ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2097893

СПОСОБ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Имя изобретателя: Малеев Александр Владимирович; Шелеметьев Игорь Анатольевич; Кузнецов Владимир Елистратович; Ефимов Юрий Константинович
Имя патентообладателя: Малеев Александр Владимирович; Шелеметьев Игорь Анатольевич; Кузнецов Владимир Елистратович; Ефимов Юрий Константинович
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1995.04.28

Использование: для селективной защиты при замыкании на землю в сетях с изолированной, резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью. Сущность изобретения: устройство содержит идентично выполненные высокочастотные каналы тока (ВЧI0) и напряжения (ВЧU0) нулевой последовательности (I0, U0) и канал напряжения нулевой последовательности (U). При возникновении замыкания выделяется первая полуволна ВЧI0 и ВЧU0. Пороговые элементы сравнивают амплитуды полуволн с эталонными значениями. Фазочувствительные элементы фиксируют фазовое соотношение между ВЧI0 и ВЧU0 в момент прохождения через нуль ВЧI0. Фильтр нижних частот выделяет из U0 составляющую, соответствующую рабочей частоте. Пороговый элемент сравнивает значение ее амплитуды с эталонным. При нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале и наличии превышения значения амплитуды U0 над эталонным контролируют результаты в течение интервала времени. При сохранении результатов формируют аварийный сигнал. Интервал времени устанавливает регулируемая схема задержки или в соответствии с продолжительностью переходных процессов, или увеличивают его на величину времени компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. В результате повышается надежность, селективность, снижается вероятность ложных срабатываний.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к защите электрических линий от аварий, а именно к защите, реагирующей на ток замыкания на землю, и может быть использовано для селективной защиты при замыкании на землю в сетях с изолированной, резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью.

Известен способ направленной защиты от замыканий на землю, в соответствии с которым сравнивают сдвиг фаз между током и напряжением нулевой последовательности и при нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале формируют аварийный сигнал [1]

Недостаток известного способа состоит в том, что в нем в качестве критерия для вывода о наличии короткого замыкания используют контроль величины фазового сдвига между током и напряжением нулевой последовательности на рабочей частоте. Однако в сетях с изолированной нейтралью, имеющих активные и емкостные проводимости изоляции относительно земли, угол между током нулевой последовательности, протекающим на участке от источника питания до места замыкания, и напряжением нулевой последовательности является функцией тангенса угла диэлектрических потерь изоляции сети. В этом случае величина фазового сдвига находится в зависимости от количества одновременно подключенных к сети линий и электроприемников и не является достоверной величиной, что снижает надежность способа и, кроме того, повышает вероятность ложных срабатываний.

Кроме того, известный способ не обеспечивает надежную защиту линий электропередачи при наличии во время короткого замыкания высокочастотных переходных процессов, которые являются характерными для перемежающегося однофазного дугового замыкания на землю. Объясняется это тем, что форма тока нулевой последовательности при перемежающемся однофазном дуговом замыкании на землю отличается от формы тока при металлическом или через переходное сопротивление замыкании и представляет собой пучки высокочастотных импульсов, возникающих раз в полупериод рабочей частоты сети. Вследствие этого в этом случае при сравнении фаз тока и напряжения нулевой последовательности вырабатывают случайный сигнал, который чаще всего не отвечает действительному состоянию линии электропередачи. Это снижает надежность способа защиты, повышает вероятность ложных срабатываний и снижает селективность по отношению к сигналу помехи.

Кроме того, известный способ не обеспечивает защиту сетей с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью, что сужает его функциональные возможности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, который реализован в устройстве для направленной защиты нулевой последовательности от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью [2] В соответствии со этим способом измеряют разность фаз между сигналами тока и напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, сравнивают результаты измерения с заданным интервалом углов сдвига фаз, одновременно выделяют сигнал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности и сравнивают его амплитуду с эталонным значением, при одновременном наличии превышения амплитудой и нахождении сдвига фаз в заданном интервале, формируют аварийный сигнал.

Недостаток известного способа состоит в том, что в нем для выявления короткого замыкания при существовании высокочастотного переходного процесса анализируют низкочастотные составляющие тока и напряжения нулевой последовательности, а именно сдвиг фаз между ними, что не отражает достоверного состояния линии при подобном коротком замыкании. Наличие в способе операции выделения сигнала высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности и контроль превышения ее амплитудой эталонного значения не исключает того, что зафиксированное превышение вызвано сигналом помехи, так как в способе отсутствует операция идентификации выделенной высокочастотной составляющей. В результате это снижает надежность способа, снижает селективность по отношению к сигналу помехи и повышает вероятность ложных срабатываний.

Кроме того, известный способ не обеспечивает защиту сетей с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью, что сужает его функциональные возможности.

Таким образом, известные способы при их осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности способа защиты, повышении селективности по отношению к сигналу помехи и снижении вероятности ложных срабатываний, а также имеют ограниченные функциональные возможности, так как обеспечивают защиту только в сетях с изолированной нейтралью.

Известно устройство для направленной защиты, содержащее фильтры тока и напряжения нулевой последовательности, выходы которых подключены к каналам преобразования тока и напряжения нулевой последовательности, которые через фазосравнивающий логический элемент подсоединены к исполнительному реле [3]

Недостаток известного устройства во-первых состоит в снижении селективности по отношению к сигналу помехи во время переходного режима восстановления симметрии фазных напряжений после ликвидации однофазного замыкания на землю и в повышении вследствие этого вероятности ложных срабатываний. Это объясняется тем, что частота свободно затухающих колебаний определяется эквивалентной индуктивностью нулевой последовательности измерительных трансформаторов напряжения и суммарной емкостью сети относительно земли. Нелинейность индуктивностей трансформаторов напряжения способствует образованию гармонических составляющих в затухающем токе в нулевой последовательности. При этом некоторые из них оказываются в зоне прозрачности канала тока нулевой последовательности, что приводит к срабатыванию защиты.

Во-вторых, устройство не обеспечивает надежную защиту сети при наличии высокочастотных переходных процессов, вызванных коротким замыканием на землю, что особенно характерно для перемещающегося однофазного дугового замыкания на землю, при котором емкостные токи, вызываемые высокочастотными колебаниями напряжения, могут во много раз превышать токи металлического замыкания на землю.

Кроме того, устройство может быть использовано только для защиты сетей с изолированной нейтралью и не работоспособно в сетях с резистивной, частично компенсированной или полностью компенсированной нейтралью, что сужает его функциональные возможности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для направленной защиты нулевой последовательности от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее каналы тока и напряжения нулевой последовательности и канал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности. При этом выходы каналов тока и напряжения нулевой последовательности подключены к фазочувствительному элементу, который через пороговый элемент подключен к одному из входов схемы формирования выходного сигнала, второй вход которой подключен к выходу канала высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности, а выход схемы является выходом устройства. Кроме того, канал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности содержит последовательно соединенные фильтр высоких частот, вход которого является входом канала, и пороговый элемент, выход которого является выходом канала [2] Устройство формирует аварийный сигнал при нахождении угла сдвига фаз тока и напряжения нулевой последовательности в заданном интервале на рабочей частоте 50 Гц и при наличии в сигнале тока нулевой последовательности высокого уровня гармоник промышленной частоты.

Недостаток этого устройства, так же как и устройства-аналога, состоит в снижении селективности по отношению к сигналу помехи во время переходного режима восстановления симметрии фазных напряжений после ликвидации однофазного замыкания на землю и в повышении вследствие этого вероятности ложных срабатываний. Кроме того, устройство не обеспечивает надежную защиту сети при наличии высокочастотного переходного процесса, вызванного однофазным коротким замыканием на землю. Это объясняется тем, что во время замыкания устройство анализирует сдвиг фаз между током и напряжением нулевой последовательности на рабочей частоте (50 Гц), что не отражает в этом случае реальные процессы, происходящие в сети. Канал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности обеспечивает контроль превышения порогового уровня амплитудой высокочастотного сигнала, который только отслеживает максимально допустимый уровень высокочастотных гармоник. При этом в устройстве отсутствуют средства, позволяющие удостовериться в том, что превышение порогового значения не вызвано сигналом помехи. В результате снижается надежность срабатывания устройства, снижается селективность по отношению к сигналу помехи и повышается вероятность ложных срабатываний. Кроме того, известное устройство может быть использовано только в сетях с изолированной нейтралью и не работоспособно как схема защиты в сетях с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью, что сужает его функциональные возможности.

Таким образом, выявленные известные устройства для защиты от однофазного замыкания на землю при их осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности устройства, повышении селективности и снижении вероятности ложных срабатываний, а также имеют ограниченные функциональные возможности, так как обеспечивают защиту только в сетях с изолированной нейтралью.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, которое при его осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи и в снижении вероятности ложных срабатываний, а также в расширении функциональных возможностей, а именно в возможности использования способа защиты в электрических сетях переменного тока не только с изолированной, но и с резистивной, частично и с полностью компенсированной нейтралью.

Суть изобретения заключается в том, что в способе направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, включающем выделение при коротком замыкании из сигнала напряжения нулевой последовательности составляющей, соответствующей рабочей частоте, выделение высокочастотной составляющей из сигнала тока нулевой последовательности, сравнение ее амплитуды с эталонной величиной и формирование аварийного сигнала, кроме того, выделяют из сигнала напряжения нулевой последовательности высокочастотную составляющую, после чего измеряют амплитуды первых полуволн сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжений нулевой последовательности, сравнивают результаты измерений с соответствующими эталонными значениями и при наличии превышений измеренных величин на эталонными фиксируют фазовое соотношение между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты и амплитуду сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, затем сравнивают результаты измерений соответственно с заданным интервалом сдвига фаз и с эталонным значением амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, после чего при нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале и наличии превышения эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности контролируют результаты сравнения в течение заданного интервала времени, затем по истечении заданного интервала времени при сохранении результатов сравнения формируют аварийный сигнал, при этом продолжительность заданного интервала времени задают или соответствующей продолжительности времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю, или увеличивают ее на интервал времени, необходимый для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю.

Технический результат в предлагаемом способе достигается следующим образом. Как известно из литературы, под влиянием атмосферных или переходных коммутационных процессов в электрических системах возникают волны напряжения, накладывающиеся на рабочее напряжение фаз. Создающийся при этом импульс перенапряжения может вызвать где-либо в системе в месте ослабленной изоляции пробой фазы на землю. В системе с изолированной нейтралью дуга в месте замыкания в некоторых случаях (при достаточном расстоянии между проводом и землей) горит неустойчиво, периодически погасая и вновь зажигаясь (иногда по мере разогревания места повреждения неустойчивое горение дуги переходит в устойчивое). Независимо от причины возникновения перемежающееся замыкание на землю вызывает повышение напряжений в системе, обусловленное процессом перезарядки емкостей фаз относительно земли. Обычно характер процесса перемежающейся дуги не постоянен. При этом необходимо отметить, что перемежающиеся дуги практически могут быть в сетях с изолированной нейтралью при любых токах замыкания на землю. Согласно одной из теорий, описывающей данный процесс, дуга в месте замыкания на землю горит в течение небольшого промежутка времени, погасая в момент первого или одного из последующих прохождений через нуль тока высокочастотного колебания, причем цикл зажигания и погасания повторяется в каждый полупериод рабочей частоты. При этом емкостные токи, вызываемые высокочастотными колебаниями напряжения, могут во много раз превышать токи металлического замыкания рабочей частоты. Независимо от характера режима замыкания на землю и характера горения дуги мгновенное значение емкостного тока замыкания на землю всегда определяется емкостью системы и напряжением нейтрали относительно земли



iз мгновенное значение емкостного тока замыкания на землю;

Uo напряжение смещения нейтрали;

C суммарная емкость между фазами и землей.

Кроме того, при перемежающемся замыкании несинусоидальное напряжение Uo может быть разложено на постоянную часть и ряд гармонических составляющих

.

Каждая гармоника напряжения дает свою, опережающую ее на 90o, составляющую тока замыкания на землю



(Сирота И. М. Защита от замыканий на землю в электрических системах. Киев: Издательство Академии наук Украинской ССР, 1965, с. 17-18).

В предлагаемом способе вывод о наличии замыкания на землю делают путем анализа амплитуд сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности и фазовых соотношений между ними и контроля амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте. Для этого из сигналов тока и напряжения нулевой последовательности выделяют высокочастотные составляющие. Это позволяет непосредственно оценить параметры высокочастотной составляющей переходного процесса, которая представляет собой наибольшую опасность для сети при коротком замыкании фазы на землю и возникает при перемежающемся дуговом замыкании на землю. Операции измерения амплитуды высокочастотной составляющей тока и напряжения нулевой последовательности и сравнения результатов измерения с эталонными значениями позволяют убедиться в наличии короткого замыкания на землю. Измерение амплитуды первой полуволны высокочастотного сигнала позволяет учесть случайный характер знака первой полуволны: положительная или отрицательная, что повышает надежность предлагаемого способа. Фиксация фазового соотношения между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности позволяет убедиться в наличии фазового сдвига между ними, близкого или равного 90o, что подтверждает не только наличие короткого замыкания, но и обеспечивает селективность предлагаемого способа защиты по отношению к сигналу помехи, так как каждая гармоника напряжения нулевой последовательности дает свою, опережающую ее на 90o составляющую тока замыкания на землю. Кроме того, поскольку фиксацию фазового сдвига проводят в момент прохождения через нуль тока высокой частоты, т.е. когда амплитуда сигнала высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности в виду его синусоидального характера должна быть максимальна, это обеспечивает привязку гармоники тока нулевой последовательности к соответствующей ей гармонике напряжения нулевой последовательности, что также повышает селективность предлагаемого способа защиты по отношению к сигналу помехи. Благодаря тому, что контроль превышения на рабочей частоте эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности и контроль соответствия измеренного сдвига фаз заданному интервалу осуществляют одновременно в течение заданного интервала времени, повышается надежность и селективность предлагаемого способа и снижается вероятность ложных срабатываний, так как операция контроля амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте позволяет оценить величину перенапряжения в системе при однофазном коротком замыкании на землю и в случае его нахождения в допустимых пределах исключить неоправданное отключение электросети. Наличие диапазона заданного интервала времени позволяет использовать способ как в сетях с изолированной, так и в сетях с резистивной, компенсированной или частично компенсированной нейтралью. При этом в первом случае используют интервал времени, соответствующий продолжительности существования высокочастотного переходного процесса после первых зажигания и погасания дуги при перемежающемся дуговом однофазном замыкании на землю, а во втором случае в интервал времени включают, кроме того, заданный интервал времени для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. В этом случае контроль превышения эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности помимо подтверждения наличия короткого замыкания позволяет проконтролировать и работу устройства компенсации и с достоверностью убедиться в отсутствии или в наличии перенапряжения в системе. Это также повышает надежность способа, повышает селективность по отношению к сигналу помехи и снижает вероятность ложных срабатываний.

Таким образом, предлагаемый способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока позволяет повысить надежность защиты, повысить селективность защиты по отношению к сигналу помехи и снизить вероятность ложных срабатываний.

Кроме того, предлагаемый способ при его осуществлении обеспечивает достижение двух дополнительных технических результатов, отсутствующих у прототипа, а именно:

расширение функциональных возможностей, так как способ обеспечивает направленную защиту от однофазного короткого замыкания на землю в сетях не только с изолированной нейтралью, но и с резистивной, частично или с полностью компенсированной нейтралью;

контроль работоспособности компенсирующего устройства.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети переменного тока, которое при его осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности защиты, повышении селективности по отношению к сигналу помехи и в снижении вероятности ложных срабатываний, а также в расширении функциональных возможностей, а именно: возможность работы устройства для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети переменного тока не только с изолированной нейтралью, но и с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью.

Суть изобретения заключается в том, что в устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, содержащее высокочастотный канал тока нулевой последовательности, вход которого является входом сигнала тока нулевой последовательности и который содержит фильтр верхних частот и первый пороговый элемент, канал напряжения нулевой последовательности, вход которого является входом сигнала напряжения нулевой последовательности, фазочувствительный элемент, второй пороговый элемент и схему формирования аварийного сигнала, дополнительно введены высокочастотный канал напряжения нулевой последовательности, который выполнен идентично высокочастотному каналу тока нулевой последовательности, второй фазочувствительный элемент, элемент ИЛИ и регулируемая схема задержки, при этом вход высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности подключен к входу канала напряжения нулевой последовательности, первые выходы высокочастотных каналов подключены соответственно к первому и второму входам первого фазочувствительного элемента, а вторые их выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго фазочувствительного элемента, выходы первого и второго фазочувствительного элементов подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ, выход которого и выход канала напряжения нулевой последовательности подключены к первому и второму входам регулируемой схемы задержки соответственно, выход которой подключен к входу схемы формирования аварийного сигнала, выход которой является выходом устройства, кроме того, в каждый из высокочастотных каналов дополнительно введены предварительный фильтр, схема выделения первой полуволны сигнала, первый и второй фильтры нижних частот и второй пороговый элемент, при этом предварительный фильтр, вход которого является входом высокочастотного канала, фильтр верхних частот и схема выделения первой полуволны сигнала соединены последовательно, первый и второй выходы схем выделения первой полуволны сигнала подключены соответственно к первому и второму фильтрам нижних частот, выходы которых подключены к первому и второму пороговым элементам, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами соответствующего высокочастотного канала, при этом канал напряжения нулевой последовательности содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот и пороговый элемент, при этом вход фильтра является входом канала, а выход порогового элемента - выходом канала. Кроме того, каждый из фазочувствительных элементов представляет собой RS-триггер, R выход которого является первым входом фазочувствительного элемента, S вход вторым входом, а выход выходом фазочувствительного элемента.

Технический результат в осуществляющем предлагаемый способ устройстве для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети переменного тока достигается, также как и в предлагаемом способе, путем анализа амплитуды сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности и фазовых соотношений между ними и контроля амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте. Для этого устройство содержит высокочастотные каналы тока и напряжения нулевой последовательности, выполненные идентично, и канал напряжения нулевой последовательности, что позволяет оценить как параметры высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, которые представляют собой наибольшую опасность для сети при коротком замыкании фазы на землю, так и оценить величину перенапряжения в сети в этой ситуации, что повышает селективность устройства и снижает вероятность ложного срабатывания. Введение в каждый из высокочастотных каналов предварительного фильтра обеспечивает фильтрацию рабочей частоты, а также полосы частот, не входящей в объект исследований, что повышает селективность устройства. Фильтр верхних частот обеспечивает выделение сигнала высокочастотной составляющей тока (напряжения) нулевой последовательности, которая формируется в результате переходных процессов при перемещающемся дуговом замыкании на землю. Введение схемы выделения первой полуволны сигнала позволяет учесть случайный характер начальной фазы и полярности анализируемого высокочастотного сигнала, поскольку на выходах схема формирует сигнал как для положительной, так и для отрицательной полярности первой полуволны высокочастотного сигнала, что повышает надежность работы устройства. Введение первого и второго фильтров низкой частоты обеспечивает окончательную фильтрацию полезного высокочастотного сигнала, отфильтровывая сигналы наводки на частоте выше частоты полезного сигнала, повышая тем самым селективность устройства. Наличие двух пороговых элементов в каждом из высокочастотных каналов позволяет контролировать превышение амплитуды высокочастотного сигнала эталонного значения как при положительной, так и при отрицательной полярности его первой полуволны, что повышает надежность работы устройства. Введение в устройство второго фазо-чувствительного элемента обеспечивает возможность фиксации фазового сдвига между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности как при положительной, так и при отрицательной полярности первой полуволны высокочастотной направляющей тока напряжения нулевой последовательности, что повышает надежность работы устройства. Фиксация фазового сдвига между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности снижает вероятность ложного срабатывания защиты, так как позволяет практически исключить возможность фиксации фазового сдвига между полезным сигналом и сигналом помехи, что характерно для устройств, в которых для определения замыкания на землю измеряют сдвиг фаз между током и напряжением нулевой последовательности. Фиксация фазового сдвига позволяет по его величине близка к 90o - определить наличие короткого замыкания. Кроме того, поскольку каждая гармоника напряжения нулевой последовательности дает свою, опережающую ее по фазе на 90o, составляющую тока замыкания на землю, то фиксация сдвига фазы в предлагаемом устройстве обеспечивает также и повышение селективности защиты от помехи, так как в этом случае сдвиг фаз служит привязкой к полезному сигналу. Выполнение фазочувствительного элемента в виде RS-триггера, R-вход которого является первым входом и подключен к соответствующему выходу высокочастотного канала тока нулевой последовательности, S-вход является вторым входом и подключен к соответствующему выходу высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности, а выход является выходом фазочувствительного элемента, позволяет фиксировать сдвиг фаз при переходе первой полуволны высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности через нуль, когда амплитуда высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности максимальна в виде его синусоидального характера, что также обеспечивает привязку гармоники тока нулевой последовательности к соответствующей ей гармонике напряжения нулевой последовательности и повышает селективность устройства защиты по отношению к сигналу помехи. Кроме того, выполнение фазочувствительного элемента в виде RS-триггера и его соответствующее подключение позволяют исключить срабатывание защиты при наличии превышения порогового значения амплитудой высокочастотного сигнала или только напряжения, или только тока нулевой последовательности, что снижает вероятность ложного срабатывания устройства от сигнала помехи. Элемент ИЛИ формирует на своем выходе сигнал о наличии сдвига фаз, близкого к 90o, между первыми или положительными, или отрицательными полуволнами сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности.

Фильтр нижних частот на входе канала напряжения нулевой последовательности выделяет из сигнала напряжения нулевой последовательности низкочастотную составляющую, соответствующую рабочей частоте, что повышает селективность устройства. Пороговый элемент обеспечивает контроль превышения порогового значения амплитудой сигнала, выделенного фильтром, и формирует сигнал на выходе канала напряжения нулевой последовательности при наличии этого превышения.

Введение в устройство регулируемой схемы задержки, первый вход которой подключен к выходу элемента ИЛИ, а второй вход к выходу канала напряжения нулевой последовательности, обеспечивает задержку формирования аварийного сигнала на заданный интервал времени, который позволяет проконтролировать наличие опасного для сети превышения порогового значения амплитудой напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте в течение заданного интервала времени, что снижает вероятность ложных срабатываний устройства, а также повышает селективность по отношению к сигналу помехи. Кроме того, возможность изменения времени задержки формирования аварийного сигнала позволяет проверить достоверность наличия короткого замыкания не только в сети с изолированной нейтралью, но и в сетях с резистивной, с частично и с полностью компенсированной нейтралью, что расширяет функциональные возможности устройства и является дополнительным техническим результатом по отношению к прототипу. При этом для случая изолированной нейтрали время задержки устанавливают соответствующим продолжительности высокочастотного переходного процесса при коротком замыкании на землю. Для случаев с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью в общее время задержки, помимо времени существования высокочастотных переходных процессов, входит время, отведенное для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. В результате в предлагаемом устройстве достигается второй дополнительный технический результат по отношению к прототипу, заключающейся в возможности проверки работоспособности устройства компенсации.

Таким образом, возможность контроля предлагаемым устройством для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока амплитуд высокочастотных сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, величины сдвига фаз между их первыми полуволнами и амплитуды сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте позволяют выявить с помощью предлагаемого устройства защиты не только наличие короткого замыкания на землю, но и степень его опасности для электрической сети. При этом достоверность оценки критичности ситуации обеспечивается тем, что устройство формирует аварийный сигнал только при наличии трех зафиксированных факторов: превышение пороговых значений амплитудами высокочастотных составляющих тока и напряжение нулевой последовательности, наличие близкого к 90o сдвига фаз между первыми полуволнами этих сигналов и наличие превышения порогового значения амплитудой напряжения нулевой последовательности в течение заданного интервала времени. В результате в предлагаемом устройстве достигается технический результат, заключающийся в повышении надежности, повышении селективности по отношению к сигналу помехи, снижении вероятности ложных срабатываний.

Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает достижение двух дополнительных технических результатов, отсутствовавших в прототипе:

расширение функциональных возможностей за счет возможности работы устройства не только в сетях с изолированной, но и в сетях с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью;

возможность контроля работоспособности компенсирующего устройства.

функциональная схема устройства для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока. На чертеже изображена функциональная схема устройства для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока.

Устройство содержит высокочастотный канал 1 тока нулевой последовательности, высокочастотный канал 2 напряжения нулевой последовательности, канал 3 напряжения нулевой последовательности, первый 4 и второй 5 фазочувствительные элементы, элемент ИЛИ 6, регулируемую схему задержки 7, схему 8 формирования аварийного сигнала. Первые выходы высокочастотных каналов 1, 2 подключены соответственно к первому и второму входам первого 4 фазочувствительного элемента, а вторые выходы к первому и второму входам второго 5 фазочувствительного элемента. Выходы фазочувствительных элементов 4, 5 подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ 6, выход которого и выход канала 3 напряжения нулевой последовательности подключены соответственно к первому и второму входам регулируемой схемы 7 задержки, выход которой подключен к входу схемы формирования аварийного сигнала. Кроме того, вход канала 3 нулевой последовательности подключен к входу высокочастотного канала 2 напряжения нулевой последовательности.

Высокочастотные каналы 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности выполнены идентичными и содержат предварительный фильтр 91(92), фильтр верхних частот 101(102), схему выделения первой полуволны сигнала 111(112), первый 121(122) и второй 131(132) фильтры нижних частот, первый 141(142) и второй 151(152) пороговые элементы. Предварительный фильтр 91(92), фильтр верхних частот 101(102) и схема 111(112) выделения первой полуволны сигнала соединены последовательно, при этом вход предварительного фильтра 91(92) является входом канала 1(2). Первый и второй выходы схемы 111(112) подключены к соответствующим первому и второму фильтрам 121(122) и 131(132) низкой частоты, выходы которых подключены соответственно к первому 141(142) и второму 151(152) пороговым элементам, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами канала 1(2).

Канал 3 напряжения нулевой последовательности содержит соединенные последовательно фильтр нижних частот 16, вход которого является входом канала 3, и пороговый элемент 17, выход которого является выходом канала 3.

Схема 111(112) выделения первой полуволны сигнала может быть выполнена в виде детектора.

Пороговые элементы 141(142), 151(152) и 17 могут быть выполнены в виде компараторов.

Фазочувствительные элементы 4, 5 выполнены в виде RS-триггеров, у каждого из которых R-вход является первым входом фазочувствительного элемента 4(5), S-вход вторым входом, а выход выходом фазочувствительного элемента 4(5).

Регулируемая схема 7 задержки может быть выполнена, например, в виде регулируемой линии задержки с элементом И на входе.

Схема 8 формирования аварийного сигнала может быть выполнена, например, в виде исполнительного реле.

Способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока применяют следующим образом.

При замыкании на землю из сигналов тока и напряжения нулевой последовательности выделяют их высокочастотные составляющие и анализируют амплитуды и фазовое соотношение выделенных сигналов. Для этого измеряют амплитуды первых полуволн, высокочастотных сигналов и сравнивают результат измерения с эталонным значением. При наличии превышений амплитудами первых полуволн сигналов эталонных значений фиксируют фазовые соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты и амплитуду сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте (50 Гц). Результаты сравнивают соответственно с заданным интервалом углов сдвига фаз и с эталонным значением амплитуды сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте. При нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале и наличии превышения эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности результаты сравнения контролируют в течение заданного интервала времени. По истечении заданного интервала времени при одновременном сохранении обоих результатов измерения формируют аварийный сигнал. Продолжительность заданного интервала времени выбирают в зависимости от того, какого вида нейтраль использована в защищаемой сети переменного тока, а именно: для сетей с изолированной нейтралью продолжительность заданного интервала времени соответствует продолжительности существования высокочастотных переходных процессов после первых зажигания и погасания дуги при перемежающемся однофазном замыкании на землю. Это время находится в пределах 3/4 периода рабочей частоты. Для рабочей частоты 50 Гц примерно 0,015 с. Для сетей с резистивной, с частично или полностью компенсированной нейтралью продолжительность заданного интервала времени включает в себя время существования высокочастотных переходных процессов плюс заданный интервал времени для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю.

Устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока работает следующим образом.

Сигналы на входы тока и напряжения нулевой последовательности поступают в устройство с трансформаторов тока и напряжения нулевой последовательности. При возникновении на контролируемом присоединении короткого замыкания на землю в составе сигналов тока и напряжения нулевой последовательности появляется высокочастотная составляющая, каждую из которых выделяют соответственно высокочастотные каналы 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности.

Рассмотрим работу высокочастотных каналов на примере высокочастотного канала 1 тока нулевой последовательности, поскольку каналы 1 и 2 выполнены идентично.

Сигнал тока нулевой последовательности поступает на предварительный фильтр 91, который поступает на вход фильтра 101 высокой частоты составляющие сигналы тока нулевой последовательности с частотой выше рабочей частоты устройства, например выше 50 Гц. Фильтр 101 верхних частот выделяет из поступившего на его вход сигнала высокочастотную составляющую, обусловленную высокочастотными переходными процессами, протекающими при коротком замыкании. Сигнал с выхода фильтра 101 поступает на вход схемы 111 выделения первой полуволны сигнала. Схема 111, в зависимости от полярности первой полуволны входного сигнала, выделяет первую полуволну сигнала или на первом выходе для положительной полярности, или на втором выходе для отрицательной полярности. Полярность выходных сигналов схемы 111 положительная. Сигнал, выделенный схемой 111 и отфильтрованный от сигналов наводки фильтром 121(131), поступает на соответствующий пороговый элемент 141(151). Пороговый элемент 141(151) фиксирует наличие превышения порогового уровня амплитудой входного сигнала и формирует на выходе сигнал.

Таким образом, на первых (или вторых) выходах высокочастотных каналов тока 1 и напряжения 2 нулевой последовательности устанавливаются сигналы, один из которых соответствует превышению порогового значения амплитудой высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности, а другой - амплитудой высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Далее устройство фиксирует угловую величину сдвига фаз между высокочастотными сигналами тока и напряжения нулевой последовательности. Сдвиг фаз фиксируют первый 4 и второй 5 фазочувствительные элементы. При этом первый 4 фазочувствительный элемент фиксирует сдвиг фаз при положительной полярности первой полуволны высокочастотного сигнала, а второй 5 фазочувствительный элемент при отрицательной полярности первой полуволны высокочастотного сигнала. Допустим, работает первый 4 фазочувствительный элемент. На первый вход фазочувствительного элемента 4 поступает сигнал с первого выхода высокочастотного канала тока нулевой последовательности, а на второй вход - сигнал с первого выхода высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности. При переходе через нуль сигнала с первого выхода высокочастотного канала тока нулевой последовательности при одновременном сохранении сигнала на втором входе фазочувствительного элемента 4 последний формирует на выходе сигнал, содержащий в себе информацию о том, что сдвиг фаз между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности находится в заданных пределах, близких к 90o.

Сигнал с выхода сработавшего фазочувствительного элемента 4 через схему ИЛИ 6 поступает на первый вход регулируемой схемы задержки 7.

Одновременно с каналами 1, 2 работает канал 3 напряжения нулевой последовательности. Входной сигнал канала 3 поступает на фильтр нижних частот 16. В результате на вход порогового элемента 17 проходит сигнал напряжения нулевой последовательности, соответствующий рабочей частоте (50 Гц). Пороговый элемент 17 формирует сигнал на выходе канала 3 в случае превышения порогового значения амплитудой сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте и устанавливает его на втором входе регулируемой схемы задержки 7. Продолжительность времени задержки сигналов обуславливается тем, какого вида нейтраль применена в защищаемом устройстве. Для изолированной нейтрали время задержки сигналов соответствует продолжительности существования высокочастотного переходного процесса и составляет примерно 3/4 периода рабочей частоты. Для резистивной, частично компенсированной или полностью компенсированной нейтрали время задержки состоит из суммы двух величин: времени существования высокочастотного переходного процесса и заданного времени компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю.

По окончании заданного интервала времени схема задержки 7 при одновременном наличии сигналов на ее входах формирует на своем выходе сигнал, по которому срабатывает схема формирования аварийного сигнала.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, включающий выделение при коротком замыкании из сигнала напряжения нулевой последовательности составляющей, соответствующей рабочей частоте, выделение высокочастотной составляющей из сигнала тока нулевой последовательности, сравнение ее амплитуды с эталонной величиной и формирование аварийного сигнала, отличающийся тем, что выделяют из сигнала напряжения нулевой последовательности высокочастотную составляющую, после чего измеряют амплитуды первых полуволн сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, сравнивают результаты измерений с соответствующими эталонными значениями и при наличии превышений измеренных величин над эталонными фиксируют фазовое соотношение между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты и амплитуду сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, затем сравнивают результаты соответственно с заданным интервалом сдвига фаз и с эталонным значением амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, после чего при нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале и наличии превышения эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности, контролируют результаты сравнения в течение заданного интервала времени, затем по истечении заданного интервала времени при сохранении результатов сравнения формируют аварийный сигнал, при этом продолжительность заданного интервала времени задают или соответствующим продолжительности времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю или увеличивают его на интервал времени, необходимый для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю.

2. Устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, содержащее высокочастотный канал тока нулевой последовательности, вход которого является входом сигнала тока нулевой последовательности, содержащий фильтр верхних частот и первый пороговый элемент, канал напряжения нулевой последовательности, фазочувствительный элемент и схему формирования аварийного сигнала, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй фазочувствительный элемент, элемент ИЛИ, регулируемая схема задержки и высокочастотный канал напряжения нулевой последовательности, выполненный идентично высокочастотному каналу тока нулевой последовательности, который выполнен в виде последовательно соединенных введенного предварительного фильтра, вход которого является входом канала, фильтра верхних частот, введенной схемы выделения первой полуволны сигнала, выходы которой подключены к входам введенных первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых подключены соответственно к первому и введенному второму пороговым элементам, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами высокочастотного канала, при этом входы высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности и канала напряжения нулевой последовательности соединены, первые выходы высокочастотных каналов подключены соответственно к первому и второму входам первого фазочувствительного элемента, а их вторые выходы подключены к первому и второму входам второго фазочувствительного элемента, выходы фазочувствительных элементов подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ, выход которого и выход канала напряжения нулевой последовательности подключены к первому и второму входам регулируемой схемы задержки соответственно, выход которой подключен к входу схемы формирования аварийного сигнала, выход которой является выходом устройства, при этом канал напряжения нулевой последовательности содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот, вход которого является входом канала, и пороговый элемент, выход которого является выходом канала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фазочувствительный элемент выполнен в виде RS-триггера, при этом R-вход триггера является первым входом фазочувствительного элемента, S-вход вторым входом, а выход триггера - выходом фазочувствительного элемента.

Версия для печати


вверх