СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ Российский патент 2014 года по МПК H02H3/16 

Предлагаемое изобретение относится к способам защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях, работающих с изолированной нейтрально, 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.

Известны различные способы направленной защиты от однофазных замыканий, их суть, а также устройства, их реализующие, подробно, например, изложены в работе [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВт. - М.: НТФ «Энергопрогресс», 104 с.].

Недостатком известных способов является низкая устойчивость функционирования в условиях воздействия шумов и помех.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий в электрических сетях [Патент РФ №2402131, H02H 3/16, опубл. Б.И. №29 от 20.10.2010] 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, 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.

Способ-прототип реализуется устройством [Патент РФ №2402131, H02H 3/16, опубл. Б.И. №29 от 20.10.2010], включающим первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), дифференциатор, коррелятор, первую, вторую и третью схемы сравнения, блок памяти, первый и второй счетчики, а также дешифратор.

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

Устойчивость функционирования релейной защиты характеризуется отношением «сигнал/помеха» [Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. - М.: Энергоатомиздат, 2007, стр.159-164]. Именно с точки зрения этого критерия («сигнал/помеха») оценим способ-прототип.

В способе-прототипе вычисляется интегральная величина, рассчитанная в интервале времени срабатывания защиты, в качестве которой выбирают взаимную корреляционную функцию совокупностей мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности. Вычисление этой функции обеспечивает высокое отношение «сигнал/помеха».

Однако в интервале времени срабатывания защиты вычисляется не одна, а

$$\text{N}=\frac{{\text{t}}_{\text{инт}}}{{\text{t}}_{\text{д}}},(1)$$

величин, где t_инт - интервал времени срабатывания, t_д - интервал дискретизации мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности. Очевидно, что накопление значений интегральной величины в течение времени t_инт обеспечит еще большее отношение «сигнал/помеха». Поскольку обработка сигналов реализуется с мгновенными значениями амплитуд токов и напряжений нулевой последовательности, то накопление значений интегральной величины эквивалентно некогерентному (без учета фазовой структуры сигналов) накоплению [Например, Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, стр.65-83].

Известно, что при некогерентном накоплении обеспечивается выигрыш в отношении «сигнал/помеха» в $$\sqrt{N}$$ раз [Там же, стр.76-78]. Например, для защиты, использующей накопление значений взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности в интервале времени срабатывания, соответствующем N=32 отсчетам дискретизированных сигналов, выигрыш по сравнению со способом-прототипом составит 5,6 раз.

Натурные эксперименты подтверждают приведенные рассуждения. 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(t)/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 интегральной величины VKF(f)

$$\text{VKF(t)}={\displaystyle \underset{\text{0}}{\overset{{\text{t}}_{\text{инт}}}{\int }}{\text{[dU}}_{\text{0}}\text{(t)/dt]}\cdot \text{(i}+\text{τ)dτ}\text{,}\text{(2)}}$$

соответствующая временной корреляционной функции совокупности мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности при выбранном параметре t_инт=180 мкс;

- сплошной линией обозначена кривая S(t) зависимости от времени новой (предлагаемой) интегральной величины, сформированной из накопленных значений взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности в течение того же интервала времени срабатывания защиты t_инт=180 мкс.

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, отношение «сигнал/шум») можно оценить на временном интервале от 33 до 40 мс, который составляет для обеих функций ≈ - 48 дБ:

Например, во временной точке 28,9 мс имеем следующие уровни сигналов:

- для корреляционной функции VKF (t) штриховая линия соответствует уровню - 28 дБ;

- для интегральной величины S(t) сплошная линия соответствует уровню - 18дБ.

Таким образом, относительно значения уровня шумов функция S(t) обладает на 10 дБ (в ≈ 3,16 раза) большим отношением «сигнал/шум» по сравнению с функцией VKF(t). Это позволяет устройству защиты, основу которого составляет вычисление накопленных в интервале времени срабатывания защиты значений корреляционной функции, обеспечить большую устойчивость (меньшую вероятность ложных срабатываний) в условиях воздействия шумов и помех.

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, заключающимся 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, формируют взаимную корреляционную функцию совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, состояние изоляции диагностируют при неустойчивых однофазных замыканиях на землю по числу нарушений изоляции, фиксируемых при превышении интегральной величиной заданного значения, согласно предлагаемому изобретению накапливают в течение интервала времени срабатывания защиты сформированные значения взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, а в качестве интегральной величины выбирают накопленные значения взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности.

Вариант устройства, реализующего предлагаемый способ, изображен на фиг.3.

Устройство включает: первый 1 и второй 2 аналого-цифровые преобразователи, дифференциатор 3, коррелятор 4, линию задержки 5, сумматор 6, первую 7, вторую 9 и третью 11 схемы сравнения, блок памяти 8, первый 10 и второй 12 счетчики и дешифратор 13.

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 4. На второй вход коррелятора 4 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, соответствующие (выражение (2)) временной корреляционной функции совокупности мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности.

С выхода коррелятора 4 цифровые отсчеты временной корреляционной функции поступают на линию задержки 5, имеющей N отводов. Эти отводы линии задержки 5 подключены к соответствующим входам группового сумматора 6. Такое взаимное исполнение компонентов 5 и 6 устройства защиты позволяет осуществлять накопление N значений корреляционной функции в течение интервала времени срабатывания защиты t_инт.

Отсчеты накопленных значений корреляционной функции с выхода сумматора 6 подаются на первые входы схем сравнения 7 и 9, а на их вторые входы с блока памяти 8 поступают цифровые коды уставок. Причем для схемы сравнения 7 подается уставка, характеризующая режим неустойчивого однофазного замыкания на землю, а для схемы сравнения 9 - уставка, характеризующая режим устойчивого однофазного замыкания на землю. Разница в уставках обусловлена обеспечением разного отношения «сигнал/шум» в режимах устойчивого и неустойчивого замыкания.

При устойчивом однофазном замыкании на землю количество превышений уставочного значения подсчитывается счетчиком 10, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения 11. На второй вход схемы сравнения 11 с блока памяти 8 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 11 появляется сигнал командного воздействия на исполнительные органы релейной защиты.

При неустойчивом однофазном замыкании на землю количество превышений уставочного значения подсчитывается счетчиком 10, выход которого соединен с дешифратором 13. В зависимости от цифрового кода (числа превышений уставочного значения) с выхода счетчика 10 на одном из выходов дешифратора 13 появляется сигнал. При этом состояние изоляции анализируемой фазы сети, связанное с числом произошедших неустойчивых однофазных замыканий на землю, можно характеризовать номером выхода дешифратора 13, 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.

В заключение следует еще раз отметить, что за счет использования в предлагаемом способе накопленных значений корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности обеспечивается достижение задачи изобретения - повышение устойчивости функционирования в условиях воздействия шумов и помех.

Использование: в области электротехники. Технический результат: повышение устойчивости функционирования в условиях воздействия шумов и помех. Согласно способу измеряют мгновенные значения тока нулевой последовательности и скорости нарастания мгновенных значений напряжения нулевой последовательности переходного процесса в момент нарушения изоляции фазы сети на землю. Вычисляют интегральную величину, рассчитанную в интервале времени срабатывания защиты. Выдают командное воздействие на исполнительные органы защиты при превышении интегральной величиной заданного значения. Формируют взаимную корреляционную функцию совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности. Состояние изоляции диагностируют при неустойчивых однофазных замыканиях на землю по числу нарушений изоляции, фиксируемых при превышении интегральной величиной заданного значения. В течение интервала времени срабатывания защиты накапливают сформированные значения взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, а в качестве интегральной величины выбирают накопленные значения взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности. 3 ил.

Способ диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий в электрических сетях с изолированной нейтралью, компенсацией емкостных токов или замыканием 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, формируют взаимную корреляционную функцию совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, состояние изоляции диагностируют при неустойчивых однофазных замыканиях на землю по числу нарушений изоляции, фиксируемых при превышении интегральной величиной заданного значения, отличающийся тем, что устанавливают интервал накопления соответствующим времени срабатывания защиты и в течение этого интервала накапливают сформированные значения взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, выбирают в качестве интегральной величины накопленные значения взаимной корреляционной функции совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности.