СПОСОБ ЗАЩИТЫ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ, КОМПЕНСИРОВАННОЙ И РЕЗИСТИВНО-ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ ОТ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ Российский патент 2015 года по МПК H02H3/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в целом, к релейной защите кабельных или воздушных сетей и, в частности, к защите линий электропередачи в сетях с изолированной, компенсированной и резистивно-заземленной нейтралью с напряжением 6, 10, 35 кВ.

Уровень техники

Известен способ [1], в котором в качестве контролируемой электрической величины используют пульсирующую мощность защищаемых линий, которую выделяют путем измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и одновременно ее среднего значения. Пульсирующую мощность линии определяют путем вычитания из мгновенной мощности средней мощности. Измерения или вычисления составляющих мощности ведут непрерывно, до и после возникновения замыкания на землю для всех защищающих линий. В качестве входного параметра на срабатывание защиты используют приращение пульсирующей мощности, которое определяют сразу же после возникновения замыкания путем вычитания из текущего значения пульсирующей мощности, сохраненного ранее до замыкания на землю аналогичного значения пульсирующей мощности, например амплитудного значения. Для измерения или вычисления мгновенной мощности трех фаз линии и ее составляющих используют фазные напряжения сети, которые измеряют относительно нейтрали трехфазной системы, или используют линейные напряжения, которые предварительно сдвигают по фазе на угол минус 30°.

Наиболее близким аналогом к настоящему изобретению является способ, раскрытый в документе [2]. Известный 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.

Недостатками известного прототипа являются недостаточная надежность при неустойчивых коротких замыканиях, сопровождающихся горением электрической дуги, необходимость точного задания параметров электрической сети, высокие требования к частоте дискретизации сигналов при выполнении цифровой обработки.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в обеспечении селективности, надежности и быстродействия защиты от коротких замыканий на землю в сетях с изолированной, компенсированной или резистивно-заземленной нейтралью.

Согласно настоящему изобретению предложен способ защиты сетей с изолированной, компенсированной и резистивно-заземленной нейтралью от однофазных коротких замыканий на землю. В упомянутом способе осуществляется определение наличия короткого замыкания на контролируемом фидере путем определения направления комплексной мощности нулевой последовательности в первый момент пробоя. В качестве исходных данных используются сигналы тока нулевой последовательности и напряжения нулевой последовательности. Далее осуществляется расчет производной комплексной мощности нулевой последовательности, причем расчет осуществляется однократно для составляющей промышленной частоты в первый момент пробоя, который детектируется по превышению мгновенным значением тока или напряжения нулевой последовательности заданной величины. При этом по направлению производной комплексной мощности нулевой последовательности определяется и сохраняется направление короткого замыкания на контролируемом фидере. Вдобавок осуществляется дополнительный контроль превышения действующим значением напряжения нулевой последовательности заданной величины с выдержкой времени, равной в один или более периодов промышленной частоты, таким образом, что по окончании выдержки времени и при условии сохраненного направления короткого замыкания на контролируемом фидере осуществляется формирование сигнала срабатывания защиты.

В одном варианте осуществления защита действует на сигнализацию и автоматическое отключение поврежденного фидера.

В другом варианте осуществления защита действует только на сигнализацию поврежденного фидера, при этом отключение поврежденного фидера происходит вручную.

Согласно еще одному варианту осуществления в случае сохраненного направления короткого замыкания на контролируемом фидере и непревышении напряжением нулевой последовательности заданной величины осуществляется увеличение счетчика искровых пробоев.

Кроме того, упомянутый способ дополнительно предусматривает возврат запоминающих элементов и всей защиты в исходное состояние. Такой возврат может осуществляться вручную путем подачи сигнала сброса или может происходить автоматически при снижении действующего значения напряжения нулевой последовательности ниже заданной величины с выдержкой времени.

Благодаря настоящему изобретению обеспечивается селективность, надежность и быстродействие защиты от однофазных коротких замыканий на землю в сетях с изолированной, компенсированной или резистивно-заземленной нейтралью. При этом также обеспечивается простота реализации упомянутого способа в составе современных цифровых устройств релейной защиты и автоматики, минимальное количество параметров упомянутого способа и простота настройки и эксплуатации. Все это достигается тем, что упомянутый способ предусматривает анализ составляющих промышленной частоты тока и напряжения нулевой последовательности, а также тем, что упомянутый способ не использует информацию о параметрах защищаемой сети, а основан на базовых физических процессах перераспределения зарядов при возникновении однофазного короткого замыкания на землю в сети.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи предоставлены исключительно для иллюстрации вариантов осуществления настоящего изобретения, а не для его ограничения.

Фиг.1 иллюстрирует упрощенную схему сети.

Фиг.2А-В иллюстрируют упрощенные эквивалентные схемы нулевой последовательности при коротких замыканиях.

Фиг.3А - график мгновенного значения импульса тока в течение одного периода промышленной частоты.

Фиг.3Б - график изменения амплитуды и фазы вектора тока, полученного при помощи дискретного преобразования Фурье.

Фиг.4А иллюстрирует изменение вектора мощности нулевой последовательности на комплексной плоскости в течение 10 мс при однофазном коротком замыкании на землю в питающей сети.

Фиг.4Б иллюстрирует изменение вектора мощности нулевой последовательности на комплексной плоскости в течение 10 мс при однофазном коротком замыкании на контролируемом фидере.

Осуществление изобретения

Различные аспекты настоящего изобретения описываются в дальнейшем более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих других формах и не должно истолковываться как ограниченное любой конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании.

На Фиг.1 представлена упрощенная схема сети 100. Как следует из данной фигуры, питание на шины 102 подстанции (обозначенные утолщенной линией) подается от энергосистемы 104. К шинам 102 подключены два отходящих фидера 106 и 108 с установленными трансформаторами 110 и 112 тока нулевой последовательности (ТТНП), преобразующих токи нулевой последовательности фидеров I0₁ и I0₂. Полярность подключения ТТНП обозначена стрелками. Также к шинам 102 подстанции подключен измерительный трансформатор 114 напряжения (ТН) и дугогасящий реактор 116 (ДГР). Измерительный ТН 114 осуществляет измерение напряжения нулевой последовательности U0 на шинах 102 подстанции. Емкость отходящих фидеров 106 и 108 относительно земли обозначена как Х0₁ и Х0₂. Места однофазных коротких замыканий на землю обозначены символом молнии: К1 - на первом фидере, К2 - на втором фидере и К3 - на шинах подстанции.

На Фиг.2А-В представлены упрощенные эквивалентные схемы 200-1 - 200-3 нулевой последовательности для случаев рассматриваемых коротких замыканий К1, К2 и К3. При этом источник ЭДС ε_К находится в месте короткого замыкания, переходное сопротивление короткого замыкания представлено сопротивлением R_П, замыкание происходит при замыкании ключа. Сопротивление Z представляет сопротивление нулевой последовательности энергосистемы 104 и ДГР 116. Полярность включения ТТНП 110 и 112 фидеров обозначена внешними стрелками, направление тока нулевой последовательности - внутренними стрелками ТТНП.

В момент короткого замыкания свободная составляющая тока короткого замыкания определяется токами заряда собственных емкостей присоединений, в дальнейшем в системе образуется колебательный контур, определяющий свободную составляющую.

В первый момент времени короткого замыкания мощность нулевой последовательности направлена в сторону шин для поврежденного фидера и в сторону присоединения - для неповрежденного.

Известно, что частота свободной составляющей токов короткого замыкания на землю составляет от 500 до 3000 Гц.

Величина свободной составляющей в первый момент времени короткого замыкания намного превосходит величину вынужденной составляющей промышленной частоты и является определяющей для сетей с изолированной, компенсированной, резистивно-заземленной нейтралью. Влияние компенсации в основном сказывается лишь на установившемся режиме короткого замыкания.

Функция замыкания может быть представлена как единичная функция 1(t).

Считая, что нагрузкой короткого замыкания является емкость, ток короткого замыкания в идеальном случае представляется δ-функцией.

Известно, что в частотной области δ-функция содержит все частоты от -∞ до +∞. На практике частотный диапазон сигнала будет сужаться с обеих сторон, скажутся фильтрующие свойства ТТНП, входных датчиков устройства релейной защиты. Во временной области это соответствует «размыванию» сигнала по оси времени.

Важно, что полярность сигнала при этом не изменяется, а следовательно, сохраняется возможность работы по направлению.

С точки зрения дискретного преобразования Фурье рассматриваемый сигнал является переходным процессом, и длительность его невелика. При анализе с использованием скользящего окна по известному выражению (1) при изменении t анализируемая функция будет последовательно проецироваться на соответствующий положению окна угол в течение периода частоты анализа (как показано на Фиг.3)

где k - масштабный коэффициент,

y(t) - анализируемый сигнал,

ϕ - переменная интегрирования,

t - время (положение скользящего окна).

На Фиг.3А показан график мгновенного значения импульса тока в течение одного периода промышленной частоты, а на Фиг.3Б - график изменения амплитуды и фазы вектора тока, полученного при помощи дискретного преобразования Фурье.

Таким образом, в течение переходного процесса направление комплексной мощности нулевой последовательности, вычисленной для составляющей промышленной частоты, будет соответствовать направлению мощности свободной составляющей нулевой последовательности при коротком замыкании на землю. Угол направленности определяется в большей степени типом заземления нейтрали. По истечении периода промышленной частоты направление вектора мощности нулевой последовательности зависит от многих факторов и перестает быть информативным.

На Фиг.4А показано изменение вектора мощности нулевой последовательности на комплексной плоскости в течение 10 мс при однофазном коротком замыкании на землю в питающей сети (″за спиной″), а на Фиг.4Б - аналогичное изменение, но при коротком замыкании на контролируемом фидере. Из данных фигур видно, что при замыкании ″за спиной″ происходит увеличение вектора мощности нулевой последовательности в сторону второго квадранта комплексной плоскости, а при замыкании на контролируемом фидере - в сторону четвертого квадранта комплексной плоскости.

Таким образом, при работе функции защиты осуществляется расчет производной комплексной мощности нулевой последовательности, причем расчет осуществляется однократно для составляющей промышленной частоты в первый момент пробоя, который детектируется по превышению мгновенным значением тока или напряжения нулевой последовательности заданной величины, при этом по направлению производной комплексной мощности нулевой последовательности определяется и запоминается направление короткого замыкания (на контролируемом фидере либо на смежном фидере или шинах или в питающей энергосистеме), при этом осуществляется дополнительный контроль превышения действующим значением напряжением нулевой последовательности заданной величины с выдержкой времени, равной в один или более периодов промышленной частоты, так что по окончании выдержки времени и при условии запомненного направления короткого замыкания на контролируемом фидере осуществляется формирование сигнала срабатывания защиты с действием на сигнализацию или на отключение поврежденного фидера, при этом в случае запомненного направления короткого замыкания на контролируемом фидере и непревышении напряжением нулевой последовательности заданной величины осуществляется увеличение счетчика искровых пробоев, причем возврат запоминающих элементов и всей защиты в исходное состояние может осуществляться вручную подачей сигнала сброса или автоматически при снижении действующего значения напряжения нулевой последовательности ниже заданной величины с выдержкой времени.

Литература

1. Авторское свидетельство 2309507 РФ, МПК H02H 3/16, H02H 3/42, 2006.

2. Авторское свидетельство 2402131 РФ, МПК H02H 3/16, 2009.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - обеспечение селективности защиты и повышение надежности и быстродействия. Согласно способу осуществляется определение наличия короткого замыкания на контролируемом фидере путем определения направления мощности нулевой последовательности в первый момент пробоя. В качестве исходных данных используются сигналы тока и напряжения нулевой последовательности. Далее осуществляется расчет производной комплексной мощности нулевой последовательности, причем расчет осуществляется однократно для составляющей промышленной частоты в первый момент пробоя, который детектируется по превышению мгновенным значением тока или напряжения нулевой последовательности заданной величины. При этом по направлению производной комплексной мощности нулевой последовательности определяется и сохраняется направление короткого замыкания на контролируемом фидере. Вдобавок осуществляется дополнительный контроль превышения действующим значением напряжения нулевой последовательности заданной величины с выдержкой времени, равной в один или более периодов промышленной частоты, таким образом, что по окончании выдержки времени и при условии сохраненного направления короткого замыкания на контролируемом фидере осуществляется формирование сигнала срабатывания защиты. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ защиты сетей с изолированной, компенсированной и резистивно-заземленной нейтралью от однофазных коротких замыканий на землю, в котором определение наличия короткого замыкания на контролируемом фидере осуществляют путем определения направления комплексной мощности нулевой последовательности в первый момент пробоя и используют в качестве исходных данных сигналы тока нулевой последовательности и напряжения нулевой последовательности, отличающийся тем, что осуществляют расчет производной комплексной мощности нулевой последовательности, причем расчет осуществляют однократно для составляющей промышленной частоты в первый момент пробоя, который детектируют по превышению мгновенным значением тока или напряжения нулевой последовательности заданной величины, при этом по направлению производной комплексной мощности нулевой последовательности определяют и сохраняют направление короткого замыкания на контролируемом фидере, при этом осуществляют дополнительный контроль превышения действующим значением напряжения нулевой последовательности заданной величины с выдержкой времени, равной в один или более периодов промышленной частоты, таким образом, что по окончании выдержки времени и при условии сохраненного направления короткого замыкания на контролируемом фидере осуществляют формирование сигнала срабатывания защиты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что защита действует на сигнализацию и автоматическое отключение поврежденного фидера.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что защита действует только на сигнализацию поврежденного фидера, при этом отключение поврежденного фидера происходит вручную.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае сохраненного направления короткого замыкания на контролируемом фидере и непревышении напряжением нулевой последовательности заданной величины осуществляют увеличение счетчика искровых пробоев.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что возврат запоминающих элементов и всей защиты в исходное состояние осуществляют вручную путем подачи сигнала сброса.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что возврат запоминающих элементов и всей защиты в исходное состояние происходит автоматически при снижении действующего значения напряжения нулевой последовательности ниже заданной величины с выдержкой времени.