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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для сигнализации и защиты воздушных линий электропередачи при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью.

В таких сетях селективное выявление линии электропередачи, в которой произошло замыкание на землю, является достаточно сложной задачей. В настоящее время большинство подстанций 35/6(10) кВ не оснащены устройствами сигнализации или защиты от однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) отходящих линий и имеют только общесекционную сигнализацию при ОЗЗ, а поиск поврежденной линии осуществляется путем поочередного отключения отходящих линий.

Известны устройства защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, например устройство [1], содержащее измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, подключенный к входу пускового органа, формирователь короткого импульса, измерительный трансформатор тока нулевой последовательности на каждом присоединении, последовательно соединенные элементы сравнения, запрета, памяти, несовпадения, исполнительный орган, блок сброса памяти, выходом подключенный к вспомогательным входам всех элементов памяти, выходы которых подключены к соответствующим входам мажоритарного блока, фазоповоротный блок, компаратор, фильтр промышленной частоты для всех защищаемых присоединений, вход которого соединен с выходом измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, а выход подключен к последовательно соединенным фазоповоротному блоку, компаратору, элементу И и формирователю короткого импульса, второй вход компаратора соединен с массой, а второй вход элемента И - с выходом пускового органа, выход каждого измерительного трансформатора тока нулевой последовательности непосредственно подключен к входу соответствующего элемента сравнения, а управляющий вход каждого элемента запрета - к выходу формирователя короткого импульса. Определение поврежденного присоединения осуществляется по знаку тока нулевой последовательности.

Недостатком описанного устройства является возможность ложного срабатывания от помех. Кроме того, данное устройство невозможно использовать на подстанциях, где имеются ячейки с воздушным выходом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство [2, с.64], которое используется для определения поврежденного присоединения при ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ с воздушным и кабельным вводами, содержащее блок сравнения фаз, соединенный с нагрузочным трансформатором, измеритель тока, подключенный к блоку сравнения фаз, трансформатор тока нулевой последовательности для установки в ячейку 6-10 кВ, фильтр неосновных гармоник, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения фаз, блок выбора способа определения поврежденного присоединения, один выход которого подключен к второму входу блока сравнения фаз, а другой выход соединен с входом фильтра неосновных гармоник, вход блока выбора способа определения поврежденного соединения через переключатель вторичных цепей датчика тока нулевой последовательности связан с трансформатором тока нулевой последовательности соответствующего защищаемого присоединения. В описанном устройстве в качестве датчика тока в ячейке 6(10) кВ с воздушным выходом используется датчик тока нулевой последовательности ТДЗЛ-10 [2, с.61].

Данное устройство поочередно подключается к трансформаторам тока нулевой последовательности и к электрической сети 220 В переменного тока только на время измерения. Поиск поврежденной линии с помощью данного устройства может осуществляться тремя способами: а) по значению емкостного тока (в электрической сети с изолированной нейтралью); б) по направлению емкостного тока (в электрических сетях с изолированной нейтралью или в режиме недокомпенсированного емкостного тока в сетях с компенсированной нейтралью); в) по значению искажения высшими гармониками формы синусоидальной кривой (в электрических сетях с компенсированной нейтралью любой степени компенсации емкостного тока).

Описанное устройство, во-первых, не позволяет фиксировать поврежденные присоединения при кратковременных ОЗЗ, во-вторых, оно подключается к трансформаторам тока нулевой последовательности (ТТНП) защищаемых присоединений вручную. Это обусловливает необходимость участия оперативного персонала в работах по выявлению поврежденного присоединения, что увеличивает время поиска и ликвидации замыкания на землю, особенно на подстанциях без постоянного обслуживающего персонала. Кроме того, в данном устройстве, в силу его особенностей, в качестве датчиков тока нулевой последовательности используются трансформаторы типа ТДЗЛ-10, имеющие большие габариты, а также большой коэффициент трансформации и, как следствие, низкую чувствительность по току нулевой последовательности (3I₀), что не позволяет использовать данное устройство на подстанциях с небольшим (2-4) числом отходящих воздушных линий малой длины (2-3 км). Следует отметить также, что на выходной сигнал указанного трансформатора большое влияние оказывают внешние магнитные поля. Так, при малых значениях тока замыкания на землю I_з наводимый внешним магнитным полем сигнал может превышать это значение. Все перечисленные недостатки снижают помехоустойчивость известного устройства и сужают область его применения.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи создания простого в обращении и надежного устройства, имеющего небольшие габариты, для выявления поврежденной воздушной линии при однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью. Данная задача решена за счет того, что предлагаемое устройство работает автоматически, без участия обслуживающего персонала и может подключаться к системе телемеханики, имеет малые габариты и достаточно широкую область применения.

С помощью заявляемого изобретения поставленная задача решается за счет того, что в устройство для определения однофазных замыканий на землю в воздушных сетях с изолированной нейтралью, содержащее трансформатор напряжения, блок сравнения фаз для каждого защищаемого присоединения, исполнительный блок, подключенный к выходу блока сравнения фаз, трансформатор тока нулевой последовательности для установки в ячейку с воздушным выходом, включающую измерительные трансформаторы тока, соединенные с проходными изоляторами, и высоковольтный выключатель, введены входной преобразователь и блок управления, причем входы входного преобразователя соединены с выводами вторичной обмотки трансформатора напряжения, а выход подключен к первому входу каждого блока сравнения фаз и к входу блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами блоков сравнения фаз, третий выход блока управления подключен к управляющему входу исполнительного блока, а в качестве трансформаторов тока нулевой последовательности использованы кабельные трансформаторы, устанавливаемые в каждую ячейку с воздушным выходом с помощью специальной конструкции из трех гибких проводов в изоляции, выводы вторичных обмоток которых подключены к четвертым входам соответствующих блоков сравнения фаз, а первичная обмотка трансформатора тока нулевой последовательности образована проводами фаз А, В, С, протянутыми через окно сердечника, одни концы которых соединены с контактами высоковольтного выключателя ячейки с воздушным выходом, а другие концы подключены к соответствующим проходным изоляторам: по фазе В непосредственно, а по фазам А и С - через измерительные трансформаторы тока. При этом блок управления содержит преобразователь напряжения, входом соединенный с входным преобразователем, а первым выходом подключенный к первому входу компаратора, другой вход которого соединен с выходной клеммой источника порогового напряжения, а выход подключен к входу первого формирователя времени задержки и к первому входу блока сравнения, сигнал с выхода которого подается на третий вход элемента сравнения фаз сигналов тока и напряжения, второй выход преобразователя напряжения соединен с первым входом формирователя сигнала установки, второй вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход соединен с вторым входом блока сравнения, выход первого формирователя времени задержки соединен с входом формирователя времени измерения, выход которого соединен с входом второго формирователя времени задержки и с вторыми входами блоков сравнения фаз, выход второго формирователя времени задержки подключен к управляющему входу исполнительного блока, а блок сравнения фаз содержит входной преобразователь тока, на вход которого подаются сигналы с выхода соответствующего кабельного трансформатора, а выход соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом первого ключа, второй формирователь прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом второго ключа, вторые входы первого и второго ключа подключены к первому выходу блока управления, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента сравнения фаз сигналов тока и напряжения, третьим входом подключенного к второму выходу блока управления, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента сравнения фаз сигналов тока и напряжения, третьим входом подключенного к первому выходу блока управления.

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

Устройство для определения однофазных замыканий на землю в воздушных сетях с изолированной нейтралью состоит из определителя поврежденной линии 1, соединенного с ячейками с воздушными выходами 2, которые соединены с трансформатором напряжения (ТН) 3. Определитель поврежденной линии 1 содержит блоки 4 сравнения фаз по числу присоединений, входной преобразователь 5, вход которого соединен с трансформатором напряжения 3, а выход подключен к первому входу блока 4 сравнения фаз каждого защищаемого присоединения и к входу блока 6 управления, первый выход которого соединен с вторым входом блока 4 сравнения фаз каждого защищаемого присоединения, второй выход подключен к третьему входу блока 4 сравнения фаз каждого защищаемого присоединения, а третий выход блока 6 управления соединен с управляющим входом исполнительного блока 7, трансформаторы 8 тока нулевой последовательности (ТНП), устанавливаемые в соответствующей ячейке 2 с воздушным выходом с помощью специальной конструкции из трех гибких проводов в изоляции, выводы вторичной обмотки трансформатора 8 ТНП подключены к четвертым входам блоков 4 сравнения фаз, а первичная обмотка образована проводами фаз А, В, С, протянутыми через окно сердечника, одни концы которых соединены с контактами высоковольтного выключателя 9, а другие концы подключены к соответствующим проходным изоляторам 10: по фазе В непосредственно, а по фазам А и С - через измерительные трансформаторы тока 11.

Блоки сравнения фаз 4 предназначены для преобразования сигнала тока нулевой последовательности 3I₀ защищаемого присоединения, фильтрации, сравнения с опорным напряжением, усиления и 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. Блок 4 сравнения фаз может быть выполнен, например, как показано на чертеже, и содержит входной преобразователь 12 тока, соединенный с первым 13 формирователем прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом первого ключа 14, второй 15 формирователь прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом второго ключа 16, вторые входы ключей 14, 16 подключены к второму выходу блока 6 управления, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента 17 сравнения фаз сигналов тока и напряжения, третьим входом подключенного к второму выходу блока 6 управления.

Блок 6 управления предназначен для преобразования сигнала 3U₀ в постоянное напряжение и формирования сигналов, управляющих работой блоков 4 сравнения фаз и исполнительного блока 7. Блок 6 управления может быть выполнен, как показано на прилагаемом чертеже, и содержит преобразователь напряжения 18, входом соединенный с входным преобразователем 5, а первым выходом подключенный к первому входу компаратора 19, другой вход которого соединен с выходной клеммой источника порогового напряжения, а выход подключен к входу первого 20 формирователя времени задержки и к первому входу блока 21 сравнения, второй выход преобразователя напряжения 18 соединен с первым входом формирователя 22 сигнала установки, второй вход которого подключен к выходу генератора 23 прямоугольных импульсов, а выход соединен с вторым входом блока 21 сравнения, выход первого 20 формирователя времени задержки соединен с входом формирователя 24 времени измерения, выход которого соединен с входом второго 25 формирователя времени задержки, и с вторыми входами блоков 4 сравнения фаз, выход которого соединен с соответствующим входом исполнительного блока 7.

Исполнительный блок 7 предназначен для индикации наличия или отсутствия ОЗЗ и формирования телесигнализации на внешние управляющие устройства. Исполнительный блок 7 может быть выполнен, например, как показано на чертеже, и содержит формирователь 26 сигналов ТС, блок памяти 27, соответствующие входы которых соединены с выходами соответствующих блоков 4 сравнения фаз, а выходы блока памяти 27 подключены к входам блока индикации 28.

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 3, обмотки которого соединены по схеме "разомкнутый треугольник", появляется сигнал 3U₀ напряжения нулевой последовательности (ННП), а на вторичных обмотках трансформатора 8 ТНП, включенных в соответствующую ячейку 2 с воздушным выходом, появляются сигналы тока нулевой последовательности 3I₀, которые поступают на вход соответствующего блока сравнения фаз 4 определителя поврежденной линии 1.

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 8 ТНП, установленных в ячейки 2 (6-10) кВ с воздушными выходами с помощью конструкции из трех гибких проводов, поврежденной и неповрежденных линий будут протекать токи, противоположные по направлению, и согласно временной диаграмме, приведенной в [3], вектор 3I₀ в поврежденной линии будет отставать от вектора 3U₀ приблизительно на 90°. В неповрежденных линиях вектора 3I₀ будут опережать вектор 3U₀ приблизительно на 90°.

Сигнал напряжения нулевой последовательности 3U₀ поступает на вход входного преобразователя 5, который осуществляет гальваническую развязку сигнала напряжения нулевой последовательности, обеспечивает защиту от перегрузок и линейность преобразования сигнала. Выходной сигнал входного преобразователя 5 поступает на вход преобразователя 18 блока управления 6, который преобразует поступающий сигнал в постоянное напряжение, значение которого равно амплитуде поступающего сигнала, и выдает его на вход компаратора 19 блока управления 6. Компаратор 19 сравнивает поступающий сигнал с пороговым напряжением U_п, значение которого определяется напряжением срабатывания. В случае если значение напряжения, поступающего с выхода преобразователя 18 напряжения, превышает значение порогового напряжения U_п, на выходе компаратора 19 появляется сигнал, поступающий на соответствующий вход блока 21 сравнения и на вход формирователя 20 времени задержки, который формирует на своем выходе сигнал с задержкой t_з1. Этот сигнал поступает на вход формирователя 24 времени измерения, на выходе которого формируется сигнал длительностью t_изм.

Одновременно с появлением сигнала напряжения нулевой последовательности на выходах трансформаторов 8 ТНП появляются сигналы тока нулевой последовательности, которые подаются на вход входного преобразователя 12 соответствующего блока 4 сравнения фаз. Входной преобразователь 12 осуществляет преобразование по уровню и усиление поступающего сигнала, а также выделение полосы частот от 0 до 150 Гц. Преобразованный сигнал с выхода преобразователя 12 поступает на вход формирователя 13 прямоугольных импульсов, который преобразует сигнал ТНП в прямоугольный сигнал и выдает его на соответствующий вход ключа 14. При этом на вход формирователя 15 прямоугольных импульсов подается сигнал ННП, поступающий с выхода входного преобразователя 5. Формирователь 15 формирует выходной сигнал прямоугольной формы, который подается на соответствующий вход ключа 16. Как только на вторые входы ключей 14, 16 поступает сигнал с выхода формирователя 24 времени измерения, ключи 14, 16 замыкаются на время t_изм и пропускают сигналы на соответствующие входы элемента 17 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° (напряжение опережает ток).

Если угол сдвига фаз между ННП и ТНП находится в диапазоне от 0 до 180°, линия считается неповрежденной.

На третий вход элемента 17 сравнения фаз сигналов тока и напряжения подается управляющий сигнал с выхода блока 21 сравнения, входящего в состав блока управления 6, запрещающий работу элемента 17 сравнения фаз сигналов в случае отсутствия ОЗЗ. При наличии ОЗЗ на выходе элемента 17 появляется сигнал, поступающий на соответствующие входы формирователя 26 сигналов ТС и блока 27 памяти исполнительного блока 7. Сигнал на соответствующем выходе формирователя 26 сигналов ТС удерживается от момента появления ОЗЗ до момента, когда в случае пропадания ОЗЗ блок 21 сравнения устанавливает элемент 17 сравнения фаз в исходное состояние через интервал времени t_y.

В случае повреждения одной или нескольких отходящих линий на выходах соответствующих элементов 17 сравнения фаз сигналов тока и напряжения формируются сигналы повреждения линий, поступающие на соответствующие входы исполнительного блока 7. По сигналу с выхода формирователя 25 времени задержки, поступающему на управляющий вход блока 27 памяти, сигнал о номере поврежденной линии записывается в блок 27 памяти. При этом на выходе блока 27 памяти формируется сигнал о номере поврежденной линии, который через интервал времени t_з2 поступает на вход блока 28 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 18 напряжения пропадают импульсы, сбрасывающие формирователь 22 сигнала установки и осуществляющие обнуление счетчиков формирователя 22. На другой вход формирователя 22 поступают прямоугольные импульсы с выхода генератора 23. Формирователь 22 сигнала установки выдает импульс на второй вход блока 21 сравнения, который формирует сигнал, поступающий на управляющий вход элемента 17 сравнения фаз, запрещающий его работу и устанавливающий его в состояние, соответствующее отсутствию повреждения линии.

Предлагаемое техническое решение позволяет автоматически определять поврежденную воздушную линию при ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью, передавать номер поврежденной линии в диспетчерский центр с помощью устройства телемеханики, а также повысить селективность определения поврежденной линии как при кратковременном, так и при длительном ОЗЗ.

Источники информации

1. А.С. СССР №1267525, МПК ⁶ Н 02 Н 3/16, приор, от 20.12.84, опубл. 1986.

2. Степанов Ю.А., Степанов Д.Ю. Совершенствование релейной защиты на примерах построения векторных диаграмм. - М.: Энергоатомиздат, 1999.

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

Использование: для сигнализации и защиты воздушных линий электропередачи при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью. Технический результат заключается в автоматизации и повышении селективности определения поврежденной линии. Устройство состоит из определителя поврежденной линии, соединенного с ячейками с воздушными выходами, которые соединены с трансформатором напряжения. Определитель повреждений линии содержит блоки сравнения фаз по числу присоединений, входной преобразователь, вход которого соединен с трансформатором напряжения, а выход подключен к первому входу блока сравнения фаз каждого защищаемого присоединения и к входу блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами блока сравнения фаз каждого защищаемого присоединения, а третий выход соединен с управляющим входом исполнительного блока, трансформаторы тока нулевой последовательности (ТНП), устанавливаемые в соответствующей ячейке с воздушным выходом с помощью специальной конструкции из трех гибких проводов в изоляции, выводы вторичной обмотки трансформатора ТНП подключены к четвертым входам блоков сравнения фаз, а первичная обмотка образована проводами фаз А, В, С, протянутыми через окно сердечника, одни концы которых соединены с контактами высоковольтного выключателя, а другие концы подключены к соответствующим проходным изоляторам: по фазе В непосредственно, а по фазам А и С - через измерительные трансформаторы тока. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения однофазных замыканий на землю в воздушных сетях с изолированной нейтралью, содержащее трансформатор напряжения, блок сравнения фаз для каждого защищаемого присоединения, исполнительный блок, подключенный к выходу блока сравнения фаз, трансформатор тока нулевой последовательности для установки в ячейку с воздушным выходом, включающую измерительные трансформаторы тока, проходные изоляторы и высоковольтный выключатель, отличающееся тем, что в него введены входной преобразователь и блок управления, причем входы входного преобразователя соединены с выводами вторичной обмотки трансформатора напряжения, а выход подключен к первому входу каждого блока сравнения фаз и к входу блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами блоков сравнения фаз, третий выход блока управления подключен к управляющему входу исполнительного блока, а в качестве трансформаторов тока нулевой последовательности использованы кабельные трансформаторы, устанавливаемые в каждую ячейку с воздушным выходом с помощью специальной конструкции из трех гибких проводов в изоляции, выводы вторичных обмоток которых подключены к четвертым входам соответствующих блоков сравнения фаз, а первичная обмотка трансформатора тока нулевой последовательности образована проводами фаз А, В, С, протянутыми через окно сердечника, одни концы которых соединены с контактами высоковольтного выключателя ячейки с воздушным выходом, а другие концы подключены к соответствующим проходным изоляторам: по фазе В непосредственно, а по фазам А и С - через измерительные трансформаторы тока.2. Устройство для определения однофазных замыканий на землю в воздушных сетях с изолированной нейтралью по п.1, отличающееся тем, что блок сравнения фаз содержит входной преобразователь тока, на вход которого подаются сигналы с выхода соответствующего кабельного трансформатора, а выход соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом первого ключа, второй формирователь прямоугольных импульсов, на вход которого подается сигнал с выхода входного преобразователя, а выход соединен с первым входом второго ключа, вторые входы первого и второго ключа подключены к первому выходу блока управления, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента сравнения фаз сигналов тока и напряжения, третьим входом подключенного к второму выходу блока управления.3. Устройство для определения однофазных замыканий на землю в воздушных сетях с изолированной нейтралью по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит преобразователь напряжения, входом соединенный с входным преобразователем, а первым выходом подключенный к первому входу компаратора, другой вход которого соединен с выходной клеммой источника порогового напряжения, а выход подключен к входу первого формирователя времени задержки и к первому входу блока сравнения, сигнал с выхода которого подается на третий вход элемента сравнения фаз сигналов тока и напряжения, второй выход преобразователя напряжения соединен с первым входом формирователя сигнала установки, второй вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход соединен с вторым входом блока сравнения, выход первого формирователя времени задержки соединен с входом формирователя времени измерения, выход которого соединен с входом второго формирователя времени задержки и с вторыми входами блоков сравнения фаз, выход второго формирователя времени задержки подключен к управляющему входу исполнительного блока.