СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ Российский патент 2010 года по МПК H02H3/16 

Предлагаемое изобретение относится к способам направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях, работающих с изолированной нейтралью, заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (компенсацией емкостных токов) или высокоомный резистор, основанным на использовании высокочастотных составляющих электрических величин переходного процесса, возникающего при пробое изоляции фазы сети на землю.

Его применение целесообразно для выполнения устройств селективной сигнализации и защиты с действием на отключение при кратковременных, перемежающихся и устойчивых замыканиях на землю.

Известен способ направленной защиты от однофазных замыканий на землю [Авторское свидетельство СССР №299908 H02H 3/16, опубл. 26.03.71, БИ №12] в компенсированных сетях, основанный на использовании суммы высших гармоник токов и напряжения нулевой последовательности, в котором для определения поврежденного присоединения дифференцируют напряжение нулевой последовательности, подавляют составляющую основной частоты в дифференцированном напряжении и в токе нулевой последовательности защищаемого присоединения и полученные при этом величины подают на два входа фазочувствительного органа, срабатывающего или блокирующего защиту в зависимости от знака постоянной составляющей сигнала на выходе фазочувствительного органа.

Недостатками известного способа являются возможность применения только для фиксации устойчивых замыканий на землю, а также низкая устойчивость функционирования в условиях воздействия шумов и помех.

Известен способ направленной импульсной защиты однофазного замыкания на землю в сетях с компенсированной и изолированной нейтралью [Авторское свидетельство СССР №1078526 H02H 3/16, опубл. 07.03.84, БИ №9], в котором для определения поврежденного присоединения осуществляют измерение мгновенных значений тока нулевой последовательности и опорной величины при переходном процессе, возникающем в момент нарушения изоляции фазы сети на землю, сравнение и запоминание начальных знаков переходного тока и опорной величины и выдачу командного воздействия на исполнительные органы защиты при совпадении знаков указанных величин, а в качестве опорной величины используют скорость нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности переходного процесса в момент нарушения изоляции, фиксируемый по факту возникновения броска переходного тока.

Недостатком известного способа является низкая устойчивость функционирования в условиях воздействия шумов и помех.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, с компенсацией емкостных токов и высокоомным заземлением нейтрали через резистор, реализованный в устройстве «Спектр» [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», стр.76-78]. Такой способ объединяет два указанных выше способа, первый из которых [Авторское свидетельство СССР №1078526 Н02Н 3/16, опубл. 07.03.84, БИ №9] предусматривает сравнение знаков производной напряжения нулевой последовательности dU₀/dt и тока i₀ переходного процесса в заданном спектре частот, а второй [Авторское свидетельство СССР №299908 H02H 3/16, опубл. 26.03.71, БИ №12] - сравнение знаков высших гармоник тех же величин в установившемся режиме однофазного замыкания на землю. Реализация второго из указанных способов обеспечивается автоматически при реализации первого, если рабочий спектр частот токов переходного процесса устройства включает рабочий диапазон частот токов высших гармоник, и чувствительность по первичному току в рабочем диапазоне частот достаточна для устойчивого функционирования, как в переходном, так и в установившемся режимах однофазного замыкания на землю. Комбинация в одном способе двух способов направленной защиты обеспечивает возможность селективно определять поврежденное присоединение при всех разновидностях однофазного замыкания на землю (устойчивых, кратковременных самоустраняющихся, прерывистых дуговых, включая дуговые перемежающиеся), а также обеспечивает непрерывность действия при устойчивых замыканиях на землю.

Способ-прототип направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, с компенсацией емкостных токов и высокоомным заземлением нейтрали через резистор включает измерение мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности переходного процесса в момент нарушения изоляции фазы сети на землю, сравнение знаков мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности, вычисление интегральной величины, пропорциональной разности суммарного времени совпадения и суммарного времени несовпадения знаков мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности величин в интервале времени срабатывания защиты, выдачу командного воздействия на исполнительные органы защиты при превышении интегральной величины заданного значения (уставки).

Как указывалось ранее, способ-прототип реализуется устройством «Спектр», функционально-структурная схема которого представлена [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», стр.77, рис.3.15].

Устройство «Спектр» включает в себя четыре функционально-конструктивных блока:

- блок формирования в рабочем диапазоне частот сигналов, пропорциональных току нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности;

- пусковой орган по напряжению нулевой последовательности (3U₀), схему сравнения фаз и выходные цепи;

- блок питания;

- блок тестового контроля.

Устройство «Спектр», реализующее способ-прототип, при однофазных замыканиях на землю работает следующим образом.

При однофазных замыканиях на землю высшие гармоники, содержащиеся в токе нулевой последовательности (i₀) и производной напряжения нулевой последовательности (dU₀/dt) переходного или установившегося режима, обуславливают появление сигналов на выходах схемы формирования импульсов совпадения (F5) и схемы формирования импульсов несовпадения (F4) знаков сравниваемых величин.

При внутреннем однофазном замыкании на землю (на защищаемом присоединении) знаки высших гармонических составляющих dU₀/dt и i₀ на входах схемы формирования импульсов (F5) совпадают на всем интервале времени наблюдения (при отсутствии фазовых погрешностей в трансформаторах тока нулевой последовательности (ТТНП) и каналах dU₀/dt и i₀) и на выходе схемы формирования импульсов совпадения F5 появится положительный сигнал длительностью, равной времени совпадения знаков сравниваемых величин. Знаки высших гармонических составляющих i₀ и dU₀/dt на входах схемы формирования импульсов несовпадения (F4) при отсутствии фазовых погрешностей в каналах dU₀/dt и i₀ будут противоположны на всем интервале наблюдения, поэтому сигнал на выходе формирования импульсов несовпадения F4 будет отсутствовать. За счет указанных выше погрешностей интервалы совпадения знаков сравниваемых величин будут чередоваться с интервалами несовпадения, однако суммированная длительность первых в интервале времени наблюдения при внутренних замыканиях на землю будет больше, чем вторых, поэтому при внутреннем замыкании на землю интегральная величина на выходе интегратора F6 будет положительна.

Если разность суммарного времени совпадения и суммарного времени несовпадения знаков мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности величин (т.е. сигнал на выходе интегратора F6) в интервале времени наблюдения имеет положительное значение и больше 8-10 мс, сигнал на выходе интегратора F6 будет положительным и на выходе схемы сравнения (элемента задержки DT3) появится сигнал. Появление указанного сигнала приводит к срабатыванию выходного реле устройства KL1 и светового индикатора КН2 только при одновременном срабатывании пускового органа по напряжению нулевой последовательности, обеспечивающему дополнительную отстройку от коммутационных переключений и других режимов, не связанных с однофазными замыканиями на землю в сети.

При внешних однофазных замыканиях на землю и отсутствии фазовых погрешностей ТТНП и каналов i₀ и dU₀/dt сигналы на входах схемы формирования импульсов совпадения F5 будут противоположны по знаку и на выходе F5 сигнал будет отсутствовать. Сигналы на входах схемы формирования импульсов несовпадения F4 будут совпадать по знаку в течение всего времени наблюдения, поэтому сигнал на выходе F4 и, соответственно, на выходе интегратора F6 будет отрицательным. При отрицательном сигнале на выходе интегратора сигнал на выходе схемы сравнения (элемента задержки DT3) и выходе устройства в целом будет отсутствовать.

Недостатком способа-прототипа и устройства, его реализующего, является низкая устойчивость функционирования в условиях воздействия шумов и помех.

Одним из наиболее общих показателей, характеризующих устойчивость функционирования релейной защиты, является критерий «сигнал/помеха» [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.159-164]. В частности, этот критерий позволяет оценивать излишние срабатывания релейной защиты в условиях искажения измеряемых величин, вызванных различного рода помехами и шумами. Поэтому оценим способ-прототип с точки зрения критерия «сигнал/помеха».

Отметим, что в ряде работ [например, Авторское свидетельство №299908 H02H 3/16, опубл. 26.03.71, БИ №12] отражено важное обстоятельство «Гармонический состав токов нулевой последовательности идентичен гармоническому составу производной по времени напряжения нулевой последовательности при исключении из состава основной составляющей, т.е. форма кривых указанных величин одна и та же. При этом фазовые составляющие (полярность) кривой совокупности высших гармоник тока нулевой последовательности поврежденного присоединения и кривой совокупности высших гармоник функции dU₀/dt противоположны, а фазовые соотношения (полярность) кривых совокупности высших гармоник неповрежденных присоединений и кривой совокупности высших гармоник функции dU₀/dt совпадают».

Отмеченное обстоятельство позволяет построить способ направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях, работающих с изолированной нейтралью, с компенсацией емкостных токов или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, основанный на оценке степени похожести кривых тока нулевой последовательности и производной напряжения нулевой последовательности. Степень похожести кривых (сигналов, процессов) может быть оценена различными методами. Например, в способе-прототипе (устройстве «Спектр») эта степень похожести оценивается посредством вычисления интегральной величины, соответствующей интервалам совпадения и несовпадения знаков мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания (производной) мгновенных значений напряжения нулевой последовательности, рассчитанной в интервале времени срабатывания защиты. По своей сути указанная интегральная величина соответствует вычислению знаковой корреляции мгновенных значений анализируемых кривых [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, стр.320-322].

В условиях воздействия гауссовых шумов (помех) на сравниваемые сигналы наиболее эффективной (оптимальной) является полноценная корреляционная обработка (согласованная фильтрация), а не знаковая. Результаты такой обработки (фильтрации) отражают максимальную степень похожести сигналов по критерию минимума среднеквадратической ошибки, а также обеспечивают наиболее эффективное выделение сигналов на фоне, например, «белого» (гауссовского) шума [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981]. Это утверждение подкрепляется еще и интуитивными соображениями, ведь в процессе полноценной корреляционной обработки используется полная информация мгновенных значений сравниваемых величин, а не только их знаки. В результате дополнительное использование информации в ходе обработки позволяет получить более точный результат в условиях воздействия шумов (помех).

Поэтому оптимальной в условиях воздействия шумов и помех является полная взаимная корреляционная обработка совокупностей мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания (производной) напряжения нулевой последовательности, производимая в интервале времени срабатывания релейной защиты. Причем вследствие разных фазовых соотношений кривых тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности для поврежденного и неповрежденного присоединений результаты корреляционной обработки (вычисления взаимной корреляционной функции) анализируемых кривых будут противоположны по знаку для поврежденных и неповрежденных присоединений. Последним обеспечивается селективность функционирования устройства защиты.

Приведенные обоснования подтверждаются результатами натурных экспериментов. Так, на фиг.1. представлены нормированные временные осциллограммы переходного процесса неустойчивого однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью. Осциллограмма напряжения нулевой последовательности U₀ представлена пунктирной кривой, а производной напряжения нулевой последовательности dU₀/dt - штрихпунктирной. Осциллограмма тока нулевой последовательности i₀, представленная сплошной линией, для поврежденного присоединения совпадает с осциллограммой производной напряжения нулевой последовательности.

На фиг.2 приведены осциллограммы, характеризующие неустойчивое однофазное замыкание на землю (фиг.1):

- штриховой линией обозначена кривая зависимости от времени интегральной величины S(t), соответствующей интервалам совпадения и несовпадения знаков мгновенных замыканий тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности, рассчитанной в интервале времени срабатывания релейной защиты [способ-прототип, Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», стр.76-78];

- сплошной линией обозначена кривая зависимости времени

соответствующая временной корреляционной функции совокупности мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности при выбранном параметре T=726 мкс.

Анализируемые функции (фиг.2) показаны в логарифмической шкале, измеряются в децибелах (дБ), а максимальным значениям для каждой из функций соответствует уровень 0 дБ.

Уровень шумов (помех) (и, соответственно, и отношение сигнал/шум) можно оценить на временном интервале от 30 до 40 мс:

- для интегральной величины (функции S(t)) (способ-прототип) штриховая линия соответствует уровню - 10 дБ;

- для корреляционной функции VKF(f) штрихпунктирная линия соответствует уровню - 42 дБ.

Таким образом, относительно максимального значения сигнала 0 дБ корреляционная функция обладает на 32 дБ (в 1585 раз) большим отношением сигнал/шум по сравнению с интегральной величиной (функцией S(t)) способа-прототипа. Это позволяет устройству защиты, основу которого составляет вычисление корреляционной функции, обеспечить большую устойчивость (меньшую вероятность ложных срабатываний) в уровнях воздействия шумов и помех.

На фиг.3 и фиг.4, 5 приведены осциллограммы, аналогичные фиг.1 и фиг.2 и характеризующие начало режима устойчивого однофазного замыкания на землю.

Оценивая отношение сигнал/ шум, получим следующие параметры:

- для интегральной величины (функции S(t)) (способ-прототип) штриховая линия соответствует уровню шумов - 10 дБ (фиг.4);

- для корреляционной функции VKF(t) сплошная линия соответствует уровню шумов - 40 дБ (фиг.5).

Сопоставительный анализ зависимостей (фиг.4, 5) позволяет сделать вывод о том, что вычисление корреляционной величины (функции) по предлагаемому способу обеспечивает на 30 дБ (в 1000 раз) большее отношение сигнал/шум, а следовательно, и устойчивость функционирования в условиях шумов и помех, чем сравнение времени совпадения с временем несовпадения в способе-прототипе.

Следует заметить, что знак (полярность) вычисленной корреляционной функции (как и интегральной величины в способе-прототипе) позволяет селективно определить поврежденное присоединение.

Задача изобретения - повышение устойчивости функционирования в условиях воздействия шумов и помех.

Поставленная задача достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, компенсацией емкостных токов или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, включающим измерение мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности переходного процесса в момент нарушения изоляции фазы сети на землю, вычисление интегральной величины, рассчитанной в интервале времени срабатывания защиты, выдачу командного воздействия на исполнительные органы защиты при превышении интегральной величиной заданного значения (уставки), согласно изобретению в качестве интегральной величины выбирается взаимная корреляционная функция совокупностей мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, а состояние изоляции диагностируется при неустойчивых однофазных замыканиях на землю по числу нарушений изоляции, фиксируемых при превышении интегральной величиной заданного значения (уставки).

Вариант устройства, реализующего предлагаемый способ, изображен на фиг.6.

Устройство включает: первый 1 и второй 2 аналого-цифровой преобразователь, дифференциатор 3 (вычислитель производной), коррелятор 4, первую 5, вторую 7 и третью 9 схемы сравнения, блок памяти 6, первый 8 и второй 10 счетчики и дешифратор 11.

Способ реализуется следующим образом.

При возникновении замыкания на землю на входы блоков аналого-цифрового преобразования 1 и 2 поступают соответственно ток нулевой последовательности i₀ и напряжение нулевой последовательности U₀ от измерительных трансформаторов. После аналого-цифрового преобразования в блоке 1 цифровые отсчеты тока нулевой последовательности поступают на первый вход коррелятора, а на второй вход коррелятора подаются цифровые отсчеты, пропорциональные скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, образующиеся после аналого-цифрового преобразования в блоке 2 и дифференцирования в блоке 3 напряжения нулевой последовательности. Коррелятор 4 осуществляет операцию цифровой свертки над отсчетами, поступающими на его вход. На его выходе образуются цифровые коды, являющиеся дискретными аналогами выражения (1). Вместо коррелятора для выполнения операции свертки может привлекаться цифровой фильтр. При этом один из дискретных сигналов (например, цифровые отсчеты тока нулевой последовательности) выступает в роли импульсной характеристики цифрового фильтра.

С выхода коррелятора 4 цифровые отсчеты поступают на первые входы схем срабатывания 5 и 7, а на их вторые входы с блока памяти 6 поступают цифровые коды уставок. Причем для схемы срабатывания 5 подается уставка, характеризующая режим неустойчивого однофазного замыкания на землю, а для схемы сравнивания 7 - уставка, характеризующая режим устойчивого однофазного замыкания на землю. Разница в уставках обусловлена обеспечением разного отношения сигнал/шум в режимах устойчивого и неустойчивого замыканий.

При устойчивом однофазном замыкании на землю количество превышений уставочного значения подсчитывается счетчиком 10, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения 9. На второй вход схемы сравнения 9 с блока памяти 6 подается цифровой код, характеризующий временной интервал, начиная с которого классифицируют однофазное замыкание на землю как устойчивое. При превышении этого временного интервала на выходе схемы сравнения появляется сигнал командного воздействия на исполнительные органы релейной защиты.

При неустойчивом однофазном замыкании на землю количество превышений уставочного значения подсчитывается счетчиком 8, выход которого соединен с дешифратором 11. В зависимости от цифрового кода (числа превышений уставочного значения) с выхода счетчика 8 на одном из выходов дешифратора 11 появляется сигнал. При этом состояние изоляции анализируемой фазы сети, связанное с числом произошедших неустойчивых однофазных замыканий на землю, можно характеризовать номером выхода дешифратора 11, на котором появился сигнал. Эта информация (номер выхода дешифратора) может выступать в качестве диагностической, сигнальной или служить для обеспечения командного воздействия на исполнительные органы релейной защиты.

Таким образом, в отличие от способа-прототипа предлагаемый способ обеспечивает (как указывалось ранее) большую устойчивость функционирования в условиях воздействия шумов и помех, а также позволяет реализовать диагностику состояния изоляции в режиме неустойчивых однофазных замыканий на землю.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей. Способ заключается в измерении мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности переходного процесса в момент нарушения изоляции фазы сети на землю, вычислении интегральной величины, рассчитанной в интервале времени срабатывания защиты, выдаче командного воздействия на исполнительные органы защиты при превышении интегральной величиной заданного значения, в качестве интегральной величины выбирают взаимную корреляционную функцию совокупностей мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, а состояние изоляции диагностируют при неустойчивых однофазных замыканиях на землю по числу нарушений изоляции, фиксируемых при превышении интегральной величиной заданного значения. 6 ил.

Способ диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий в электрических сетях с изолированной нейтралью, компенсацией емкостных токов или заземлением нейтрали через высокоомный резистор, заключающийся в измерении мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности переходного процесса в момент нарушения изоляции фазы сети на землю, вычислении интегральной величины, рассчитанной в интервале времени срабатывания защиты, выдаче командного воздействия на исполнительные органы защиты при превышении интегральной величиной заданного значения, отличающийся тем, что в качестве интегральной величины выбирают взаимную корреляционную функцию совокупностей мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, а состояние изоляции диагностируют при неустойчивых однофазных замыканиях на землю по числу нарушений изоляции, фиксируемых при превышении интегральной величиной заданного значения.