УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ОТ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ Российский патент 1997 года по МПК H02H3/40 H02H3/38 

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 [1,2] 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 авторскому свидетельству N 1379860 [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 переходные сопротивления. Обусловлен этот недостаток тем, что граничные линии характеристики формируются по квадратичному закону. При этом кривизна граничных линий быстро увеличивается при удалении от особых точек комплексной плоскости. Быстрое увеличение кривизны граничных линий приводит к уменьшению области срабатывания и, как следствие, приводит к снижению чувствительности к переходным сопротивлениям.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство дистанционной защиты трехфазных линий электропередач от однофазных коротких замыканий на землю, содержащее блок формирования компенсированных фазных напряжений, входы которого подключены 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, блок формирования 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, вторые входы которых подключены к выходу блока опорного напряжения, а вторые выходы блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивления подключены к вторым входам соответствующих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам логического блока И, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению дополнительно содержит три ключа, включенных между выходами умножителей и первыми входами соответствующих сумматоров, причем управляющий вход каждого из ключей подключен к первому выходу соответствующего блока формирования активной и реактивной составляющей сопротивления. При отрицательном значении активной составляющей сопротивления, равного отношению компенсированного фазного напряжения к току нулевой последовательности, дополнительно введенный ключ закрывается и отключает выход соответствующего умножителя от входа соответствующего сумматора. При положительном значении активной составляющей сопротивления ключ открыт и предлагаемое устройство будет действовать так же, как известное. Введение ключа и закрытие его при отрицательных значениях активной составляющей сопротивления позволяют изменить положение тех участков граничных линий области срабатывания, которые "отвечают" за чувствительность к переходным сопротивлениям, что позволяет по сравнению с известным устройством повысить чувствительность к переходным сопротивлениям без снижения предельных значений угла селективности.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 показана граничная линия 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, блок 7 опорного напряжения, ключи 8, сумматоры 9 и логический блок И 10.

Выходы блока 1 формирования компенсированных фазных напряжений подключены соответственно к первым входам блоков 4 непосредственно и через фазоповоротные блоки 3 к 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 и через фазоповоротный блок 3 подключен к четырем входам блоков 4 формирования активных и реактивных составляющих сопротивления, первые входы которых непосредственно подключены к управляющим входам ключей 8, а через квадратор 5 к первым входам умножителей 6. Вторые входы умножителей подключены к соответствующему выходу блока 7 опорного напряжения. Выходы умножителей 6 соответственно подключены через ключи 8 к первым входам соответствующих сумматоров 9, вторые входы которых соответственно подключены к вторым выходам соответствующих блоков 4 формирования активной и реактивной составляющих сопротивления. Выходы сумматоров 9 подключены к входам логического блока И 10, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Блок 1 фомирования компенсированных фазных напряжений является входным блоком. На его входы поступают фазные напряжения , фазные токи и ток нулевой последовательности а на выходах формируются компенсированные напряжения согласно выражениям

где Z_y сопротивление уставки;
к коэффициент компенсации.

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

где к₀ коэффициент пропорциональности.

Фазоповоротные блоки 3 формируют на выходах напряжения , пропорциональные соответственно напряжениям , но сдвинутые относительно них на 90 эл. град. То есть напряжение 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 эл. град. то есть мгновенные значения напряжений являются ортогональными составляющими компенсированного фазного напряжения .

Аналогично, напряжения являются ортогональными составляющими напряжений и 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_В, R_C и X_C, вычисляемые по выражениям (5), пропорциональны ортогональным составляющим (активной R_ф и реактивной X_ф) отношений соответственно или с учетом выражения (2) - ортогональным составляющим комплексных сопротивлений , соответствующих отношениям соответственно, т.е. комплексные сопротивления

принимают вид

Через квадратор 5 каждый из сигналов R_ф поступает на первый вход умножителей 6, на другой вход которых поступает опорное напряжение U_оп отрицательной полярности с выхода блока 7 опорного напряжения. При этом напряжение U_6ф на выходе умножителей 6 равно
U_6ф = U_оп•R2ф

(8)
или
U_6ф -n•R_ф (9)
где n коэффициент, пропорциональный величине опорного напряжения U_оп на выходе блока 7 опорного напряжения.

Напряжения U_6ф с выхода умножителей 6 через ключи 8, а также напряжения (сигналы) X_ф с вторых выходов блоков 4 формирования активных и реактивных составляющих сопротивления поступают на входы сумматоров 9, которые из напряжения U_6ф вычитают напряжение X_ф, то есть напряжение U_9ф на выходе сумматоров 9 при открытых ключах 8 (т.е. при положительных значениях сопротивления R_ф) будет равно
U_9ф = -nR2ф

- X_ф (10)
При отрицательных значениях сопротивлений R_ф ключи 8 закрываются и напряжение на выходе сумматоров 9 будет равно
U_9ф -nX_ф. (11)
С выходов сумматоров 9 напряжения U_9А, U_9В и U_9C подаются на входы логического блока И 10.

На выходе логического блока И 10 (на выходе устройства) появляется сигнал (устройство срабатывает), если одновременно на всех трех выходах появляются положительные напряжения U_9ф, то есть, как это следует из (10) и (11), если одновременно выполняются неравенства (в зависимости от знака R_ф)

При отсутствии коротких замыканий на землю отсутствует ток нулевой последовательности I₀ на входе 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 неравенства (12) в комплексной плоскости сопротивления, причем при R_ф>0 следует рассматривать левые неравенства, а при R_ф<0 - правые.

При R_ф>0 граничные линии каждого из трех левых неравенств (12) в комплексных плоскостях сопротивлений по (7) представляют собой ветвь параболы с вершиной, расположенной в начале координат, причем ветвь парабол направлена в сторону отрицательных значений X и положительных значений R_ф (кривая 11 на фиг.2). При R_ф<0 граничные линии каждого из трех правых неравенств (12) будут иметь вид прямых, проходящих через начало координат и совпадающих с отрицательной полуосью -R (прямая 12 на фиг.2). Область выполнения неравенств (12) показана штриховкой.

Таким образом, каждая граничная линия условий срабатывания (12) предложенного устройства состоит из ветви параболы 11 при R>0 и полупрямой 12 при R<0.

Точки, расположенные в комплексных плоскостях однозначно связаны с точками плоскости сопротивления петли короткого замыкания. При однофазном коротком замыкании на землю фазы А граничные линии неравенства (12а) при переносе их из плоскости в плоскость перемещаются параллельно самим себе (при отсутствии токов нагрузки) на величину вектора сопротивления уставки . Обозначим полученные граничные линии через A' и A" (см. фиг. 3). Граничные линии неравенства (12б) перемещаются параллельно себе на величину вектора и поворачиваются вокруг вершины (т.е. вокруг точки ) на угол 120^o против часовой стрелки (ветви B' и B" на фиг.3). Граничные линии неравенств (12в) перемещаются параллельно себе на величину вектора и поворачиваются вокруг вершины на 120^o по часовой стрелке (ветви C' и C" на фиг.3).

Областью срабатывания устройства будет область, ограниченная шестью полученными несимметричными граничными линиями и показанная на фиг.3 штриховкой.

Для сравнения на фиг.3 пунктирными линиями А, В и С показано положение граничных линий A', B' и C' при отсутствии ключей 8 (прототип). При этом область срабатывания известного устройства ограничена тремя симметричными параболами с ветвями А и A", В и B", С и C".

Известно [1, с. 136] что угол селективности, т.е. предельные углы расхождения эквивалентных ЭДС, при которых дистанционная защита правильно функционирует при внешних к.з. не могут быть меньше углов , которые образованы прямой и касательными к граничным линиям, проходящим через точку Z_у. Из сравнения положения граничной линии А и А" известного устройства и граничных линий A' и A" предложенного (см. фиг.3) видно, что предельные значения углов не изменились, т.к. граничная линия A" и у известного и у предложенного устройств одна и та же, а граничная линия A' предложенного устройства является касательной к граничной линии А известного устройства в точке Z_у и, следовательно, линии А и A' образуют один и тот же угол с линией сопротивления Z.

Однако по сравнению с известным у предлагаемого устройства увеличивается область срабатывания в направлении оси активных сопротивлений в первом квадранте (граничная линия C' "правее" граничной линии C известного устройства), что свидетельствует о повышении чувствительности к переходным сопротивлениям.

Таким образом, предложенное устройство превосходит известное устройство по чувствительности к переходным сопротивлениям при к.з. на защищаемой линии, не уступая ему по предельным значениям угла селективности при внешних к.з.

Применение предлагаемого изобретения позволит повысить чувствительность дистанционных защит, что приведет к повышению надежности энергоснабжения.

Использование: в релейной защите линий электропередач от однофазных коротких замыканий. Сущность: устройство дистанционной защиты трехфазных линий электропередач от однофазных коротких замыканий на землю, содержащее блок формирования компенсированных фазных напряжений, входы которого подключены 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, блок формирования 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, вторые входы которых подключены к выходу блока опорного напряжения, а вторые выходы блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивления подключены к вторым входам соответствующих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам логического блока И, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению дополнительно содержит три ключа, включенных между выходами умножителей и первыми входами соответствующих сумматоров, причем управляющий вход каждого из ключей подключен к первому выходу соответствующего блока формирования активной и реактивной составляющей сопротивления, что позволяет повысить чувствительность к однофазным коротким замыканиям на землю через переходное сопротивление. 3 ил.

Устройство дистанционной защиты трехфазных линий электропередач от однофазных коротких замыканий на землю, содержащее блок формирования компенсированных фазных напряжений, входы которого подключены 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, блок формирования 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, вторые входы которых подключены к выходу блока опорного напряжения, а вторые выходы блоков формирования активной и реактивной составляющих сопротивления подключены к вторым входам соответствующих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам логического блока И, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит три ключа, включенных между выходами умножителей и первыми входами соответствующих сумматоров, причем управляющий вход каждого из ключей подключен к первому выходу соответствующего блока формирования активной и реактивной составляющей сопротивления.