СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H02H3/00 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для защиты от однофазных замыканий на землю (далее ОЗЗ) кабельных, воздушных и смешанных кабельно-воздушных линий электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор. Задачей изобретения является повышение технического совершенства (селективности и чувствительности) защиты от ОЗЗ при обеспечении высокой эксплуатационной надежности.

В электрических сетях среднего напряжения применяются ненаправленные и направленные защиты от ОЗЗ, основанные на использовании тока 3i₀ и напряжения 3u₀ нулевой последовательности. Недостатком направленных защит является меньшая, чем для ненаправленных защит, эксплуатационная надежность из-за возможных в реальных условиях эксплуатации ошибок в полярности подключения вторичных цепей тока 3i₀ и напряжения 3u₀. Потому направленные защиты применяются только в тех случаях, когда применение более простых и надежных ненаправленных защит не позволяет обеспечить селективность или требуемую чувствительность.

В электрических сетях, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали, для выполнения ненаправленной защиты от ОЗЗ наиболее широкое применение получили максимальные токовые защиты нулевой последовательности (далее ТЗНП). Защиты по данному способу измеряют значение тока нулевой последовательности 3I₀, сравнивают измеренное значение с постоянной величиной - уставкой по току срабатывания I_уст - и формируют выходной сигнал, если измеренное значение тока 3I₀ превышает I_уст (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с; Чернобровов Н.В. Релейная защита / Изд. 5-е, перераб. и доп. - М: Энергия, 1974. 680 с; Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с. и др.).

Недостатком ТЗНП является значительное влияние на ее функционирование переходных токов 3i₀ при дуговых перемежающихся ОЗЗ (далее ДПОЗЗ), ограничивающее селективность и чувствительность и, следовательно, область возможного применения устройств защиты по данному способу (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. - СПб.: ПЭИПК, 2003. - 350 с.; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001. - 104 с. и др.). Условие применимости ТЗНП - селективности при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ - определяется соотношением между собственным емкостным током защищаемого присоединения I_{C собс} и суммарным емкостным током сети I_CΣ (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001. - 104 с.):

где К_отс=1,2-1,3 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности измерений воздействующей величины, измерительного органа тока, расчета значений I_{C собс} и I_CΣ и др.; К_бр>1 - коэффициент, учитывающий увеличение значения 3I₀ за счет бросков переходных токов при ДПОЗЗ, характеризуемых минимальными интервалами времени между повторными зажиганиями и гашениями заземляющей дуги; К_ч.мин=1,25 - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности защиты.

При указанных значениях коэффициентов К_отс, К_ч.мин и К_бр=2-3 (для ТЗНП на микроэлектронной и микропроцессорной базе) (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. - СПб.: ПЭИПК, 2003. - 350 с.) применение ТЗНП в соответствии с (1) в сетях с изолированной нейтралью возможно на присоединениях, собственный емкостный ток которых I_{C собс} не превышает 15-20% от I_CΣ, доля которых на центрах питания (далее ЦП) электрических сетей среднего напряжения от общего числа присоединений, подключенных к шинам защищаемого объекта, в среднем не превышает 50-70% (Шуин В.А., Добрягина О.А., Шагурина Е.С. Влияние переходных процессов при замыканиях на землю в электроустановках среднего напряжения на функционирование защит от замыканий на землю на основе высших гармоник // Релейная защита и автоматизация. - 2012, №2. - С. 26-30). На присоединениях, относительное значение собственного емкостного тока которых I_{C собс*}=I_{C собс}/I_CΣ>0,15-0,2, должны применяться направленные защиты, имеющие меньшую эксплуатационную надежность по сравнению с ненаправленными.

Влияние переходных процессов на селективность и чувствительность ТЗНП в сетях с заземлением нейтрали через высокоомный резистор несколько меньше, чем в сетях с изолированной нейтралью, но также ограничивает область возможного применения защиты от ОЗЗ данного типа.

Известен способ защиты от ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью по п. 1 формулы изобретения (Патент РФ 2629374 Н02Н 3/16. Способ защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и устройство для его осуществления // Шуин В.А., Шадрикова Т.Ю., Добрягина О.А., Шагурина Е.С., Пашковский С.Н. - Опубл. 29.08.2017), заключающийся в том, что измеряют ток нулевой последовательности 3i₀ защищаемого присоединения, выделяют из него в качестве воздействующей величины составляющую основной частоты 50 Гц I₅₀, сравнивают значение составляющей основной частоты I₅₀ с уставкой по току срабатывания I_уст и формируют выходной сигнал при превышении составляющей основной величины I₅₀ значения уставки I_уст, отличающийся тем, что из тока 3i₀ выделяют высшие гармонические составляющие I_ВГ, сравнивают значения величин I₅₀ и I_ВГ и при I₅₀>I_ВГ автоматически уменьшают уставку по току срабатывания защиты I_уст.

Исходная уставка по току срабатывания I_уст защиты по данному способу выбирается, как и для рассмотренной выше ТЗНП, с учетом увеличения значения тока 3I₀ в переходных режимах при ДПОЗЗ, тогда как при устойчивых ОЗЗ увеличение уставки I_уст в К_бр раз не требуется. Критерием распознавания дуговых и устойчивых замыканий является соотношение значений I₅₀ и I_ВГ: при ДПОЗЗ всегда I_ВГ>I₅₀, при устойчивых ОЗЗ - всегда I_ВГ<I₅₀ - Поэтому применение защиты по данному способу позволяет повысить ее чувствительность в К_бр=2-3 раза при устойчивых ОЗЗ по сравнению с рассмотренной выше ТЗНП.

Однако данный способ не позволяет обеспечить требуемую чувствительность защиты по сравнению с ТЗНП при увеличении интервалов времени между повторными зажиганиями и гашениями заземляющей дуги при ДПОЗЗ. Недостатком защиты по данному способу является также не всегда достаточная чувствительность к ОЗЗ через переходное сопротивление.

Известен способ ненаправленной защиты от ОЗЗ, основанный на контроле проводимости нулевой последовательности на землю защищаемого присоединения в режиме замыкания на землю, реализованный в микропроцессорных терминалах РЗА линий электропередачи среднего напряжения некоторых фирм-производителей (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektro-snabzenia&parent-category-id=4600; http://www.mupasz.ru/fileadmin/user_upload/documents/Instrukcje/mu_2000_sts_rts_ru.pdf; Wahlroos A., Altonen J. „Multifrequency admittance protection", Elektrotechniczne, 12/2016; J. Lorenc et. al, Admittance criteria for earth fault detection in substation automation systems in Polish distribution power networks, CIRED 1997 Birmingham и др.). Действие защиты по данному способу, называемой также адмитансной, основано на измерении отношения тока 3I₀ защищаемого присоединения и напряжения U₀ установившегося режима ОЗЗ

и сравнении значения полной проводимости Y₀=|Y₀|, ее активной G₀ или реактивной В₀ составляющей с уставкой срабатывания, выбираемой из условия отстройки от внешних ОЗЗ на землю.

При внешних устойчивых ОЗЗ в электрической сети среднего напряжения с любым режимом заземления нейтрали проводимость на зажимах защиты Y₀ и ее активная G₀ и реактивная В₀ составляющие определяются собственной проводимостью фаз на землю защищаемого присоединения Y_0собс и соответственно равны

где С_{0 собс} и G_{0 собс} - соответственно собственные емкость и активная проводимость фазы на землю защищаемого присоединения; со - угловая частота рабочего напряжения сети.

Для обеспечения селективности несрабатываний при внешних устойчивых ОЗЗ уставка срабатывания максимальной защиты по данному способу должна быть больше значения проводимости на зажимах защиты. Для защиты, основанной на контроле значений полной, реактивной или активной проводимости, условие выбора уставки срабатывания соответственно имеет вид

где К_отс - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности измерений воздействующей величины, расчета значений 3С_{0 собс} и 3G_{0 собс} и др.

Для воздушных и кабельных линий электрических сетей среднего напряжения активная составляющая собственной проводимости 3G_{0 собс}, как правило, составляет нескольких процентов от емкостной проводимости, т.е. 3ωС_{0 собс}>>3G_{0 собс}. Потому условия выбора уставок срабатывания по полной проводимости (6) с достаточной точностью можно записать в следующей форме

При внутренних ОЗЗ проводимость на зажимах защиты в электрической сети с изолированной нейтралью определяется взятой с обратным знаком проводимостью внешней сети, равной сумме проводимостей нулевой последовательности всех неповрежденных присоединений:

В сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор R_N активная составляющая проводимости при внутренних устойчивых ОЗЗ увеличивается на величину 1/3R_N и равна

Величина активной проводимости 3G_{0 собс} зависит от текущего состояния изоляции защищаемого присоединения, и достаточно точное ее определение расчетным способом для выбора уставки по (8), особенно для воздушных линий, возможно не всегда. Поэтому в сетях с изолированной нейтралью обеспечить высокую селективность и устойчивость функционирования защиты, основанной на контроле активной проводимости, практически трудно. Учитывая это, в сетях с изолированной нейтралью максимальная защита проводимости может выполняться только на основе контроля полной проводимости Y₀ или ее реактивной составляющей В₀. В сетях с высокоомным заземлением нейтрали за счет увеличения при внутренних ОЗЗ активной составляющей проводимости G₀ на величину 1/3R_N (см. выражение (11)) выполнение селективной и чувствительной максимальной защиты возможно на основе контроля как полной проводимости Y₀, так и ее реактивной В₀ или активной G₀ составляющих.

Условия выбора уставок срабатывания по (6) и (7) справедливы только для устойчивых ОЗЗ. В переходных режимах при дуговых прерывистых ОЗЗ, являющихся основной разновидностью замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, в токах 3i₀ поврежденного и неповрежденных присоединений преобладают свободные составляющие с частотами f_cв=ω_св/2π от сотен герц до нескольких десятков килогерц, что приводит к увеличению полной проводимости и ее реактивной (емкостной) составляющей на зажимах защиты 3Y_{0 собс}=3В_{0 собс}=3ωС_{0 собс}. Поэтому для обеспечения селективности несрабатываний в переходных режимах при дуговых ОЗЗ уставка срабатывания защиты, основанной на контроле полной проводимости или ее реактивной составляющей защищаемого присоединения, должна быть увеличена и в общем случае выбираться из условия

где К_бр - коэффициент, учитывающий увеличение значения тока 3I₀ и, соответственно, полной проводимости и ее реактивной емкостной составляющей в переходных режимах при ДПОЗЗ.

При выборе уставки срабатывания по (12) условие селективности защит полной и реактивной проводимости при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ, т.е. условие применимости защиты в сетях с изолированной нейтралью, как и для рассмотренной выше ТЗНП, будет определяться соотношением между собственной емкостью фаз на землю защищаемого присоединения 3С_{0 собс} и суммарной емкостью сети 3С_0∑ и имеет вид

Из (13) можно видеть, что увеличение воздействующей величины в переходных режимах при дуговых ОЗЗ, учитываемое коэффициентом К_бр, ограничивает чувствительность и область возможного применения защит полной и реактивной проводимости в сетях с изолированной нейтралью. Аналогичное влияние увеличение емкостной проводимости в переходных режимах ОЗЗ будет оказывать на чувствительность и область возможного применения защиты полной и реактивной проводимости и в сетях с высокоомным заземлением нейтрали, хотя и меньшей степени, чем в сетях с изолированной нейтралью.

Недостатком максимальных защит, основанных на контроле проводимости нулевой последовательности, является также возможность ложных срабатываний в сетях с изолированной нейтралью после гашения заземляющей дуги на достаточно продолжительное время перед повторным пробоем изоляции или при отключении ОЗЗ на поврежденном присоединении. В сети с изолированной нейтралью избыточные заряды на фазах, накопившиеся за время горения заземляющей дуги и определяющие остаточное напряжение на нейтрали u_N=u₀, могут стекать только через проводимости изоляции фаз относительно земли 3G_0∑ и заземленные нейтрали трансформаторов напряжения. Процесс стекания избыточных зарядов в этом случае имеет апериодический характер, а постоянная времени апериодической составляющей напряжения u₀(t) может достигать значений порядка десятков и сотен миллисекунд. Апериодический характер изменения напряжения u₀(t) обуславливает появление в неповрежденных линиях апериодических емкостных токов, имеющих значительно меньшие значения, чем при устойчивом ОЗЗ. При достаточно высокой чувствительности устройства защиты по току нулевой последовательности погрешности трансформации апериодических составляющих с большими постоянными времени первичными и вторичными преобразователями тока и напряжения нулевой последовательности могут привести к значительным искажениям замера Y₀=3I₀/U₀ и обусловить ложные срабатывания максимальной защиты проводимости на неповрежденных присоединениях.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого способа выбран способ для определения замыкания фазы на землю, реализующий п. 1 формулы изобретения (Патент РФ 2491563 G01R 31/08. Способ и устройство для определения замыкания на землю // Валроос Ари (FI), Алтонен Янне (FI). - Опубл. 27.08.2013), включающий мониторинг нулевой последовательности тока в трехфазной электрической линии и нулевой последовательности напряжения в электрической сети, определение замыкания на землю в электрической сети на основе величины нулевой последовательности напряжения, определение разности между нулевой последовательностью тока до замыкания на землю и нулевой последовательностью тока во время замыкания на землю; определение разности между нулевой последовательностью напряжения до замыкания на землю и нулевой последовательностью напряжения во время замыкания на землю; определение полной проводимости нейтрали или величины, ей соответствующей, на основе отношения между разностями нулевых последовательностей токов и разностями нулевых последовательностей напряжений и сравнение определенной полной проводимости нейтрали или величины, ей соответствующей, с заранее заданной рабочей характеристикой.

В отличие от рассмотренных выше аналогов защиты от ОЗЗ на основе контроля проводимости нулевой последовательности защищаемого присоединения в защите по данному способу в качестве воздействующей величины используется не отношение измеренных значений тока 3I₀ и напряжения U₀, а отношение разности значений тока 3I₀ во время замыкания и в режиме, предшествующем ОЗЗ, к соответствующей разности напряжений U₀, что позволяет повысить отстроенность от влияния смещения нейтрали сети и небалансов первичных преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности и повысить чувствительность защиты. Определение замыкания на землю в электрической сети на основе величины нулевой последовательности напряжения, т.е. применение пускового органа по напряжению нулевой последовательности, обеспечивает повышение отстроенности защиты от режимов, не связанных с ОЗЗ (например, от коммутационных переключений в сети).

Основным недостатком защиты по данному способу, как и для рассмотренных выше способов защиты от ОЗЗ на основе контроля проводимости нулевой последовательности, является влияние переходных процессов при ДПОЗЗ на замер защиты, ограничивающее селективность и чувствительность и область ее возможного применения. Использование пускового органа по напряжению нулевой последовательности, длительно остающегося в сработавшем состоянии после гашения заземляющей дуги или отключения ОЗЗ, как и в рассмотренных выше исполнениях защиты на основе контроля проводимости Y₀, обуславливает также возможность ложных срабатываний защиты на неповрежденных присоединениях в сетях с изолированной нейтралью за счет апериодических составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, а также уменьшение чувствительности при ОЗЗ через переходное сопротивление.

Таким образом, известные способы выполнения ненаправленных защит от ОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, не всегда обеспечивают селективность и требуемую чувствительность защиты и имеют ограничения на область возможного применения.

Технический результат, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, заключается в повышении селективности и чувствительности защиты от ОЗЗ и расширении области ее возможного применения в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, при обеспечении высокой эксплуатационной надежности.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, включающем мониторинг тока нулевой последовательности 3i₀ и напряжения нулевой последовательности u₀, определение замыкания на землю в сети на основе величины напряжения нулевой последовательности, дополнительно определяют замыкание на землю на основе величины тока нулевой последовательности, дифференцируют напряжение нулевой последовательности u₀, подавляют высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности 3i₀ и в производной напряжения нулевой последовательности u₀, определяют среднеквадратичные значения тока нулевой последовательности 3I₀ и производной напряжения нулевой последовательности U'₀, находят их отношение 3I₀/U'₀, полученную при этом величину сравнивают с уставкой, определяемой емкостью фаз на землю защищаемого присоединения, при превышении которой и при наличии замыкания на землю в сети формируют выходной сигнал о внутреннем однофазном замыкании на землю.

Заявляемый способ решает задачу повышения технического совершенства защиты от ОЗЗ - селективности и чувствительности как при устойчивых, так и в переходных режимах при дуговых замыканиях и расширения области возможного применения в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали при обеспечении высокой эксплуатационной надежности.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1-4.

На фиг. 1 приведена схема электрической сети среднего напряжения для пояснения принципа действия предлагаемого изобретения, где приняты следующие обозначения:

R_N - высокоомный резистор (при работе сети с высокоомным заземлением нейтрали);

- внешнее ОЗЗ (вне защищаемой зоны);

- внутреннее ОЗЗ (в защищаемой зоне).

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого способа защиты от ОЗЗ электрических сетей среднего напряжения, где приняты следующие обозначения:

1 - первичный преобразователь тока нулевой последовательности;

2 - первичный преобразователь напряжения нулевой последовательности;

3 - пусковой орган по току нулевой последовательности;

4 - пусковой орган по напряжению нулевой последовательности;

5 - первый частотный фильтр;

6 - дифференциатор;

7 - второй частотный фильтр;

8 - первый блок вычисления среднеквадратичного значения;

9 - второй блок вычисления среднеквадратичного значения;

10 - блок вычисления отношения двух величин;

11 - схема сравнения с уставкой;

12 - логический элемент И.

На фиг. 3 и 4 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу предлагаемого устройства защиты при внутреннем (а) и внешнем (б) дуговом перемежающемся ОЗЗ, переходящем в устойчивое, где u₁ … u₄, u₆, u₈ … u₁₁ - сигналы на выходах блоков 1 … 4, 6, 8 … 11 соответственно (фиг. 2). На фиг. 3 представлены осциллограммы для сети с изолированной нейтралью, фиг. 4 - для сети с высокоомным заземлением нейтрали.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем.

Из схемы электрической сети (фиг. 1), работающей с изолированной нейтралью (заземляющий резистор R_N отключен), пренебрегая падениями напряжения на продольных активно-индуктивных сопротивлениях линий и источника питания и активными потерями в изоляции (в активных проводимостях G₀ элементов сети), при внешнем ОЗЗ в т. (повреждение вне зоны действия защиты) для тока нулевой последовательности защищаемой линии получим

,

где 3i_{0 co6c} - собственный емкостный ток нулевой последовательности защищаемой линии.

При внутреннем ОЗЗ в т.(в зоне действия защиты) при указанных выше допущениях ток нулевой последовательности защищаемой линии определяется емкостями фаз на землю внешней сети и при принятых на фиг. 1 положительных направлениях для токов и напряжений равен

Известно (Кискачи В.М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник токов нулевой последовательности // Электричество. - 1967. - №9. - С. 24-30), что в сетях с изолированной нейтралью соотношения (14) и (15) с достаточной точностью выполняются не только для основной составляющей рабочего напряжения сети, но и для высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности 3i₀ как в установившемся, так и в переходных режимах ОЗЗ. Практически это имеет место, если входное сопротивление нулевой последовательности неповрежденных линий для данной частотной составляющей сохраняет емкостный характер. Расчеты и исследования на имитационных моделях показывают, что при известных параметрах и реальных длинах кабельных и воздушных линий электрических сетей среднего напряжения это условие выполняется в диапазоне частот до 1,5-2 кГц (Шадрикова Т.Ю. Разработка комплексной многофункциональной защиты от одно-фазных замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ: дис. … канд. техн. наук: защищена 13.05.2016: утв. 25.07.2016 / Шадрикова Татьяна Юрьевна. - Иваново, 2016. - 204 с). Из (14) и (15) можно видеть, что в указанном диапазоне частот отношение мгновенных значений тока 3i₀ к мгновенным значениям производной напряжения при внешних и при внутренних ОЗЗ соответственно равно:

На основе соотношений (16) и (17) в сетях с изолированной нейтралью можно осуществить максимальную защиту, контролирующую величину емкости нулевой последовательности защищаемого присоединения как в установившемся, так и в переходных режимах ОЗЗ. Однако непосредственный контроль величины емкости нулевой последовательности защищаемого присоединения на основе соотношений мгновенных значений тока 3i₀ и мгновенных значений производной напряжения (16) и (17) практически осуществить трудно из-за возможных в процессе измерений временных сдвигов кривых 3i₀(t) и , обусловленных угловыми погрешностями первичных преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности, дифференцирования напряжения u₀(t), частотных фильтров для подавления составляющих с частотами f>1,5-2,0 кГц и других элементов схемы формирования сравниваемых величин. Наиболее просто компенсацию влияния указанных угловых погрешностей можно выполнить, используя для сравнения не мгновенные, а средние интегральные значения величин 3i₀(t) и , например, среднеквадратичные (действующие).

Из (16) и (17) для отношения среднеквадратичных значений величин 3i₀(t) и для неповрежденного и поврежденного присоединений получим:

Аналогичные соотношения можно получить для средневыпрямленных значений величин 3i₀(t) и

В отличие от рассмотренной выше максимальной защиты, основанной на контроле полной проводимости нулевой последовательности защищаемого присоединения Y₀ или ее реактивной (емкостной) составляющей В₀, значение воздействующей величины на зажимах предлагаемой защиты определяется только величиной емкостей фаз на землю защищаемого присоединения 3С_{0 собс} (при внешних ОЗЗ) и внешней сети 3(C_{0 ∑c} - С_{0 собс}) (при внутренних ОЗЗ), не зависящей от частоты, что позволяет обеспечить высокую устойчивость функционирования как в установившихся, так и в переходных режимах замыкания на землю. Отметим, что стабильность замера как в установившихся, так и в переходных режимах ОЗЗ может быть обеспечена только при подавлении в токе 3i₀(t) и производной составляющих с частотами, превышающими 1,5-2 кГц.

Для обеспечения селективности несрабатываний при внешних замыканиях на землю предлагаемой максимальной защиты, реагирующей на отношение , уставка срабатывания должна выбираться из условия отстройки от собственной емкости фаз на землю защищаемого присоединения

При выборе уставки по (20) условие применимости предлагаемой защиты определяется выражением (13), в котором следует принять К_бр=1. При обычно принимаемых значениях К_отс=1,2-1,3, К_ч.мин=1,25 (для защиты от ОЗЗ с действием на сигнал) и К_бр=1 из (13) получим, что для предлагаемой защиты условия селективности и чувствительности выполняются, если относительное значение собственной емкости фаз на землю (относительный собственный емкостный ток) защищаемого присоединения не превышает величины

,

что значительно больше, чем для рассмотренной выше ТЗНП и больше, чем для максимальной защиты, основанной на контроле проводимости.

Доля присоединений на ЦП распределительных электрических сетей среднего напряжения, для которых I_{C собс*}≤0,38, составляет до 90 и более процентов от общего числа присоединений, подключенных к шинам защищаемого объекта, а на других объектах - распределительных и трансформаторных подстанциях (РП и ТП) практически равна 100% (Шуин В.А., Добрягина О.А., Шагурина Е.С. Влияние переходных процессов при замыканиях на землю в электроустановках среднего напряжения на функционирование защит от замыканий на землю на основе высших гармоник // Релейная защита и автоматизация. - 2012, №2. - С. 26-30). Таким образом, область возможного применения предлагаемой защиты на основе контроля емкости нулевой последовательности в электрических сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью по сравнению с другими типами ненаправленных защит от ОЗЗ (ТЗНП, защитами на основе контроля проводимости нулевой последовательности) существенно больше.

В сетях, работающих с заземлением нейтрали через высокоомный резистор (R_N, фиг. 1), ток 3i₀ в защищаемом присоединении при внешних ОЗЗ (т. , фиг. 1), как и в сети с изолированной нейтралью, определяется (14). Соответственно замер защиты при внешних ОЗЗ для мгновенных значений тока и напряжения нулевой последовательности, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется (16), для среднеквадратичных - соотношением (18).

При внутреннем ОЗЗ (т. , фиг. 1) с учетом тока i_R в резисторе R_N, протекающего только через место повреждения и в поврежденном присоединении, равен

Из (21) для среднеквадратичных значений электрических величин 3I₀ и U'₀ можно получить следующее соотношение

Из (22) можно видеть, что активная составляющая i_R тока 3i₀ защищаемого присоединения, обусловленная заземляющим резистором R_N, при внутренних ОЗЗ увеличивает замер защиты, т.е. ее чувствительность, однако влияние активной составляющей тока ОЗЗ на замер защиты в установившемся и переходных режимах ОЗЗ будет различным. Как известно (например, 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. - 272 с), при высокоомном заземлении нейтрали оптимальным считается сопротивление резистора R_N=1/3ωС_0∑. При указанном сопротивлении заземляющего резистора R_N в установившемся режиме ОЗЗ реактивная (емкостная) составляющая тока замыкания равна активной, т.е I_R=I_C∑, а полный ток ОЗЗ равен . При этом ток 3I_{0 пов} и, соответственно, значение воздействующей величины С_{0 пов} на зажимах защиты увеличивается в раз. В переходных режимах при дуговых ОЗЗ в токе 3i_{0 пов} активная составляющая тока ОЗЗ и, соответственно, тока 3i_{0 пов} значительно меньше емкостной и не оказывает существенного влияния на замер защиты, который в этих режимах определяется выражением (19).

Таким образом, заземление нейтрали сети через высокоомный резистор R_N не влияет на условия селективности предлагаемой защиты по сравнению с изолированной нейтралью, увеличивает замер и, соответственно, чувствительность защиты в установившемся режиме ОЗЗ и обеспечивает такую же чувствительность в переходных режимах ОЗЗ, как и в сети с изолированной нейтралью.

Защита по предлагаемому способу (фиг. 2) работает следующим образом. При возникновении ОЗЗ в сети, работающей с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, в поврежденном и неповрежденных присоединениях появляются токи нулевой последовательности 3i₀, а в электрической сети - напряжение нулевой последовательности u₀. С выхода первичного преобразователя тока нулевой последовательности 1 ток 3i₀ подается на вход пускового органа по току нулевой последовательности 3 и на вход первого частотного фильтра 5 для подавления высокочастотных составляющих с частотой выше 1,5-2 кГц в токе нулевой последовательности. С выхода первичного преобразователя напряжения нулевой последовательности 2 напряжение u₀ подается на вход пускового органа по напряжению нулевой последовательности 4, а также через дифференциатор 6 на вход второго частотного фильтра 7, подавляющего высокочастотные составляющие с частотой выше 1,5-2 кГц в производной напряжения нулевой последовательности. Выходные сигналы первого и второго частотных фильтров 5 и 7 подаются соответственно на входы первого и второго блоков вычисления среднеквадратичных значений 8 и 9, выходы которых подключены к входам блока 10 вычисления отношения двух величин - среднеквадратичного значения тока 3I₀ к среднеквадратичному значению производной напряжения U'₀. Полученное на выходе третьего блока вычисления отношения двух величин 10 значение С₀=3I₀/U'₀ в схеме сравнения с уставкой 11 сравнивается с заданной уставкой срабатывания С_{0 уст.}

Уставка С_{0 уст} выбирается из условия отстройки от собственной емкости фаз на землю защищаемого присоединения по выражению (20) и равна С_{0 уст}≥К_отс 3С_{0 соб}. Если значение выходной величины блока вычисления отношения двух величин 10 С₀=3I₀/U'₀ больше заданной уставки срабатывания, на выходе схемы сравнения с уставкой 11 появляется логический сигнал "1", если значение выходной величины блока вычисления отношения двух величин 10 С₀=3I₀/U'₀ меньше заданной уставки, логический сигнал на выходе схемы сравнения с уставкой 11 равен "0". При срабатывании пускового органа по току нулевой последовательности 3 на его выходе появляется логический сигнал "1". При срабатывании пускового органа по напряжению нулевой последовательности 4 на его выходе появляется логический сигнал "1". Пусковой орган по напряжению нулевой последовательности 4 обеспечивает отстройку защиты от токов небаланса первичного преобразователя тока нулевой последовательности в нагрузочных режимах работы защищаемого присоединения, при пусках и самозапуске электродвигателей и при внешних коротких замыканиях за трансформаторами, питаемыми от защищаемого присоединения, а также при включениях и отключениях линий в контролируемой сети, при которых возможно кратковременное появление бросков тока и напряжения нулевой последовательности. Пусковой орган по току нулевой последовательности 3 обеспечивает быстрый возврат защиты в исходное состояние после отключения ОЗЗ, исключая возможность ложных срабатываний защиты на неповрежденных присоединениях от емкостных токов нулевой последовательности и остаточного напряжение на нейтрали u_N=u₀, обусловленных апериодическим процессом стекания избыточных зарядов на фазах сети с изолированной нейтралью при возврате ее в нормальное состояние.

Сигнал срабатывания защиты появляется на выходе логического элемента И 12, если логический сигнал на выходе схемы сравнения с уставкой 11 равен "1" и сработали пусковой орган по току нулевой последовательности 3 и пусковой орган по напряжению нулевой последовательности 4.

При внешних ОЗЗ замер защиты - сигнал на выходе блока вычисления отношения двух величин 10 - в соответствии с (18), как в установившемся режиме ОЗЗ, так и в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю, имеет значение, равное 3С_{0 собс}, что меньше уставки срабатывания, логический сигнал на выходе схемы сравнения с уставкой 11 равен "0", при этом равен "0" и сигнал на выходе логического элемента И 12, т.е. защита не срабатывает.

При внутренних ОЗЗ в сети, работающей с изолированной нейтралью, замер защиты - сигнал на выходе блока вычисления отношения двух величин 10 в соответствии с (19) и в установившемся режиме ОЗЗ, и в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю имеет значение, равное 3(C_{0 ∑} - С_{0 собс})- Если замер защиты превышает заданную уставку срабатывания (т.е. обеспечивается требуемая чувствительность), на выходе схемы сравнения с уставкой 11 появляется логический сигнал "1", и при условии срабатывания пускового органа по току нулевой последовательности 3 и пускового органа по напряжению нулевой последовательности 4 появляется также сигнал "1" на выходе логического элемента И 12, являющийся сигналом срабатывания защиты.

При внешних ОЗЗ в сетях, работающих с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, замер защиты - сигнал на выходе блока вычисления отношения двух величин 10, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется выражением (18) и, как в установившемся режиме ОЗЗ, так и в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю, имеет значение, равное 3С_{0 собс} т.е. меньше уставки срабатывания. При этом логические сигналы на выходе схемы сравнения с уставкой 11 и на выходе логического элемента И 12 равны "0", т.е. защита не срабатывает.

При внутренних повреждениях на защищаемом присоединении в сети, работающей с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, в переходных режимах при дуговых прерывистых ОЗЗ активная составляющая тока нулевой последовательности в поврежденном присоединении значительно меньше емкостной и не оказывает существенного влияния на замер защиты, который в этих режимах, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется выражением (19). Если замер превышает заданную уставку срабатывания (т.е. обеспечивается требуемая чувствительность), защита срабатывает. В режиме устойчивого ОЗЗ за счет активного тока, создаваемого заземляющим резистором R_N, замер увеличивается в раз, т.е. и повышается чувствительность защиты по сравнению с сетями с изолированной нейтралью.

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат - повышение селективности и чувствительности защиты от однофазных замыканий на землю. В способе защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, включающем мониторинг тока нулевой последовательности 3i₀ и напряжения нулевой последовательности u₀, определение замыкания на землю в сети на основе величины напряжения нулевой последовательности, дополнительно определяют замыкание на землю на основе величины тока нулевой последовательности, дифференцируют напряжение нулевой последовательности u₀, подавляют высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности 3i₀ и в производной напряжения нулевой последовательности u_0. Определяют среднеквадратичные значения тока нулевой последовательности 3I₀ и производной напряжения нулевой последовательности U'₀, находят их отношение 3I₀/U'₀, полученную при этом величину сравнивают с уставкой, определяемой емкостью фаз на землю защищаемого присоединения, при превышении которой и при наличии замыкания на землю в сети формируют выходной сигнал о внутреннем однофазном замыкании на землю. 6 ил.

Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, включающий мониторинг тока нулевой последовательности 3i₀ и напряжения нулевой последовательности u₀, определение замыкания на землю в сети на основе величины напряжения нулевой последовательности, отличающийся тем, что дополнительно определяют замыкание на землю на основе величины тока нулевой последовательности, дифференцируют напряжение нулевой последовательности u₀, подавляют высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности 3i₀ и в производной напряжения нулевой последовательности u₀, определяют среднеквадратичные значения тока нулевой последовательности 3I₀ и производной напряжения нулевой последовательности U'₀, находят их отношение 3I₀/U'₀, полученную при этом величину сравнивают с уставкой, определяемой емкостью фаз на землю защищаемого присоединения, при превышении которой и при наличии замыкания на землю в сети формируют выходной сигнал о внутреннем однофазном замыкании на землю.