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 однофазном замыкании на землю в распределительных электрических сетях с любым способом подключения нейтрали.
Проведенный патентный поиск в отношении заявленного способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока показал следующее.
Известен способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока, который реализован в устройстве для направленной защиты нулевой последовательности от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью (СССР, авторское свидетельство №792421, Н02Н 3/16, 1980). В соответствии со способом измеряют разность фаз между сигналами тока и напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте сети, сравнивают результаты измерений 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 эталонного значения амплитудой высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности и нахождении сдвига фаз в заданном интервале формируют аварийный сигнал.
Недостаток известного способа состоит в том, что в нем для выявления однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) анализируют низкочастотные составляющие тока и напряжения нулевой последовательности, а именно контролируют сдвиг фаз между низкочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности. Это не отражает достоверного состояния линии при однофазном замыкании на землю, так как во время однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) существенную роль играет возникающий при этомвысокочастотный переходный процесс. Наличие в способе операции выделения сигнала высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности и контроль превышения ее амплитудой эталонного значения не гарантирует, что зафиксированное превышение вызвано сигналом помехи, так как в способе отсутствует операция идентификациивыделенной высокочастотнойсоставляющей.В результате снижается надежность способа, снижается селективность по отношению к сигналу помехи и повышается вероятность ложных срабатываний. Кроме того, в способе отсутствует контроль амплитуды напряжения нулевой последовательности во время ОЗЗ, что снижает достоверность способа, а следовательно, увеличивает вероятность ложных срабатываний.
Наиболее близким к предлагаемому является способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока (РФ, патент №2097893, Н02Н 3/16, 27.11.97). Способ включает выделение при ОЗЗ из сигнала напряжения нулевой последовательности низкочастотной составляющей, соответствующей рабочей частоте, выделение высокочастотных составляющих из сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, измерение амплитуд их первых полуволн, сравнение результатов измерений с соответствующими эталонными значениями и, при наличии одновременного превышения над эталонными значениями, фиксацию фазового соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты, одновременно измеряют амплитуду выделенного низкочастотного сигнала напряжения нулевой последовательности, сравнивают полученное значение с эталонным, результат фиксируют, затем сопоставляют полученные результаты и, при нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале и наличии превышения максимального значения амплитудой напряжения нулевой последовательности, контролируют сохранение полученных результатов измерений в течение заданного интервала времени, при сохранении результатов измерения по истечении заданного интервала времени формируют аварийный сигнал, при этом продолжительность заданного интервала времени задают с учетом 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.
Недостаток известного способа состоит, прежде всего, в снижении селективности к сигналу помехи из-за отсутствия возможности обеспечения при определении ОЗЗ четкой привязки зафиксированного фазового соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты к измеренной амплитуде низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Это объясняется тем, что процесс выявления признаков ОЗЗ на высокой и низкой частотах идет независимо, без привязки к друг другу по времени: фиксируют сдвиг фаз, фиксируют амплитуду НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности, сравнивают с эталонными значениями, при нахождении угла в заданных пределах и наличии превышения амплитуды максимально допустимого значения через заданный интервал времени формируют сигнал о наличии ОЗЗ. В этом случае как результат контроля сдвига фаз, так и результат контроля превышения амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности могут быть следствием сигнала помехи. Отсутствие возможности контроля одновременности появления обоих признаков ОЗЗ может привести к ложному срабатыванию устройства по сигналу помехи, источником которого, как уже было сказано, может в данном случае быть как низкочастотный, так и высокочастотные каналы.
Кроме того, в способе предусмотрено только одно эталонное значение амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности, в то время как в соответствии с Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (ПТЭ) при работе сети напряжение на нейтрали равно нулю только при полной симметрии проводимостей фаз относительно земли. В нормальном режиме естественная несимметрия обусловлена различным расположением проводов на опорах, неравномерным распределением по фазам конденсаторов для защиты вращающихся машин, конденсаторов связи и прочей работой технологического оборудования. Кроме того, потребитель сам для обеспечения работоспособности сети в некоторых ситуациях вносит искусственное смещение нейтрали. При наличии несимметрии возникает смещение нейтрали. В результате распределительные электрические сети имеют такие параметры, как допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали (до двух часов) и допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали, который меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», М.: СПО ОГРЭС, 1996, с.с.280-287, далее ПТЭ). Таким образом, при смещениях нейтрали допускается на ограниченное время превышение амплитудой напряжения нулевой последовательности значения, соответствующего рабочему режиму сети. При этом, как следует из ПТЭ, эти максимальные значения для распределительной сети известны. В известном способе отсутствуют средства, позволяющие контролировать два уровня напряжения низкочастотного сигнала. Это не позволяет учесть возможность допустимого по ПТЭ смещения нейтрали, а следовательно, не позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети, т.е. снижает надежность способа и повышает вероятность ложного срабатывания защиты.
Допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня. Однако в распределительных электрических сетях со смещением нейтрали, в которых на нейтрали установилось напряжение, соответствующее допустимому длительному максимальному уровню смещения нейтрали, фиксация превышения нижнего уровня может также являться признаком ОЗЗ или сигнала помехи. Отсутствие в способе возможности контроля изменения во времени допустимого длительного максимального уровня смещения нейтрали снижает надежность защиты от ОЗЗ, а следовательно, снижает надежность способа. Кроме того, при ОЗЗ в начале и при завершении развития напряжения на нейтрали (в начале и в завершении огибающей переходного процесса) могут образовываться помеховые шумы. Отсутствие возможности отслеживания при ОЗЗ изменения амплитуды НЧ сигнала, начиная с нижнего уровня, учитывающего наличие шумов, не позволяет отстроиться от помеховых шумов в начале и в завершении огибающей, что снижает надежность, селективность способа по отношению к сигналу помехи, что повышает вероятность ложных срабатываний. Отсутствие возможности контроля превышения амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности с применением двух пороговых значений амплитуды, не позволяет перекрыть все возможные причины смещения нейтрали, а также индивидуальность электрических параметров сети, что лишает известный способ универсальности.
Кроме того, в известном способе при принятии решения о выдаче сигнала наличия ОЗЗ не учитывается возможность влияния сигналов помех. В результате снижается селективность по отношению к сигналу помехи, а следовательно, повышается вероятность ложных срабатываний.
Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и прототип заявленного способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, при осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности способа, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи и в снижении вероятности ложных срабатываний.
Результаты патентного поиска, проведенные в отношении устройства для осуществления заявленного способа, показали следующее.
Известно устройство для направленной защиты нулевой последовательности от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее каналы тока и напряжения нулевой последовательности и высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности. 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 (СССР, авторское свидетельство №792421, Н02Н 3/16, 1980). Устройство формирует аварийный сигнал при нахождении угла сдвига фаз тока и напряжения нулевой последовательности в заданном интервале на рабочей частоте сети и при наличии в высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности гармоник рабочей частоты с амплитудой, превышающей допустимую.
Недостаток известного устройства защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока состоит в низкой помехозащищенности во время переходного режима восстановления симметрии фазных напряжений сети после ликвидации однофазного замыкания на землю и в повышении вследствие этого вероятности ложных срабатываний. Это объясняется тем, что при однофазном замыкании на землю частота свободно затухающих колебаний определяется эквивалентной индуктивностью измерительных трансформаторов напряжения нулевой последовательности и суммарной емкостью относительно земли. Нелинейность индуктивности трансформаторов напряжения способствует образованию высокочастотных составляющих в токе и напряжении нулевой последовательности. При этом некоторые из них оказываются в полосе срабатывания канала нулевой последовательности, что приводит к ложному срабатыванию защиты.
Необходимость в надежном выделении низкочастотных сигналов напряжения и тока нулевой последовательности, то есть отстройка от высокочастотных сигналов (ВЧС) напряжения и тока нулевой последовательности при срабатывании порогового элемента, имеющих гораздо большую амплитуду, чем установившийся ток однофазного замыкания на землю на рабочей частоте, порождает другие проблемы. Обычно с этой целью улучшают фильтрующую способность фильтров низкой частоты (ФНЧ). Однако ужесточение фильтрации увеличивает инерционность ФНЧ, что может привести к ложному срабатыванию фазочувствительного элемента, т.е. привести к ложному срабатыванию устройства. Кроме того, известно, что установление переходных процессов в ФНЧ или время правильной реакции порогового элемента (ПЭ) на сигнал от ФНЧ может длиться ТФ=(3-5)ω-1, где ω - рабочая частота. В режиме дугового ОЗЗ ударные воздействия ВЧС напряжения и тока нулевой последовательности большой амплитуды возбуждают собственные колебания ФНЧ. Сложение собственных колебаний ФНЧ от очередных пробоев ОЗЗ в зависимости от интервала их следования может привести как к срабатыванию ПЭ, так и к несрабатыванию. В случае срабатывания ПЭ на выходе связки входных блоков ФНЧ+ПЭ возникнет значительный дополнительный фазовый сдвиг из-за широтно-импульсного модулирования суммарным сигналом ПЭ. Это также может привести к ложному срабатыванию фазочувствительного элемента, анализирующего выходы ПЭ, что приводит к ложному срабатыванию устройства.
Поскольку известное устройство для выявления ОЗЗ позволяет проанализировать только низкочастотные составляющие (НЧС) тока и напряжения нулевой последовательности, а именно контролирует сдвиг фаз между низкочастотными составляющими, это не отражает достоверного состояния присоединения сети при однофазном замыкании на землю, так как во время ОЗЗ существенную роль играет возникающий при этом высокочастотный переходный процесс. Возможность контроля устройством сигнала высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности и контроль превышения ее амплитудой эталонного значения не гарантирует, что зафиксированное превышение не вызвано сигналом помехи, так как в устройстве отсутствует возможность идентификации выделенной высокочастотной составляющей. В результате снижается достоверность контроля наличия ОЗЗ, а следовательно, снижается надежность устройства, ухудшается селективность по отношению к сигналу помехи и повышается вероятность ложных срабатываний. Канал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности отслеживает лишь наличие максимально допустимого уровня высокочастотных гармоник в сигнале тока нулевой последовательности на промышленной частоте. При этом в устройстве отсутствуют средства, позволяющие удостовериться в том, что превышение порогового значения не вызвано сигналом помехи. Кроме того, в устройстве отсутствует возможность контроля амплитуды НЧС напряжения нулевой последовательности во время ОЗЗ, что также снижает достоверность результатов контроля, поскольку наличие превышения амплитуды НЧС напряжения нулевой последовательности в этом случае является одним из достоверных признаков ОЗЗ. В результате снижается надежность работы устройства и увеличивается вероятность ложных срабатываний.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока (РФ, патент №2097893, Н02Н 3/16, 27.11.97). Устройство содержит высокочастотные каналы тока и напряжения нулевой последовательности, входы которых являются соответственно входами сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, низкочастотный канал напряжения нулевой последовательности, вход которого соединен с входом сигнала напряжения нулевой последовательности, схему формирования результата сравнения фаз высокочастотных сигналов, подключенную к выходам высокочастотных каналов, регулируемую схему задержки, подключенную к выходам схемы формирования результата сравнения фаз высокочастотных сигналов и к выходу низкочастотного канала, и к входу схемы формирования аварийного сигнала, выход которой является выходом устройства.
Принцип работы устройства заключается в использовании высокочастотного сигнала перезаряда фазных емкостей сети, возникающих в самом начале однофазного замыкания на землю. Устройство обеспечивает выделение и анализ первых амплитуд сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, возникающих в результате переходных процессов при перемежающемся дуговом замыкании на землю; фиксирует превышение выделенных амплитуд выше порогового значения для сигналов отрицательной и положительной полярности; фиксирует между первыми однополярными сигналами сдвиг фаз, фиксирует превышение порогового значения амплитудой напряжения нулевой последовательности и формирует аварийный сигнал при одновременном наличии в течение заданного интервала времени сдвига фаз равного или близкого к 90° и превышения максимально допустимого значения амплитудой напряжения нулевой последовательности. Схема задержки позволяет изменять длительность заданного интервала времени, что позволяет учесть длительность переходных процессов при ОЗЗ или, увеличив его, учесть время, необходимое для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю.
Недостаток известного устройства состоит, прежде всего, в снижении селективности к сигналу помехи из-за отсутствия средств, обеспечивающих четкую привязку при ОЗЗ зафиксированного фазового соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты к измеренной амплитуде низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Это объясняется тем, что оба сигнала поступают на вход линии задержки в произвольный момент времени без привязки по времени друг к другу. Момент времени их поступления не фиксируется, т.е. устройство не учитывает время их появления одно относительно другого. Отсутствие контроля одновременности их появления может привести к ложному срабатыванию устройства по сигналу помехи, источником которого может в данном случае быть как низкочастотный, так и высокочастотные каналы.
Кроме того, в соответствии с Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации при работе сети напряжение на нейтрали равно нулю только при полной симметрии проводимостей фаз относительно земли. В нормальном режиме естественная несимметрия обусловлена различным расположением проводов на опорах, неравномерным распределением по фазам конденсаторов для защиты вращающихся машин, конденсаторов связи и прочей работой технологического оборудования. Кроме того, потребитель сам для обеспечения работоспособности сети в некоторых ситуациях вносит искусственное смещение нейтрали. При наличии несимметрии возникает смещение нейтрали. В результате распределительные электрические сети имеют такие параметры, как допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали (до двух часов) и допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали, который меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», М.: СПО ОГРЭС, 1996, с.с.280-287, далее ПТЭ). Таким образом, при смещениях нейтрали допускается на ограниченное время превышение амплитудой напряжения нулевой последовательности значения, соответствующего рабочему режиму сети. При этом, как следует из ПТЭ, эти максимальные значения для распределительной сети известны. В низкочастотном канале известного устройства отсутствуют средства, позволяющие контролировать два уровня допустимого напряжения низкочастотного сигнала. Возможность контроля только одного значения амплитуды напряжения нулевой последовательности не позволяет учесть наличия возможного смещения нейтрали, а следовательно, не позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети. Кроме того, в случае, если смещение нейтрали естественное, возможность этого факта в известном устройстве вообще не учитывается. При этом длительность переходных процессов после ОЗЗ зависит от амплитуды превышения НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности максимально допустимого значения: если, предположим, установить в качестве эталонного нижний порог - допустимый для распределительной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали (до двух часов), то переходный процесс после ОЗЗ закончится раньше, по сравнению с верхним эталонным порогом - допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали. Отсюда следует, что известное устройство, при наличии смещения нейтрали, не чувствует правильный момент времени окончания переходного процесса, что приводит к выдачи сигнала о наличии ОЗЗ или с запаздыванием, или преждевременно, что приводит к снижению надежности работы устройства, к неоправданному отключению присоединения сети. Отсутствие средств, позволяющих контролировать два уровня напряжения низкочастотного сигнала, не позволяет учитывать возможность наличия допустимого по ПТЭ смещения нейтрали, а следовательно, не позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети, т.е. снижает надежность работы известного устройства и повышает вероятность ложного срабатывания защиты, а также лишает устройство универсальности.
Допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня. Однако в распределительных электрических сетях со смещением нейтрали, в которых на нейтрали установилось напряжение, соответствующее допустимому длительному максимально уровню смещения нейтрали, фиксация превышения нижнего уровня может также являться признаком ОЗЗ. Отсутствие в устройстве возможности контроля изменения во времени допустимого длительного максимального уровня смещения нейтрали снижает надежность защиты от ОЗЗ, а следовательно, снижает надежность устройства. Кроме того, при ОЗЗ в начале и при завершении развития напряжения на нейтрали (в начале и в завершении огибающей переходного процесса) могут образовываться помеховые шумы. Отсутствие возможности отслеживания при ОЗЗ изменения амплитуды НЧС, начиная с нижнего уровня, учитывающего наличие шумов, не позволяет отстроиться от помеховых шумов в начале и в завершении огибающей, что снижает надежность работы устройства, селективность устройства по отношению к сигналу помехи и повышает вероятность ложных срабатываний.
Кроме того, в известном устройстве продолжительность интервала времени контроля наличия ОЗЗ задается дискретно посредством перестройки линии задержки для конкретной сети, что лишает устройство универсальности. При этом в устройстве отсутствуют средства, позволяющие учитывать влияние на принятие решения о выдаче сигнала наличия ОЗЗ самоустраняющихся кратковременных однофазных замыканий на землю, существование которых не оказывает отрицательного воздействия на электрическую сеть, а также перемежающихся ОЗЗ и сигналов помех, вызываемых включением мощных нагрузок потребителей, либо пуском высоковольтных двигательных установок. В результате снижается селективность по отношению к сигналу помехи, а следовательно, повышается вероятность ложных срабатываний.
Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и прототип заявленного устройства, реализующего способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока, при осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи, в снижении вероятности ложных срабатываний, в обеспечении универсальности устройства.
Предлагаемый способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока решает задачу создания соответствующего способа, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности способа, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи и в снижении вероятности ложных срабатываний, в обеспечении универсальности.
Сущность изобретения «Способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока» заключается в том, что при однофазном замыкании на землю из сигнала напряжения нулевой последовательности выделяют низкочастотную составляющую, соответствующую рабочей частоте, кроме того, выделяют высокочастотные составляющие из сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, измеряют амплитуды их первых полуволн, сравнивают результаты измерений с соответствующими эталонными значениями и, при наличии одновременного превышения над эталонными значениями, измеряют фазовые соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты, кроме того, измеряют амплитуду выделенной низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности, сравнивают полученное значение с эталонным, результат фиксируют, и, при нахождении угла сдвига фаз в заданных пределах и наличии превышения эталонного значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности, формируют аварийный сигнал через интервал времени, который задают с учетом времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю и с учетом времени, необходимого для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю, новым является то, что в качестве эталонного значения для амплитуды низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности принимают максимально допустимое и нижнее контролируемое значение амплитуды, при этом в качестве максимально допустимого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для распределительной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали, а в качестве нижнего контролируемого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для распределительной сети длительный максимальный уровень смещения нейтрали, при этом, если в результате измерения фазовых соотношений между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты угол сдвига фаз находится в заданных пределах, то результат измерения угла сдвига фаз фиксируют в течение контрольного интервала времени, продолжительность которого задают соответствующим времени, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения, после чего в течение контрольного интервала времени измеряют амплитуду выделенной низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности, для чего сначала проверяют наличие превышения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности нижнего контролируемого значения и, в случае фиксации превышения нижнего контролируемого значения, отслеживают в течение контрольного интервала времени наличие превышения максимально допустимого значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности, если фиксируют факт превышения максимально допустимого значения, то аварийный сигнал формируют после момента фиксации через интервал времени, который задают, кроме того, с учетом времени, позволяющем отстроиться от сигналов помех и самоустраняющихся однофазных замыканий на землю.
Технический результат в заявленном способе направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока 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 - однофазное замыкание на землю. В сети 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, замыкание на землю вызывает повышение фазных напряжений. Характерным для ОЗЗ является также наличие высокочастотных переходных процессов. Поскольку зарядные и разрядные цепи при ОЗЗ представляют собой эквивалентные колебательные контура, то это обуславливает сдвиг фаз между соответствующими ВЧ составляющими тока и напряжения нулевой последовательности равный или близкий 90°.
В заявленном способе вывод о наличии замыкания на землю делают путем анализа амплитуд высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности и фазовых соотношений между ними и одновременного контроля амплитуды низкочастотной составляющей 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 наибольшую опасность для сети при ОЗЗ. Измерение первой полуволны высокочастотного сигнала позволяет учесть ее полярность, что повышает достоверность результатов анализа и повышает надежность способа.
Фиксация фазового соотношения между высокочастотными составляющими (ВЧС) тока и напряжений нулевой последовательности позволяет убедиться в наличии фазового сдвига между ними, близкого или равного 90°, что является не только одним из признаков наличия ОЗЗ, но и обеспечивает селективность заявленного способа по отношению к высокочастотному сигналу помехи, поскольку подтверждает соответствие друг другу выделенных ВЧ составляющих тока и напряжения нулевой последовательности.
Кроме того, поскольку фиксацию фазового соотношения проводят в момент прохождения через нуль тока высокой частоты, т.е. когда амплитуда сигнала высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности должна быть максимальной, это также обеспечивает привязку ВЧ составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, что также повышает селективность предлагаемого способа защиты по отношению к сигналу помехи.
Как было показано выше, в соответствии с Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации при работе сети напряжение на нейтрали равно нулю только при полной симметрии проводимостей фаз относительно земли. В нормальном режиме естественная несимметрия обусловлена различным расположением проводов на опорах, неравномерным распределением по фазам конденсаторов для защиты вращающихся машин, конденсаторов связи и прочей работой технологического оборудования. Кроме того, потребитель сам для обеспечения работоспособности сети в некоторых ситуациях вносит искусственное смещение нейтрали. При наличии несимметрии возникает смещение нейтрали. В результате распределительные электрические сети имеют такие параметры как допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали (до двух часов) и допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали, который меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», М.: СПО ОГРЭС, 1996, с.с.280-287, далее ПТЭ). Таким образом, при смещениях нейтрали допускается на ограниченное время превышение амплитудой напряжения нулевой последовательности значения, соответствующего рабочему режиму сети. При этом, как следует из ПТЭ, эти максимальные значения для распределительной сети известны. В заявленном способе предусмотрены два эталонных значения амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности: в качестве эталонного значения для амплитуды низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности используют максимально допустимое и нижнее контролируемое значение амплитуды, при этом в качестве максимально допустимого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали, а в качестве нижнего контролируемого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для данной сети длительный максимальный уровень смещения нейтрали. Поэтому заявленный способ позволяет контролировать два уровня напряжения низкочастотного сигнала. Это позволяет учесть возможность допустимого по ПТЭ смещения нейтрали, а следовательно, позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети, т.е. повышает надежность способа и снижает вероятность ложного срабатывания защиты. Кроме того, это позволяет не только учесть возможность смещения нейтрали, но и проконтролировать допустимую для распределительной сети по ПТЭ величину смещения нейтрали, а следовательно, также позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети, что повышает надежность способа и снижает вероятность ложного срабатывания защиты.
Допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня. Однако в распределительных электрических сетях со смещением нейтрали, в которых на нейтрали установилось напряжение, соответствующее допустимому длительному максимальному уровню смещения нейтрали, фиксация превышения нижнего уровня может также являться признаком ОЗЗ. Наличие в заявленном способе возможности контроля превышения амплитудой НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности допустимого длительного максимального уровня смещения нейтрали позволяет адекватно оценить возникший переходный процесс и отреагировать на возможность появления ОЗЗ, отслеживая затем в течение контрольного интервала времени наличие превышения максимально допустимого значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Это повышает надежность защиты от ОЗЗ, а следовательно, повышает надежность способа. Кроме того, при ОЗЗ в начале и при завершении развития напряжения на нейтрали (в начале и в завершении огибающей переходного процесса) образуются помеховые шумы. Отслеживать изменение амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности ниже допустимого длительного максимального уровня смещения нейтрали нецелесообразно, так как этот режим допустим для работы сети. Благодаря введению нижнего контролируемого значения амплитуды НЧ сигнала заявленный способ дает возможность отследить при ОЗЗ изменения амплитуды НЧ сигнала, начиная с уровня, практически отсекающего шумы, что позволяет отстроиться от помеховых шумов в начале и в завершении огибающей формирующегося при ОЗЗ сигнала напряжения и повышает надежность, селективность способа по отношению к сигналу помехи, снижает вероятность ложных срабатываний.
При этом, несмотря на то, что контролируемые уровни низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности соответствуют сети со смещением нейтрали, заявленный способ работает и в сетях с отсутствием смещения нейтрали. Это придает способу универсальность.
Наличие возможности контроля превышения амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности с применением двух эталонов значения амплитуды позволяет учесть все возможные режимы работы нейтрали, а также индивидуальность электрических режимов работы сети, что также придает заявленному способу универсальность.
Кроме того, заявленный способ обеспечивает при определении ОЗЗ возможность четкой привязки зафиксированного фазового соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты к измеренной амплитуде низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Это объясняется тем, что в заявленном способе в случае, если в результате измерения фазовых соотношений между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты угол сдвига фаз находится в заданных пределах, то результат измерения угла сдвига фаз фиксируют в течение контрольного интервала времени. При этом амплитуду выделенной низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности измеряют в течение контрольного интервала времени. При этом продолжительность контрольного интервала времени задают соответствующим времени, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения. Все это в совокупности обеспечивает привязку зафиксированного фазового соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты к измеренной амплитуде низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности, а следовательно, повышает надежность способа, повышает селективность по отношению к сигналу помехи и снижает вероятность ложных срабатываний защиты.
Кроме того, поскольку в заявленном способе амплитуду НЧ сигнала измеряют только при условии нахождения угла сдвига фаз в заданных пределах, то в результате учитывается последовательность появления признаков ОЗЗ, т.е. учитывается, что первым признаком ОЗЗ является возникновение высокочастотного процесса, что и подтверждает фиксирование сдвига фаз в заданных пределах (близкий или равный 90°). В результате повышается надежность способа, так как снижется вероятность ложных срабатываний защиты.
Выявление признаков ОЗЗ на высокой и низкой частотах с привязкой их по времени обеспечивает возможность контроля одновременности появления обоих признаков ОЗЗ, что снижает вероятность ложного срабатывания по сигналу помехи, источником которого может в данном случае быть как низкочастотный, так и высокочастотные каналы.
Благодаря тому, что в заявленном способе сначала проверяют наличие превышения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности нижнего контролируемого значения, это позволяет принять правильное решение о дальнейших действиях, так как отсутствие превышения позволяет предположить, что произошла фиксация фазы по сигналу помехи. Фиксация превышения нижнего контролируемого значения, как уже было показано выше, может являться признаком и ОЗЗ, и помехи. Поэтому, в случае фиксации превышения нижнего контролируемого значения, отслеживают в течение контрольного интервала времени наличие превышения максимально допустимого значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Поскольку величина контрольного интервала времени выбрана соответствующим времени, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения, это обеспечивает достоверность результатов контроля и снижает вероятность неоправданного отключения присоединения сети, а следовательно, повышает надежность способа, снижает вероятность ложных срабатываний защиты и повышает селективность по отношению к сигналу помехи. Кроме того, длительность контрольного интервала может быть задана соответствующей среднестатистическому времени нарастания амплитуды напряжения нулевой последовательности при ОЗЗ, полученному авторами изобретения в результате исследования различных электрический сетей, которое составляет примерно 3 мс. Это позволяет использовать один общий контрольный интервал времени для любых режимов работы нейтрали (с изолированной нейтралью, с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью), независимо от наличия отличий в индивидуальных параметрах, что придает способу универсальность.
Благодаря тому, что в заявленном способе в случае фиксации факта превышения максимально допустимого значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности аварийный сигнал формируют после момента фиксации через интервал времени, который задают с учетом времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю и с учетом времени, необходимого для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю, а также который задают с учетом времени, позволяющем отстроиться от сигналов помех и самоустраняющихся однофазных замыканий на землю, повышается селективность способа по отношению к сигналу помехи и снижается вероятность ложных срабатывания защиты, что повышает надежность способа. Возможность установления интервала времени для формирования аварийного сигнала для всех случаев режима работы нейтрали, а также с учетом времени, позволяющем отстроиться от сигналов помех и самоустраняющихся однофазных замыканий на землю, придает заявленному способу универсальность.
Из вышеизложенного следует, что заявленный технический результат в предлагаемом способе направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока достигается следующим образом:
в основе способа лежит анализ амплитуд высокочастотных сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, определение угла сдвига фаз между ВЧС тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты, контроль амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности. При этом решения о наличии ОЗЗ принимается по признакам: наличие превышения амплитуд высокочастотных сигналов; угол сдвига фаз между ВЧС тока и напряжения нулевой последовательности находится в пределах или равен 90°; амплитуда напряжения нулевой последовательности превышает минимальное и максимально допустимые значения, что отсутствовало в прототипе; угол сдвига фаз и превышение амплитудой напряжения нулевой последовательности максимально допустимого значения зафиксированы в контрольный интервал времени, что отсутствовало в прототипе. Таким образом, по сравнению с прототипом, заявленный способ при определении ОЗЗ учитывает возможность смещения нейтрали и обеспечивает возможность четкой привязки зафиксированного фазового соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты к измеренной амплитуде низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Это возможно благодаря тому, что результат измерения угла сдвига фаз (в пределах или равен 90°) фиксируют в течение контрольного интервала времени, продолжительность которого задают соответствующим времени, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения. При этом максимально допустимое превышение амплитудой НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности отслеживают в течение контрольного интервала времени. В результате обеспечивается надежность способа, селективность к сигналам помехи и снижается вероятность ложных срабатываний.
Кроме того, заявленный способ позволяет контролировать два уровня напряжения низкочастотного сигнала. При этом в качестве максимально допустимого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали, а в качестве нижнего контролируемого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для данной сети длительный максимальный уровень смещения нейтрали. Это позволяет учесть возможность допустимого по ПТЭ смещения нейтрали, а следовательно, позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети, т.е. повышает надежность способа и снижает вероятность ложного срабатывания защиты. Наличие возможности контроля превышения амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности с применением двух эталонов значения амплитуды позволяет учесть все возможные режимы работы нейтрали, а также индивидуальность электрических параметров сети, что обеспечивает надежность способа, селективность к сигналам помехи и снижает вероятность ложных срабатываний, а также придает заявленному способу универсальность.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности способа, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи и в снижении вероятности ложных срабатываний, а также обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в универсальности способа.
Устройство для осуществления способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока, реализующее заявленный способ, решает задачу создания соответствующего устройства, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи, в снижении вероятности ложных срабатываний, в обеспечении универсальности устройства.
Сущность изобретения «Устройство для осуществления способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока» заключается в том, что в устройство для осуществления способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока, содержащее высокочастотные каналы тока и напряжения нулевой последовательности, входы которых являются соответственно входом сигнала тока нулевой последовательности и входом сигнала напряжения нулевой последовательности, при этом высокочастотные каналы выполнены идентично, низкочастотный канал напряжения нулевой последовательности, вход которого подключен к входу сигнала напряжения нулевой последовательности, фазочувствительный элемент, к входам которого с первого по четвертый подключены соответственно выходы положительной и отрицательной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов каналов тока и напряжения нулевой последовательности, и схему формирования аварийного сигнала, выход которой является выходом устройства, дополнительно введены схема управления низкочастотным каналом напряжения нулевой последовательности (СУ), формирователи времени задержки с первого по четвертый, первый элемент ИЛИ, схема сброса результата фазового детектирования (СФД), при этом выход сигнала блокировки СУ и выходы формирователей подключены к входам первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу блокировки фазочувствительного элемента, информационные входы первого формирователя времени задержки подключены к выходам высокочастотного канала тока нулевой последовательности, а выход подключен к собственному входу блокировки срабатывания и к первому входу СФД, выход которой подключен к входу аннулирования отсчета второго формирователя времени задержки, вход которого подключен к выходу фазочувствительного элемента, а выход, кроме того, подключен к информационному входу четвертого формирователя времени задержки, при этом инверсный выход второго формирователя подключен к входу разрешения отсчета третьего формирователя, информационный вход которого подключен к выходу четвертого формирователя и ко второму входу СФД, при этом вход разрешения отсчета четвертого формирователя и выход подключены соответственно к выходу и второму входу СУ, первый вход которой и вход аннулирования отсчета четвертого формирователя подключены к выходу низкочастотного канала напряжения нулевой последовательности, управляющий вход которого подключен к управляющему выходу СУ, кроме того, выход третьего формирователя подключен к входу схемы формирования аварийного сигнала, при этом низкочастотный канал напряжения нулевой последовательности содержит последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель, первый фильтр низкой частоты и пороговый элемент с гальванической развязкой и управляемым порогом срабатывания, при этом вход выпрямителя является входом низкочастотного канала, выход и управляющий вход порогового элемента - соответственно выходом и управляющим входом канала. Кроме того, фазочувствительный элемент содержит первый и второй D-триггеры и второй элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами триггеров, а выход является выходом фазочувствительного элемента, при этом С- и D-входы первого триггера соединены с выходами положительной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов каналов тока и напряжения нулевой последовательности, а С- и D-входы второго триггера соединены с выходами отрицательной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов каналов тока и напряжения нулевой последовательности соответственно, при этом R-входы триггеров соединены и являются входом блокировки фазочувствительного элемента. При этом схема управления низкочастотным каналом напряжения нулевой последовательности содержит пятый формирователь времени задержки, второй фильтр низких частот, линию задержки, третий D-триггер, элемент НЕ, элемент И и третий элемент ИЛИ, причем вход элемента НЕ является первым входом СУ и подключен к входу аннулирования отсчета пятого формирователя, кроме того, выход элемента НЕ подключен к входу второго фильтра низких частот и к входам разрешения отсчета третьего D-триггера и пятого формирователя, выход которого подключен к входу линии задержки, выход которой подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, второй вход которого является вторым входом СУ, а выход является выходом сигнала блокировки СУ, кроме того, информационный вход пятого формирователя подключен к источнику сигнала единичного уровня, а выход третьего элемента ИЛИ подключен, кроме того, к входу аннулирования отсчета третьего D-триггера, информационный вход которого подключен к источнику сигнала единичного уровня, а выход является управляющим выходом СУ и, кроме того, подключен ко первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго фильтра низких частот, а выход является выходом СУ. Причем схема сброса результата фазового детектирования (СФД) содержит формирователь коротких импульсов и элемент ИЛИ-НЕ, причем вход формирователя коротких импульсов является первым входом СФД, первый вход элемента ИЛИ-НЕ является вторым входом СФД, второй вход элемента ИЛИ-НЕ подключен к выходу формирователя коротких импульсов, а выход элемента ИЛИ-НЕ является выходом СФД. В низкочастотном канале напряжения нулевой последовательности пороговый элемент с управляемым порогом срабатывания содержит n-p-n транзистор, у которого параллельно переходу база-коллектор включен резистор, а к базе последовательно подключен минусом первый стабилитрон, к которому последовательно подключен второй стабилитрон, параллельно которому подключен управляющий ключ, размыкающий контакт которого соединен с управляющим входом НЧ канала, а минус второго стабилитрона соединен с выходом НЧ канала.
Технический результат в устройстве, реализующем заявленный способ, достигается следующим образом. Как было изложено выше, из литературы известно, что 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 - однофазное замыкание на землю. В сети 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, замыкание на землю вызывает повышение фазных напряжений. Характерным для ОЗЗ является также наличие высокочастотных переходных процессов. Поскольку зарядные и разрядные цепи при ОЗЗ представляют собой эквивалентные колебательные контура, то это обуславливает сдвиг фаз между соответствующими высокочастотными (ВЧ) составляющими тока и напряжения нулевой последовательности, равный или близкий 90°. Принцип работы заявленного устройства, осуществляющего способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока, заключается в анализе во время ОЗЗ амплитуды сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, в анализе фазовых соотношений между ними и контроля амплитуды низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности в момент времени, когда сдвиг фаз между соответствующими высокочастотными (ВЧ) составляющими тока и напряжения нулевой последовательности равен или близок 90°.
Наличие в устройстве высокочастотных каналов тока и напряжения нулевой последовательности (ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0) и низкочастотного канала напряжения нулевой последовательности (3u0) позволяет оценить параметры высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в начале ОЗЗ, которые являются характерными для ОЗЗ, а также оценить величину НЧ составляющей напряжения на нейтрали в этой ситуации, что обеспечивает надежность работы устройства, селективность по отношению к сигналу помехи и снижение вероятности ложных срабатываний.
Благодаря тому, что каналы ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0 выполнены идентично, обеспечивается сохранение фазовых соотношений между сигналами ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0 на входах фазочувствительного элемента, что повышает селективность устройства по отношению к сигналу помехи. Наличие в ВЧ каналах выходов отрицательной и положительной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов учитывает случайный характер полярности высокочастотных сигналов, а так же позволяет фиксировать начало высокочастотного переходного процесса, т.е. начало ОЗЗ, что обеспечивает надежность устройства.
Фазочувствительный элемент обеспечивает контроль фазовых соотношений между зафиксированными однополярными амплитудами сигналов ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0, причем обеспечивает возможность фиксации фазового соотношения, близкого или равного 90°, что обеспечивает селективность по отношению к сигналу помехи. Построение фазочувствительного элемента на двух D-триггерах, первом и втором, позволяет фиксировать фазовое соотношение в момент прохождения через ноль ВЧС 3i0, причем для обеих полярностей сигналов ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0. Для этого в одном из триггеров D- и С-входы соединены с выходами отрицательной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов, а в другом - с выходами положительной полярности, что учитывает случайный характер полярности амплитуды высокочастотного сигнала, повышает надежность работы устройства и обеспечивает селективность по отношению к сигналу помехи. При этом D-входы соединены с выходами высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности, а С-входы - с выходами высокочастотного канала тока нулевой последовательности, что обеспечивает возможность фиксации фазового соотношения между однополярными ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0, близкого или равного 90° при прохождении тока через нуль. Это обеспечивает селективность по отношению к сигналу помехи. Кроме того, построение фазочувствительного элемента на первом и втором D-триггерах обеспечивает возможность управления его работой, а именно обеспечивает возможность его блокирования по R-входам для предотвращения возможности срабатывания от сигнала помехи, что повышает помехозащищенность устройства, а следовательно, повышает надежность его работы. Возможность блокировки фазочувствительного элемента от срабатывания по сигналу помехи предотвращает необоснованное отключение неповрежденного присоединения сети, что снижает вероятность ложных срабатываний устройства. Второй элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами первого и второго D-триггеров, а выход является выходом фазочувствительного элемента, обеспечивает возможность получения результата детектирования сигналов или положительной, или отрицательной полярности, что учитывает полярность высокочастотных сигналов и повышает надежность работы устройства. Возможность фиксации фазового сдвига, близкого или равного 90°, между ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0 снижает вероятность ложного срабатывания защиты, так как в этом случае сдвиг фаз, близкий или равный 90°, служит привязкой к полезному сигналу. Кроме того, предлагаемое выполнение и подключение фазочувствительного элемента к выходам ВЧ каналов позволяет фиксировать сдвиг фаз, равный или близкий к 90°, при прохождении ВЧС 3i0 через нуль, т.е. когда амплитуда высокочастотного сигнала напряжения нулевой последовательности максимальна. Это также обеспечивает привязку к полезному сигналу. В результате повышается надежность работы устройства, селективность по отношению к сигналу помехи и снижается вероятность ложных срабатываний.
Низкочастотный (НЧ) канал напряжения нулевой последовательности, который состоит из двухполупериодного выпрямителя, первого ФНЧ, порогового элемента с гальванической развязкой и управляемым порогом срабатывания, обеспечивает во время ОЗЗ возможность контроля амплитуды низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности, что повышает селективность по отношению к сигналу помехи и снижает количество ложных срабатываний, а следовательно, повышает надежность работы устройства.
Введение в НЧ канал двухполупериодного выпрямителя обеспечивает во время ОЗЗ возможность контроля амплитуд полуволн НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности обеих полярностей, что отсутствовало в прототипе. Это повышает информативность, а следовательно, надежность работы устройства. Фильтр низкой частоты выделяет из поступающего на его вход сигнала сигнал рабочей частоты и отсекает сигналы помехи, что повышает селективность устройства по отношению к помехам. Введение в НЧС канал порогового элемента с гальванической развязкой также повышает устойчивость устройства по отношению к помехам, поскольку гальванически развязывает пороговый элемент от металлических частей корпуса прибора и других элементов и узлов устройства, что исключает воздействие на пороговый элемент наведенного сигнала помехи по электрическим связям между элементами и узлами устройства, а следовательно, исключает возможность срабатывания порогового элемента от сигнала помехи, что также повышает селективность устройства по отношению к сигналу помехи.
Кроме того, известно, что в соответствии с Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации при работе сети напряжение на нейтрали равно нулю только при полной симметрии проводимостей фаз относительно земли. В нормальном режиме естественная несимметрия обусловлена различным расположением проводов на опорах, неравномерным распределением по фазам конденсаторов для защиты вращающихся машин, конденсаторов связи и прочей работой технологического оборудования. Кроме того, потребитель может сам при необходимости обеспечения работоспособности сети ввести смещение нейтрали искусственно. При наличии несимметрии возникает смещение нейтрали. В результате распределительные электрические сети имеют такие параметры, как допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали (до двух часов) и допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали, который меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», М.: СПО ОГРЭС, 1996, с.с.280-287, далее ПТЭ). Таким образом, при смещениях нейтрали допускается на ограниченное время превышение амплитудой напряжения нулевой последовательности значения, соответствующего рабочему режиму сети. При этом, как следует из ПТЭ, эти максимальные значения для распределительной сети известны. Введение в НЧ канал устройства порогового элемента с управляемым порогом срабатывания позволяет учесть возможность смещения нейтрали путем задания двух порогов срабатывания: максимально допустимое значение амплитуды низкочастотной составляющей, которое устанавливают равным допустимому для распределительной сети максимальному кратковременному уровню смещения нейтрали, и нижнего контролируемого значения амплитуды низкочастотной составляющей, которое устанавливают равным допустимому для распределительной сети длительному максимальному уровню смещения нейтрали. Такой подход к выбору порогов срабатывания управляемого порогового элемента позволяет учесть возможность смещения нейтрали, а следовательно, позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети, т.е. повышает надежность работы устройства и снижает вероятность ложного срабатывания защиты. При построении порогового элемента с управляемым порогом срабатывания использован принцип изменения режима работы транзистора путем управления режимом работы базовой цепи. Это достигается введением в пороговый элемент транзистора, у которого параллельно переходу база-коллектор включен резистор, а к базе последовательно подключен минусом первый стабилитрон, к которому последовательно подключен второй стабилитрон, параллельно которому подключен управляющий ключ, что позволяет, подключая к базе оба стабилитрона или один, регулировать ток коллектор - база. При этом размыкающий контакт управляющего ключа соединен с управляющим входом НЧ канала, что обеспечивает возможность изменения режима работы транзистора по управляющему сигналу из СУ. Благодаря тому, что минус второго стабилитрона соединен с выходом НЧ канала, на выходе НЧ канала формируется сигнал о фиксации превышения нижнего контролируемого или максимально допустимого значений амплитуды НЧ сигнала при изменении напряжения на коллекторе транзистора.
Допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня. Однако в распределительных электрических сетях со смещением нейтрали, в которых на нейтрали установилось напряжение, соответствующее допустимому длительному максимальному уровню смещения нейтрали, фиксация превышения нижнего уровня может также являться признаком ОЗЗ. Наличие в заявленном способе возможности контроля превышения амплитудой НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности допустимого длительного максимального уровня смещения нейтрали позволяет адекватно оценить переходный процесс и отреагировать на возможность появления ОЗЗ в соответствии с развитием переходного процесса, что повышает надежность защиты от ОЗЗ, а следовательно, повышает надежность способа. Кроме того, возможность контроля нижнего уровня напряжения в сетях со смещением нейтрали повышает надежность работы устройства. Это объясняется тем, что момент превышения контролируемого уровня напряжения воспринимается устройством как скачок напряжения, заканчивающийся переходным процессом. В этот момент высокочастотные каналы выделяют из сигналов нулевой последовательности высокочастотные составляющие тока и напряжения. При этом в момент превышения нижнего контролируемого уровня НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности может быть зафиксирован фазовый сдвиг между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности, близкий или равный 90°, что является одним из признаков наличия ОЗЗ. Однако наличие второго порога срабатывания управляемого порогового элемента обеспечивает возможность контроля дальнейшего превышения напряжением максимального значения и при его отсутствии сигнал о наличии ОЗЗ устройство не вырабатывает. В результате исключается необоснованное отключение присоединения сети, что повышает надежность работы устройства, селективность к сигналу помехи и снижает вероятность ложных срабатываний.
Кроме того, при ОЗЗ в начале и при завершении развития напряжения на нейтрали (в начале и в завершении огибающей развивающегося при ОЗЗ напряжения) могут образовываться помеховые шумы. Возможность отслеживать при ОЗЗ изменения амплитуды НЧ сигнала, начиная с заданного нижнего уровня, ниже которого (ниже допустимого длительного максимального уровня смещения нейтрали) режим работы для сети допустим, позволяет, не теряя информации при ОЗЗ, отстроиться от помеховых шумов в начале и в завершении огибающей формирующегося при ОЗЗ сигнала напряжения, что повышает надежность работы, селективность устройства по отношению к сигналу помехи и снижает вероятность ложных срабатываний.
При этом, несмотря на то, что контролируемые уровни низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности соответствуют сети со смещением нейтрали, они являются оптимальными и для распределительных сетей с отсутствием смещения нейтрали. Это придает устройству универсальность.
В результате введение в НЧ канал порогового элемента с управляемым порогом срабатывания позволяет принять во внимание возможность наличия смещения нейтрали сети, что позволяет исключить неоправданное отключение присоединения сети, т.е. повышает надежность работы устройства и снижает вероятность ложного срабатывания защиты. При этом величины порогов срабатывания универсальны, что обеспечивает универсальность устройства.
Схема управления низкочастотным каналом напряжения нулевой последовательности (СУ) формирует сигнал управления для управляемого порогового элемента, обеспечивая возможность последовательного управления его порогом срабатывания. Это позволяет посредством установки требуемого порога срабатывания учесть наличие смещения нейтрали сети, повышает надежность работы устройства, а также придает устройству универсальность. Кроме того, на своем выходе СУ формирует информацию о наличии превышения максимально допустимого значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности, что является одним из основных признаков ОЗЗ и обеспечивает надежность работы устройства. При ОЗЗ схема управления формирует сигнал блокировки устройства, блокируй его срабатывание от сигнала помехи до окончания переходных процессов в НЧ канале, что повышает надежность работы, селективность по отношению к сигналу помехи и снижает вероятность ложных срабатываний.
Введение в устройство формирователей времени задержки с первого по четвертый позволяет формировать временные задержки, обеспечивающие селективность устройства по отношению к сигналу помехи. Благодаря подключению выходов всех формирователей и выхода блокировки СУ через первый элемент ИЛИ к входу блокировки фазочувствительного элемента, в процессе анализа сигналов, характерных для ОЗЗ, обеспечивается последовательная блокировка устройства от возможного срабатывания по сигналу помехи, что особенно важно для неповрежденного присоединения сети, так как исключает неоправданное его отключение, а следовательно, снижает вероятность ложных срабатываний.
Введение в устройство первого формирователя времени задержки, информационные входы которого подключены к выходам высокочастотного канала тока нулевой последовательности, а выход подключен к собственному входу блокировки срабатывания и к первому входу СФД и, через первый элемент ИЛИ, к входу блокировки фазочувствительного элемента, обеспечивает защиту устройства от неселективной работы по отношению к сигналу помехи высокочастотного канала тока нулевой последовательности. Первый формирователь срабатывает по заднему фронту высокочастотного сигнала тока нулевой последовательности, блокируя через первый элемент ИЛИ на формируемое время задержки фазочувствительный элемент, после срабатывания последнего. Блокирование фазочувствительного элемента выходным сигналом первого формирователя времени задержки происходит также при частичных разрядах в изоляции или при наличии помех в ВЧ сигнале тока нулевой последовательности, что повышает селективность и надежность работы.
Второй формирователь времени задержки обеспечивает регистрацию факта срабатывания фазочувствительного элемента, фиксацию его на время до 1,5 с и, на это же время, через элемент ИЛИ блокировку фазочувствительного элемента. При этом введение времени задержки, формируемой вторым формирователем, обеспечивает отстройку от кратковременных самоликвидирующихся ОЗЗ, а также от помех, вызываемых включением мощных нагрузок потребителей, либо пуском высоковольтных двигательных установок, с диапазоном длительности от 0,012 до 1,5 с (0,012 с - минимальное время для отстройки от феррорезонансных процессов; 1,5 с - общее статистическое время, при котором двигательные установки завершают пуск). Это повышает надежность работы устройства, селективность по отношению к сигналу помехи и снижает вероятность ложных срабатываний.
Введение четвертого формирователя времени задержки, вход разрешения отсчета которого подключен к выходу СУ, обеспечивает фиксацию информации о наличии или отсутствии превышения максимально допустимого значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Благодаря связи выхода НЧ канала со входом аннулирования отсчета четвертого формирователя выходной сигнал НЧ канала разрешает, при наличии превышения максимально допустимого значения амплитудой НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности, или запрещает, при его отсутствии, срабатывание четвертого и пятого (в схеме управления) формирователей времени. Благодаря тому, что информационный вход четвертого формирователя подключен к выходу второго формирователя, который содержит информацию о наличии срабатывания фазочувствительного элемента, четвертый формирователь при наличии превышения напряжения в НЧ канале и наличии сдвига фаз в заданных пределах устанавливает на своем выходе активный сигнал.
При этом достижение технического результата введением схемы управления обеспечивается следующим образом. В СУ элемент НЕ инвертирует входной сигнал, поступающий с выхода НЧ канала на первый вход СУ, для обеспечения работоспособности пятого формирователя времени задержки и третьего D-триггера по выходному сигналу НЧ канала. В результате третий D-триггер фиксирует наличие превышения амплитудой НЧ сигнала нижнего контролируемого уровня и формирует на управляющем выходе СУ сигнал управления порогом срабатывания управляемого порогового элемента в НЧ канале (связь управляющего выхода СУ с управляющим входом НЧ канала), кратковременно повышая его до максимально допустимого. Это позволяет проконтролировать дальнейшее изменение амплитуды НЧ сигнала и зафиксировать в течение этого времени наличие превышения максимально допустимого значения. Благодаря тому, что второй фильтр нижней частоты срабатывает только в момент превышения амплитудой НЧ сигнала верхнего порога управляемого порогового элемента, обеспечивается возможность фиксации превышения. Элемент И, за счет подключения его входов к выходам второго ФНЧ и третьего D-триггера, формирует сигнал разрешения отсчета для четвертого формирователя в момент фиксации превышения верхнего порога. Сигнал поступает в четвертый формирователь за счет связи выхода СУ с входом разрешения отсчета формирователя. При наличии 033 благодаря связи выхода четвертого формирователя со вторым входом СУ сигнал с выхода четвертого формирователя приводит СУ в исходное состояние (D-триггер обнулен; пятый формирователь обнулен по сигналу с первого входа СУ), при котором в НЧ канале устанавливается нижний порог срабатывания управляемого порогового элемента.
При отсутствии сигнала с выхода четвертого формирователя в НЧ канале верхний порог срабатывания управляемого порогового элемента удерживается в течение заданного времени благодаря линии задержки. Последнее позволяет установить время задержки - контрольный интервал времени, равным среднестатистическому, в течение которого при ОЗЗ амплитуда НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности достигает значения, превышающего максимально допустимое. В результате обеспечивается возможность контроля амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности в сетях с отличными друг от друга параметрами. Это повышает надежность работы устройства, а также придает ему универсальность.
После установки в НЧ канале нижнего порога срабатывания управляемого порогового элемента дальнейшее срабатывание порогового элемента происходит от каждой полуволны НЧ сигнала напряжения нулевой последовательности, до тех пор, пока амплитуда превышает нижний контролируемый уровень. В результате, за счет связи выхода НЧ канала с входами аннулирования отсчета четвертого и пятого формирователей времени задержки, обеспечивается запрет отсчета времени этими формирователями на все время переходного процесса в НЧ канале, что повышает селективность устройства по отношению к сигналу помехи.
При отсутствии ОЗЗ схема управления устанавливает на своем выходе сигнал блокировки устройства через время, формируемое линией задержки. Это обеспечивается подключением к первому входу СУ (выход НЧ канала) пятого формирователя входом аннулирования отсчета, а, через элемент НЕ, входом разрешения отсчета, и последовательному соединению пятого формирователя с линией задержки. Время задержки пятого формирователя обеспечивает возможность учета времени длительности переходного процесса в НЧ канале. Это обеспечивает надежную блокировку фазочувствительного элемента выходным сигналом СУ, что исключает срабатывание устройства в режиме восстановления, а следовательно, исключает возможность неоправданного отключения сети, снижает вероятность ложных срабатываний, повышает надежность работы устройства и повышает селективность к помехам. При этом введение линии задержки позволяет установить практически любую длительность контрольного интервала времени для слежения за изменением амплитуды НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности. Это обеспечивает возможность установки продолжительности контрольного интервала времени, равной среднестатистическому времени, полученному авторами в результате исследования различных электрических сетей, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения - примерно 3 мс. Это позволяет учитывать режим работы нейтрали, отличия в индивидуальных параметрах распределительных сетей, что позволяет получить технический результат, заключающийся в обеспечении универсальности устройства, а также повышает надежность работы устройства.
Только при наличии сдвига фаз между ВЧ сигналами тока и напряжения нулевой последовательности в заданных пределах четвертый формирователь времени задержки формирует сигнал о наличии превышения амплитудой напряжения нулевой последовательности максимально допустимого значения. При этом задержка времени четвертого формирователя учитывает время длительности переходного процесса в НЧ канале, что обеспечивает надежную фиксацию информации об амплитуде НЧ сигнала и повышает селективность устройства по отношению к сигналу помехи. Кроме того, благодаря этому сигналы блокировки формируемые по выходному сигналу четвертого формирователя (выход блокировки СУ и выходной сигнал четвертого формирователя), обеспечивают надежную блокировку фазочувствительного элемента при ОЗЗ, что исключает срабатывание устройства в режиме его разблокирования и повышает селективность к помехам.
Причем благодаря связи информационного входа четвертого формирователя с выходом второго формирователя обеспечивается привязка во времени появления сигнала превышения амплитудой напряжения нулевой последовательности максимально допустимого значения и фиксации сдвига фаз в заданных пределах между ВЧ составляющими тока и напряжения нулевой последовательности, что отсутствовало в прототипе. В результате повышается надежность работы устройства, селективность к сигналам помехи и снижается вероятность ложных срабатываний.
Третий формирователь импульсов благодаря своим связям с элементами схемы устройства пропускает аварийный сигнал на вход схемы формирования аварийного сигнала при сохранении признаков ОЗЗ на его входе и удерживает его на входе схемы в течение формируемого им времени задержки, которое учитывает возникновение сигналов помехи при срабатывании контактов исполнительного реле схемы формирования аварийного сигнала. В результате повышается надежность устройства, селективность к сигналам помехи и снижается вероятность ложных срабатываний. При этом на выходе схемы формирования аварийного сигнала формируется выходной сигнал о наличии ОЗЗ длительностью, определяемой временем задержки третьего формирователя.
Схема сброса результата фазового детектирования (СФД) благодаря заявленным связям аннулирует через время задержки первого формирователя результат детектирования фазочувствительного элемента в случае его срабатывания от высокочастотных помех при отсутствии превышения максимально допустимого порога амплитудой НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности. Это также повышает селективность устройства по отношению к сигналу помехи, снижает вероятность ложных срабатываний и повышает надежность работы устройства. При этом формирователь коротких импульсов, за счет связи с первым входом схемы, формирует импульс сброса для второго формирователя по срезу импульса с выхода первого формирователя (т.е. через время задержки первого формирователя) при отсутствии на втором входе схемы (втором входе элемента ИЛИ-НЕ) сигнала о превышении максимального допустимого значения амплитудой НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности.
Таким образом, в заявленном устройстве благодаря заявленному выполнению решение о наличии ОЗЗ принимается по признакам: наличие превышения амплитуд высокочастотных сигналов; угол сдвига фаз между ВЧС тока и напряжения нулевой последовательности находится в пределах или равен 90°; амплитуда напряжения нулевой последовательности превышает минимальное и максимально допустимые значения, что отсутствовало в прототипе; угол сдвига фаз и превышение амплитудой напряжения нулевой последовательности максимально допустимого значения зафиксированы в контрольный интервал времени, продолжительность которого задают равным среднестатистическому времени, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения, что также отсутствовало в прототипе. В результате, по сравнению с прототипом, заявленное устройство при определении ОЗЗ учитывает возможность смещения нейтрали и обеспечивает возможность четкой привязки к измеренной амплитуде НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности зафиксированного фазового сдвига между сигналами ВЧ составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты.
Наличие формирователей времени задержки с первого по пятый и их связей с другими элементами схемы устройства обеспечивает возможность установления интервала времени для формирования аварийного сигнала для любых вариантов режимов работы нейтрали и индивидуальных параметров распределительных сетей с учетом времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю, с учетом времени, необходимого для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю, с учетом сигналов помех и самоустраняющихся однофазных замыканий на землю, что позволяет использовать заявленное устройство для защиты любых распределительных электрических сетей. В результате обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в универсальности устройства.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство для осуществления способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, реализующее заявленный способ, при осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи, в снижении вероятности ложных срабатываний, в обеспечении универсальности устройства.
На фиг.1 изображена блок-схема устройства для осуществления способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока; на фиг.2 - схема электрическая схемы управления низкочастотным каналом напряжения нулевой последовательности; на фиг.3 - схема электрическая схемы сброса результата фазового детектирования; на фиг.4 - схема электрическая порогового элемента с управляемым порогом срабатывания.
Устройство для осуществления способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока содержит выполненные идентично высокочастотные каналы 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности, входы которых являются соответственно входом сигнала тока нулевой последовательности и входом сигнала напряжения нулевой последовательности; низкочастотный канал 3 напряжения нулевой последовательности, вход которого подключен к входу сигнала напряжения нулевой последовательности; фазочувствительный элемент 4, к входам которого с первого по четвертый подключены соответственно выходы положительной 5, 6 и отрицательной 7, 8 полярности первой полуволны высокочастотных сигналов каналов тока и напряжения нулевой последовательности соответственно; схему формирования аварийного сигнала 9, выход которой является выходом устройства; схему управления 10 низкочастотным каналом 3 напряжения нулевой последовательности (СУ); формирователи времени задержки с первого 11 по четвертый 14, первый элемент ИЛИ 15, схему 16 сброса результата фазового детектирования (СФД). Выход 17 сигнала блокировки СУ 10 и выходы формирователей подключены к входами первого элемента ИЛИ 15, выход которого подключен к входу блокировки фазочувствительного элемента 4. Информационные входы первого 11 формирователя времени задержки подключены к выходам 5, 7 высокочастотного канала тока нулевой последовательности, а выход подключен к собственному входу блокировки срабатывания и к первому входу СФД 16, выход которой подключен к входу аннулирования отсчета второго 12 формирователя времени задержки, вход которого подключен к выходу фазочувствительного элемента 4, а выход, кроме того, подключен к информационному входу четвертого 14 формирователя времени задержки. При этом инверсный выход второго 12 формирователя подключен к входу разрешения отсчета третьего 13 формирователя, информационный вход которого подключен к выходу четвертого 14 формирователя и ко второму входу СФД 16. Вход разрешения отсчета четвертого 14 формирователя и выход подключены соответственно к выходу 18 и второму входу 19 СУ 10, первый вход 20 которой и вход аннулирования отсчета четвертого 14 формирователя подключены к выходу низкочастотного канала напряжения нулевой последовательности, управляющий вход которого подключен к управляющему выходу 21 СУ 10. Выход третьего 13 формирователя подключен к входу схемы 9 формирования аварийного сигнала.
Низкочастотный канал 3 напряжения нулевой последовательности содержит последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель 22, первый фильтр 23 низкой частоты и пороговый элемент 24 с гальванической развязкой и управляемым порогом срабатывания. Вход выпрямителя 22 является входом низкочастотного канала 3, выход и управляющий вход порогового элемента 24 - соответственно выходом и управляющим входом канала.
Фазочувствительный элемент 4 содержит первый 25 и второй 26 D-триггеры и второй 27 элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами триггеров, а выход является выходом фазочувствительного элемента. С- и D-входы первого 25 триггера соединены с выходами 5, 6 положительной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов каналов 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности, а С- и D-входы второго триггера соединены с выходами 7, 8 отрицательной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов каналов 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности соответственно. R-входы триггеров 25, 26 соединены и являются входом блокировки фазочувствительного элемента.
Схема управления 10 низкочастотным каналом напряжения нулевой последовательности содержит пятый 28 формирователь времени задержки, второй фильтр низких частот 29 и 30 линию задержки, третий D-триггер 31, элемент НЕ 32, элемент И 33 и третий элемент ИЛИ 34. Вход элемента НЕ 32 является первым 20 входом СУ 10 и подключен к входу аннулирования отсчета пятого формирователя, кроме того, выход элемента НЕ 32 подключен к входу второго ФНЧ 29 и к входам разрешения отсчета третьего 31 D-триггера и пятого 28 формирователя, выход которого подключен к входу 30 линии задержки, выход которой подключен к первому входу третьего 34 элемента ИЛИ, второй вход которого является вторым 19 входом СУ 10, а выход является выходом 17 сигнала блокировки СУ 10. Информационный вход пятого 28 формирователя подключен к источнику сигнала единичного уровня, а выход третьего 34 элемента ИЛИ подключен, кроме того, к входу аннулирования отсчета третьего 31 D-триггера, информационный вход которого подключен к источнику сигнала единичного уровня, а выход является управляющим выходом 21 СУ 10 и, кроме того, подключен ко первому входу элемента И 33, второй вход которого подключен к выходу второго ФНЧ 29, а выход является выходом 18 СУ 10.
Схема 16 сброса результата фазового детектирования (СФД) содержит формирователь коротких импульсов 35 и элемент 36 ИЛИ-НЕ, причем вход формирователя импульсов 35 является первым входом СФД 16, первый вход элемента 36 ИЛИ-НЕ является вторым входом СФД 16, второй вход элемента 36 ИЛИ-НЕ подключен к выходу формирователя 35 коротких импульсов, а выход элемента 36 ИЛИ-НЕ является выходом СФД 16.
Пороговый элемент 24 с управляемым порогом срабатывания содержит n-p-n транзистор 37, у которого параллельно переходу база-коллектор включен резистор 38, а к базе последовательно подключен минусом первый 39 стабилитрон, к которому последовательно подключен второй 40 стабилитрон, параллельно которому подключен управляющий ключ 41, размыкающий контакт которого соединен с управляющим входом НЧ канала, а минус второго стабилитрона соединен с выходом НЧ канала.
Формирователи времени задержки с первого 11 по четвертый 14 и пятый 28 представляют собой одновибраторы, которые могут быть выполнены, например, на счетчиках импульсов.
Схема формирования аварийного сигнала 9 может быть выполнена в виде исполнительного реле.
Высокочастотные каналы 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности идентичны и могут быть выполнены в соответствии с описанными в прототипе (РФ, патент №2097893, Н02Н 3/16, 27.11.97). Каждый из высокочастотных каналов 1, 2 содержит соединенные последовательно предварительный фильтр, вход которого является входом канала, фильтр высокой частоты и схему выделения первой полуволны высокочастотного сигнала, первый выход которой подключен соответственно к последовательно соединенным первому фильтру нижних частот и первому пороговому элементу, а второй выход подключен соответственно к последовательно соединенным второму фильтру нижних частот и второму пороговому элементу, выходы первого и второго пороговых элементов являются соответственно выходами положительной 5, 6 и отрицательной 7, 8 полярности первой полуволны высокочастотных сигналов тока и напряжения нулевой последовательности.
В каналах 1, 2 предварительный фильтр обеспечивает фильтрацию рабочей частоты, а также полосы частот, не входящей в объект исследований. Фильтр верхних частот обеспечивает выделение сигнала высокочастотной составляющей тока (напряжения) нулевой последовательности, которая формируется в результате переходных процессов при перемежающемся дуговом замыкании на землю. Схема выделения первой полуволны сигнала учитывает случайный характер начальной фазы и полярности анализируемого высокочастотного сигнала. Фильтры низкой частоты, первый и второй, обеспечивают окончательную фильтрацию полезного высокочастотного сигнала, отфильтровывая сигналы наводки. Наличие пороговых элементов, первого и второго, обеспечивает возможность контроля наличия превышения амплитудой высокочастотного сигнала эталонного значения как для положительной, так и для отрицательной полярности, а также обеспечивает штатный режим работы последующих элементов устройства.
Способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока реализуют следующим образом.
В соответствии с заявленным способом при однофазном замыкании на землю из сигнала напряжения нулевой последовательности выделяют низкочастотную составляющую, соответствующую рабочей частоте, высокочастотные составляющие из сигналов тока и напряжения нулевой последовательности. Измеряют амплитуды первых полуволн высокочастотных составляющих. Сравнивают результаты измерений с соответствующими эталонными значениями и, при наличии одновременного превышения над эталонными значениями, измеряют фазовые соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты. Если в результате измерения фазовых соотношений между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности находится в заданных пределах, то результат измерения угла сдвига фаз фиксируют в течение контрольного интервала времени. Продолжительность контрольного интервала времени задают соответствующим времени, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения, которое составляет примерно 3 мс. После чего в течение контрольного интервала времени измеряют амплитуду выделенной низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. В качестве эталонного значения для амплитуды низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности принимают максимально допустимое и нижнее контролируемое значение амплитуды. При этом в качестве максимально допустимого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали, а в качестве нижнего контролируемого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для данной сети длительный максимальный уровень смещения нейтрали. Сначала проверяют наличие превышения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности нижнего контролируемого значения и, в случае фиксации превышения нижнего контролируемого значения, отслеживают в течение контрольного интервала времени наличие превышения максимально допустимого значения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Если фиксируют факт превышения максимально допустимого значения, то аварийный сигнал формируют после момента фиксации через интервал времени, который задают с учетом времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю и с учетом времени, необходимого для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю, а также с учетом времени, позволяющего отстроиться от сигналов помех и самоустраняющихся однофазных замыканий на землю, среднестатистическое время действия которых от 0,012 с до 1,5 с.
Заявленный способ реализует устройство направленной защиты от однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети переменного тока. Сигналы на входы тока и напряжения нулевой последовательности поступают в устройство с соответствующих трансформаторов (на фиг.1 не показано). При возникновении на контролируемом присоединении ОЗЗ в составе сигналов тока и напряжения нулевой последовательности появляются высокочастотные составляющие, которые выделяют ВЧ каналы 1 и 2, информация о которых устанавливается или на выходах 5, 6 положительной или на выходах 7, 8 отрицательной полярности первой полуволны высокочастотных сигналов каналов тока 1 и напряжения 2 нулевой последовательности. В момент перехода высокочастотного сигнала тока нулевой последовательности через нуль на входе С первого 25 (второго 26) D-триггера фазочувствительного элемента 4 производится запись информации о присутствии на входе D положительной (отрицательной) полуволны высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. При записи единичного сигнала по входу D на выходе второго элемента ИЛИ 27 фазочувствительного элемента появляется активный уровень сигнала.
После срабатывания фазочувствительного элемента 4, по срезу высокочастотного импульса тока нулевой последовательности отрицательной или положительной полярности (выходы 5, 6 или 7, 8 ВЧ каналов) запускается первый 11 формирователь времени задержки, который на собственное время задержки самоблокируется и одновременно на это же время блокирует своим выходным сигналом фазочувствительный элемент 4. Сигнал с выхода первого 11 формирователя блокирует фазочувствительный элемент также при частичных разрядах в изоляции сети или при наличии помех в сигналах тока нулевой последовательности, предупреждая, тем самым, его срабатывание, а следовательно, взведение устройства для неповрежденного присоединения сети от сигнала помехи. Таким образом, в результате срабатывания первого 11 формирователя на первом входе СФД 16 в течение времени задержки первого формирователя 11 присутствует информация о фиксации превышения амплитудой высокочастотного сигнала тока нулевой последовательности эталонного значения.
Сигнал с выхода фазочувствительного элемента 4 запускает на время 1,5 с второй 12 формирователь времени задержки, который начинает отсчет времени. При этом на выходе второго 12 формирователя появляется активный уровень, который устанавливается на информационном входе четвертого 14 формирователя. Одновременно сигнал с выхода второго формирователя 12 через первый элемент ИЛИ 15 блокирует триггеры 25, 26 фазочувствительного элемента 4 по входам R. В результате на информационном входе второго 12 формирователя времени задержки присутствует информация о наличии сдвига фаз между зафиксированными высокочастотными сигналами напряжения и тока нулевой последовательности, близкого к 90°.
Одновременно работает НЧ канал 3 напряжения нулевой последовательности. Выпрямленное входное напряжение с выхода двухполупериодного выпрямителя 22 проходит через первый 23 фильтр нижних частот, который выделяет из входного сигнала полезную составляющую, несущую в себе информацию об амплитуде низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Далее сигнал поступает на пороговый элемент 24 с управляемым порогом срабатывания.
Схема 10 управления низкочастотным каналом напряжения нулевой последовательности производит последовательное управление величиной порога срабатывания порогового элемента 24 канала 3. При этом порог срабатывания задают исходя из следующего: в качестве максимально допустимого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для распределительной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали, а в качестве нижнего контролируемого значения амплитуды низкочастотной составляющей принимают допустимый для распределительной сети длительный максимальный уровень смещения нейтрали.
Схема 10 управления низкочастотным каналом 3 напряжения нулевой последовательности и пороговый элемент 24 с управляемым порогом срабатывания работают следующим образом. После включения питания и установки устройства в исходное состояние на элементах и выходах СУ устанавливаются следующие уровни напряжения: на первом входе 20 (выход НЧ канала 3) - «1», на входе аннулирования отсчета пятого 28 формирователя - «1», на входе разрешения отсчета пятого 28 формирователя - «0», на выходе пятого 28 формирователя - «0», на выходе линии задержки 30 - «0», на выходе 17 сигнала блокировки - «0», на управляющем выходе 21 - «0», на выходе второго ФНЧ 29 - «0», на выходе 18 - «0». У порогового элемента 24 установлен нижний порог срабатывания, соответствующий допустимому для распределительной сети длительному максимальному уровню смещения нейтрали. При этом резистор 38 задает рабочую точку транзистора 37, управляющий ключ 41 замкнут, к базе транзистора 37 подключен стабилитрон 39.
В случае превышения амплитудой низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности нижнего контролируемого значения срабатывает нижний порог управляемого порогового элемента 24. При этом запускается пятый 28 формирователь времени задержки и третий 31 D-триггер. В результате СУ 10 выдает на НЧ канал 3 сигнал управления (выход 21) для установки верхнего порога срабатывания порового элемента 24, соответствующего допустимому для распределительной сети максимальному кратковременному уровню смещения нейтрали, и на короткое время переключает порог срабатывания. При этом управляющий ключ 41 замкнут, к базе транзистора последовательно подключены стабилитроны 39 и 40.
Продолжительность интервала времени, в течение которого у порогового элемента 24 сохраняется верхний порог срабатывания, задают соответствующим времени, в течение которого при возникновении однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали достигает максимально допустимого значения. Как показывает статистика, это время составляет в среднем 3 мс.
При этом на элементах и выходах СУ 10 устанавливаются следующие уровни напряжения: на первом входе 20 (выход НЧ канала 3) - «0», на входе аннулирования отсчета пятого 28 формирователя - «0», на входе разрешения отсчета пятого 28 формирователя - «1», на выходе 28 пятого формирователя - «1», на выходе линии задержки - «0», на выходе 17 сигнала блокировки - «0», на управляющем выходе 21 - «1», на выходе второго 30 ФНЧ - «0», на выходе 18 - «0».
На входе аннулирования отсчета четвертого 14 формирователя установлен единичный сигнал с выхода НЧ канала 3, запрещающий срабатывание формирователя 14.
После увеличения порога срабатывания выход порогового элемента 24 приходит в исходное состояние за время, значительно меньшее, чем длительность импульса (менее 0,3 мс), который пропускает второй ФНЧ 29. В результате при переключении порога срабатывания с нижнего на верхний второй ФНЧ запрещает элементу И 33 (выход 18) формировать сигнал для запуска четвертого 14 формирователя.
На входе аннулирования отсчета четвертого 14 формирователя устанавливается нулевой сигнал с выхода НЧ канала 3, разрешающий срабатывание четвертого 14 формирователя, т.е. четвертый 14 формирователь активирован.
В схеме управления 10 пятый 28 формирователь приходит в активное состояние и формирует на своем выходе «1» для линии задержки 30, которая задерживает сигнал на 3 мс. Устройство начинает слежение за изменением амплитуды низкочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности канала 3 в течение 3 мс (контрольный интервал времени), которые задает линия задержки 30. В случае фиксации в течение этого интервала времени превышения амплитудой низкочастотной составляющей допустимого для распределительной сети максимального кратковременного уровня смещения нейтрали, элемент И 33 выдает сигнал для запуска четвертого 14 формирователя (выход 18), который поступает на его вход разрешения отсчета. Для поврежденной сети в этот момент времени на информационном входе четвертого 14 формирователя установлен сигнал с выхода второго 12 формирователя, содержащий в себе информацию о том, что угол сдвига фаз между ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0 находится в заданных пределах (близок или равен 90°). В этом случае четвертый 14 формирователь формирует на своем выходе активный сигнал, содержащий в себе информацию о наличии ОЗЗ. Одновременно сигнал с выхода четвертого 14 формирователя поступает на вход 19 СУ и через третий элемент ИЛИ 34 поступает на вход аннулирования отсчета третьего 31 D-триггера, и сбрасывает его в исходное состояние. В результате у порогового элемента 24 опять устанавливается нижний порог срабатывания. Этот же сигнал с выхода четвертого 14 формирователя формирует сигнал блокировки для фазочувстьительного элемента, что важно для неповрежденного присоединения, так как предупреждает взвод устройства от сигнала помехи.
В случае поврежденного присоединения на элементах и выходах СУ 10 устанавливаются следующие уровни напряжения: на первом входе 20 (выход НЧ канала 3) - «0», на входе аннулирования отсчета пятого формирователя - «0», на входе разрешения отсчета пятого формирователя и выходе - «1», на выходе пятого формирователя - «1», на выходе второй линии задержки - «0», на выходе 17 сигнала блокировки - «1», на управляющем выходе 21 - «0», на выходе второго ФНЧ 29 - «1», на выходе 18 - «1».
В это время, поскольку СУ 10 установилась в исходное состояние, в НЧ канале 3 устанавливается нижний порог срабатывания порогового элемента 24 и дальнейшее срабатывание порогового элемента 24 происходит от каждой полуволны НЧ составляющей сигнала напряжения нулевой последовательности в течение длительности времени переходного процесса до тех пор, пока ее амплитуда превышает нижний контролируемый уровень. В результате с выхода канала 3 поступают сигналы запрета отсчета времени на входы аннулирования отсчета четвертого 14 и пятого 28 формирователей времени задержки на время, которое определяется временем восстановления нормального режима работы сети с момента последнего срабатывания порогового элемента 24. После окончания переходного процесса в канале 3 формирователь 14 начинает отсчет времени и через отсчитанное время задержки на его выходе устанавливается нулевой сигнал. В результате на выходе четвертого формирователя сигнал о наличии ОЗЗ сохраняется в течение времени переходного процесса в канале 3 плюс время задержки самого формирователя 14. Поскольку время задержки второго формирователя (1,5 с) является среднестатистическим, выбранным с учетом времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю, с учетом времени, необходимого для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю, с учетом времени, позволяющего отстроиться от сигналов помех и самоустраняющихся однофазных замыканий на землю, то время задержки четвертого и пятого формирователей выбирают таким, чтобы в сумме со временем переходного процесса в НЧ канале 3 при несамоликвидирующихся ОЗЗ оно не превышало 1,5 с. В приведенном примере выполнения устройства это время может составлять, например, 0,6 с.
При наличии на втором входе СФД 16 активного сигнала с выхода четвертого 14 формирователя по истечении времени задержки (5 мс) первого 11 формирователя СФД 16 сохраняет на своем выходе нулевой сигнал и второй формирователь 12 продолжает отсчет времени.
По истечении времени задержки второго 12 формирователя и при наличии в этот момент времени активного «1» уровня с выхода четвертого 14 формирователя на информационном входе третьего формирователя, последний запускается сигналом с инверсного выхода второго 12 формирователя. Единичный уровень с выхода третьего 13 формирователя дополнительно блокирует фазочувствительный элемент 4 и активирует схему 9 формирования аварийного сигнала, выход которой является выходом устройства. Устройство формирует аварийный сигнал.
В случае, когда угол сдвига фаз между ВЧС 3i0 и ВЧС 3u0 в заданных пределах (близок или равен 90°) не зафиксирован, вторым 12 формирователем на информационном входе четвертого 14 формирователя установлен пассивный «0» уровень, что является признаком того, что присоединение не поврежденное. В этом случае на выходе четвертого 14 формирователя также устанавливается пассивный «0» уровень, даже несмотря на наличие превышения амплитудой НЧ составляющей напряжения нулевой последовательности кратковременного максимально допустимого значения. В этой ситуации сигнал управления на выходе 21 СУ, по которому установлен верхний порог срабатывания порогового элемента 24, длится 3 мс, поскольку сигнал на входе аннулирования отсчета третьего 31 D-триггера появляется с выхода линии задержки 30. Третий 31 D-триггер сбрасывается в исходное состояние через 3 мс, после чего у порогового элемента 24 устанавливается нижний порог срабатывания, одновременно (через 3 мс) на выходе 17 СУ появляется сигнал блокировки для фазочувствительного элемента 4. На элементах и выходах СУ 10 устанавливаются следующие уровни напряжения: на первом входе 20 (выход НЧ канала 3) - «0», на входе аннулирования отсчета пятого 28 формирователя - «0», на входе разрешения отсчета пятого 28 формирователя - «1», на выходе пятого 28 формирователя - «1», на выходе линии задержки 30 через 3 мс - «1», на выходе 17 сигнала блокировки - «1», на управляющем выходе 21 - «0», на выходе второго ФНЧ 29 - «1», на выходе 18 - «0».
На выходе четвертого 14 формирователя пассивный «0» уровень устанавливается также в случае отсутствия превышения амплитудой низкочастотной составляющей допустимого для распределительной сети максимального кратковременного уровня смещения нейтрали, несмотря на наличие на информационном входе четвертого 14 формирователя активного уровня с выхода второго 12 формирователя.
В обоих случаях при отсутствии ОЗЗ на втором входе СФД 16 устанавливается пассивный «0» сигнал с выхода четвертого 14 формирователя, который поступает на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 36 в СФД 16. На первом входе СФД 16 (вход формирователя коротких импульсов 35), как было показано выше, установлен сигнал с выхода первого 11 формирователя. В результате, через время задержки первого 11 формирователя, которое для реализации работоспособности устройства выбирают несколько больше контрольного интервала времени (примерно 5 мс), в формирователь коротких импульсов 35 по срезу сигнала с первого 11 формирователя вырабатывает нулевой уровень, который поступает на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 36, на выходе которого формируется сигнал аннулирования отсчета второго 12 формирователя и обнуляет его. В этом случае устройство аварийный сигнал не формирует.
Устройство не формирует аварийный сигнал и в случае самоликвидирующегося ОЗЗ, так как в этом случае переходный процесс в канале 3 прекращается значительно раньше, чем при несамоликвидирующемся ОЗЗ, и четвертый формирователь также раньше начинает отсчет времени. В результате единичный сигнал с выхода формирователя 14 заменяется на нулевой раньше окончания времени отсчета (1,5 с) формирователя 12. Наличие пассивного «0» уровня с выхода четвертого 14 формирователя на информационном входе третьего формирователя запрещает его запуск сигналом с инверсного выхода второго 12 формирователя и устройство аварийный сигнал не формирует.
Использование: для селективной защиты при однофазном замыкании на землю в электрических сетях с любым способом подключения нейтрали. Технический результат заключается в повышении надежности, селективности и в снижении вероятности ложных срабатываний. В способе выявляют наличие одновременного превышения над эталонными значениями амплитуд первых полуволн высокочастотных (ВЧС) составляющих тока и напряжения нулевой последовательности. Измеряют сдвиг фаз между ними в момент прохождения через нуль тока ВЧ. Сдвиг фаз, близкий или равный 90°, фиксируют в течение контрольного интервала времени (КИ). Затем контролируют нижнее значение и максимально допустимое значение амплитуды низкочастотной составляющей (НЧС) напряжения нулевой последовательности. За максимально допустимое значение амплитуды НЧС принимают допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали. За нижнее контролируемое значение амплитуды НЧС принимают допустимый для данной сети длительный максимальный уровень смещения нейтрали. Проверяют наличие превышения амплитудой НЧС нижнего контролируемого значения. При положительном результате в течение КИ измеряют амплитуду НЧС. Аварийный сигнал формируют после момента фиксации превышения через интервал времени, который задают с учетом времени существования высокочастотных переходных процессов при ОЗЗ на землю, времени для компенсации емкостных токов при ОЗЗ, времени для отстройки от сигналов помех и самоустраняющихся ОЗЗ. Устройство для осуществления способа содержит ВЧ каналы тока и напряжения и НЧ канал напряжения нулевой последовательности, фазочувствительный элемент, схему управления, четыре формирователя времени задержки, блок сброса результата фазового детектирования и схему формирования аварийного сигнала. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
| СПОСОБ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1995 |
|
RU2097893C1 |
| СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ | 1998 |
|
RU2121745C1 |
| Устройство для токовой защиты от междуфазного короткого замыкания параллельных линий с односторонним питанием | 1978 |
|
SU792421A1 |
| Способ очистки сточных вод от ртути | 1968 |
|
SU267500A1 |
