УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Российский патент 2005 года по МПК H02H3/16 G01R31/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для определения поврежденной отходящей линии, в которой произошло однофазное замыкание на землю в сети 6-10 кВ с изолированной нейтралью.

Известны устройства для определения однофазных замыканий в линиях, например, [1, 2], содержащие по числу защищаемых присоединений трансформаторы тока нулевой последовательности, к выходам которых подключены последовательно соединенные преобразователи тока в выпрямленное напряжение, запоминающие, интегрирующие и пороговые элементы, расширители импульсов, исполнительные органы и первый элемент ИЛИ, входы которых функционально связаны с выходами упомянутых пороговых элементов, подключенные параллельно выходам запоминающих элементов замыкающие ключи, управляющие входы которых функционально связаны с выходом второго элемента ИЛИ, пусковой орган, подключенный своим входом к выходу трансформатора напряжения нулевой последовательности, а выходом - к входу блока управления, общий на все присоединения формирователь коротких импульсов, вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, а выход - к управляющим входам замыкающих ключей, при этом второй вход второго элемента ИЛИ подключен к основному выходу блока управления, а второй вход третьего элемента ИЛИ соединен с дополнительным выходом упомянутого блока управления, выполненного в виде элемента ограничения длительности, выход которого подключен к основному выходу блока управления, и последовательно соединенных элемента выдержки времени и элемента НЕ, выход которого подключен к дополнительному выходу блока управления, при этом входы элементов ограничения длительности и выдержки времени соединены с входом блока управления, входы расширителей импульсов подключены к выходам пороговых элементов, а выходы соединены с входами исполнительных органов и первого элемента ИЛИ, выходом подключенного к первым входам второго и третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен по числу защищаемых присоединений к управляющим входам замыкающих ключей, подсоединенных параллельно выходам интегрирующих элементов. Принцип работы описанных устройств основан на измерении тока нулевой последовательности и сравнении его с током срабатывания, который в К раз (коэффициент отстройки) больше суммы собственного емкостного тока линии и тока небаланса трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП). При этом поврежденной линией считается та линия, в которой протекающий ток нулевой последовательности (ТНП) больше тока срабатывания.

Недостатком описанных устройств является возможность ложных срабатываний, вызванных наличием собственного емкостного тока защищаемой линии, а также бросками тока в переходном режиме. Кроме того, описанные устройства не могут быть использованы в случае, когда к секции шин подключается малое количество отходящих линий или в случае подключения к секции шин двух линий разной длины.

Известны также устройства, свободные от указанных недостатков, в основу работы которых заложен принцип сравнения фаз напряжения и тока нулевой последовательности, например устройство [3], содержащее последовательно соединенные трансформатор тока нулевой последовательности, первый ограничитель, резонансный фильтр и усилитель, выход которого подключен к первому входу фазочувствительного органа, а также последовательно соединенные заградительный фильтр низких частот, сумматор и пороговый элемент, выход которого подключен к первому входу порогового органа, ко второму входу которого подключен трансформатор напряжения нулевой последовательности через второй ограничитель и фазосдвигающую цепочку, выход фазочувствительного органа соединен с исполнительным органом, а вход заградительного фильтра низких частот соединен с выходом первого ограничителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство [4], содержащее последовательно соединенные орган блокировки, подключенный к трансформатору напряжения сети (трансформатор напряжения нулевой последовательности), и блок выдержки времени, а также последовательно соединенные блок преобразования сигнала, подключенный к трансформатору напряжения сети, фазовращающий блок, первый фильтр основной частоты, первый формирователь прямоугольных импульсов, инвертор, выход которого подключен к первому входу фазочувствительного блока, первый и второй преобразователь импульсов в логический сигнал, выход первого из которых подключен к первым входам логических блоков всех защищаемых присоединений, выходами подключенных к входам соответствующих исполнительных органов, вторые входы логических блоков подключены к выходу блока выдержки времени, блок поиска, первым входом подключенный к выходу блока преобразования сигнала, вторым - к выходу блока выдержки времени, а каждый выход его подключен к входу управляющего ключа и к третьему входу логического блока соответствующего защищаемого присоединения, выход второго фильтра основной частоты через второй формирователь прямоугольных импульсов подключен к второму входу фазочувствительного блока, а через последовательно соединенные усилитель, компаратор и второй преобразователь импульсов в логический сигнал - к четвертым входам логических блоков всех защищаемых присоединений, второй вход компаратора подключен к блоку задания уставки, ограничители сигналов, входами подключенные к трансформатору тока нулевой последовательности каждого защищаемого присоединения, а выходами - к входам соответствующих ключей.

Недостаток описанных устройств [3, 4] заключается в том, что при кратковременных однофазных замыканиях на землю, а также при срабатывании защиты и отключении линии появляются затухающие колебания напряжения 3U₀ с частотой f<50 Гц, что может привести к ложному срабатыванию устройства.

Предлагаемое изобретение направлено на создание достаточно простого и надежного устройства, которое с высокой достоверностью позволяет определить поврежденную линию как при длительных замыканиях на землю, так и при кратковременных длительностью более 50 мс.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство для определения однофазных замыканий в линиях, содержащее по числу присоединений трансформаторы тока нулевой последовательности, входные преобразователи тока, первыми входами соединенные с выходами соответствующих трансформаторов тока нулевой последовательности, а вторым входом подключенные к выходной клемме источника опорного напряжения, первый замыкающий ключ, первый и второй формирователи прямоугольных импульсов, элемент сравнения фаз, трансформатор напряжения, обмотка "разомкнутый треугольник" которого подключена к входному преобразователю напряжения, компаратор, одним входом подключенный к выходной клемме источника порогового напряжения, первый формирователь времени задержки, фильтр нижних частот, исполнительный блок, введены последовательно соединенные формирователь времени измерения и второй формирователь времени задержки, преобразователь напряжения, блок управления, генератор прямоугольных импульсов, формирователь сигнала установки, вторые замыкающие ключи по числу присоединений, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего второго формирователя прямоугольных импульсов, вход каждого из первых формирователей прямоугольных импульсов подключен к выходу соответствующего входного преобразователя тока, а выход - к первому входу соответствующего первого замыкающего ключа, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего элемента сравнения фаз, вторым входом соединенного с выходом соответствующего второго замыкающего ключа, выход входного преобразователя напряжения подключен к входу фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения и с входами вторых формирователей прямоугольных импульсов, вторые входы первых и вторых замыкающих ключей соединены с выходом формирователя времени измерения, входом подключенного к выходу первого формирователя времени задержки, вход которого и первый вход блока управления соединены с выходом компаратора, вторым входом подключенного к первому выходу преобразователя напряжения, второй выход которого соединен с первым входом формирователя сигнала установки, вторым входом соединенного с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выходом - с вторым входом блока управления, выход которого подключен к третьим входам элементов сравнения фаз, выходами соединенных с соответствующими входами исполнительного блока, управляющий вход которого подключен к выходу второго формирователя времени задержки.

Повышение достоверности определения поврежденной линии достигается за счет того, что предлагаемое устройство позволяет осуществить отстройку от апериодической составляющей процесса однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в начальный момент его возникновения, исключить возможность ложного срабатывания при затухающих колебаниях сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, а также обеспечивает сохранение информации о номере поврежденной линии и установку в исходное состояние элемента сравнения фаз через время t_уст после пропадания ОЗЗ. Это достигается за счет введения в устройство вторых замыкающих ключей по числу присоединений, блока управления, формирователя времени измерения, второго формирователя времени задержки, преобразователя напряжения, генератора прямоугольных импульсов, формирователя сигнала установки, а также их связей между собой и с другими блоками устройства.

Таким образом, за счет введения новых признаков и их связей в заявляемое техническое решение было создано простое и надежное устройство, которое позволяет с высокой достоверностью определять однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью одновременно по нескольким присоединениям (отходящим линиям).

При проведении патентно-информационного поиска идентичных заявляемому технических решений не обнаружено.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для определения однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью содержит по числу присоединений трансформаторы 1 тока нулевой последовательности (ТНП), выходы которых соединены с входами соответствующего входного преобразователя 2 тока, вторым входом подключенного к выходной клемме источника опорного напряжения, а выходом - к входу соответствующего первого 3 формирователя прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом соответствующего первого 4 замыкающего ключа, выход которого соединен с первым входом соответствующего элемента 5 сравнения фаз сигналов тока и напряжения, второй вход которого соединен с выходом соответствующего второго 6 замыкающего ключа, первым входом подключенного к выходу соответствующего второго 7 формирователя прямоугольных импульсов, трансформатор напряжения (ТН) 8, выходом соединенный с входом входного преобразователя напряжения 9, выход которого подключен к входу фильтра нижних частот (ФНЧ) 10, выходом соединенного с входом преобразователя 11 напряжения и с входами вторых 7 формирователей прямоугольных импульсов, вторые входы первых 4 и вторых 6 ключей соединены с выходом формирователя 12 времени измерения, а выходы элементов 5 сравнения фаз сигналов тока и напряжения подключены к соответствующим входам исполнительного блока 13, состоящего, например, из формирователя 14 сигналов ТС, блока 15 памяти и блока 16 индикации, управляющий вход исполнительного блока 13 соединен с выходом формирователя 17 времени задержки, входом подключенного к выходу формирователя 12 времени измерения, вход которого подключен к выходу формирователя 18 времени задержки, первый выход преобразователя напряжения 11 соединен с первым входом формирователя 19 сигнала установки, второй вход которого подключен к выходу генератора 20 прямоугольных импульсов, а выход соединен с первым входом блока 21 управления, второй вход которого и вход формирователя 18 времени задержки соединены с выходом компаратора 22, первым входом соединенного с выходной клеммой источника порогового напряжения U_п, а вторым входом подключенного к второму выходу преобразователя 11 напряжения, выходы блока 15 памяти соединены с соответствующими входами блока 16 индикации.

Входной преобразователь 2 тока, первый 3 и второй 7 формирователи прямоугольных импульсов, первый 4 и второй 6 замыкающие ключи и элемент 5 сравнения фаз, связанные с соответствующим трансформатором 1 ТНП, представляют собой блок сравнения фаз, который осуществляет сравнение фаз сигналов тока нулевой последовательности 3I₀ и напряжения нулевой последовательности 3U₀.

Входной преобразователь 2 тока предназначен для преобразования сигнала тока нулевой последовательности 3I₀, фильтрации, сравнения с опорным напряжением и усиления. Входной преобразователь 2 тока может быть выполнен, например, на операционном усилителе, на входе которого имеется трансформатор.

Элемент 5 сравнения фаз сигналов тока и напряжения предназначен для сравнения углов сдвига фаз между сигналом напряжения нулевой последовательности (ННП) 3U₀ и сигналом тока нулевой последовательности (ТНП) 3I₀ фиксации наличия ОЗЗ и запоминания этой информации в течение определенного заданного интервала времени.

Входной преобразователь 9 предназначен для преобразования уровня сигнала напряжения нулевой последовательности 3U₀ до значения, необходимого для дальнейшей работы.

Преобразователь 11 напряжения предназначен для преобразования сигнала переменного напряжения в сигнал постоянного напряжения.

Блок управления 21 предназначен для формирования сигнала управления состоянием элемента 5 сравнения фаз сигналов тока и напряжения.

Все блоки устройства выполнены по известным схемам на стандартных элементах.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При возникновении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в одной из отходящих линий (присоединений) сети с изолированной нейтралью напряжением (6-10) кВ на выходе ТН 8, обмотки которого соединены по схеме "разомкнутый треугольник", появляется сигнал 3U₀ напряжения нулевой последовательности (ННП), а на вторичных обмотках трансформатора 1 ТНП, включенных в каждую отходящую линию (присоединение), появляются сигналы тока нулевой последовательности 3I₀.

Ток замыкания на землю, протекающий по проводу поврежденной фазы линии, имеет направление от шин подстанции к месту замыкания на землю. Суммарные емкостные токи, протекающие по неповрежденным линиям, имеют направление от земли к шинам подстанции. Таким образом, во время ОЗЗ в сети во вторичных обмотках трансформаторов 1 ТНП поврежденной и неповрежденных линий будут протекать токи, противоположные по направлению, и согласно временной диаграмме, приведенной в [5], вектор 3I₀ в поврежденной линии будет отставать от вектора 3U₀ примерно на 90°. В неповрежденных линиях вектора 3I₀ будут опережать вектор 3U₀ приблизительно на 90°.

Сигнал напряжения нулевой последовательности 3Uo поступает на вход входного преобразователя 9 напряжения, который осуществляет гальваническую развязку сигнала напряжения нулевой последовательности, обеспечивает защиту от перегрузок и линейность преобразования сигнала. Выходной сигнал входного преобразователя 9 напряжения через ФНЧ 10 поступает на вход преобразователя 11, который преобразует поступающий сигнал в постоянное напряжение, значение которого равно амплитуде поступающего сигнала, и выдает его на вход компаратора 22. Компаратор 22 сравнивает поступающий сигнал с пороговым напряжением U_п, значение которого определяется напряжением срабатывания. В случае, если значение напряжения, поступающего с выхода преобразователя 11 напряжения, превышает значение порогового напряжения U_п, на выходе компаратора 22 появляется сигнал, поступающий на соответствующий вход блока 21 управления и на вход формирователя 18 времени задержки, который формирует на своем выходе сигнал с задержкой t_з1. Этот сигнал поступает на вход формирователя 12 времени измерения, на выходе которого формируется сигнал длительностью t_изм.

Одновременно с появлением сигнала напряжения нулевой последовательности на выходах трансформаторов 1 ТНП появляются сигналы тока нулевой последовательности, которые подаются на вход входного преобразователя 2, который осуществляет преобразование по уровню и усиление поступающего сигнала, а также выделение полосы частот от 0 до 150 Гц. Преобразованный сигнал с выхода преобразователя 2 поступает на вход формирователя 3 прямоугольных импульсов, который преобразует сигнал ТНП в прямоугольный сигнал и выдает его на соответствующий вход ключа 4. При этом на вход формирователя 7 прямоугольных импульсов подается сигнал ННП, поступающий с выхода ФНЧ 10. Формирователь 7 формирует выходной сигнал прямоугольной формы, который подается на соответствующий вход ключа 6. Как только на вторые входы ключей 4, 6 поступает сигнал с выхода формирователя 12 времени измерения, ключи 4, 6 замыкаются на время t_изм и пропускают сигналы на соответствующие входы элемента 5 сравнения фаз сигналов тока и напряжения. Отходящая линия считается поврежденной, если угол сдвига фаз между ННП и ТНП находится в диапазоне от 180 до 360°. Если угол сдвига фаз между ННП и ТНП находится в диапазоне от 0 до 180°, линия считается неповрежденной.

На третий вход элемента 5 сравнения фаз сигналов тока и напряжения подается управляющий сигнал с выхода блока 21 управления, запрещающий работу элемента 5 сравнения фаз сигналов в случае отсутствия ОЗЗ. При наличии ОЗЗ на выходе элемента 5 появляется сигнал, поступающий на соответствующие входы формирователя 14 сигналов ТС и блока 15 памяти исполнительного блока 13. Сигнал на соответствующем выходе формирователя 14 сигналов ТС удерживается от момента появления ОЗЗ до момента, когда в случае пропадания ОЗЗ блок 21 управления устанавливает элемент 5 сравнения фаз в исходное состояние через интервал времени t_y.

В случае повреждения одной или нескольких отходящих линий на выходах соответствующих элементов 5 сравнения фаз сигналов тока и напряжения формируются сигналы повреждения линий, поступающие на соответствующие входы исполнительного органа 13. По сигналу с выхода формирователя 17 времени задержки, поступающему на управляющий вход блока 15 памяти, сигнал о номере поврежденной линии записывается в блок 15 памяти. При этом на выходе блока памяти 15 формируется сигнал о номере поврежденной линии, который через интервал времени t_з2 поступает на вход блока 16 индикации. При этом начинает светиться светодиод, соответствующий поврежденной линии. Светодиод продолжает светиться до следующего однофазного замыкания на землю или до отключения напряжения питания.

После пропадания ОЗЗ в одной из отходящих линий в этой линии пропадают сигналы 3I₀ и 3U₀. При этом после пропадания сигнала 3U₀ на втором выходе преобразователя 11 напряжения пропадают импульсы, сбрасывающие формирователь 19 сигнала установки и осуществляющие обнуление счетчиков формирователя 19, на другой вход которого поступают прямоугольные импульсы с выхода генератора 20. Формирователь 19 сигнала установки выдает импульс на второй вход блока 21 управления, который формирует сигнал, поступающий на управляющий вход элемента 5 сравнения фаз, запрещающий его работу и устанавливающий его в состояние, соответствующее отсутствию повреждения линии.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить селективность определения поврежденной линии (присоединения) как при кратковременном, так и при длительном замыкании на землю.

Источники информации

1. Патент РФ №2082269, МПК⁷ Н 02 Н 3/16, приор, от 26.10.94, опубл. 1997,

2. Заявка РФ №95111237, МПК⁷ Н 02 Н 3/16, приор, от 29.06.95, опубл. 1997.

3. А.С. СССР №1385178, МПК⁷ Н 02 Н 3/16, приор, от 19.05.86, опубл. 1988.

4. А.С. СССР №1042123, МПК⁷ Н 02 Н 3/16, приор, от 09.02.82, опубл. 1983.

5. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998, с.290.

Устройство предназначено для определения поврежденной отходящей линии сети 6-10 кВ с изолированной нейтралью, в которой произошло однофазное замыкание на землю. Устройство позволяет осуществить отстройку от апериодической составляющей процесса однофазного замыкания на землю, исключить возможность ложного срабатывания при затухающих колебаниях сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, обеспечивает сохранение информации о номере поврежденной линии. Устройство также обеспечивает установку в исходное состояние элемента сравнения фаз тока и напряжения нулевой последовательности через заданное время после исчезновения однофазного замыкания на землю. 1 ил.

Устройство для определения однофазных замыканий в линиях, содержащее по числу присоединений трансформаторы тока нулевой последовательности, входные преобразователи тока, первыми входами соединенные с выходами соответствующих трансформаторов тока нулевой последовательности, а вторым входом подключенные к выходной клемме источника опорного напряжения, первый замыкающий ключ, первый и второй формирователи прямоугольных импульсов, элемент сравнения фаз, трансформатор напряжения, обмотка “разомкнутый треугольник” которого подключена к выходному преобразователю напряжения, компаратор, одним входом подключенный к выходной клемме источника порогового напряжения, первый формирователь времени задержки, фильтр нижних частот, исполнительный блок, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные формирователь времени измерения и второй формирователь времени задержки, преобразователь напряжения, блок управления, генератор прямоугольных импульсов, формирователь сигнала установки, вторые замыкающие ключи по числу присоединений, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего второго формирователя прямоугольных импульсов, вход каждого из первых формирователей прямоугольных импульсов подключен к выходу соответствующего входного преобразователя тока, а выход - к первому входу соответствующего первого замыкающего ключа, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего элемента сравнения фаз, вторым входом соединенного с выходом соответствующего второго замыкающего ключа, выход входного преобразователя напряжения подключен к входу фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения и с входами вторых формирователей прямоугольных импульсов, вторые входы первых и вторых замыкающих ключей соединены с выходом формирователя времени измерения, входом подключенного к выходу первого формирователя времени задержки, вход которого и первый вход блока управления соединены с выходом компаратора, вторым входом подключенного к первому выходу преобразователя напряжения, второй выход которого соединен с первым входом формирователя сигнала установки, вторым входом соединенного с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выходом - с вторым входом блока управления, выход которого подключен к третьим входам элементов сравнения фаз, выходами соединенных с соответствующими входами исполнительного блока, управляющий вход которого подключен к выходу второго формирователя времени задержки.