СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ОТ ДУГОВЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H01H83/00 H02H3/00 

Изобретение относится к области релейной защиты и может быть использовано в низковольтных, например, судовых электрораспределительных сетях переменного тока с изолированной нейтралью и двухпроводных сетях постоянного тока.

Известны способы построения защиты судовых сетей от короткого замыкания [1, 2], основанные на использовании реле тока, напряжения, сопротивления, контроля изоляции, а также быстродействующих дифференциально-токовых и токовых направленных защит с блокировкой.

Особенностями судовых электроэнергетических систем являются:

- соизмеримость мощности отдельных потребителей с мощностью генераторов электростанций:

- двигательный характер нагрузки (до 80% мощности электростанции);

- наличие, как правило, двух независимо работающих электростанций и предусмотренное переключение групп ответственных потребителей с одной электростанции на другую в аварийных режимах;

- широкий (в 2-3 раза) диапазон изменения мощности электростанций в зависимости от режима работы судна (ход, стоянка и т.п.) и энергосистемы (вывод генераторов и/или распредщитов в плановый или аварийный ремонт);

- весьма значительные (десятки и сотни кА) токи «металлических» коротких замыканий и, следовательно, механические усилия, любое короткое замыкание, независимо от причины, его вызвавшей, переводят за единицы мСек в короткое замыкание через электрическую дугу, с ограничением в 2-3 раза расчетных значений токов коротких замыканий.

Перечисленные особенности приводят к тому, что токи короткого замыкания могут меняться в широком диапазоне, в то время как кратность токов пуска, самозапуска, переключения двигательной нагрузки по отношению к номинальному току остается неизменной.

Зоны токов короткого замыкания и нормальных переходных режимов перекрываются и чувствительности современных максимально-токовых защит недостаточно для обнаружения дуговых коротких замыканий с минимальными токами короткого замыкания.

Применение известных дистанционных защит не дает повышения чувствительности по сравнению с максимально-токовыми защитами, т.к. остаточное напряжение на дуге короткого замыкания может превышать (0,7÷0,8)U_н, а при пусках и переключениях мощной двигательной нагрузки допускаются в судовых сетях провалы напряжения до 0,75U_н. Ток в контуре короткого замыкания определяется не сопротивлением линии (кабеля) до точки короткого замыкания, а только сопротивлением дуги в точке короткого замыкания.

Применение локальных дифференциально-токовых и направленных токовых защит с блокировкой для защиты вторичных и групповых распределительных щитов и кабельных трасс невозможно, т.к. датчики тока на питаемых присоединениях в указанных щитах не могут быть установлены из-за малых габаритов щитов. Кроме того, обязательным условием большинства энергосистем, в том числе и судовых, является необходимость применения кроме основных, быстродействующих, локальных защит, также резервных защит с относительной селективностью, как правило, максимально-токовых. Указанные резервные токовые защиты нуждаются в повышении чувствительности для обеспечения эффективного ближнего и дальнего резервирования при дуговых коротких замыканиях.

Недостатки - низкая чувствительность токовых защит.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является выбранное в качестве прототипа устройство управления автоматическим воздушным выключателем электрораспределительной сети с односторонним питанием [3]. В указанном устройстве реализуется способ защиты сети от коротких замыканий за счет использования реле максимального тока или реле понижения напряжения и реле контроля изоляции, работающего на сигнал или даже на отключение автомата, в то время как реле понижения напряжения и реле контроля изоляции используются при совпадении сигналов на их выходах для включения автомата, а при несовпадении - блокировки его включения, в т.ч. в цикле АПВ.

Недостаток прототипа - низкая чувствительность максимально-токовых защит к дуговым коротким замыканиям. Уставки срабатывания реле максимального тока или реле понижения напряжения должны быть отстроены от провалов напряжения или бросков тока, допускаемых для данной сети при пусках, самозапусках и переключениях мощной нагрузки. Таким образом, повышение чувствительности к дуговым коротким замыканиям в прототипе не обеспечивается.

Технический результат - повышение чувствительности к дуговым коротким замыканиям.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты электрораспределительных сетей от дуговых коротких замыканий, заключающемся в измерении тока, сопротивления изоляции, сравнении измеренных величин с уставками реле, отстроенными от нормальных переходных режимов защищаемого объекта, логической обработке сигналов и отключении исполнительного органа, уставки по току (напряжению) срабатывания реле отстраивают от длительно допустимых режимов при условии, что срабатывание реле контроля изоляции и реле тока (напряжения) происходит одновременно или последовательно, но в течение селективной выдержки времени защиты. В устройство защиты электрораспределительных сетей от дуговых коротких замыканий, содержащее основное реле максимального тока, реле контроля изоляции, логические элементы И, ИЛИ и исполнительный орган, дополнительно введены реле максимального тока, логический элемент ИЛИ, одновибраторы, причем на вход исполнительного органа подключен выход блока селективной выдержки времени, вход которого подключен к выходу первого логического элемента ИЛИ, ко входу которого подключены выходы основного реле максимального тока и второго одновибратора, вход которого подключен к логическому элементу И, подключенного входами к выходам дополнительно введенного реле максимального тока, реле контроля изоляции и первого одновибратора, подключенного входом к выходу второго логического элемента ИЛИ, подключенного входами к выходам реле контроля изоляции и дополнительно введенного реле максимального тока, и в устройстве защиты электрораспределительных сетей от дуговых коротких замыканий, содержащем реле понижения напряжения, реле контроля изоляции, логические элементы И, ИЛИ и исполнительный орган, дополнительно введено реле понижения напряжения, логический элемент ИЛИ, одновибраторы, причем на вход исполнительного органа подключен выход блока селективной выдержки времени, вход которого подключен к выходу первого логического элемента ИЛИ, ко входу которого подключены выходы реле понижения напряжения и второго одновибратора, вход которого подключен к логическому элементу И, подключенного входами к выходам дополнительно введенного реле понижения напряжения, реле контроля изоляции и первого одновибратора, подключенного входом к выходу второго логического элемента ИЛИ, подключенного входами к выходам реле контроля изоляции РКИ и дополнительно введенного реле понижения напряжения.

Сущность изобретения заключается в следующем. Анализ процесса возникновения дугового короткого замыкания показывает, что причинами его могут быть:

1. пробой изоляции по поверхности в распредщитах, на клеммных зажимах электрических машин, выключателей, пускателей вследствие загрязнения, увлажнения и лавинообразного разогрева проводящих «мостиков» по поверхности междуфазной изоляции либо между жилами силового многожильного кабеля;

2. замыкание открытых токоведущих частей металлическим предметом либо перетирание изоляции кабелей об острые кромки корпусных или крепежных конструкций.

Дальнейшее развитие дугового короткого замыкания во времени происходит одинаково, независимо от причины, его вызвавшей: потоки высокотемпературной плазмы и паров металлов из точки короткого замыкания, расширяясь, заполняют все пространство закрытых распредщитов, приводя к замыканию фаз «на корпус» - заземленные оболочки распредщитов, корпуса электрических машин, «бронированную» оплетку кабелей либо корпусные и крепежные металлоконструкции.

Таким образом, срабатывание реле максимального тока (или реле понижения напряжения) и срабатывание реле контроля изоляции на корпус одновременно с ним или позже на 3-10 мсек являются надежным признаком распознавания дугового короткого замыкания в судовых сетях переменного тока с изолированной нейтралью или двухполюсных сетях постоянного тока. Понятие одновременно относится к возможному случаю механического перерубания силового кабеля при разрыве рядом проложенных паро- или маслопроводов высокого давления. Тогда вначале повреждается заземленная оболочка кабеля, затем одна из фаз, а затем возникает междуфазное замыкание и дуга короткого замыкания из-за электродинамических усилий в контуре короткого замыкания. В этом случае реле контроля изоляции может сработать раньше, но на доли мсек. С учетом реального быстродействия реле можно эту разницу во времени отнести к технически одновременному срабатыванию.

Очевидно, что уставка реле напряжения может быть отстроена только от длительно допустимых отклонений в сети - 0,9 U_н, а реле тока - 1,1I_н, учитывая длительно допустимую перегрузку защищаемого кабеля.

Длительно допустимая работа сетей с изолированной нейтралью с одной фазой, замкнутой на корпус, не приведет к ложной работе защиты, т.к. канал «учувствления» работает только при срабатывании реле тока (напряжения) и реле контроля изоляции с разницей во времени 0-10 мсек, в противном случае он заблокирован до момента «отпускания» обоих реле, т.e. когда персонал отыщет и ликвидирует длительно существовавшее однофазное замыкание «на корпус».

Описанный способ повышения чувствительности резервных защит надежен, т.к. любые нормальные переходные режимы в сети не сопровождаются одновременным набросом тока (провалом напряжения) и замыканием на корпус. Пуск двигателя, имеющего замыкание обмотки на корпус, недопустим сам по себе, т.к. может привести к междуфазному короткому смыканию через корпус, если в сети уже есть замыкание на корпус другой фазы. Возможная «ложная» работа описанного канала «учувствления» резервной защиты будет полезной в этом случае, т.к селективно ближайшим выключателем, отключит двигатель с замкнутой «на корпус» обмоткой, то есть уже заведомо поврежденный элемент энергосистемы. Предотвратить же подключение к сети неисправного двигателя или другой нагрузки можно, осуществляя контроль фазной изоляции перед включением пускателя или выключателя, в т.ч. и в цикле АПВ, как это предложено в прототипе [3]. Многие современные низковольтные выключатели имеют встроенную защиту от замыканий на корпус.

Наконец, учитывая высокую проводимость плазмы и паров металлов в зоне горения дуги короткого замыкания, уставка реле контроля изоляции может быть достаточно низкой - единицы и десятки Ом, что позволит реализовать «учувствление» защиты к междуфазным коротким замыканиям, т.к. существенным является факт одновременного срабатывания реле тока (напряжения) и реле контроля изоляции, и пустить двигатель с пониженным до единиц и десятков кОм сопротивлением изоляции одной из фаз «на корпус», если это необходимо по условиям работы объекта (например, пожарные или осушительные насосы).

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит реле максимального тока или реле понижения напряжения, отстроенные от бросков тока или провалов напряжения, допустимых в защищаемой сети при пусках и переключениях мощной нагрузки, а также реле контроля изоляции на корпус и исполнительный орган, отличается тем, что в него введены дополнительно реле максимального тока или реле понижения напряжения с уставками, отстроенными соответственно от длительно допустимых отклонений тока и напряжения, например, ≥1,1I_н и ≤0,95U_н, одновибратор с длительностью формируемого импульса 10 мсек и одновибратор с длительностью импульса, равной селективной выдержке времени, два логических элемента ИЛИ и один логический элемент И так, что на исполнительный орган подается, спустя селективную выдержку времени τ_c, сигнал с выхода первого логического элемента ИЛИ, на вход которого подаются сигналы с выхода основного реле максимального тока (или понижения напряжения) и выхода второго одновибратора логического элемента И, на входы которого подаются сигналы с выводов дополнительных реле максимального тока (или понижения напряжения), реле контроля изоляции и одновибратора, на вход которого подается сигнал с выхода второго логического элемента ИЛИ, на входы которого подаются сигналы с выходов дополнительных реле максимального тока (или понижения напряжения) и реле контроля изоляции.

Устройства защиты приведены на фиг.1, 2, причем устройство по фиг. 1 используется в защитах, блоки питания которых подключены к измерительным трансформаторам тока, а устройство по фиг.2 - когда для питания защиты используются цепи напряжения защищаемого участка сети и в защитах для сетей постоянного тока.

Устройства защиты работают следующим образом:

на фиг.1 фазный I_ф ток поступает в устройство защиты, вызывает срабатывание основного реле максимального тока ОРМТ 1, если величина тока превысила уставку ОРМ 1, отстроенную от токов пуска, самозапуска для защищаемого фидера, через первый логический элемент ИЛИ 2 сигнал ОРМТ 1 поступает на блок селективной выдержки времени резервной защиты 3 и спустя τ_с на вход исполнительного органа ИО 4, вызывая его срабатывание. Если произошло срабатывание дополнительного реле максимального тока ДРМТ 5 или реле контроля изоляции РКИ 8, сигнал с их выхода через второй логический элемент ИЛИ 6 запускают одновибратор OB 10 с длительностью импульса, равной 3-10 мсек времени распознавания дугового короткого замыкания - τ₁. Если за время τ₁ приходит сигнал с выхода РКИ 8 или ДРМТ 5, то на входе логического элемента И 9 имеют место одновременно три сигнала: от ДРМТ 5, от РКИ 8 и с выхода одновибратора ОВ 10. Сигнал с выхода логического элемента И 9 запускает второй одновибратор ОВ 7, выдержка которого τ₂ больше наибольшей возможной селективной выдержки τ_с, что спустя τ_с вызывает срабатывание исполнительного органа ИО 4;

на фиг.2 линейное напряжение U_н поступает в устройство защиты, вызывает срабатывание основного реле понижения напряжения ОРПН 11, если величина напряжения стала ниже уставки ОРПН 11, отстроенной от напряжения пуска, самозапуска для защищаемого фидера, через первый логический элемент ИЛИ 2 сигнал ОРПН 11 поступает на блок селективной выдержки времени резервной защиты 3 и спустя τ_с на вход исполнительного органа ИО 4, вызывая его срабатывание. Если произошло срабатывание дополнительного реле понижения напряжения ДРПН 12 или реле контроля изоляции РКИ 8, сигнал с их выхода через второй логический элемент ИЛИ 6 запускают одновибратор ОВ 10 с длительностью импульса, равной 3-10 мсек времени распознавания дугового короткого замыкания - τ₁. Если за время τ₁ приходит сигнал с выхода РКИ 8 или ДРПН 12, то на входе логического элемента И 9 имеют место одновременно при сигнала: от ДРПН 12, от РКИ 8 и с выхода одновибратора ОВ 10. Сигнал с выхода логического элемента И 9 запускает второй одновибратор ОВ 7, выдержка которого τ₂ больше наибольшей возможной селективной выдержки τ_с, что спустя τ_с вызывает срабатывание исполнительного органа ИО 4.

На основании вышеизложенного предлагаемый способ и устройства его реализации одинаково эффективны и в сетях переменного тока с изолированной нейтралью, и в двухпроводных сетях постоянного тока. Меняется лишь аппаратная реализация датчиков тока, напряжения, блоков питания и реле контроля изоляции. Принципы работы устройств защиты аналогичны.

В комплектах защиты, имеющих канал защиты от перегрузки, состоящий из реле максимального тока с уставкой 1,1I_н, блока выдержки времени с обратнозависимой время-токовой характеристикой, дополнительное реле максимального тока с уставкой 1,1I_н (фиг.1) может не вводиться в схему защиты от короткого замыкания, а использоваться выходной сигнал такого реле канала перегрузки. Это упрощает схему защиты. В соответствии с вышеизложенным использование некоторого дополнительного параметра, фактора, присутствующего при коротком замыкании и отсутствующего при нормальных и переходных режимах в энергосистеме, позволяет получить более чувствительную защиту от коротких замыканий.

Источники информации

1. Яковлев Г.С.Судовые электроэнергетические системы. Учебник. Изд. 4-е, перераб. - Л.: Судостроение, 1980 г. - 288 стр.

2. Электрическая защита судового электрооборудования / Е.А.Калязин. Ю.В.Рокотян, В.Д.Филимонов, Л.Л.Игнатьев. - Л.: Судостроение, 1983 г. - 240 стр.

3. Авторское свидетельство СССР №288105, МПК Н01H 83/00. Опубл. В БИ №36, 1970.

Использование: в низковольтных электрораспределительных сетях переменного тока с изолированной нейтралью и двухпроводных сетях постоянного тока. Технический результат - повышение чувствительности к дуговым коротким замыканиям. Способ защиты заключается в измерении тока (напряжения), сопротивления изоляции, сравнении измеренных величин с уставками реле, отстроенными от нормальных переходных режимов защищаемого объекта, и срабатывании исполнительного органа при превышении измеряемыми величинами уставок, причем уставки по току (напряжению) срабатывания реле отстраивают от длительно допустимых режимов при условии, что срабатывание реле контроля изоляции или тока (напряжения) происходит одновременно или последовательно, но в течение селективной выдержки времени защиты. Также предложено два варианта устройства для реализации способа. 4 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты электрораспределительных сетей от дуговых коротких замыканий, заключающийся в измерении тока, сопротивления изоляции, сравнении измеренных величин с уставками реле, отстроенными от нормальных переходных режимов защищаемого объекта и срабатывании исполнительного органа при превышении измеряемыми величинами уставок, отличающийся тем, что уставки по току срабатывания реле отстраивают от длительно допустимых режимов при условии, что срабатывание реле контроля изоляции и реле тока происходит одновременно или последовательно, но в течение селективной выдержки времени защиты.2. Способ защиты электрораспределительных сетей от дуговых коротких замыканий, заключающийся в измерении напряжения, сопротивления изоляции, сравнении измеренных величин с уставками реле, отстроенными от нормальных переходных режимов защищаемого объекта и срабатывании исполнительного органа при превышении измеряемыми величинами уставок, отличающийся тем, что уставки по напряжению срабатывания реле отстраивают от длительно допустимых режимов при условии, что срабатывание реле контроля изоляции и реле напряжения происходит одновременно или последовательно, но в течение селективной выдержки времени защиты.3. Устройство защиты электрораспределительных сетей от дуговых коротких замыканий, содержащее основное реле максимального тока, реле контроля изоляции, логические элементы И, ИЛИ и исполнительный орган, отличающееся тем, что дополнительно введены реле максимального тока, логический элемент ИЛИ, одновибраторы, причем на вход исполнительного органа подключен выход блока селективной выдержки времени, вход которого подключен к выходу первого логического ИЛИ, ко входу которого подключены выходы основного реле максимального тока и второго одновибратора, вход которого подключен к логическому элементу И, подключенного входами к выходам дополнительно введенного реле максимального тока, реле контроля изоляции и первого одновибратора, подключенного входом к выходу второго логического элемента ИЛИ, подключенного входами к выходам реле контроля изоляции и дополнительно введенного реле максимального тока.4. Устройство защиты электрораспределительных сетей от дуговых коротких замыканий, содержащее реле понижения напряжения, реле контроля изоляции, логические элементы И, ИЛИ и исполнительный орган, отличающееся тем, что дополнительно введено реле понижения напряжения, логический элемент ИЛИ, одновибраторы, причем на вход исполнительного органа подключен выход блока селективной выдержки времени, вход которого подключен к выходу первого логического ИЛИ, ко входу которого подключены выходы реле понижения напряжения и второго одновибратора, вход которого подключен к логическому элементу И, подключенного входами к выходам дополнительно введенного реле понижения напряжения, реле контроля изоляции и первого одновибратора, подключенного входом к выходу второго логического элемента ИЛИ, подключенного входами к выходам реле контроля изоляции и дополнительно введенного реле понижения напряжения.