УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Российский патент 2013 года по МПК H02H3/16 

Изобретение относится к области релейной защиты и может быть использовано для защиты от замыканий на землю линий, подключенных к сетям с компенсированной нейтралью. Возможно его использование для защиты генераторов, подключенных к сетям с изолированной и компенсированной нейтралью.

Известно устройство для защиты от замыканий на землю компенсированных сетей УСЗ-2/2, реагирующее на абсолютное значение естественных высших гармоник тока нулевой последовательности [Чернобровов Н.В. Релейная защита. - М.: Энергия. 1974, 347 с.].

Недостатком этого устройства является возможность отказов или ложной работы. Это обусловлено тем, что абсолютное значение естественных высших гармоник - крайне нестабильная величина, которая сильно зависит от суммарного емкостного тока сети и от вида потребителей - источников высших гармоник. Поэтому в разных сетях абсолютное значение высших гармоник может сильно отличаться. Даже в одной сети высшие гармоники могут быть различными в разное время суток.

Известно устройство для защиты от замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью [А.с. СССР №1145401, Н02Н 3/17, БИ №10, 1985], выбранное в качестве прототипа. Это устройство основано на наложении оперативного тока 25 Гц. Оно содержит электромагнитный делитель частоты с дополнительной катушкой индуктивности в цепи контурной обмотки, выход которого подключен к дугогасящему реактору, и частотно-избирательные органы, подключенные к трансформаторам тока нулевой последовательности защищаемых присоединений, к выходам которых подключены реагирующие органы.

Недостатки этого устройства состоят в следующем.

- Источник оперативного тока включается последовательно с силовой обмоткой дугогасящего реактора, т.е. в главную схему сети, что снижает надежность сети.

- Источник оперативного тока должен быть рассчитан на длительное протекание по нему тока силовой обмотки дугогасящего реактора, из-за чего увеличивается его вес, габариты, стоимость.

- Данная защита работает селективно только при устойчивом замыкании на землю. При перемежающемся дуговом замыкании (п.д.з.) она работает неселективно. Это объясняется тем, что эта защита реагирует на абсолютное значение составляющей с частотой 25 Гц в токе нулевой последовательности защищаемого присоединения. При устойчивом замыкании на землю ток с частотой 25 Гц, обусловленный источником оперативного тока, протекает только по поврежденному присоединению. Поэтому защита срабатывает только на поврежденном присоединении. При п.д.з. токи нулевой последовательности всех присоединений, в том числе неповрежденных, имеют резко выраженную несинусоидальную форму, т.е. содержат гармоники с частотами от единиц до тысяч Гц, в том числе гармонику с частотой 25 Гц. Амплитуда последней может значительно превышать ток срабатывания защиты на частоте 25 Гц, что приводит к ложной работе защит на неповрежденных присоединениях [Вайнштейн Р.А., Головко С.И. О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией емкостных токов при замыканиях на землю через перемежающуюся дугу // Изв. вузов. Сер. Энергетика. 1978, №12, с.14].

Задачи изобретения состоят в том, чтобы обеспечить наложение оперативного тока через вторичные обмотки трансформаторов напряжения и обеспечить селективность защиты при перемежающихся дуговых замыканиях.

Решение поставленных задач достигается тем, что в устройстве для защиты от замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью, основанном на наложении оперативного тока с частотой 25 Гц, содержащем источник оперативного тока 25 Гц, фильтры тока нулевой последовательности, установленные на каждой линии сети, и избирательные органы, подключенные к фильтрам тока нулевой последовательности, источник оперативного тока 25 Гц подключен через последовательно соединенные конденсатор и дроссель к разомкнутому треугольнику 1-го трансформатора напряжения нулевой последовательности или к вторичным обмоткам однофазного ТН или группы из нескольких однофазных ТН, высоковольтные обмотки которых подключены между нейтральной точкой сети и землей, причем вторичные обмотки ТН могут быть соединены как последовательно, так и параллельно, а каждый избирательный орган включает рабочий канал, вход которого подключен к фильтру тока нулевой последовательности, и тормозной канал, вход которого подключен к разомкнутому треугольнику 2-го трансформатора напряжения нулевой последовательности, причем выходы рабочего и тормозного каналов подключены к входам сумматора, выход которого подключен к выходному органу. Рабочий канал включает 1-ый входной трансформатор, первичная обмотка которого подключена к фильтру тока нулевой последовательности, а вторичная обмотка - к входу 1-го частотно-избирательного усилителя, к выходу которого подключен вход 1-го выпрямителя. Тормозной канал включает 2-ой входной трансформатор, первичная обмотка которого подключена к разомкнутому треугольнику 2-го трансформатора напряжения нулевой последовательности, а вторичная обмотка - к дифференцирующей C-R цепи, к выходу которой подключен вход 2-го частотно-избирательного усилителя, к выходу которого подключен вход 2-го выпрямителя.

Заявленное выполнение устройства обеспечивает наложение оперативного тока без вмешательства в главную схему сети. Это достигнуто благодаря подключению источника оперативного тока через последовательно-соединенные конденсатор и дроссель к разомкнутому треугольнику 1-го трансформатора напряжения нулевой последовательности или к вторичным обмоткам однофазного ТН или группы из нескольких однофазных ТН, высоковольтные обмотки которых подключены между нейтральной точкой сети и землей, причем вторичные обмотки ТН могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Заявленное выполнение устройства обеспечивает также правильную работу защиты при перемежающихся дуговых замыканиях на землю. Это достигнуто благодаря тому, что избирательный орган включает рабочий канал, вход которого подключен к фильтру тока нулевой последовательности, и тормозной канал, вход которого подключен к разомкнутому треугольнику 2-го трансформатора напряжения нулевой последовательности, причем выходы рабочего и тормозного каналов подключены к входам сумматора, выход которого подключен к выходному органу. Благодаря использованию тормозного канала обеспечивается селективная работа избирательного органа при п.д.з.

На фиг.1 представлена упрощенная схема компенсированной сети, блок-схема заявляемого устройства и его подключение к сети для случая, когда источник оперативного тока подключен к разомкнутому треугольнику 1-го трансформатора напряжения нулевой последовательности. Схема компенсированной сети включает сборные шины 1, трансформатор 2, к нейтрали которого подключен дугогасящий реактор 3. В качестве примера показана одна отходящая линия 4. К фильтру тока нулевой последовательности 5 защищаемой линии подключен рабочий канал 6, входящий в состав избирательного органа 7.

Наложение на сеть оперативного тока с частотой 25 Гц делается через 1-ый трансформатор напряжения нулевой последовательности 8. Источник оперативного тока 25 Гц 9 подключен к разомкнутому треугольнику 8 через конденсатор 10 и дроссель 11, которые настроены в резонанс на частоте 25 Гц. В качестве 9 может использоваться электромагнитный параметрический делитель частоты.

При настройке конденсатора 10 и дросселя 11 в резонанс на частоте 25 Гц где - модуль емкостного сопротивления конденсатора на частоте 25 Гц; - модуль индуктивного сопротивления дросселя на частоте 25 Гц. Поскольку сопротивление конденсатора - емкостное, а сопротивление дросселя - индуктивное, они уничтожают друг друга. При этом сопротивление фильтра, составленного из 10 и 11, является активным. Его величина зависит от активных потерь в 10 и 11, т.е. от добротности фильтра D . Значения вторичного тока 25 Гц и первичного тока накладываемого на сеть, зависят от напряжения 25 Гц U²⁵ на выходе 9 и от сопротивления цепи наложения на частоте 25 Гц

где - продольное сопротивление 8 на частоте 25 Гц. Величиной ввиду ее малости можно пренебречь. Тогда

На частоте 50 Гц напротив можно пренебречь активными потерями в 10 и 11. Тогда В последней формуле учтено, что с ростом частоты сопротивление дросселя 11 увеличивается, а сопротивление конденсатора 10 уменьшается. Как правило, D=15÷20. Таким образом, благодаря резонансной настройке 10 и 11 на частоте 25 Гц много меньше, чем Благодаря этому минимизируется мощность источника оперативного тока 9 и эффективно уменьшается ток 50 Гц, протекающий по цепи 11-10-9 при замыкании на землю, когда на выходе разомкнутого треугольника появляется напряжение 100 В, 50 Гц.

Максимальное значение которое можно наложить на сеть, определяется максимально допустимым током высоковольтной обмотки I_1доп одного однофазного трансформатора напряжения (ТН) и числом ТН. Следовательно, через трансформатор напряжения нулевой последовательности, состоящий из 3-х однофазных ТН, можно наложить предельное значение .

Если в сети имеется доступ к нейтрали, то оперативный ток можно накладывать через один или несколько однофазных ТН, высоковольтные обмотки которых подключены между нейтралью сети и землей. Число n однофазных ТН зависит от требуемого значения и от I_1доп и определяется выражением .

На фиг.2 источник оперативного тока 9 подключен через один однофазный трансформатор напряжения 12, высоковольтная обмотка которого подключена между нейтральной точкой сети и землей. Для подключения 9 может быть использована основная или дополнительная вторичные обмотки или обе обмотки. На фиг.2 приведен случай, когда источник тока 9 подключен к обеим последовательно-соединенным вторичным обмоткам. Для одного ТН .

На фиг.3 источник оперативного тока подключен через 2 однофазных трансформатора напряжения 13 и 14. При использовании 2-х и более ТН у каждого ТН также может быть использована основная или дополнительная вторичные обмотки или обе обмотки. При этом между собой вторичные обмотки разных ТН могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. На фиг.3 приведен случай, когда у 13 и 14 используются основная и дополнительная обмотки, при этом вторичные обмотки 13 и 14 соединены параллельно. Для 2-х TH .

Увеличением числа ТН можно обеспечить любое значение оперативного тока.

Рабочий канал 6 включает: 1-ый входной трансформатор 15, 1-ыи частотно-избирательный усилитель 16, 1-ый выпрямитель 17. На вход 16 подается сигнал U_P, пропорциональный току нулевой последовательности защищаемой линии I₀ U_P=K₁ I₀, где K₁ - коэффициент пропорциональности, величина которого определяется сопротивлением шунта 18, коэффициентами трансформации 5 и 15.

Тормозной канал 19 включает: 2-ой входной трансформатор 20, дифференцирующую цепь, образованную конденсатором 21 и резистором 22, 2-ой частотно-избирательный усилитель 23, 2-ой выпрямитель 24. Тормозной сигнал U_T на входе 23 имеет форму емкостного тока. Это обусловлено тем, что U_T получен посредством дифференцирования напряжения нулевой последовательности, снимаемого со 2-го трансформатора напряжения нулевой последовательности 25. При этом параметры 21 и 22 выбираются так, чтобы тормозной сигнал U_T был равен рабочему сигналу U_P, который имеет место при внешнем замыкании на землю, когда ток нулевой последовательности равен собственному емкостному току защищаемой линии I_C U_T=U_P=K₁ I_C.

Частотно-избирательные усилители 16 и 23 выделяют составляющую с частотой 25 Гц. Они идентичны, т.е. имеют одинаковый коэффициент передачи на частоте 25 Гц K²⁵. Напряжение на выходе 17 имеет положительный знак, а напряжение на выходе 24 - отрицательный. С учетом этого и где - составляющая с частотой 25 Гц в токе нулевой последовательности защищаемой линии, - составляющая с частотой 25 Гц в собственном емкостном токе защищаемой линии. Тогда напряжение на выходе сумматора 26

где K₂=K²⁵ K₁ - коэффициент пропорциональности.

Напряжение U_Σ подается на вход выходного органа 27, в котором формируется сигнал на отключение линии.

Из (1) следует, что избирательный орган реагирует на разность между гармоникой 25 Гц в токе нулевой последовательности защищаемой линии и гармоникой 25 Гц в собственном емкостном токе этой линии . При этом величина формируется из напряжения нулевой последовательности, поэтому она не зависит от того, внешним или внутренним является замыкание на землю по отношению к рассматриваемой линии. Величина формируется из тока нулевой последовательности, поэтому она зависит от того, внешним или внутренним является замыкание на землю. При внешнем замыкании , поэтому U_Σ=0, чему соответствует несрабатывание защиты. При внутреннем замыкании , поэтому защита срабатывает.

Работу защиты при металлическом и перемежающемся дуговом замыкании рассмотрим с помощью фиг.4 и фиг.5 соответственно, на которых: 28 - емкость поврежденной линии, 29 - емкость выделенной неповрежденной линии, 30 - эквивалентная емкость всех остальных неповрежденных линий. Рассмотрение сделаем для случая, когда оперативный ток накладывается через трансформатор напряжения нулевой последовательности 8. При наложении оперативного тока по фиг.2 или фиг.3 защита работает аналогично.

Металлическое замыкание

При металлическом замыкании ток , вырабатываемый 9, протекает через место замыкания, т.е. только по поврежденной линии, поэтому в этой линии . Для определенности примем, что номинальное напряжение сети составляет 10 кВ. У отечественных заземляемых ТН-10 кВ I_1доп=0,1 А, следовательно, через ТННП, состоящий из 3-х однофазных ТН, можно наложить . Таким образом, в рассматриваемом случае в поврежденной линии .

В неповрежденной линии .

В напряжении U₀ составляющая 25 Гц равна нулю, т.к. напряжение 25 Гц U²⁵, вырабатываемое 9, полностью выделяется на сопротивлении цепи наложения. Поэтому величина , формируемая из U₀ в тормозном канале 19, равна нулю как в поврежденной, так и в неповрежденной линиях. Согласно (1) на поврежденной линии U_Σ=K₂×0,3 А, на неповрежденной U_Σ=0. Уставка выходного органа 27 составляет U_CP=K₂×0,1 А, из чего следует, что на поврежденной линии выходной орган сработает, а на неповрежденной нет.

Перемежающееся дуговое замыкание

При п.д.з. гармонический состав всех электрических величин и амплитуды гармоник зависят от пробивного напряжения, длительности токовой паузы и расстройки компенсации, которая была в сети в момент возникновения п.д.з., при этом гармоника с частотой 25 Гц в напряжении нулевой последовательности находится в пределах , где U_Ф - фазное напряжение сети [Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Албул В.Н. Условия селективной работы защит с наложением контрольного тока при перемежающихся дуговых замыканиях // Изв. вузов. Сер. Энергетика. 1988, №7, с.22].

Рассматриваемое устройство реагирует на составляющую 25 Гц входных сигналов, поэтому на фиг.5 в место возникновения дуги включен источник , а не источник полного напряжения нулевой последовательности U₀. Напряжение обусловливает во всех линиях и дугогасящем реакторе 3 токи 25 Гц, показанные стрелочными линиями. Оперативный ток 25 Гц, обусловленный 9, при этом рассмотрении не учитывается, т.к. он мал по сравнению с гармоникой 25 Гц, источником которой является п.д.з.

Как и при металлическом замыкании, поведение выходного органа защиты при п.д.з. определяется величиной напряжения на выходе сумматора

Согласно фиг.5 на поврежденной линии Величина формируется из напряжения нулевой последовательности и для всех линий, в том числе для поврежденной, эта величина равна составляющей 25 Гц, соответствующей собственному емкостному току, т.е. . Из фиг.5 с помощью несложных преобразований можно найти, что

,

где I_CΣ - суммарный емкостный ток сети на промышленной частоте.

Из последнего выражения следует, что тем меньше, чем меньше и I_CΣ. Чтобы утяжелить условия для срабатывания защиты, примем минимальные значения и и I_CΣ=20 A (20 А - минимальное значение I_CΣ, при котором в сетях 6-10кВ делается компенсация). После подстановки в (2) получим U_Σ=K₂×0,9 А, что в 9 раз превышает напряжение срабатывания выходного органа U_CP=10₂×0,1 А. Таким образом, даже при самой неблагоприятной дуге защита на поврежденной линии надежно сработает.

На неповрежденной линии согласно фиг.5 Величина имеет такое же значение , поэтому в соответствии с (2) U_Σ=0, что означает несрабатывание защиты.

Изобретение относится к области релейной защиты и может быть использовано для защиты от замыканий на землю линий, подключенных к сетям с компенсированной нейтралью. Технический результат - обеспечение наложения оперативного тока через вторичные обмотки трансформатора напряжения и селективной работы защиты при перемежающихся дуговых замыканиях на землю. Для этого заявленное устройство содержит источник оперативного тока 25 Гц, фильтры тока нулевой последовательности, установленные на каждой линии сети, и избирательные органы, подключенные к фильтрам тока нулевой последовательности, причем источник оперативного тока 25 Гц подключен через последовательно соединенные конденсатор и дроссель к разомкнутому треугольнику 1-го трансформатора напряжения нулевой последовательности или к вторичным обмоткам однофазного ТН или группы из нескольких однофазных ТН, высоковольтные обмотки которых подключены между нейтральной точкой сети и землей, причем вторичные обмотки ТН могут быть соединены как последовательно, так и параллельно, а каждый избирательный орган включает рабочий канал, вход которого подключен к фильтру тока нулевой последовательности, и тормозной канал, вход которого подключен к разомкнутому треугольнику 2-го трансформатора напряжения нулевой последовательности, причем выходы рабочего и тормозного каналов подключены к входам сумматора, выход которого подключен к выходному органу. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для защиты от замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью, основанное на наложении оперативного тока с частотой 25 Гц, содержащее источник оперативного тока 25 Гц, фильтры тока нулевой последовательности, установленные на каждой линии сети, и избирательные органы, подключенные к фильтрам тока нулевой последовательности, отличающееся тем, что источник оперативного тока 25 Гц подключен через последовательно-соединенные конденсатор и дроссель к разомкнутому треугольнику 1-го трансформатора напряжения нулевой последовательности или к вторичным обмоткам однофазного ТН или группы из нескольких однофазных ТН, высоковольтные обмотки которых подключены между нейтральной точкой сети и землей, причем вторичные обмотки ТН могут быть соединены как последовательно, так и параллельно, а каждый избирательный орган включает рабочий канал, вход которого подключен к фильтру тока нулевой последовательности, и тормозной канал, вход которого подключен к разомкнутому треугольнику 2-го трансформатора напряжения нулевой последовательности, причем выходы рабочего и тормозного каналов подключены к входам сумматора, выход которого подключен к выходному органу.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий канал включает 1-й входной трансформатор, первичная обмотка которого подключена к фильтру тока нулевой последовательности, а вторичная обмотка - к входу 1-го частотно-избирательного усилителя, к выходу которого подключен вход 1-го выпрямителя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тормозной канал включает 2-й входной трансформатор, первичная обмотка которого подключена к разомкнутому треугольнику 2-го трансформатора напряжения нулевой последовательности, а вторичная обмотка - к дифференцирующей C-R цепи, к выходу которой подключен вход 2-го частотно-избирательного усилителя, к выходу которого подключен вход 2-го выпрямителя.