенности учитываются в предлагаемом способе защиты от ОЗЗ как причина изменений пульсирующей мощности линий, контролируемой для целей защиты. Причем только на поврежденной линии, где в замкнувшейся на землю фазе протекает общий (суммарный) ток замыкания на землю, будет иметь место наибольший эффект изменения пульсирующей мощности как признак возникновения ОЗЗ.

В предлагаемом способе также учитывается известное положение, что возникновение ОЗЗ в сети не изменяет режим работы нагрузки линий, т.к. при этом линейные напряжения остаются неизменными. Но, чтобы исключить влияние на работу защиты, возможное наличие некоторой естественной несимметрии нагрузки и возможное изменение средней величины нагрузки, в предлагаемом способе защиты предусмотрены операция по выделению контролируемого сигнала (пульсирующей мощности) и операция вычитания из текущего значения пульсирующей мощности при ОЗЗ ранее запомненного аналогичного значения (до ОЗЗ) для получения полезного сигнала о повреждении линии. Таким сигналом является приращение пульсирующей мощности р_пульс, используемое как входной параметр на срабатывание защиты.

Чтобы наиболее достоверно и с наибольшей чувствительностью выявить поврежденную линию, в предлагаемом способе защиты обеспечивается возможность получения максимального полезного сигнала р_max на поврежденной линии и минимальных сигналов р_min на неповрежденных линиях. Для этого необходимо соблюдать определенные условия осуществления операций согласно выражению (1). Суть в том, что при применении выражения (1) необходимо использовать не напряжения фаз относительно земли, а фазные напряжения сети, которые измеряют относительно нейтрали трехфазной системы. Эти напряжения и в режиме ОЗЗ остаются равными фазным значениям. Именно при таких условиях действий обеспечивается получение наибольшего полезного сигнала р_max и наименьших р_min сигналов для целей защиты.

Это можно доказать, если в выражение (1) подставить мгновенные значения фазных напряжений U_a, U _b, U_c, сдвинутых между собой на угол 120°, а значения фазных токов подставить в соответствии с фиг.2 и фиг.3. После преобразований получим мгновенные мощности трех фаз, обусловленные возникновением 033, для неповрежденных (а) и поврежденной (б) линий:

где C_нi - емкость фазы относительно земли i-й неповрежденной линии;

C _n - емкость фазы относительно земли поврежденной линии;

U_ф - фазное напряжение сети.

Из (4) следует, что при таком порядке применения выражения (1) для каждой 1-й неповрежденной линии мгновенная мощность, обусловленная ОЗЗ, пропорциональна собственной емкости линии, но по величине равна нулю (как сумма двух косинусоид двойной частоты, находящихся в противофазе). И так как пульсирующая мощность зависит от характера изменений мгновенной мощности, то, следовательно, приращения пульсирующей мощности на каждой 1-й неповрежденной линии также быдут равны нулю, т.е. p_min=0. Реально этот сигнал может быть равен некоторой небалансной величине p_min= р_пбi.

С другой стороны, из (5) видно, что на поврежденной линии мгновенная мощность, обусловленная возникновением ОЗЗ, представляет собой пульсирующую мощность, изменяющуюся с двойной частотой. Ее амплитуда пропорциональна суммарной емкости всех линий сети, т.е. величина амплитуды зависит от общего (суммарного) тока замыкания на землю. Следовательно, при возникновении ОЗЗ в сети, именно на поврежденной линии полезный сигнал в виде приращения пульсирующей мощности будет наибольшим по сравнению с любой неповрежденной линией, т.е. P_пульс.n= p_max.

Этот факт является достаточным основанием, чтобы достоверно и с высокой чувствительностью выявить поврежденную линию.

В действующих электрических сетях напряжением 6-35 кВ могут возникнуть затруднения с измерением фазных напряжений относительно нейтрали, т.к. обмотки измерительных трансформаторов напряжения обычно заземляют. В таком случае для измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз по выражению (1) вместо фазных напряжений U_a, U _b, U_c можно использовать линейные напряжения соответственно U_ab, U _bc, U_ca. При этом линейные напряжения надо предварительно сдвинуть по фазе на угол минус 30°, т.е. по направлению часовой стрелки. В таком случае положение векторов линейных напряжений будет соответствовать векторам фазных напряжений, а значения мощностей возрастут в раз. Качественные соотношения между составляющими мгновенной мощности от этого не изменятся.

Предлагаемый способ защиты от ОЗЗ можно применять и в сетях, где нейтраль заземлена через резистор или через дугогасящий реактор.

Если нейтраль сети заземлить через резистор R_Nз, то наибольшее изменение пульсирующей мощности при возникновении ОЗЗ тоже будет только на поврежденной линии. Значение этой мощности будет равно

Результирующая амплитуда этой пульсирующей мощности будет зависеть от величины и соотношения емкостной проводимости сети ( ·С ) и активной проводимости резистора в нейтрали (1/R _Nз). Величина амплитуды будет больше, чем при изолированной нейтрали.

Таким образом, и в случае заземления нейтрали через резистор по приращению пульсирующей мощности, например приращению амплитуды, обусловленному возникновением ОЗЗ, можно зафиксировать поврежденную линию.

Для случая заземления нейтрали через дугогасящий реактор (ДР) пульсирующую мощность на повреждения линии, обусловленную возникновением ОЗЗ, можно выразить в виде

где L_p - индуктивность реактора;

1/R_экв - эквивалентная активная проводимость на землю реактора и устройств для подключения реактора к сети.

Из (7) следует, что результирующая амплитуда этой пульсирующей мощности будет зависеть прежде всего от степени расстройки компенсации, т.е. от разности емкостей проводимости сети и индуктивной проводимости реактора. При резонансной настройке компенсации эта разность равна нулю. Следовательно, амплитуда пульсирующей мощности в этом случае будет зависеть только от активной проводимости на землю (1/R_экв). Обычно эта проводимость незначительна. Однако для целей защиты ее можно увеличить известными техническими решениями. Из этого следует, что в сетях, где нейтраль заземлена через дугогасящий реактор, предлагаемый способ защиты от ОЗЗ также можно применять.

Предлагаемый способ защиты от ОЗЗ может быть применен в сетях при различном числе защищаемых линий, разном соотношении емкостей линий и даже в случае с одной отходящей от секции шин линией.

Таким образом, предлагаемый способ защиты от ОЗЗ позволит выявить поврежденную линию в сети с любой конфигурацией, т.е. с постоянным или меняющимся составом линий и при разном соотношении емкостей линий относительно земли. При быстрой локализации повреждения уменьшится вероятность поражения электрическим током, снизится вероятность взрывов, 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.

Источники информации

1. Андреев А.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М., «Высшая школа», 1991.

2. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М., НТФ «Энергопресс», 2001.

3. Шалин А.И. Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали. - Сб. докл. семинара «Электротехническое оборудование и комплексный подход к применению средств защиты от перенапряжений» - Новосибирск, НГТУ, 2005.

4. Кискачи В.М. Авт. свидетельство №384182 «Бюллетень изобретений», 1974, №24.

5. Кискачи В.М., Назаров Ю.Г. Определение поврежденного присоединения при замыканиях на землю в электрических сетях. Журнал «Электрические станции», 1965, №7.

6. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М., «Энергия», 1976.

7. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. - СПб., ПЭИПК, 2003.

8. Вайнштейн Р.А и др. Защита от замыканий на землю в компенсированных сетях 6-10 кВ. Журнал «электрические станции», 1998, №7.

9. Вайнштейн Р.А и др. Авт. свидетельство №4771887.

10. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. - М. - Л., «Госэнергоиздат», 1959.