ГЕНЕРАТОР ТОКА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК H02H7/26 H02H3/16 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкциям устройств, обеспечивающих селективное обнаружение однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и защиту сети от повреждений при наличии этих замыканий.

В таких сетях селективное выявление линии электропередачи, в которой произошло замыкание на землю, часто оказывается сложной задачей, особенно если в месте повреждения возникают большие переходные сопротивления, а к рассматриваемой секции сборных шин присоединено малое количество линий электропередачи. Например, при наличии двух подключенных к секции сборных шин линий разной длины и появлении замыкания на землю на длинной линии ток в ее защите может оказаться очень небольшим, недостаточным для срабатывания.

При этом защита линии от замыкания на землю не срабатывает и не выявляет поврежденное присоединение. В результате поврежденную линию выявляют путем поочередного отключения подключенных к рассматриваемой секции сборных шин линий по признаку исчезновения напряжения нулевой последовательности. Такие отключения могут задержать процесс выявления поврежденной линии на значительное время и, кроме того, вызвать значительные материальные ущербы у отключаемых потребителей.

Известно устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью (см. описание изобретения RU 2157038 С1), содержащее, в числе прочего, трехфазную группу высоковольтных заземляющих резисторов, кратковременно подключаемых к сборным шинам. Указанные резисторы являются источником активного тока, протекающего через точку замыкания на землю. В результате токи нулевой последовательности в неповрежденных линиях остаются емкостными, и в поврежденной линии ток нулевой последовательности содержит значительную активную составляющую. Измеряя угол тока нулевой последовательности по отношению к напряжению нулевой последовательности в различных присоединениях, определяют поврежденную линию, после чего трехфазную группу заземляющих резисторов отключают.

К недостатком данного решения следует отнести наличие мощных заземляющих резисторов, требующих специального устройства защиты от повреждения, а также сложный алгоритм сопоставительной обработки сигналов от трансформаторов тока различных присоединений.

Другим близким по архитектуре первичных цепей и идеологии своей работы является комплектное устройство для частичного заземления нейтрали разработки и производства АО «Московский завод Электрощит».

Это устройство содержит дополнительный заземляющий трансформатор типа ТСНЗ, подключаемый к сборным шинам секции через комплектное распределительное устройство серии К-104М (информационный листок АО «Московский завод Электрощит»). Мощность заземляющего трансформатора 63 кВА, обмотка высокого напряжения собрана в звезду с выведенной нейтралью, в обмотка низкого напряжения - в треугольник. Нейтраль обмотки высокого напряжения заземляется через блок резисторов с активным сопротивлением 100 Ом (для сети 6 кВ) или 150 Ом (для сети 10 кВ).

Неоптимальные конструкция и режим работы заземляющего трансформатора приводят к увеличению его массогабаритных показателей, а необходимость заземления нейтрали через активное сопротивление требует использования блока резисторов большой мощности. Кроме того, дополнительный трансформатор подключается к сборным шинам с помощью коммутационного аппарата, устанавливаемого в отдельном шкафу серии К-104М, то есть фактически для решения задачи обнаружения поврежденного присоединения применяется два шкафа, что предполагает значительные габаритные размеры и стоимость устройства в целом, а также снижает его надежность за счет применения кабельной вставки для сопряжения шкафа заземления нейтрали и шкафа К-104М.

Известен генератор тока нулевой последовательности, включенный между выводом нейтрали силового питающего трансформатора и землей, фильтры тока нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, которые через цепочку из последовательно соединенных гармонических фильтров частотой 25 герц, пороговых органов, элементов выдержки времени и элементов сигнализации присоединены ко входам соответствующих исполнительных элементов, выходы которых служат выходами сигналов на отключение соответствующего присоединения. [См. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. «Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров». - М.: Недра, 1986. стр.68].

При появлении в сети замыкания на землю с помощью генератора тока нулевой последовательности в нейтраль силового трансформатора вводят наложенный ток нулевой последовательности частотой 25 герц, измеряют эту гармоническую составляющую в токе нулевой последовательности каждой линии и сравнивают ее с током срабатывания, равным току небаланса, умноженному на коэффициент отстройки, причем поврежденной линией считают такую, в которой измеренная величина гармонической составляющей 25 герц в токе нулевой последовательности превышает ток срабатывания защиты.

Недостатками описанного устройства является необходимость включения специального высоковольтного источника тока частотой 25 герц в нейтраль трансформатора, которая в сетях напряжением 6...10 киловольт может быть не выведена, а также то, что такой способ защиты не исключает появления в месте замыкания на землю перемежающейся дуги, что может значительно усложнить работу защиты и послужить причиной ее неправильных действий.

С конструктивной точки зрения генератор тока нулевой последовательности выполнен в архитектуре комплектного распределительного устройства «ETALON» (патент РФ №2217851) и является его логическим продолжением.

Технической задачей изобретения является создание эффективного генератора тока нулевой последовательности, а также расширение арсенала генераторов тока нулевой последовательности.

Технический результат изобретения состоит в упрощении конструкции, повышении быстродействия и надежности, сокращении габаритов и массы, обеспечении оптимальной компоновки, повышении безопасности обслуживания.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью содержит фильтры токов нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, фильтр напряжения нулевой последовательности, подключенный к сборным шинам, устройство (генератор) для создания тока нулевой последовательности, подключенное к сборным шинам через нормально разомкнутый трехфазный выключатель, управляемый модулем контроля и управления, подключенным к фильтру напряжения нулевой последовательности, который осуществляет кратковременное замыкание указанного выключателя в случае превышения порога срабатывания устройства управления, а в блок (модуль контроля и) управления введена линия задержки, а устройство (генератор) тока нулевой последовательности реализовано в виде трехстержневого трехфазного ненасыщаемого реактора с соединением обмоток в звезду с заземленной нейтралью.

Предпочтительно к упомянутым фильтрам тока и напряжения нулевой последовательности подсоединены устройства релейной защиты, реагирующие на уровень активной мощности нулевой последовательности.

При этом генератор тока нулевой последовательности в трехфазной сети с изолированной нейтралью содержит реактор с трехстержневым ненасыщаемым магнитопроводом и с обмотками, соединенными в звезду с заземленной общей точкой (нейтралью), а также нормально разомкнутый модуль высоковольтный, снабженный приводом, подключенным к модулю контроля и управления, и выполненный в виде последовательно соединенных селектора и вакуумного коммутационного модуля с тремя вакуумными выключателями, причем селектор выполнен с тремя подвижными контактами, с тремя изолированными неподвижными контактами, с тремя заземленными выводами и с тремя выводами, соединенными с шинами, а коммутационный модуль выполнен с тремя выводами, соединенными с подвижными контактами селектора и с тремя выводами, соединенными с обмотками реактора, при этом модуль контроля и управления выполнен с возможностью идентификации однофазного замыкания цепи на землю по напряжению нулевой последовательности.

Устройство снабжено единым корпусом в виде шкафа с отсеком сборных шин и с расположенными последовательно сверху вниз низковольтным отсеком, высоковольтным отсеком и отсеком реактора, при этом в отсеке сборных шин, расположенном за высоковольтным отсеком, размещены элементы опорной изоляции, токопроводы и соединители сборных шин, в низковольтном отсеке размещены модуль контроля и управления, а также дополнительно установленные органы сигнализации и индикации, в высоковольтном отсеке размещены коммутационный модуль и сблокированный с ним селектор, а в отсеке реактора - реактор и соединительные проводники, причем каждый отсек снабжен клапаном сброса избыточного давления, а высоковольтный отсек выполнен с окном из высокопрочного прозрачного поликарбоната и снабжен действующей механической мнемосхемой, размещенной с возможностью наблюдения за ней через окно.

На фиг.1 изображена схема главных цепей генератора тока нулевой последовательности заявленного устройства, на фиг.2 - компоновка отсеков генератора тока нулевой последовательности (вид сбоку), на фиг.3 - вид справа по фиг.1.

Устройство состоит из отсека 1 модуля высоковольтного, отсека 2 сборных шин, отсека 3 реактора, которые являются силовыми отсеками генератора, а также низковольтного отсека 4.

В отсеке 1 модуля высоковольтного расположен модуль 5 высоковольтный, включая коммутационный аппарат (модуль), селектор 6 и механический привод 7 селектора, а также верхнюю часть проходных изоляторов 8 и верхние выводы центральных токопроводов 9. Модуль 5 высоковольтный включает коммутационный модуль и трехпозиционный селектор 6 (фиг.1).

В трансформаторном отсеке расположены нижняя часть проходных изоляторов 10, нижние выводы центральных токопроводов 11, соединительные проводники 12 и трехфазный (трехстержневой ненасыщаемый) реактор 13. Последний закрепляется на горизонтальных направляющих, установленных на основании отсека 3 реактора 13.

В отсеке 2 сборных шин размещены опорная изоляция магистралей 14 и соединители сборных шин в изоляции.

Все силовые отсеки 1-3 снабжены клапанами сброса избыточного давления, расположенными в необслуживаемой зоне и обеспечивающими требуемую локализационную прочность конструкции устройства.

В низковольтном отсеке монтируется модуль 15 контроля и управления, а также клеммные колодки, обеспечивающие сопряжение модуля 15 с устройствами релейной защиты и автоматики других присоединений секции и с системой оперативного питания.

Со стороны фасада отсек 1 модуля 5 высоковольтного отгорожен съемной передней панелью, имеющей прямоугольный вырез. Вырез закрыт листом высокопрочного прозрачного поликарбоната, что позволяет наблюдать за элементами и действующей механической мнемосхемы. Последняя отображает состояние главных контактов модуля 5 и положение подвижных контактов селектора 6. На переднюю панель отсека 1 выведена рукоятка «Отключено и заблокировано» 16, назначение которой - предотвратить ошибочные действия оператора при работе с селектором 6 и модулем 5.

Устройство и генератор тока нулевой последовательности работает следующим образом.

При возникновении однофазного замыкания на землю в нейтрали появляется ток нулевой последовательности, а в фазных проводах - его составляющие. Модуль контроля и управления (является, например, программным устройством) идентифицирует наличие повреждения по напряжению нулевой последовательности в нейтрали (по датчику напряжения нулевой последовательности), но не позволяет установить и отключить поврежденную фазу. После программируемой выдержки времени, необходимой для обеспечения возможности самогашения дуги однофазного замыкания на землю, модулем контроля и управления производится включение модуля высоковольтного. При этом замыкаются контакты вакуумных выключателей коммутационного модуля, а контакты селектора установлены его механическим приводом в положение соединения коммутационного модуля со сборными шинами. При возникновении однофазного замыкания на землю модуль контроля и управления идентифицирует это повреждение по напряжению нулевой последовательности, фильтр которого устанавливается в отдельном (трансформаторном) шкафу КРУ серии «ETALON", подключенном к данной секции сборных шин. После некоторой выдержки времени, необходимой для обеспечения возможности самогашения дуги однофазного замыкания на землю, модулем контроля и управления производится включение коммутационного модуля, и напряжение сборных шин подключается к трехфазному реактору. При этом трехфазный трехстержневой ненасыщаемый реактор попадает в несимметричный режим, и в его нейтрали формируется ток ln, зависящий от фазного напряжения сети, сопротивления в месте повреждения и индуктивного сопротивления рассеивания обмоток реактора.

Конструктивные параметры реактора выбираются таким образом, чтобы величина тока Jn составляла не более 40А, что с одной стороны, не приводит к развитию аварии в месте повреждения, а с другой - достаточно для уверенного срабатывания токовых защит нулевой последовательности. Для работы последних на каждом присоединении, подключенном к секции сборных шин, устанавливаются фильтры нулевой последовательности.

Происходит подключение напряжения сборных шин к трехфазному ненасыщаемому реактору (например, трехстержневой сердечник). Таким образом, последний попадает в несимметричный режим и в его нейтрали формируется указанный ток Jn величиной до 40А, зависящий от фазного напряжения сети и сопротивления в месте повреждения. Генератор (дополнительно к протекающему току) формирует в поврежденное соединение (поврежденную фазу) кратковременный ток нулевой последовательности, представляющий собой часть тока Jn. Его величина определяется конструктивными параметрами реактора и пропорциональна сумме сопротивления нулевой последовательности трехфазного реактора и сопротивления в месте повреждения. В трехстержневом магнитопроводе не наводится магнитный поток нулевой последовательности, следовательно, сопротивление нулевой последовательности реактора минимально, так как определяется только индуктивным сопротивлением рассеивания его обмоток, а напряжения на обмотках не превышают линейного напряжения сети, деленного на . Величина тока нулевой последовательности, формируемого в поврежденной фазе, не приводит к развитию аварии и достаточна для срабатывания токовых защит этой фазы. Спустя некоторое время, достаточное для идентификации однофазного замыкания на землю на поврежденном фидере, модуль контроля и управления отключает коммутационный модуль и отсоединяет реактор от сборных шин секции.

После срабатывая защит, спустя время, необходимое для идентификации однофазного замыкания на землю на поврежденном фидере по срабатыванию защит, модулем контроля и управления производится выключение модуля высоковольтного. При этом размыкаются контакты вакуумных выключателей коммутационного модуля, а контакты селектора устанавливаются его механическим приводом в нейтральное положение до повторного включения после устранения повреждения.

Повторное включение модуля высоковольтного блокируется до устранения повреждения и пропадания напряжения нулевой последовательности в сети, что происходит после срабатывания упомянутых защит поврежденной фазы.

Трехпозиционный селектор может находиться в одном из следующих фиксированных положений:

«Включено» - модуль коммутационный электрически соединен со сборными шинами.

«Изолировано» - модуль коммутационный изолирован.

«Заземлено» - обмотки реактора могут быть заземлены, если замкнуты главные контакты модуля коммутационного.

В нормальном режиме селектор находится в положении «Включено», главные контакты коммутационного модуля разомкнуты.

Так как магнитопровод трехфазного ненасыщаемого реактора выполнен трехстержневым, в нем не наводится магнитный поток нулевой последовательности, и сопротивление нулевой последовательности реактора определяется только индуктивным сопротивлением рассеивания его обмоток.

В случае необходимости проверки технического состояния и обслуживания оборудования, размещенного в шкафу, контакты селектора переводятся в заземленное положение. Со стороны фасада отсек модуля высоковольтного отгорожен съемной передней панелью, имеющей прямоугольное окно. Окно закрыто листом высокопрочного прозрачного поликарбоната, что позволяет наблюдать за элементами и действующей механической мнемосхемы. Последняя отображает состояние контактов коммутационного модуля и положение подвижных контактов селектора. На переднюю панель отсека выведена рукоятка «Отключено и заблокировано», назначение которой - предотвратить ошибочные действия оператора при работе с селектором и коммутационным модулем.

Клапаны сброса избыточного давления, расположенные в необслуживаемой зоне каждого отсека шкафа, обеспечивают требуемую локализационную прочность конструкции. Областью локализации является каждый отсек в отдельности.

Параметры устройства:

Номинальное напряжение, кВ - 6 или 10

Номинальный ток сборных шин, А - 1600

Ток термической стойкости сборных шин,

действующее значение, кА - 31.5

Время протекания тока термической стойкости, с - 3

Ток электродинамической стойкости сборных шин, пик, кА - 80

Габаритные размеры, мм

высота - 2008

глубина - 762

ширина по фронту - 330

Вес, кг - 370

Таким образом создано эффективное устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью и генератор тока нулевой последовательности, а также расширен арсенал генераторов тока нулевой последовательности.

При этом упрощена конструкция, повышены быстродействие и надежности, сокращены габариты и масса, обеспечена возможность оптимальной компоновки, повышена безопасность обслуживания.

В настоящее время проведен комплекс испытаний заявленного оборудования в испытательном центре «Таврида Электрик». Испытания конструкции шкафа на локализацию проведены в ОАО «НИЦ ВВА». Результаты испытаний подтвердили правильность выбранных технических решений.

В настоящее время ведется подготовка к серийному выпуску.

Использование: для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью. Технический результат заключается в повышении быстродействия и надежности и сокращении габаритов и массы устройства. Устройство содержит фильтры токов нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, фильтр напряжения нулевой последовательности, подключенный к сборным шинам, устройство (генератор) для создания тока нулевой последовательности, подключенное к сборным шинам через выключатель, управляемый модулем контроля и управления, осуществляющим кратковременное замыкание указанного выключателя в случае превышения порога срабатывания и подключенным к фильтру напряжения нулевой последовательности, а в модуль контроля и управления введена линия задержки. При этом генератор тока нулевой последовательности содержит реактор с трехстержневым ненасыщаемым магнитопроводом и с обмотками, соединенными в звезду с заземленной общей точкой (нейтралью). В результате упрощена конструкция, повышены быстродействие и надежность, сокращены габариты и масса, обеспечена возможность оптимальной компоновки, повышена безопасность обслуживания. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее фильтры токов нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, фильтр напряжения нулевой последовательности, подключенный к сборным шинам, устройство (генератор) для создания тока нулевой последовательности, подключенное к сборным шинам через нормально разомкнутый трехфазный выключатель, управляемый модулем контроля и управления, осуществляющим кратковременное замыкание указанного выключателя в случае превышения напряжением нулевой последовательности порога срабатывания и подключенным к фильтру напряжения нулевой последовательности, отличающееся тем, что в модуль контроля и управления введена линия задержки, а устройство (генератор) тока нулевой последовательности реализовано в виде трехстержневого трехфазного ненасыщаемого реактора с соединением обмоток в звезду с заземленной нейтралью.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к упомянутым фильтрам тока и напряжения нулевой последовательности подсоединены устройства релейной защиты, реагирующие на уровень активной мощности нулевой последовательности.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор тока нулевой последовательности в трехфазной сети с изолированной нейтралью содержит реактор с трехстержневым ненасыщаемым магнитопроводом и с обмотками, соединенными в звезду с заземленной нейтралью, а также нормально разомкнутый модуль высоковольтный, снабженный приводом, подключенным к модулю контроля и управления, и выполненный в виде последовательно соединенных селектора и вакуумного коммутационного модуля с тремя вакуумными выключателями, причем селектор выполнен с тремя подвижными контактами, с тремя изолированными неподвижными контактами, с тремя заземленными выводами и с тремя выводами, соединенными с шинами, а коммутационный модуль выполнен с тремя выводами, соединенными с подвижными контактами селектора, и с тремя выводами, соединенными с обмотками реактора, при этом модуль контроля и управления выполнен с возможностью идентификации однофазного замыкания цепи на землю по напряжению нулевой последовательности.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено единым корпусом в виде шкафа с отсеком сборных шин и с расположенными последовательно сверху вниз низковольтным отсеком, высоковольтным отсеком и отсеком реактора, при этом в отсеке сборных шин, расположенном за высоковольтным отсеком, размещены элементы опорной изоляции, токопроводы и соединители сборных шин, в низковольтном отсеке размещены модуль контроля и управления, а также дополнительно установленные органы сигнализации и индикации, в высоковольтном отсеке размещены коммутационный модуль и сблокированный с ним селектор, а в отсеке реактора - реактор и соединительные проводники.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждый отсек снабжен клапаном сброса избыточного давления.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что высоковольтный отсек выполнен с окном из высокопрочного прозрачного поликарбоната и снабжен действующей механической мнемосхемой, размещенной с возможностью наблюдения за ней через окно.