УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ Российский патент 1998 года по МПК H02H3/16 

Предлагаемое изобретение относится к релейной защите и автоматике систем электроснабжения и предназначено для использования в электрических сетях с изолированной нейтралью.

Известны устройства для направленной защиты электрической сети от замыкания на землю, содержащие блок сравнения фазы, входы которого подключены через соответственно первый и второй усилители к выходам датчика тока нулевой последовательности и датчика напряжения нулевой последовательности, и исполнительный орган, подключенный к выходу блока сравнения фазы (А.с. N 959200, СССР. Устройство для направленной защиты сети с изолированной нейтралью от замыкания на землю/ Ф.А.Петраков, В.Н.Савицкий, Г.И.Сивчиков, - Опубл. в БИ, 1982, N 34, МКИ H 02 H 3/16; Блок направленной защиты от однофазных замыканий на землю БНЗ. УХЛ 5.1. Руководство по эксплуатации 0.06.466.0.52 РЭ. - Кемерово, 1987. - 13 с.).

Недостаток известных устройств - низкая селективность, обусловленная возможностью ложных срабатываний при переходных процессах в системе электроснабжения.

Из известных наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является устройство для направленной защиты электрической сети от замыкания на землю, содержащее блок сравнения фазы, входы которого подключены через соответственно первый и второй усилители к выходам датчика тока нулевой последовательности и датчика напряжения нулевой последовательности, и исполнительный орган, подключенный к выходу блока сравнения фазы (Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 214 - 217, рис. 7.5). Известное устройство реализует направленную защиту нулевой последовательности, реагирующую на установившиеся напряжения и токи. Блок сравнения фазы выполняет измерение фазового сдвига между напряжением и током нулевой последовательности. Защита срабатывает, если измеренное значение фазы находится в заданной зоне, определяемой настройкой схемы. Надежная работа такого устройства обеспечивается только при установившихся гармонических напряжениях и токах. Однако при переходных режимах в электрических сетях часто возникают длительные субгармонические колебания с частотами, близкими к частоте сети, например, 33 Гц. Экспериментально установлено, что для этих колебаний сдвиг фазы между током и напряжением нулевой последовательности находится в зоне срабатывания защиты. Это служит причиной ложных срабатываний защиты. Повышение селективности защиты за счет применения линейных фильтров, выделяющих гармоники основной частоты, не приводит к достижению цели, поскольку эффективное подавление субгармонических составляющих возможно только в установившихся режимах. Переходные процессы в линейных фильтрах при действии на их входах субгармонических составляющих продолжаются в течение нескольких периодов этих колебаний, что превышает требуемое время срабатывания защиты (не более 60 мс).

Таким образом, недостаток известных устройств - низкая селективность при наличии субгармонических колебаний в электрической сети.

Цель предлагаемого изобретения - повышение селективности защиты при наличии субгармонических колебаний в электрической системе.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для направленной защиты электрической сети от замыкания на землю, содержащее блок сравнения фазы, входы которого подключены через соответственно первый и второй усилители к выходам датчика тока нулевой последовательности и датчика напряжения нулевой последовательности, и исполнительный орган, введены два релейных элемента с характеристикой

где
x и y - соответственно входной и выходной сигналы;
U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы;
x₀ - порог переключения релейного элемента,
два блока измерения периода, два одновибратора, два блока сравнения, пятивходовый элемент И, элемент НЕ, таймер со сбросом и двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ, при этом входы первого релейного элемента и первого блока измерения периода объединены и подключены к выходу усилителя, а выходы подключены через соответственно первый одновибратор и первый блок сравнения к первому и второму входам пятивходового элемента И, третий вход которого подключен к выходу блока сравнения фазы, входы второго блока измерения периода и второго релейного элемента объединены и подключены к выходу второго усилителя, а выходы подключены через соответственно второй блок сравнения и второй одновибратор к четвертому и пятому входам пятивходового элемента И, выход которого соединен с объединенными входами таймера и элемента НЕ, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с входом исполнительного органа, а установочный вход таймера подключен к выходу элемента НЕ.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- два релейных элемента с характеристикой

где
x и y - соответственно входной и выходной сигналы;
U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы;
X₀ - порог переключения релейного элемента;
- два блока измерения периода;
- два одновибратора;
- два блока сравнения;
- пятивходовый элемент И;
- таймер со сбросом;
- элемент НЕ;
- двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предлагаемого изобретения повышается селективность направленной защиты электрической сети от замыканий на землю. Это обусловлено тем, что в предлагаемом устройстве предусмотрено формирование сигнала защитного отключения сети при фазовом сдвиге между напряжением и током нулевой последовательности, соответствующем режиму однофазного замыкания на землю, только для основной частоты с помощью дополнительного контроля периодов анализируемых сигналов.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники и электробезопасности.

Релейные элементы с характеристикой

где
x и y - соответственно входной и выходной сигналы;
U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы;
x₀ - порог переключения релейного элемента,
блоки измерения периода, одновибраторы, блоки сравнения, пятивходовые элементы И, элементы ИЛИ-НЕ и таймеры со сбросом в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где приведена функциональная схема устройства для направленной защиты электрической сети от замыкания не землю.

Устройство содержит датчик тока нулевой последовательности 1, датчик напряжения нулевой последовательности 2, первый 3 и второй 4 усилители, первый 5 и второй 9 релейные элементы с характеристикой

где
x и y - соответственно входной и выходной сигналы;
U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы;
x₀ - порог переключения релейного элемента,
первый 6 и второй 8 блоки измерения периода; блок сравнения фазы 7, первый 10 и второй 13 одновибраторы; первый 11 и второй 12 блоки сравнения, пятивходовый элемент И 14, элемент НЕ 15, таймер 16 со сбросом, двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ 17, исполнительный орган 18.

В устройстве для направленной защиты электрической сети от замыкания на землю выход датчика тока нулевой последовательности 1 подключен к входу первого усилителя 3, выход которого соединен с объединенными входами первого релейного элемента 5 и первого блока измерения периода 6 и первым входом блока сравнения фазы 7, второй вход которого объединен с входами второго блока измерения периода 8 и второго релейного элемента 9 и подключен через второй усилитель 4 к выходу датчика напряжения нулевой последовательности 2, а выход соединен с третьим входом пятивходового элемента И 14, первый вход которого подключен через первый одновибратор 10 к выходу первого релейного элемента 5, второй вход подключен через первый блок сравнения 11 к выходу первого блока измерения периода 6, четвертый вход подключен через второй блок сравнения 12 к выходу второго блока измерения периода 8, пятый вход подключен через второй одновибратор 13 к выходу второго релейного элемента 9, а выход подключен к объединенным входам таймера со сбросом 16 и элемента НЕ 15, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ-НЕ 17, выход которого соединен с входом исполнительного органа 18, а установочный вход таймера 16 подключен к выходу элемента НЕ 15.

Устройство для направленной защиты электрической сети от замыкания на землю работает следующим образом. Датчики тока 1 и напряжения 2 нулевой последовательности формируют сигналы, пропорциональные соответственно току и напряжению нулевой последовательности, которые усиливаются с помощью усилителей 3 и 4. Блок сравнения фазы 7, на входы которого подаются сигналы с выходов усилителей 3 и 4, выполняет измерение в течение каждого полупериода входных сигналов фазового сдвига ϕ между напряжением и током нулевой последовательности и сравнение полученного значения с границами ϕ₁ и ϕ₂ зоны срабатывания защитного отключения. Если ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂, то на выходе блока сравнения фазы формируется сигнал с уровнем логической единицы u₇=U_e, в противном случае u₇= 0. Этот сигнал сохраняется на выходе блока 7 до момента окончания следующего измерения, т.е., в течение полупериода.

Сигналы с выходов первого 3 и второго 4 усилителей поступают также на входы соответственно первого 5 и второго 9 релейных элементов, которые в случае превышения амплитудными значениями входных сигналов уровней переключения формируют импульсы, следующие с удвоенной частотой сигналов. Импульсы с выходов релейных элементов 5 и 9 поступают на входы одновибраторов с перезапуском 10 и 13, длительность выходных импульсов которых выбирается, равной половине периода сети. В результате этого появление на входах одновибраторов 10 и 9 импульсов приводит к формированию на их выходах постоянных напряжений с уровнем логической единицы.

Блоки измерения периода 6 и 8 выполняют цифровое измерение периода выходных сигналов усилителей соответственно 3 и 4 за половину периода сети. Результаты измерений с выходов блоков 6 и 8 поступают на входы соответственно первого 11 и второго 12 блоков сравнения, которые формируют сигналы логической единицы U_e в случае, если отклонение периода от номинального значения (20 мс) не превышает допустимой величины (например, 5%), и логического 0 - в противном случае. Результаты сравнения действуют на выходах блоков 11 и 12 до момента окончания следующего измерения, т.е. в течение половины периода входного сигнала.

Логические сигналы с выходов первого 10 и второго 13 одновибраторов, первого 11 и второго 12 блоков сравнения и блока сравнения фазы 7 поступают на входы элемента И 14, выходной сигнал которого управляет запуском и сбросом таймера 16. При появлении на выходе элемента И 14 сигнала логической единицы происходит запуск таймера 16, а при формировании на выходе элемента И 14 напряжения с уровнем логического 0 с помощью элемента НЕ 15 осуществляется сброс таймера 16. Для обеспечения надежной работы защиты период таймера выбирается из условия τ≥3T/4, где T - номинальное значение периода сети.

Логический элемент ИЛИ-НЕ 17 обеспечивает логику срабатывания защиты: включение исполнительного органа 18 происходит после выключения таймера и при сохранении аварийной ситуации (сигнал логической единицы на выходе элемента И).

В случае нормальной работы электрической сети при отсутствии замыканий на землю ток и напряжение нулевой последовательности близки к нулю. Следовательно, сигналы на выходах первого 3 и второго 4 усилителей близки к нулю, напряжения на выходах релейных элементов 5 и 9 равны 0, сигналы на выходах первого 10 и второго 13 одновибраторов соответствуют уровню логического нуля. Следовательно, на выходе элемента И 14 всегда действует сигнал с уровнем логического нуля. Исполнительный орган 18 отключен.

При возникновении в электрической сети однофазного замыкания на землю появляются ток и напряжение нулевой последовательности, которые преобразуются датчиками тока 1 и напряжения 2 нулевой последовательности. Выходные сигналы этих датчиков усиливаются соответственно первым 3 и вторым 4 усилителями и поступают на входы соответственно первого 5 и второго 9 релейных элементов, первого 6 и второго 8 блоков измерения периода и блок сравнения фазы 7. Если значения тока и напряжения нулевой последовательности таковы, что входные сигналы первого 5 и второго 9 релейных элементов превышают уровень их переключения, то на выходах этих элементов формируются импульсные последовательности с частотой, равной удвоенной частоте сети, которые поступают на входы одновибраторов 10 и 13. В результате на выходах одновибраторов формируются сигналы с уровнем логической единицы, которые действуют на первом и пятом входах элемента И 14.

Блок сравнения фазы 7, выполняющий измерение фазового сдвига током и напряжением, формирует сигнал логической единицы в случае, если измеренное значение находится в зоне срабатывания защиты (ϕ₁≤ϕ≤ϕ₂). Значения ϕ₁ и ϕ₂ являются настроечными параметрами и зависят от конкретных требований для электрической сети. Например, для угольных разрезов теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что границы диапазона срабатывания защиты следует выбирать равными ϕ₁ = -70^o ϕ₂ = -180^o.
Если частоты тока и напряжения нулевой последовательности равны номинальной частоте сети, то на выходах первого 11 и второго 12 блоков сравнения формируются сигналы логической единицы, которые действуют на втором и четвертом входах элемента И 14.

В случае, если в электрической сети ток и напряжение нулевой последовательности превышают значения, характерные для нормальных режимов, фазовый сдвиг между током и напряжением находится в диапазоне, соответствующем однофазному замыканию на землю, а частота тока и напряжения нулевой последовательности не отличается от частоты сети, то на всех пяти входах элемента И 14 действуют сигналы с уровнями логической единицы. Появление сигнала с уровнем логической единицы на выходе элемента И 14 вызывает запуск таймера 16. Если за время τ выдержки таймера не произойдет изменений в электрической сети, связанных с прекращением аварийной ситуации или изменением частоты тока и напряжения нулевой последовательности, то после окончания выдержки времени τ на первом и втором входах элемента ИЛИ-НЕ действуют сигналы логического 0. В результате этого на выходе элемента ИЛИ-НЕ 17 формируется сигнал логической единицы, вызывающий включение исполнительного органа 18.

Если в течение интервала времени работы таймера на одном из входов элемента И 14 появляется сигнал с уровнем логического нуля, т.е. пропадает один из признаков аварийной ситуации, то на выходе элемента И 14 формируется сигнал с уровнем логического нуля, который через элемент НЕ 15 вызывает сброс таймера 16.

Таким образом, предлагаемое устройство для направленной защиты электрической сети от замыкания на землю обеспечивает повышенную селективность за счет дополнительного контроля периодов тока и напряжения нулевой последовательности и исключения ложных срабатываний при переходных процессах в сетях, сопровождающихся появлением периодических составляющих субгармонических частот.

Следовательно, использование в известном устройстве для направленной защиты электрической сети от замыканий на землю дополнительно двух релейных элементов с характеристикой

где
x и y - соответственно входной и выходной сигналы;
U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы;
x₀ - порог переключения релейного элемента,
двух блоков измерения периода, двух одновибираторов, двух блоков сравнения, пятивходового элемента И, элемента НЕ, таймера со сбросом и двухвходового элемента ИЛИ-НЕ позволяет повысить селективность направленной защиты электрической сети от замыканий на землю при наличии субгармонических колебаний.

Применение предлагаемого устройства в различных отраслях промышленности позволит повысить надежность и безопасность эксплуатации электрических сетей.

Изобретение предназначено для использования в электрических сетях с изолированной нейтралью. При использовании позволяет повысить селективность зашиты электрической сети при однофазных замыканиях на землю при переходных процессах, сопровождающихся субгармоническими колебаниями. Устройство содержит датчики тока и напряжения нулевой последовательности, два усилителя, два релейных элемента, два блока измерения периода, блок сравнения фазы, два одновибратора, два блока сравнения, пятивходовый элемент И, элемент НЕ, таймер, элемент ИЛИ-НЕ и последовательный орган. При однофазном замыкании на землю происходит возрастание сигналов на выходах датчиков тока и напряжения нулевой последовательности, в результате чего переключаются релейные элементы. Если фазовый сдвиг между током и напряжением нулевой последовательности лежит в зоне срабатывания зашиты, а частота тока и напряжения совпадает с номинальной, то на всех пяти входах действуют сигналы с уровнем логической единицы. В результате происходит срабатывание защиты. 1 ил.

Устройство для направленной защиты электрической сети от замыканий на землю, содержащее блок сравнения фазы, входы которого подключены через соответственно первый и второй усилители к выходам датчика тока нулевой последовательности и датчика напряжения нулевой последовательности, и исполнительный орган, отличающееся тем, что в него введены два релейных элемента с характеристикой

где x и y соответственно входной и выходной сигналы;
U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы;
x_o - порог переключения релейного элемента,
два блока измерения периода, два одновибратора, два блока сравнения, пятивходовый элемент И, элемент НЕ, таймер со сбросом и двухвходовый элемент ИЛИ - НЕ, при этом входы первого релейного элемента и первого блока измерения периода объединены и подключены к выходу первого усилителя, а выходы подключены через соответственно первый одновибратор и первый блок сравнения к первому и второму входам пятивходового элемента И, третий вход которого подключен к выходу блока сравнения фазы, входы второго блока измерения периода и второго релейного элемента объединены и подключены к выходу второго усилителя, а выходы подключены через соответственно второй блок сравнения и второй одновибратор к четвертому и пятому входам пятивходового элемента И, выход которого соединен с объединенными входами таймера и элемента НЕ, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с входом исполнительного органа, а установочный вход таймера подключен к выходу элемента НЕ.