УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Российский патент 2017 года по МПК H02H3/16 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для защиты от однофазных замыканий на землю (далее, ОЗЗ) кабельных и воздушных линий электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью.

В электрических распределительных сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, для защиты от основного вида повреждений - ОЗЗ, как правило, применяются максимальные токовые защиты нулевой последовательности (далее, ТЗНП) (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976). В таких сетях значительная часть ОЗЗ имеет дуговой прерывистый характер (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971; Дударев Л.Е. Дуговые замыкания на землю в кабельных сетях / Л.Е. Дударев, С.И. Запорожченко, Н.М. Лукьянцев // Электрические станции. - 1971, №8. - С. 64-66). При небольших интервалах времени между повторными зажиганиями заземляющей дуги Δt, не превышающих ~ 50-70 мс, каждый повторный пробой изоляции сопровождается опасными перенапряжениями, охватывающими всю электрически связанную сеть, что часто приводит к вторичным пробоям изоляции и переходам ОЗЗ в двойные и многоместные замыкания на землю или междуфазные короткие замыкания в месте повреждения и снижению надежности электроснабжения потребителей (Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков B.C. и др. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002. - 268 с.; Аль-Хомиди М.С., Добрягина О.А., Шагурина Е.С., Шадрикова Т.Ю., Шуин В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 3. - 2016. - С. 50-55). Такие ОЗЗ называются дуговыми перемежающимися замыканиями на землю (далее, ДПОЗЗ). Необходимость отстройки ТЗНП от влияния электромагнитных переходных процессов при ДПОЗЗ ограничивает ее селективность и чувствительность и область возможного применения.

Задачей изобретения является повышение технического совершенства (селективности и чувствительности) токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ.

Известны исполнения ТЗНП с измерительными органами тока (реле тока) на электромеханической базе, например, РТ-40, РТ-140, ЭТД-551 (Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. Защита электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 с.; Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с. и др.), с измерительными органами тока на электронной или микроэлектронной базе, например, РТЗ-51, РСТ-11, РСТ-11М, РСТ-13, РСТ-140 (Нудельман Г.С, Шамис М.А. Быстродействующее реле тока для защиты от замыканий на землю // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. - 1981. - Вып. 1 (92) - С. 13; Нудельман Г.С, Кочкин Н.А., Эверсков О.Л. Органы защит от замыканий на землю // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. - 1982, №1. - С. 16-18; http://www.cheaz.ru/ru/production/ustroysva-releynoy-zashchity/rele-toka-s-povyshennoy-chuvstvitelnostyu-staticheskie-rtz-51-01), с цифровыми измерительными органами тока на современной микропроцессорной базе (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektrosnabzenia&parent-category-id=4600;

http://w5.siemens.com/web/ua/ru/em/automation,_control_and_protection/relay_protection/relay_for_different_purposes/pages/siprotec_7sn60.aspx; http://www.ekra.ru/produkcija/rza-podstancionnogo-oboradovanija-6-35-kv/373-be2502a10hh.html).

Принцип действия всех исполнений ТЗНП основан на сравнении значения тока нулевой последовательности 3I₀ в защищаемом присоединении с уставкой, выбираемой из условия отстройки от собственного емкостного тока при внешних ОЗЗ, включая ДПОЗЗ (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: ПЭИПК. - 2003; СПб.: ПЭИПК. - 2003; Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит // Новости Электротехники. - 2005. - №5 (35); Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001):

где К_отс=1,2-1,3 - коэффициент отстройки; I_{С собс} - собственный емкостный ток устойчивого ОЗЗ защищаемого присоединения; К_{бр.макс} - максимальное значение коэффициента, учитывающего увеличение значения тока в неповрежденном присоединении за счет бросков переходных емкостных токов при ДПОЗЗ.

Значение К_{бр.макс} в (1) зависит от способа отстройки от влияния на работу ТЗНП переходных процессов при ДПОЗЗ, алгоритма формирования воздействующей величины и сравнения ее с уставкой, а также технических возможностей применяемой элементной базы. Для исполнений ТЗНП на электромеханической базе принимают К_{бр.макс}=4-5, на электронной или микроэлектронной базе - К_{бр.макс}=2-4, для цифровых исполнений на микропроцессорной базе - К_{бр.макс}=2-3.

В цифровых исполнениях ТЗНП на микропроцессорной базе для действия защиты, как правило, используется не полный ток нулевой последовательности 3i₀ защищаемого присоединения, а его составляющая основной частоты 50 Гц, что обеспечивает повышение отстроенности от влияния высших гармонических составляющих тока 3i₀ в переходных и установившихся режимах ОЗЗ и возможность уменьшения величины К_{бр.макс} по сравнению с исполнениями на другой элементной базе.

Чувствительность ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью в соответствии с требованиями ПУЭ (Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. №204) оценивается только при внутренних устойчивых ОЗЗ (УОЗЗ) по выражению:

где К_ч - коэффициент чувствительности; I_СΣмин - суммарный емкостный ток сети в расчетном минимальном режиме; К_ч.мин - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности (1,2 для защиты с действием на сигнал и 1,5 для защиты с действием на отключение).

Отметим, что такой подход к оценке чувствительности ТЗНП только при УОЗЗ не гарантирует устойчивых срабатываний защиты при более опасных ДПОЗЗ.

Из (2) можно получить условие применимости (селективности при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ) ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью:

Из (2) и (3) можно видеть, что необходимость учета влияния переходных процессов при ДПОЗЗ на работу ТЗНП в величине К_{бр.макс} ограничивает чувствительность и область возможного применения защиты.

Наиболее близким аналогом к предполагаемому изобретению относится цифровые исполнения ТЗНП, основанные на использовании составляющей рабочей частоты 50 Гц тока 3i₀, выделяемой с помощью полосового частотного фильтра (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektrosnabzenia&parent-category-id=4600;

http://w5.siemens.com/web/ua/ru/em/automation,_control_and_protection/relay_protection/relay_for_different_purposes/pages/siprotec_7sn60.aspx; http://www.ekra.ru/produkcija/rza-podstancionnogo-oborudovanija-6-35-kv/373-be2502a10hh.html).

Прототип содержит фильтр тока нулевой последовательности, вторичный преобразователь тока, подключенный к фильтру тока нулевой последовательности, полосовой фильтр основной частоты 50 Гц, измерительный орган тока, сравнивающий значение тока на выходе полосового фильтра с уставкой по току срабатывания, выбранной из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения при внешних ДПОЗЗ (по выражению (1)), элемент временной задержки на срабатывание.

Для исполнений ТЗНП данного типа при К_{бр.макс}=3, К_отс=1,3, К_ч.мин=1,2 из (3) получим

,

т.е. область применения ограничена присоединениями с величиной собственного емкостного тока не более 18% от I_CΣ. В то же время на присоединениях, подключенных к шинам центров питания сетей с изолированной нейтралью, значения I_{С собс} могут достигать ~ 35-40% от I_CΣ, что не позволяет применить на них ТЗНП.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является повышение чувствительности ТЗНП от ОЗЗ электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, как при устойчивых, так и при наиболее опасных для сети дуговых перемежающихся замыканиях на землю и расширение области их возможного применения.

Технический результат достигается тем, что в устройство защиты от ОЗЗ, содержащее фильтр тока нулевой последовательности, вторичный преобразователь тока, подключенный к фильтру тока нулевой последовательности, частотный фильтр, пропускающий основную составляющую 50 Гц, подключенный к выходу вторичного преобразователя тока, первый измерительный орган тока с уставкой по току срабатывания, выбранной из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения при внешних ДПОЗЗ, первый элемент временной задержки, введены частотный фильтр высших гармонических составляющих, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения сигнала в установившемся и переходном режимах ОЗЗ на заданном интервале времени усреднения Т_с, схему сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами, сигнал на первом выходе которой появляется, если значение величины на первом входе больше, чем на втором, а на втором выходе - если значение величины на втором входе больше, чем на первом, второй измерительный орган тока с уставкой по току срабатывания, выбранной из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения при внешних УОЗЗ, блок измерения интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при ДПОЗЗ, элемент сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з, принимаемым равным полупериоду основной частоты 10 мс, сигнал на выходе которого появляется, если Δt≥Δt_з, элемент ЗАПРЕТ с одним информационным и одним запрещающим входами, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ, второй элемент временной задержки, при этом вход полосового частотного фильтра высших гармонических составляющих подключен к выходу вторичного преобразователя тока, выход - к входу первого блока вычисления среднеквадратичного значения сигнала, выход которого подключен к первому входу схемы сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами, выход полосового частотного фильтра, пропускающего основную составляющую 50 Гц, подключен к входу второго блока вычисления среднеквадратичного значения сигнала, выход которого подключен ко второму входу схемы сравнения значений двух электрических величин, к входам первого и второго измерительных органов тока, вход блок измерения интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при ДПОЗЗ подключен к выходу вторичного преобразователя тока, а выход - к входу элемента сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з, информационный вход элемента ЗАПРЕТ подключен к выходу первого измерительного органа тока, запрещающий вход - ко второму выходу схемы сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами, первый вход первого элемента И подключен к первому выходу схемы сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами, второй - к выходу второго измерительного органа тока, третий - к выходу элемента сравнения измеренного значения Δt с Δt_з, первый вход второго элемента И подключен ко второму выходу схемы сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами, второй вход - к выходу второго измерительного органа, выходы элемента ЗАПРЕТ и первого элементов И подключены к входам элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу первого элемента временной задержки, а выход второго элемента И - к входу второго элемента временной задержки.

Первый («грубый») измерительный орган тока реализует алгоритм обычной ТЗНП, отстраиваемой по току срабатывания от максимальных бросков переходного тока при внешних ДПОЗЗ по выражению (1) при К_{бр.макс}=2,5-3, что существенно ограничивает его чувствительность как при УОЗЗ, так и при ДПОЗЗ. Введенный в схему второй (чувствительный) измерительный орган тока с уставкой по первичному току срабатывания, выбранной по выражению (1) при К_{бр.макс}=1, предназначен для действия при УОЗЗ, а также при ДПОЗЗ с интервалами времени между повторными пробоями изоляции Δt>Δt_з, когда дополнительное загрубление защиты (К_{бр.макс}>1) для отстройки от бросков переходных токов не требуется. Введенные в схему первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения сигнала на заданном интервале времени усреднения Т_с обеспечивают получение непрерывного выходного сигнала не только при УОЗЗ, но и при ДПОЗЗ с интервалами между повторными пробоями изоляции, не превышающими значение Т_с. Значение Т_с выбирается таким образом, чтобы обеспечить устойчивое функционирование защиты при ДПОЗЗ, которые могут сопровождаться опасными для всей электрически связанной сети перенапряжениями, что практически имеет место при Т_с<50-70 мс (Аль-Хомиди М.С., Добрягина О.А., Шагурина Е.С., Шадрикова Т.Ю., Шуин В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 3. - 2016. - С. 50-55). Введенные в схему блок измерения интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при ДПОЗЗ, элемент сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з и первый элемент И разрешают действовать второму (чувствительному) измерительному органу тока также при ДПОЗЗ с интервалами между повторными зажиганиями заземляющей дуги Δt>Δt_з. Введенные в схему полосовой частотный фильтр высших гармонических составляющих, схема сравнения значений двух электрических величин, второй элемент И обеспечивают распознавание УОЗЗ и ДПОЗЗ по соотношению высших гармонических составляющих и составляющей основной частоты в токе 3i₀ защищаемого присоединения и блокировку второго (чувствительного) измерительного органа тока при ДПОЗЗ с интервалами времени между повторными пробоями Δt≤Δt_з. Введенный элемент ЗАПРЕТ, блокирующий действие первого («грубого») измерительного органа тока при УОЗЗ, также обеспечивает распознавание ДПОЗЗ и УОЗЗ и возможность раздельного действия защиты при указанных видах ОЗЗ на сигнал или на отключение. Введенный второй элемент временной задержки необходим для отстройки устройства защиты от однократных пробоев изоляции и от коммутационных помех.

На фиг. 1 представлена схема устройства защиты от замыкания на землю электрических сетей среднего напряжения с изолированной нейтралью, поясняющая сущность предложенного изобретения. На фиг. 2 приведена зависимость отношения I_ВГΣ/I₅₀ от интервалов времени Δt, полученная на имитационных моделях электрических сетей среднего напряжения с изолированной нейтралью; кривая 1 соответствует значениям I_ВГΣ/I₅₀ при ДПОЗЗ, кривая 2 - при УОЗЗ. На фиг. 3 показана зависимость максимальных значений коэффициента для кабельных сетей 6-10 кВ с изолированной нейтралью, приведенная в (Аль-Хомиди М.С., Добрягина О.А., Шагурина Е.С., Шадрикова Т.Ю., Шуин В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып.3. - 2016. - С. 50-55). На фиг. 4 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу защиты при внутреннем ДПОЗЗ, переходящем в устойчивое ОЗЗ, в кабельной сети 6 кВ, где приняты следующие обозначения:

1 - фильтр тока нулевой последовательности,

2 - вторичный преобразователь тока,

3 - полосовой частотный фильтр, пропускающий основную составляющую 50 Гц,

4 - первый измерительный орган тока,

5 - первый элемент временной задержки,

6 - полосовой частотный фильтр высших гармонических составляющих,

7 - первый блок вычисления среднеквадратичного значения сигнала,

8 - второй блок вычисления среднеквадратичного значения сигнала,

9 - схема сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами,

10 - второй измерительный орган тока,

11 - блок измерения интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при дуговых перемежающихся замыканиях на землю,

12 - элемент сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з,

13 - элемент ЗАПРЕТ,

14 - первый элемент И,

15 - второй элемент И,

16 - элемент ИЛИ,

17 - второй элемент временной задержки,

u₂…u₁₆ - сигналы на выходах блоков 1…16 соответственно.

Устройство защиты от замыканий на землю содержит фильтр тока нулевой последовательности 1, вторичный преобразователь тока 2, полосовой частотный фильтр, пропускающий основную составляющую 50 Гц 3, первый измерительный орган тока 4, первый элемент временной задержки 5, полосовой частотный фильтр высших гармонических составляющих 6, первый блок вычисления среднеквадратичного значения сигнала 7, второй блок вычисления среднеквадратичного значения сигнала 8, схема сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами 9, второй измерительный орган тока 10, - блок измерения интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при дуговых перемежающихся замыканиях на землю 11, элемент сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з, 12, элемент ЗАПРЕТ 13, первый элемент И 14, второй элемент И 15, элемент ИЛИ 16, второй элемент временной задержки 17. Вход полосового частотного фильтра высших гармонических составляющих 6 подключен к выходу вторичного преобразователя тока 2, выход - к входу первого блока вычисления среднеквадратичного значения сигнала 7, выход которого подключен к первому входу схемы сравнения значений двух электрических величин 9, выход полосового частотного фильтра, пропускающего основную составляющую 50 Гц, 3 подключен к входу второго блока вычисления среднеквадратичного значения сигнала 8, выход которого подключен ко второму входу схемы сравнения значений двух электрических величин 9, к входам первого 4 и второго 10 измерительных органов тока, вход блока измерения интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при дуговых перемежающихся замыканиях на землю 11 подключен к выходу вторичного преобразователя тока 2, а выход - к входу элемента сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з 12, информационный вход элемента ЗАПРЕТ 13 подключен к выходу первого измерительного органа тока 4, запрещающий вход - ко второму выходу схемы сравнения значений двух электрических величин 9, первый вход первого элемента И 14 подключен к первому выходу схемы сравнения значений двух электрических величин 9, второй - к выходу второго измерительного органа тока 10, третий - к выходу элемента сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з 12, первый вход второго элемента И 15 подключен ко второму выходу схемы сравнения значений двух электрических величин 9, второй вход - к выходу второго измерительного органа тока 10, выходы элемента ЗАПРЕТ 13 и первого элемента И 14 подключены к входу элемента ИЛИ 16, выход которого подключен к входу первого элемента временной задержки 5, сигнал на выходе которого соответствует дуговому перемежающемуся замыканию на землю, а выход второго элемента И 12 - к входу второго элемента временной задержки 17, сигнал на выходе которого соответствует устойчивому замыканию на землю.

Устройство работает следующим образом. При возникновении в сети ОЗЗ в поврежденном и неповрежденных присоединениях появляются токи нулевой последовательности 3i₀. От ФТНП 1 через вторичный преобразователь тока 2 ток 3i₀ подается на входы полосового частотного фильтра 3, пропускающего составляющую основной частоты 50 Гц, и полосового частотного фильтра высших гармонических составляющих 6 (как правило, в диапазоне от 150 Гц до 1-2 кГц). С выхода полосового частотного фильтра 50 Гц 3 сигнал подается на вход второго блока вычисления среднеквадратичного значения 8, выходом подключенного ко второму входу схемы сравнения значений двух электрических величин 9 и к входам первого 4 и второго 10 измерительных органов тока. С выхода полосового частотного фильтра высших гармонических составляющих 6 сигнал подается на вход первого блока вычисления среднеквадратичного значения 7, выходом подключенного к первому входу схемы сравнения значений двух электрических величин 9.

При УОЗЗ уровень высших гармоник в токе 3i₀ определяется уровнем высших гармоник (ВГ) в напряжении поврежденной фазы сети в режиме, предшествующем ОЗЗ, который ограничен требованиями ГОСТ 32144-2013 «Качество электрической энергии». Максимальный уровень высших гармоник в токе ОЗЗ определяется предельно допустимым ГОСТ 32144-2013 для электрических сетей среднего напряжения значениям коэффициента несинусоидальности напряжения К_{Uнс макс}=0,08 и предельно допустимыми значениями коэффициентов отдельных гармоник. В напряжениях сети и, соответственно, в токе УОЗЗ преобладают 5, 7, 11, 13-я гармоники, предельный уровень которых по ГОСТ 32144-2013 равен: К_{U 5пред}=0,06, К_{U 7пред}=0,045, К_{U 11пред}=0,03, К_{U 13пред}=0,03. Наибольший уровень в токе УОЗЗ гармоник порядка ν=5, 7, 11, 13 будет иметь место, если К_Uнс определяется только указанными гармониками при соблюдении условия К_{Uнс макс}≤0,08 и равен:

,

где К_Iнс - коэффициент несинусоидальности тока УОЗЗ.

По данным (Вайнштейн, В.Л. Исследование высших гармоник тока замыкания на землю / В.Л. Вайнштейн // Промышленная энергетика. - №1. - 1986. - С. 39-40), полученным на основе измерений в реальных компенсированных кабельных сетях среднего напряжения, максимальный уровень высших гармоник в токе ОЗЗ может достигать значений 40% и более, что хорошо коррелируется с полученной выше расчетной оценкой (I_ВГΣ/I₅₀)_макс≈0,65. Таким образом, при УОЗЗ уровень составляющей основной частоты 50 Гц I₅₀ в месте ОЗЗ всегда больше, чем суммарный уровень I_ВГΣ. Соответственно, и в токах 3i₀ поврежденного и неповрежденного присоединений при УОЗЗ уровень ВГ меньше уровня составляющей основной частоты 50 Гц.

При ДПОЗЗ уровень высших гармонических составляющих в токе ОЗЗ и, соответственно, в токах 3i₀ поврежденного и неповрежденного присоединений I_ВГΣ, резко возрастает и становится значительно большим, чем уровень составляющей основной частоты I₅₀. Основным фактором, влияющим на величину отношения I_ВГΣ/I₅₀ при ДПОЗЗ, является длительность интервалов времени Δt между повторными пробоями изоляции. Расчеты, выполненные на имитационных моделях электрических сетей среднего напряжения с изолированной нейтралью, показали, что отношение I_ВГΣ/I₅₀ снижается при уменьшении интервалов времени Δt между повторными пробоями изоляции. При ДПОЗЗ минимальные интервалы времени Δt между повторными пробоями изоляции в соответствии с теорией W. Petersen (Petersen, W. Der aussetzende (intermittierende) Erdschluss / W. Petersen. - ETZ, 1917. - H. 47, 48) равны половине периода промышленной частоты T₅₀/2=10 мс. Из кривой 1 (фиг. 2) можно видеть, что при минимальных интервалах времени между повторными пробоями изоляции Δt=10 мс отношение I_ВГΣ/I₅₀ всегда больше 1. Прямая 2 (фиг. 2) соответствует максимальному значению (I_ВГΣ/I₅₀)_макс=0,65 при УОЗЗ. Таким образом, сравнивая уровни ВГ и составляющей 50 Гц в токе 3i₀, можно четко распознавать вид ОЗЗ-УОЗЗ или ДПОЗЗ.

При I_ВГΣ>I₅₀ в сети имеет место ДПОЗЗ, и сигнал появляется на первом выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9. При I_ВГΣ<I₅₀ в сети имеет место УОЗЗ, и сигнал появляется на втором выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9.

В (Аль-Хомиди М.С., Добрягина О.А., Шагурина Е.С., Шадрикова Т.Ю., Шуин В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 3. - 2016. - С. 50-55) показано, что для цифровых исполнений ТЗНП, основанных на использовании основной составляющей тока 3i₀, значение коэффициента К_бр зависит от интервалов времени между повторными пробоями изоляции Δt и достигает максимальной величины в кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью. В воздушных сетях среднего напряжения амплитуды бросков переходных токов при ДПОЗЗ и, соответственно, значения К_бр меньше, чем в кабельных сетях. Из фиг. 3 можно видеть, что при Δt>10 мс К_бр<1, т.е. при таких разновидностях ДПОЗЗ загрубление защиты не требуется, и может быть разрешено действие не только первого («грубого») 4, но и второго (чувствительного) измерительного органа тока 10.

Контроль интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при ДПОЗЗ осуществляется блоком измерения величины Δt 11 и элементом сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з 12. С учетом вышесказанного Δt_з можно принять равным 10 мс.

Сигнал на втором выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9, подаваемый на запрещающий вход элемента ЗАПРЕТ 13, блокирует действие первого измерительного органа тока 4 при УОЗЗ, что позволяет обеспечить распознавание ДПОЗЗ и УОЗЗ и реализовать при необходимости различные способы действия защиты при этих видах ОЗЗ (отключение или сигнал). Сигнал на втором выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9 (УОЗЗ), подаваемый на первый вход второго элемента И 15, используется также для разрешения действия второго измерительного органа тока 10 при УОЗЗ.

Сигнал на первом выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9, подаваемый на первый вход первого элемента И 14, используется для разрешения действия второго измерительного органа тока 10 при ДПОЗЗ с контролем интервалов времени между повторными пробоями изоляции Δt (элементы 11, 12).

Рассмотрим работу предложенного устройства защиты при ДПОЗЗ и УОЗЗ с различными интервалами времени Δt между повторными пробоями изоляции.

При ДПОЗЗ с Δt<Δt_з появляется сигнал на первом выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9, сигналы на втором выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9 и на выходе элемента сравнения 12 отсутствуют. Срабатывают первый («грубый») 4 и второй (чувствительный) 10 измерительные органы тока. Сигнал на запрещающем входе элемента ЗАПРЕТ 13 отсутствует, и первый измерительный орган тока 4 действует через элемент ЗАПРЕТ 13 и элемент ИЛИ 16 на первый элемент временной задержки 5, сигнал на выходе которого соответствует ДПОЗЗ. Сигналы на третьем входе первого элемента И 14 и на первом входе второго элемента И 15 отсутствуют, и действие второго измерительного органа тока 10 на первый 5 и второй 17 элементы временной задержки блокируется.

При ДПОЗЗ с Δt≥Δt_з первый измерительный орган тока 4 при достаточной чувствительности работает так же, как и в предыдущем случае. При ДПОЗЗ с Δt≥Δt_з появляются сигналы на первом выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9 и на выходе элемента сравнения 12 и, соответственно, сигналы на первом и третьем входах первого элемента И 14. При срабатывании второго (чувствительного) измерительного органа тока 10 появляется сигнал на втором входе первого элемента И 14, сигнал на выходе которого через элемент ИЛИ 16 подается на вход первого элемента временной задержки 5. При этом защита, как и в предыдущем случае, фиксирует возникновение ДПОЗЗ. Действие второго измерительного органа тока 10 на второй элемент временной задержки 17 блокируется отсутствием сигнала на втором выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9 и, соответственно, на первом входе второго элемента И 15.

При УОЗЗ появляется сигнал на втором выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9, сигналы на первом выходе схемы сравнения значений двух электрических величин 9 и на выходе элемента сравнения 12 отсутствуют. При достаточной чувствительности может сработать первый («грубый») измерительный орган тока 4, однако его действие на первый элемент временной задержки 5 блокируется подачей сигнала со второго выхода схемы сравнения значений двух электрических величин 9 на запрещающий вход элемента ЗАПРЕТ 13. Сигнал со второго выхода схемы сравнения значений двух электрических величин 9 подается также на первый вход второго элемента И 15. При срабатывании второго измерительного органа тока 10 подается сигнал на второй вход второго элемента И 15 и с его выхода на вход второго элемента временной задержки 17, сигнал на выходе которого соответствует УОЗЗ.

Предложенное устройство токовой защиты от ОЗЗ позволяет в соответствии с выражением (2) увеличить чувствительность не только при УОЗЗ, но и ДПОЗЗ с интервалами времени между повторными пробоями изоляции Δt>Δt_з=10 мс в К_бр=2-3 раза по сравнению с известными исполнениями ТЗНП и расширить область применения защиты при УОЗЗ до значений:

.

Доля присоединений на центрах питания распределительных электрических сетей среднего напряжения, удовлетворяющих указанному условию, составляет практически 100%.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении чувствительности токовой защиты нулевой последовательности от однофазных замыканий на землю электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью как при устойчивых, так и при наиболее опасных для сети дуговых перемежающихся замыканиях на землю. Устройство содержит фильтр тока нулевой последовательности, вторичный преобразователь тока, полосовой частотный фильтр, пропускающий основную составляющую 50 Гц, первый измерительный орган тока, первый элемент временной задержки, полосовой частотный фильтр высших гармонических составляющих, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения сигнала на заданном интервале времени усреднения, схему сравнения значений двух электрических величин, второй измерительный орган тока, блок измерения интервалов времени Δt между бросками переходного тока 3i₀ при дуговом перемежающемся замыкании на землю, элемент сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з, элемент ЗАПРЕТ, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ, второй элемент временной задержки. 4 ил.

Устройство защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, содержащее фильтр тока нулевой последовательности, вторичный преобразователь тока, подключенный к фильтру тока нулевой последовательности, полосовой частотный фильтр, пропускающий основную составляющую 50 Гц, подключенный к выходу вторичного преобразователя тока, первый измерительный орган тока, первый элемент временной задержки, отличающееся тем, что дополнительно введен полосовой частотный фильтр высших гармонических составляющих, введены первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения сигнала; схема сравнения значений двух электрических величин; второй измерительный орган тока; блок измерения интервалов времени Δt; элемент сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з; элемент ЗАПРЕТ с одним информационным и одним запрещающим входами; первый и второй элементы И; элемент ИЛИ; второй элемент временной задержки, при этом вход введенного полосового частотного фильтра высших гармонических составляющих подключен к выходу вторичного преобразователя тока, а его выход - к входу первого блока вычисления среднеквадратичного значения сигнала, выход которого подключен к первому входу схемы сравнения значений двух электрических величин, выход полосового частотного фильтра, пропускающего основную составляющую 50 Гц, подключен к входу второго блока вычисления среднеквадратичного значения сигнала, выход которого подключен ко второму входу схемы сравнения значений двух электрических величин и к входам первого и второго измерительных органов тока, вход блока измерения интервалов времени Δt подключен к выходу вторичного преобразователя тока, а выход - к входу элемента сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з, информационный вход элемента ЗАПРЕТ подключен к выходу первого измерительного органа тока, запрещающий вход - ко второму выходу схемы сравнения значений двух электрических величин с двумя выходами, первый вход первого элемента И подключен к первому выходу схемы сравнения значений двух электрических величин, второй - к выходу второго измерительного органа тока, третий - к выходу элемента сравнения измеренного значения Δt с заданным значением Δt_з, первый вход второго элемента И подключен ко второму выходу схемы сравнения значений двух электрических величин, второй вход - к выходу второго измерительного органа тока, выходы элемента ЗАПРЕТ и первого элемента И подключены к входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу первого элемента временной задержки, а выход второго элемента И - к входу второго элемента временной задержки.