УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ И С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ 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 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с резонансно заземленной нейтралью через дугогасящий реактор (далее ДГР) (с компенсацией емкостных токов ОЗЗ).

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), основанные на использовании полных емкостных токов нулевой последовательности 3i₀ или их составляющих основной частоты 50 Гц. В компенсированных сетях обеспечить селективность и чувствительность указанных ТЗНП, как правило, нельзя, поэтому в таких сетях основное применение получили максимальные токовые защиты нулевой последовательности, основанные на использовании высших гармоник (ВГ) токов 3i₀ (далее ТЗНПВГ), не компенсируемых ДГР.

Задачей изобретения является повышение технического совершенства (селективности и чувствительности) максимальных токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ, основанных на использовании полных токов 3i₀ или их составляющих основной частоты 50 Гц в сетях с изолированной нейтралью или высших гармоник токов 3i₀ в компенсированных сетях.

Известны исполнения ТЗНП с одной подведенной величиной - током нулевой последовательности 3i₀ - 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.; Чернобровое 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/ustroystva-releynoy-zashchity/rele-toka-s-povyshennoy-chuvstvitelnostyu-staticheskie-rtz-51-01), с цифровыми измерительными органами тока на 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_for_different_purposes/pages/siprotec_7sn60.aspx; http://www.ekra.ru/produkcija/rza-podstancionnogo-oborudovanija-6-35-kv/373-be2502a10hh.html).

Принцип действия указанных исполнений ТЗНП с одной подведенной величиной основан на сравнении значения воздействующей величины - полного тока нулевой последовательности 3I₀ или его составляющей основной частоты 50 Гц в защищаемом присоединении с уставкой, выбираемой из условия отстройки от собственного емкостного тока данного присоединения при внешних ОЗЗ, включая ДПОЗЗ (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / 4-е изд., перераб. и доп. - 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; К_бр - максимальное значение коэффициента, учитывающего увеличение значения тока в неповрежденном присоединении за счет бросков переходных емкостных токов при дуговых перемежающихся замыканиях на землю (ДПОЗЗ);

где I_{C собс} - собственный емкостный ток устойчивого ОЗЗ защищаемого присоединения; 3C_{0 собс} - собственная емкость фаз защищаемого присоединения на землю; ω=2π 50; U_ф.ном - номинальное фазное напряжение сети.

Для исполнений ТЗНП на электромеханической базе принимают К_бр=4-5, на электронной или микроэлектронной базе - К_бр=2-4, для цифровых исполнений на микропроцессорной базе - К_бр=2-3.

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; К_{ч. мин} - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности (1,25 для защиты с действием на сигнал и 1,5 для защиты с действием на отключение);

где - суммарный емкостный ток сети; 3С_0Σ - суммарная емкость фаз сети на землю.

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

Из (3) можно получить условие применимости (селективности при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ) ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью:

Из (3) и (5) можно видеть, что необходимость учета влияния переходных процессов при ДПОЗЗ на работу ТЗНП в значении коэффициента К_бр значительно ограничивает чувствительность и область возможного применения защиты. Так при К_бр=2-5, К_отс=1,3, К_ч.мин=1,25 из (5) получим

,

т.е. область применения ограничена присоединениями с величиной собственного емкостного тока не более 11-24% от . В то же время на присоединениях, подключенных к шинам центров питания (ЦП) сетей с изолированной нейтралью, значения I_{C собс} могут достигать значительно больших значений (до ~30-35% от ), что не позволяет применить на них ТЗНП с одной подведенной величиной.

Известны исполнения ТЗНПВГ с одной подведенной величиной, называемые также токовыми защитами абсолютного замера ВГ в токе 3i₀ (Кискачи В.М., Назаров Ю.Г. Сигнализация однофазных замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ / Труды ВНИИЭ. Вып. 16. - М.: Госэнергоиздат.- 1963. - С. 219-251; Кискачи В.М., Сурцева С.Е., Горшенина Н.М. и др. Устройства сигнализации замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Электрические станции. - 1972. - №4. - С. 69-72.).

В рассматриваемых устройствах защиты, как правило, используется ограниченный спектр ВГ, включающий гармоники ν=3, 5, 7, 11, 13 (150-650 Гц). Ток срабатывания ТЗНПВГ должен выбираться из условия отстройки от максимального уровня ВГ в собственном емкостном токе защищаемого присоединения при внешних УОЗЗ (Винокурова Т.Ю., Шуин В.А., Шагурина Е.С. Применение имитационного моделирования для оценки уровня нестабильности высших гармоник в токе однофазного замыкания на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 6. - Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. - 2014. - С. 31-38):

где К_отс=1,3 - коэффициент отстройки; α_макс - максимально возможный уровень ВГ в токе I_{C собс} (в о.е.) в контролируемой сети.

Коэффициент чувствительности защиты при внутренних УОЗЗ на защищаемом присоединении определяется по формуле:

где α_мин - минимально возможный уровень ВГ в токах I_{c Σ} и I_{c собс} защищаемой сети; K_ч.мин=1,5 - минимально допустимый коэффициент чувствительности защиты.

Из (6) и (7) получим условия применимости (селективности и чувствительности) ТЗНПВГ:

где Z=α_макс/α_мин - параметр, характеризующий степень нестабильности общего уровня ВГ в токе ОЗЗ в защищаемой сети.

По данным, приведенным в (Винокурова Т.Ю., Шуин В.А., Шагурина Е.С. Применение имитационного моделирования для оценки уровня нестабильности высших гармоник в токе однофазного замыкания на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 6. - Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. - 2014. - С. 31-38) наибольшие значения параметра Z характерны для компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ промышленного электроснабжения предприятий со сменным графиком работы с выходными днями и достигает значений 6 и более.

При Z=6, К_отс=1,5, К_ч.мин=1,5 из (8) получим

,

т.е. область возможного применения ТЗНПВГ значительно уже, чем ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью.

Практически при выборе уставки по току срабатывания для токовых защит на основе ВГ К_отс в (6) приходится принимать значительно большим, чем 1,5, из-за невозможности рассчитать максимальный и минимальный уровни ВГ в конкретной сети. В (Алексеев В.Г. Токовая защита ЗГНП-4.2 от замыканий на землю в обмотке статора генератора, работающего на сборные шины // Электрические станции. - №2. - 2006. - С. 51-56) рекомендуется равным К_отс=3-4. При таких значениях К_отс из (8) получим:

,

т.е. известные исполнения ТЗНПВГ практически не применимы на присоединениях, подключенных к шинам ЦП компенсированных электрических сетей среднего напряжения.

Недостатком известных исполнений ТЗНПВГ является также то, что при дуговых прерывистых ОЗЗ, включая ДПОЗЗ, действие таких защит блокируется. В то же время известно, что при больших расстройках компенсации, возможных в эксплуатации, ДПОЗЗ, сопровождаемые опасными для сети перенапряжениями, возможны также и в компенсированных сетях (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.).

Известны также исполнения ТЗНП с двумя подведенными величинами - током и напряжением нулевой последовательности 3i₀ и 3u₀ (RU 2088010 C1 опубликовано 20.08.1997, 2088010 Российская Федерация. МПК Н02Н 3/16, Н01Н8 3/20 / В.И. Кашкалов; заявитель и патентообладатель В.И. Кашкалов. - №94030995/07; заявл. 19.08.1994; опубл. 20.08.1997). Использование в ТЗНП напряжения 3u₀ позволяет выполнить защиту с изменяемой в зависимости от значения 3u₀ уставкой по току срабатывания и повысить чувствительность защиты.

Известно реле защиты отходящего присоединения электрический сети с изолированной нейтралью от однофазного замыкания на землю (RU 2088010 C1 опубликовано 20.08.1997), содержащее входной блок, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока нулевой последовательности, а выход с одним из входов измерительного блока, выход которого соединен с исполнительным органом, отличающееся тем, что оно снабжено блоком автоматического регулирования тока срабатывания, подключенного к другому входу измерительного органа и реализующего функцию: I_ср при U₀≈U_{0 нач}, I_cp=I_cp.min+KU₀ при U_{0 нач}<U≈U_ф.н, где K=(I_з.max-I_ср.min)/(U_ф.н-U_{0 нач}) - коэффициент наклона линейной части зависимости I_cp=f(U₀); I_cp.min - минимальный ток срабатывания реле; U_{0 нач}=(0…0,15)U_ф.н - начальное значение напряжения смещения нейтрали сети; I_з.max - наибольший ток однофазного металлического замыкания на землю в данной электрической сети; U_ф.н - номинальное фазное напряжение сети.

Возможность регулирования тока срабатывания реле I_ср и, соответственно, первичного тока срабатывания защиты в зависимости от значения напряжения нулевой последовательности U₀ позволяет увеличить чувствительность ТЗНП при УОЗЗ через переходное сопротивление, когда зависимость между током I₀ и напряжением U₀, подведенными к защите, имеет линейный характер: I₀=b I_{0 max}, где I_{0 max} - максимальное значение тока I₀ при металлическом ОЗЗ; b=U₀/U_ф.н - коэффициент полноты замыкания на землю. Однако в приведенных выше выражениях, определяющих характеристику срабатывания защиты, не учтены минимально допустимые значения коэффициента отстройки К_отс и коэффициента чувствительности К_ч.мин, без чего не может быть обеспечена требуемая устойчивость функционирования при внешних и внутренних устойчивых замыканиях на землю.

Известно также, что большую часть ОЗЗ, особенно в начальной стадии развития повреждения изоляции, в сетях с изолированной нейтралью составляют ДПОЗЗ (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; 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). При ДПОЗЗ значения I₀ и U₀, в общем случае изменяются в разной степени в зависимости от ряда влияющих факторов (параметров сети и поврежденной линии, места ОЗЗ в сети, интервалов времени между повторными пробоями изоляции, условий гашений и повторных зажиганий заземляющей дуги и др.), что не учитывается при выборе значения коэффициента К по выражению К=(I_з.max-I_cp.min)/(U_ф.н-U_{0 нач}) и не позволяет обеспечить селективность несрабатываний защиты при внешних ДПОЗЗ. Отметим также, что область возможного применения данной защиты, как и у ТЗНП с одной подведенной величиной, ограничена выражением (5).

Наиболее близким аналогом к предполагаемому изобретению является устройство токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю (RU 2422964 C1, опубликовано 27.06.2011), содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, кроме того, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, на первый вход которого поступает сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, а выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности. Второй вариант заявленного устройства - в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции величины сигнала о контролируемом токе нулевой последовательности линии, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен с первым входом релейного органа блока защиты, а на второй его вход поступает сигнал о заданном токе уставки.

Область возможного применения обоих вариантов защиты в прототипе ограничена условием (5). Коэффициент неполноты замыкания линейно связан с током I₀, подводимым к защите, как было отмечено выше, только при УОЗЗ. Поэтому изменение уставки по току срабатывания в зависимости от значения коэффициента неполноты замыкания на землю не позволяет обеспечить устойчивые несрабатывания защиты при внешних ДПОЗЗ

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, является повышение чувствительности и расширение области применения ТЗНП с двумя подведенными величинами при устойчивых и дуговых перемежающихся замыканиях на землю в электрических сетях среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока. Технический результат достигается тем, что в устройство адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание, модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, выход которого подключен к второму входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, введены первый, второй, третий и четвертый полосовые частотные фильтры, первый и второй блоки переключения, дифференциатор, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения, элемент временной задержки, при этом выход датчика тока нулевой последовательности подключен к входам первого и второго полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам первого блока переключения, выходом подключенного через первый блок к первому входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам второго блока переключения, выходом подключенного через дифференциатор и второй блок вычисления среднеквадратичного значения к входу модуля (блока) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, связанного выходом с вторым входом релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход которого подключен к входу элемента временной задержки.

Введенный дифференциатор предназначен для получения производной напряжения нулевой последовательности 3u₀, используемой для вычисления текущей уставки в установившемся и в переходных режимах ОЗЗ в модуле (блоке) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание. Введенные первый и третий полосовые частотные фильтры имеют одинаковые частотные характеристики и предназначены для пропускания составляющей основной частоты 50 Гц и высших гармонических составляющих до 1-2 кГц тока нулевой последовательности 3io, используемых для работы устройства защиты в сетях с изолированной нейтралью. Введенные второй и четвертый полосовые частотные фильтры также имеют одинаковые частотные характеристики и предназначены для пропускания только высших гармонических составляющих тока 3io в диапазоне от 150 Гц до 1-2 кГц, используемых для работы устройства защиты в компенсированных сетях. Введенные первый и второй блоки переключения предназначены для изменения рабочего диапазона частот устройства защиты в зависимости от режима заземления нейтрали защищаемой сети. Введенные в схему первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения обеспечивают получение непрерывных сигналов входной воздействующей величины и текущей уставки на соответствующих входах релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание в установившемся и переходных режимах ОЗЗ. Введенный элемент временной задержки необходим для отстройки устройства защиты от переходных процессов, связанных с коммутационными переключениями в защищаемой сети.

На фиг. 1 представлена схема устройства адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, поясняющая сущность предложенного изобретения. На фиг. 2 приведена трехфазная схема замещения радиальной сети среднего напряжения, работающей с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, где приняты следующие обозначения:

e_A, e_B, e_C - фазные ЭДС источника питания,

L_И - индуктивность фазы источника питания,

C_0Σ, C_мΣ - суммарная емкость фазы сети на землю и суммарная междуфазная емкость сети соответственно,

L_Л, R_Л - индуктивность и активное сопротивление поврежденной линии,

L_З, R_З - индуктивность и активное сопротивление контура протекания обратного тока ОЗЗ в поврежденной линии,

R_П - переходное сопротивление в месте ОЗЗ,

L_ДГР - индуктивность ДГР, включаемого при работе сети с компенсацией емкостных токов,

i_З - ток в месте ОЗЗ.

На фиг. 3 показана построенная в соответствии со схемой на фиг. 2 по методу симметричных составляющих комплексная схема замещения сети в режиме ОЗЗ, где

К_З - ключ, имитирующий возникновение в сети ОЗЗ,

u_A(X) - напряжение поврежденной фазы A в момент, предшествующий возникновению ОЗЗ,

i_{0 З} - ток нулевой последовательности в месте ОЗЗ.

На фиг. 4 и фиг. 5 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу защиты при внутреннем и внешнем ДПОЗЗ, переходящем в УОЗЗ, в сети с изолированной нейтралью. На фиг. 6 и фиг. 7 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу защиты при внутреннем и внешнем ДПОЗЗ, переходящем в УОЗЗ, в сети с компенсацией емкостных токов соответственно. На фиг. 8 и фиг. 9 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу защиты в сети с изолированной нейтралью при внутреннем и внешнем металлическом УОЗЗ, на фиг. 10-11 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу защиты в сети с изолированной нейтралью при внутреннем и внешнем УОЗЗ через переходное сопротивление R_пер=1000 Ом

На фиг. 4-11 приняты следующие обозначения:

1 - датчик (фильтр) тока нулевой последовательности,

2 - измерительный трансформатор (фильтр) напряжения нулевой последовательности,

3 - релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание,

4 - модуль (блок) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание,

5 - первый полосовой частотный фильтр,

6 - второй полосовой частотный фильтр,

7 - третий полосовой частотный фильтр,

8 - четвертый полосовой частотный фильтр,

9 - первый блок переключения,

10 - второй блок переключения,

11 - дифференциатор,

12 - первый блок вычисления среднеквадратичного значения,

13 - второй блок вычисления среднеквадратичного значения,

14 - элемент временной задержки,

u₁…u₁₄ - сигналы на выходах блоков 1…14 соответственно.

Устройство адаптивной защиты содержит на каждой линии датчик (фильтр) тока нулевой последовательности 1, измерительный трансформатор (фильтр) напряжения нулевой последовательности 2, релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание 3, модуль (блок) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание 4, выход которого подключен к второму входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание 3, первый 5, второй 6, третий 7 и четвертый 8 полосовые частотные фильтры, первый 9 и второй 10 блоки переключения, дифференциатор 11, первый 12 и второй 13 блоки вычисления среднеквадратичного значения, элемент временной задержки 14. Выход датчика (фильтра) тока нулевой последовательности 1 подключен к входам первого 5 и второго 6 полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам первого блока переключения 9, выходом подключенного через первый блок вычисления среднеквадратичного значения 12 к первому входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание 3, выход измерительного трансформатора (фильтра) напряжения нулевой последовательности 2 подключен к входам третьего 7 и четвертого 8 полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам второго блока переключения 10, выходом подключенного через дифференциатор 11 и модуль (блок) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание 4 к входу второго блока вычисления среднеквадратичного значения 13, связанного выходом с вторым входом релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание 3, выход которого подключен к входу элемента временной задержки 14.

Устройство работает следующим образом. При возникновении в сети ОЗЗ в поврежденном и неповрежденных присоединениях на входах датчиков (фильтров) тока нулевой последовательности 1 появляются токи нулевой последовательности 3i₀, а на выходе измерительного трансформатора (фильтра) напряжения нулевой последовательности 2 - напряжение нулевой последовательности 3u₀.

Из схемы по фиг. 3 следует, что ток 3i_{0 З} в месте ОЗЗ определяется соотношением:

Ток 3_{i0 З} распределяется по неповрежденным линиям пропорционально их собственным емкостям фаз на землю:

Ток нулевой последовательности в поврежденном присоединении 3i_{0 пов} в сетях с изолированной нейтралью равен сумме токов 3i_{0 неп} всех неповрежденных присоединений:

где 3C_{0 собс. пов} - собственная емкость фаз на землю поврежденного присоединения.

Известно, что соотношения (9)-(11) выполняются не только для составляющих основной частоты 50 Гц, но и для высших гармонических составляющих с частотами, при которых входное сопротивление всех линий сети имеет емкостный характер [Кискачи В.М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник // Электричество. - 1967. - №9. - С. 24-29]. Для кабельных и воздушных сетей среднего напряжения с учетом параметров и возможных длин линий практически это имеет место при частотах до 1-2 кГц.

Это означает, что соотношения (9)-(11) в сети с изолированной нейтралью выполняются не только для составляющих основной частоты и высших гармоник в режиме УОЗЗ, но и для высших гармонических составляющих в диапазоне частот до 1-2 кГц в переходных режимах ДПОЗЗ.

Из (10) и (11) для текущих среднеквадратичных значений токов 3i_{0 неп} и 3i_{0 пов} получим:

где 3I_{0 неп}(t), 3I_{0 пов}(t) - текущие среднеквадратичные значения токов нулевой последовательности в установившемся и переходных режимах ОЗЗ для неповрежденного и поврежденного присоединений соответственно.

Для обеспечения несрабатываний в установившемся и переходных режимах внешних ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью заявленного устройства защиты должно соблюдаться условие:

где I_уст(t) - текущее среднеквадратичное значение уставки по току срабатывания; К_отс - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности функционирования заявленного устройства (погрешности измерения тока 3io и погрешности формирования уставки I_уст(t)) и принимаемый для токовых защит от ОЗЗ, основанных на использовании составляющих непромышленной частоты, равным 1,5.

При внутренних ОЗЗ устойчивые срабатывания защиты обеспечиваются, если выполняется соотношение:

В компенсированных сетях составляющие основной частоты 50 Гц токов 3i₀ не могут быть использованы для действия ТЗНП из-за компенсации их в месте ОЗЗ и в поврежденном присоединении индуктивным током ДГР. Однако ДГР практически не влияет на высшие гармонические составляющие в токах 3i₀ при ОЗЗ, для которых соотношения (9)-(11) выполняются:

где 3i^ВГ_{0 З}, 3i^ВГ_{0 неп}, 3i^ВГ_{0 пов} - высшие гармонические составляющие токов 3i₀ в месте ОЗЗ, неповрежденных и поврежденного присоединении соответственно; u^ВГ₀ - высшие гармонические составляющие напряжения u₀.

Из (16)-(18) следует, что для выполнения селективной ТЗНП в компенсированных сетях необходимо использовать только высшие гармонические составляющие токов и напряжения нулевой последовательности. Для указанных составляющих соотношения (14)и(15) примут вид:

С учетом вышесказанного селективность и чувствительность предложенной адаптивной ТЗНП при УОЗЗ и ДПОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью может быть обеспечена в диапазоне частот от 50 Гц до 1-2 кГц, а в компенсированных сетях - в диапазоне частот от 150 Гц до 1-2 кГц.

Текущее значение уставки по току срабатывания на втором входе блока 3 формируется умножением в модуле (блоке) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание 4 текущего значения производной du₀/dt на выходе дифференциатора 11 на подаваемую на его второй вход величину параметра настройки защиты К_отс 3С_{0 собс} и вычислением текущего среднеквадратичного значения результата перемножения указанных величин блоком 13.

При применении предложенного устройства защиты от ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью первый 9 и второй 10 блоки переключения устанавливаются в положение 1, обеспечивающее работу защиты в диапазоне частот от 50 Гц до 1-2 кГц. При использовании устройства защит от ОЗЗ в компенсированной сети первый 9 и второй 10 блоки переключения устанавливаются в положение 1, обеспечивающее работу защиты в диапазоне частот от 150 Гц до 1-2 кГц.

Релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание 3 срабатывает при выполнении условия (15) в сетях с изолированной нейтралью или условия (20) в компенсированных сетях.

В обычной ТЗНП, уставка по току срабатывания которой выбирается по условию (1) при К_бр = const, принимаемом равным К_{бр. макс} (например, для микропроцессорных исполнений защиты К_{бр. макс} = 2,5-3, что соответствует минимальным интервалам времени между повторными пробоями изоляции, равными в соответствии с теорией W. Petersen [Petersen, W. Der aussetzende (intermittierende) Erdschluss / W. Petersen. - ETZ, 1917. - H. 47, 48], Δt=10 мс. В предложенной адаптивной защите в соответствии с выражением (14) текущее значение коэффициента К_бр(t) автоматически изменяется в зависимости от вида ОЗЗ (УОЗЗ или ДПОЗЗ), интервалов времени между повторными пробоями изоляции Δt (разновидности ДПОЗЗ) и величины переходного сопротивления в месте повреждения. При УОЗЗ в (14) 3I_{0 неп}(t) = I_{C собс}, т.е. К_бр=1, что обеспечивает повышение чувствительности предлагаемой защиты по сравнению с микропроцессорными исполнениями обычной ТЗНП при данном виде ОЗЗ в К_{бр. макс} = 2,5-3 раза. При УОЗЗ через переходное сопротивление K_бр(t) становится меньше 1, что обеспечивает автоматическое уменьшение уставки и повышение чувствительности защиты при таких видах ОЗЗ. При ДПОЗЗ с минимальными интервалами времени между повторными пробоями изоляции Δt=10 мс (ДПОЗЗ по теории W. Petersen) К_бр(t) = К_{бр. макс}, т.е. при этой разновидности ДПОЗЗ чувствительность предложенной защиты минимальна и соответствует чувствительности прототипа. Однако при других разновидностях ДПОЗЗ, характеризуемых величинами Δt>10 мс, К_бр(t)<К_{бр. макс} и автоматически уменьшается при увеличении Δt. Таким образом, предложенная защита обеспечивает повышение чувствительности не только при УОЗЗ, но и при всех разновидностях ДПОЗЗ с Δt>10 мс.

Условия применимости адаптивной защиты в сетях с изолированной нейтралью определяется только условиями ее селективности и чувствительности при металлических УОЗЗ по выражению (5) при К_бр=1:

.

Доля присоединений на центрах питания (ГПП, ГРУ ТЭЦ) и других объектах (распределительных и трансформаторных подстанциях - РП и ТП) распределительных электрических сетей среднего напряжения, удовлетворяющих указанному условию, составляет практически 100%.

В отличие от аналогов и прототипа заявленное устройство защиты может применяться не только в сетях с изолированной нейтралью, но и в компенсированных сетях. Условия применимости адаптивной защиты в таких сетях определяется только условиями ее селективности и чувствительности при металлических УОЗЗ по выражению (8) при Z=1:

,

т.е. область применения значительно шире, чем у обычных исполнений ТЗНПВГ. Известные исполнения ТЗНПВГЮ как уже отмечалось выше, по принципу действия отстроены от любых ДПОЗЗ. В отличие от ТЗНПВГ предложенная адаптивная защита обеспечивает селективность и чувствительность при любых разновидностях ДПОЗЗ и УОЗЗ.

Расчетные осциллограммы, приведенные на фиг. 4-7, иллюстрируют работу защиты и автоматическую коррекцию уставки I_уст(t) при внутреннем и внешнем ДПОЗЗ, переходящем в УОЗЗ, в сети с изолированной нейтралью (фиг. 4 и 5) и в компенсированной сети (фиг. 6 и 7), на фиг. 8, 9 - при внутреннем и внешнем металлическом УОЗЗ и при УОЗЗ через большое переходное сопротивление (R_пер = 1000 Ом) в сети с изолированной нейтралью.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении чувствительности и расширении области применения токовой защиты нулевой последовательности с двумя подведенными величинами при устойчивых и дуговых перемежающихся замыканиях на землю в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов замыкания на землю. Устройство содержит на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание, модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, выход которого подключен к второму входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, первый, второй, третий и четвертый полосовые частотные фильтры, первый и второй блоки переключения, дифференциатор, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения, элемент временной задержки. 11 ил.

Устройство адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание, модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, выход которого подключен к второму входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, отличающееся тем, что введены первый, второй, третий и четвертый полосовые частотные фильтры, первый и второй блоки переключения, дифференциатор, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения, элемент временной задержки, при этом выход датчика тока нулевой последовательности подключен к входам первого и второго полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам первого блока переключения, выходом подключенного через первый блок к первому входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам второго блока переключения, выходом подключенного через дифференциатор и второй блок вычисления среднеквадратичного значения к входу модуля (блока) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, связанного выходом с вторым входом релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход которого подключен к входу элемента временной задержки.