Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю Российский патент 2021 года по МПК H02H3/16 G01R31/08 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в радиальных секционированных сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью при определении места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) на ЛЭП, находящихся под рабочим напряжением, а также для защиты таких сетей, где актуальным является определение присоединения с ОЗЗ, по результатам которого обеспечивают отключение данного присоединения.

Известен способ для определения присоединения с ОЗЗ и его защиты, в которых в случае возникновения ОЗЗ принудительно создают в сети режим двойного двухместного замыкания на землю путем кратковременного соединения с землей через токоограничивающий резистор одной из неповрежденных фаз общих шин (RU 2304334, МПК Н02Н 3/16, опубл. 10.08.2007).

Недостатками данного технического решения является низкая точность определения места повреждения в сети и низкая селективность защиты, связанные с ограниченной обработкой информационных данных.

Наиболее близким к предложенному является способ корреляционной защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, согласно которому на шинах, общих для присоединений, измеряют фазные напряжения и напряжение нулевой последовательности, а на участках присоединений - токи нулевой последовательности и напряжения фаз, возникновение ОЗЗ фиксируют по увеличению напряжения нулевой последовательности на общих шинах выше заданного значения, при этом контролируют отсутствие в сети режима двойного замыкания на землю, поврежденную фазу выявляют по уменьшению напряжения фазы присоединений ниже заданного значения, формируют цепь для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю с использованием принудительного выборочного замыкания на землю через токоограничивающий резистор одной из неповрежденных фаз общих шин, выявляют значения аварийных составляющих токов каждого из присоединений, с помощью корреляционного анализа указанных аварийных составляющих токов определяют присоединение и его участок с ОЗЗ и отключают его (RU 2711296, МПК Н02Н 3/16, опубл. 16.01.2020).

Недостатком данного технического решения является низкая селективность защиты при ОЗЗ в последовательной цепочке линий в радиальной секционированной сети 6-35 кВ.

Технической задачей изобретения является повышение селективности защиты.

Технический результат заключается в повышении технического совершенства функционирования защиты от однофазных замыканий на землю.

Это достигается тем, что способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю, заключающийся в измерении напряжения нулевой последовательности на шинах общих для присоединений, а также токов нулевой последовательности в присоединениях и напряжения их фаз, фиксации возникновения ОЗЗ по увеличению напряжения нулевой последовательности на общих шинах выше заданного значения, при этом контролируют отсутствие в сети режима двойного замыкания на землю, выявлении поврежденной фазы по уменьшению напряжения одной из фаз общих шин ниже заданного значения, формировании цепи для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю принудительным выборочным замыканием на землю через токоограничивающий резистор одной из неповрежденных фазы общих шин, выявлении значения аварийных составляющих токов каждого из присоединений, определении присоединения и его участка с ОЗЗ с помощью корреляционного анализа указанных аварийных составляющих токов и отключении его, при этом формируют многократно через заданные интервалы времени цепь для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю, осуществляют корреляционный анализ аварийных составляющих токов каждого из присоединений с учетом траектории протекания искусственно созданного импульсного тока и фазовых соотношений аварийных составляющих, формируют срабатывание соответствующих автокорреляционных измерительных реле в составе введенных устройств релейной защиты, установленных в цепях на трассе протекания тока двойного двухместного замыкания на землю между местом повреждения и токоограничивающим резистором, при обнаружении заданной временной последовательности искусственно созданных импульсов тока и выявлении ожидаемой функции автокорреляции, определяют место ОЗЗ по сработавшим автокорреляционным измерительным реле, а отключение присоединения и его участка с ОЗЗ осуществляют с выдержкой времени, выбранной по ступенчатому принципу с нарастанием на каждом шаге по направлению к месту установки токоограничивающего резистора.

Дополнительным является решение, когда принудительное замыкание на землю осуществляют дважды с интервалом времени сдвига t_c между импульсами, равным трем периодам промышленной частоты (60 мс), при этом для определения функции автокорреляции на каждом из присоединений на интервале формирования искусственно созданного многоимпульсного тока, интегрируют произведения аварийных составляющих токов i_{ав.сост.}(t)⋅i_{aв.сост.}(t-t_c), где t_c - время сдвига.

Также при формировании импульса искусственно созданного тока обеспечивают заранее заданное значение его начальной фазы, при этом по значению начальной фазы импульсов, обнаруженных в устройствах релейной защиты в различных точках защищаемой электрической сети определяют направления мощности и реализуют селективность действия устройств релейной защиты.

Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю осуществляют следующим образом.

Измеряют напряжение нулевой последовательности на шинах общих для присоединений, а также токи нулевой последовательности в присоединениях и напряжения их фаз, фиксируют возникновение ОЗЗ по увеличению напряжения нулевой последовательности на общих шинах выше заданного значения, при этом контролируют отсутствие в сети режима двойного замыкания на землю. Выявляют поврежденную фазу по уменьшению напряжения одной из фаз общих шин ниже заданного значения, формируют цепь для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю принудительным выборочным замыканием на землю через токоограничивающий резистор одной из неповрежденных фаз общих шин. Выявляют значения аварийных составляющих токов каждого из присоединений, с помощью корреляционного анализа указанных аварийных составляющих токов определяют присоединение и его участок с ОЗЗ и отключают его. При этом устанавливают устройства релейной защиты в цепях на трассе протекания тока двойного двухместного замыкания на землю между местом повреждения и токоограничивающим резистором, цепь для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю формируют многократно через заданные интервалы времени. Корреляционный анализ аварийных составляющих токов каждого из присоединений осуществляют с учетом траектории протекания искусственно созданного импульсного тока и фазовых соотношений аварийных составляющих. В случае обнаружения заданной временной последовательности искусственно созданных импульсов тока и выявлении ожидаемой функции автокорреляции обеспечивают срабатывание соответствующих автокорреляционных измерительных реле в составе устройства релейной защиты. Место ОЗЗ определяют по сработавшим автокорреляционным измерительным реле. Отключают поврежденную линию в цепочке линий радиальной секционированной сети (присоединение и его участок с ОЗЗ) с выдержкой времени, которая выбирается для последовательно включенных устройств релейной защиты по ступенчатому принципу с нарастанием на каждом шаге по направлению к месту установки токоограничивающего резистора в точках секционирования.

В частности, замыкают на землю через токоограничивающий резистор одну и ту же неповрежденную фазу или с чередованием обеих неповрежденных фаз.

Принудительное замыкание на землю осуществляют дважды с интервалом времени сдвига t_c между импульсами, равным трем периодам промышленной частоты (60 мс), при этом для определения функции автокорреляции на каждом из присоединений на интервале формирования искусственно созданного многоимпульсного тока, интегрируют произведения аварийных составляющих токов i_{aв.сост.}(t)⋅i_{aв.сост.}(t-t_c), где t_c - время сдвига.

При формировании импульса искусственно созданного тока обеспечивают заранее заданное значение его начальной фазы, при этом по значению начальной фазы импульсов, обнаруженных в устройствах релейной защиты в различных точках защищаемой электрической сети определяют направления мощности и реализуют селективность действия устройств релейной защиты.

Место ОЗЗ в радиальной секционированной сети сигнализируют по сработавшим автокорреляционным измерительным реле, установленным в цепях на трассе протекания тока двойного двухместного замыкания на землю между местом повреждения и токоограничивающим резистором, при этом соответствующие сигналы о срабатывании реле передают на трансформаторную подстанцию в центр питания, например, с помощью телемеханических средств.

Автокорреляционные измерительные реле в составе устройств релейной защиты действуют при обнаружении заданной временной последовательности импульсов наложенного тока и своими выходными сигналами обеспечивают запуск реле времени, выдержки времени которых выбирают по ступенчатому принципу с нарастанием по мере приближения места установки устройств релейной защиты к месту включения резистора на подстанции в центре питания. При этом после селективного отключения поврежденного элемента с ОЗЗ возврат и сброс набранных значений выдержки времени в остальных устройствах релейной защиты реализуется по факту уменьшения напряжения нулевой последовательности. Селективность предложенного способа дополнительно обеспечивается алгоритмом контроля фазовых соотношений аварийных составляющих электрических величин, обусловлянных передним фронтом и последующим спадом искусственно формируемых импульсов тока через токоограничивающий резистор.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема расстановки устройств для защиты от ОЗЗ в сети 6-35 кВ, на фиг.2 представлена временная диаграмма, характеризующая работу защитных устройств при ОЗЗ в сети по схеме на фиг.1, а на фиг.3 и 4 приведены структуры алгоритмов терминалов РЗ, реализующих в центре питания корреляционный, а на трансформаторной подстанции и распределительном пункте - автокорреляционную защиту при ОЗЗ.

Реализация предложенного способа рассматривается на примере выполнения ступенчатой корреляционной защиты при ОЗЗ в сети 6-35 кВ, в которой в центре питания алгоритм устройства релейной защиты работает на основе корреляционных измерительных реле, а для трансформаторной подстанции и распределительного пункта предусмотрен алгоритм определения поврежденного присоединения и его участка с ОЗЗ - посредством автокорреляционных измерительных реле.

На схеме (фиг.1) обозначены: энергосистема 1, трансформаторные подстанции (ТП) 2 и 3, распределительный пункт (РП) 4, силовые трансформаторы 5-7, сдвоенная кабельная линия 8, устройства (терминалы) релейной защиты (РЗ) 9-11, безинерционный статический коммутатор 12, токоограничивающий резистор 13, силовые выключатели 14-22, измерительные трансформаторы напряжения 23, 24, точки ОЗЗ 25-31.

В данном случае приводится ступенчатая РЗ участка сети с двумя ТП 2 и 3 и одним РП 4. На ТП 2 устанавливают коммутатор 12 с токоограничивающим резистором 13, формируют команды терминала 9 РЗ с учетом данных от избирателя поврежденных фаз по условию снижения и повышения фазных напряжений при ОЗЗ. Посредством этих команд импульсно многократно включают токоограничивающий резистор 13. ТП 2 и ТП 3 связывают через выключатели 18, 19 линией, имеющей глухое ответление с транформатором 7. Осуществляют питание распределительного пункта РП 3 от ТП 3 по сдвоенной кабельной линии через выключатель 21. Через выключатель 22 осуществляется питание участка сети с ОЗЗ в точке 31.

Подводят к устройству РЗ 9 на ТП 2 в центре питания токи (суммы токов фаз) всех присоединений. Также к устройству РЗ 9 подводят ток однофазного токоограничивающего резистора 13 и три фазных напряжения на шинах ТП 2 от измерительного трансформатора напряжения 23.

Алгоритм управления коммутатором 12 предусматривает строгое выполнение заранее выбранных временных соотношений по длительности (t_u) импульсных включений токоограничивающего резистора 13, например t_u=20 мс и сдвига по времени t_С между импульсами на двухкратное включение этого токоограничивающего резистора 13, например t_С=60 мс, причем реализуют заранее заданную начальную фазу импульсного тока через токоограничивающий резистор 13. Строгое задание начальной фазы искуственно формируюмых импульсов наложенного тока двойного двухместного повреждения обеспечивает направленное действие устройств РЗ по одной входной электрической величине (по фазе импульсного тока в контролируемой точке электрической сети).

Реализуют работу устройств РЗ 9-11 в соответствии с временной диаграммой (см. фиг.2), где отмечены:

t₁ - доаварийный режим;

t₂ - момент ОЗЗ, появления 3U₀;

t₃ - режим ОЗЗ в точке, например, в точке 27 (ОЗЗ-3) до его отключения по команде от устройства РЗ 9 выключателем 18 с выдержкой времени;

t₄ - пуск устройства РЗ 9 по напряжению нулевой последовательности и формирование наложенного двухкратного импульсного тока в цепи между точкой ОЗЗ и токоограничивающим резистором 13 путем включения и отключения безинерционного статического коммутатора 12, формирование цифровых осциллограмм входных электрических величин, формирование их аварийных составляющих (Δ-модуляция);

t₅ - формирование значений корреляционных функций (устройство РЗ 9) и автокорреляционных функций (устройства РЗ 10-11), возможные срабатывания корреляционных измерительных реле, синхронизированный пуск реле времени в устройствах РЗ 9-11 по импульсам наложенного тока в момент окончания интервала t₅, сброс реле времени по факту уменьшения напряжения нулевой последователвности;

t₆ - момент возможного срабатывания устройств РЗ 9-11 без выдержки времени по алгоритмам с абсолютной селективностью;

t₇ - момент возможного срабатывания устройства РЗ 10 (отстроена по времени на ступень селективности от устройства РЗ 11);

t₈ - момент возможного срабатывания устройства РЗ 9 (отстроена по времени на ступень селективности от устройства РЗ 10).

Селективное отключение ОЗЗ обеспечивают устройства РЗ 9-11 посредством алгоритма, в котором сочетаются принципы абсолютной и относительной селективности с нарастанием выдержки времени по мере приближения к месту установки токоограничивающего резистора в центре питания.

Из схемы на фиг.1, например, следует:

• При ОЗЗ в точке 25 (ОЗЗ-1) отключение силового выключателя 14 (Q1) без выдержки времени при срабатывании корреляционных реле по цепям между силовыми выключателями 14 и 16 (Q1 и QR) в момент t₆ на фиг.2.

• При ОЗЗ в точке 26 (ОЗЗ-2) отключение силового выключателя 14 (Q1) от устройства релейной защиты 9 (РЗ-1) без выдержки времени по алгоритму логической защиты шин (момент t₆ на фиг.2).

• При ОЗЗ в точке 27 (ОЗЗ-3) отключение силового выключателя 18 (Q3) от устройства релейной защиты 9 (РЗ-1) с выдержкой времени (момент t₈ на фиг.2).

• При ОЗЗ в точке 28 (ОЗЗ-4) отключение силового выключателя 19 (Q3) от устройства релейной защиты 10 (РЗ-2) без выдержки времени по алгоритму логической защиты шин (момент t₆ на фиг.2).

• При ОЗЗ в точке 29 (ОЗЗ-5) отключение силового выключателя 20 от устройства релейной защиты 10 (РЗ-2) без выдержки времени (момент t₆ на фиг.2).

• При ОЗЗ в точке 30 (ОЗЗ-6) отключение силового выключателя 21 (Q6) с выдержкой времени от устройства релейной защиты 10 (РЗ-2) (момент t₇ на фиг.2)

• При ОЗЗ в точке 31 (ОЗЗ-7) отключение силового выключателя 22 (Q7) без выдержки времени от устройства релейной защиты 11 (РЗ-3) (момент t₆ на фиг.2).

Сигнал селективной сигнализации от устройства РЗ 11 о наличии ОЗЗ на одном из двух сдвоенных кабелей линии 8 формируют по сигналам о начальных фазах обнаруженных импульсов наложенного тока. Импульсы наложенного тока формируют по командам от устройства РЗ 9 таким образом, что их заданная начальная фаза равна, например нулю, то есть заранее известна. Поэтому путем контроля начальных фаз импульсов наложенного тока определяют в устройстве РЗ 11 направление мощности импульсов наложенного тока в каждом из двух кабелей сдвоенной кабельной линии 8 со стороны включателя 22 и, в итоге, выбирают поврежденный кабель. Корреляционный и автокорреляционный алгоритмы измерительных реле, реализуемые в устройствах РЗ 9-11 оперируют с аварийными составляющими входных токов i_{aв.сост(t)}=i_вx(t)-i_{вх(t-20 мс)}, где i_вx(t) - значение входного тока в момент времени t, i_{вч(t-20 мс)} - значение входного тока в момент времени (t - 20 мс) по структурным схемам их алгоритмов, приведенных на фиг.3, 4.

Интегрируют произведения аварийных составляющих токов i_{aв.сост.}(t) и i_{aв.сост.}(t-t_c) для определения функции автокорреляции на каждом из присоединений на интервале 2t импульсов наложенного тока. При обнаружении заданной временной последовательности импульсов наложенного тока и выявлении ожидаемой функции автокорреляции обеспечивают срабатывание соответствующих автокорреляционных измерительных реле.

Место ОЗЗ в радиальной секционированной сети определяют по сработавшим автокорреляционным измерительным реле, установленным в цепях на трассе протекания тока двойного двухместного замыкания на землю между местом повреждения и токоограничивающим резистором. Соответствующие сигналы о срабатывании реле передают на ТП 1 в центр питания, например, с помощью телемеханических средств.

Автокорреляционные измерительные реле в составе устройств релейной защиты срабатывают при обнаружении заданной временной последовательности импульсов наложенного тока и своими выходными сигналами обеспечивают в секционированной сети селективную сигнализацию цепи от места включения резисторов до места ОЗЗ. При этом селективность предложенного способа дополнительно обеспечивается алгоритмом контроля фазовых соотношений аварийных составляющих электрических величин, обусловленных передним фронтом и последующим спадом искусственно формируемых импульсов тока через токоограничивающий резистор.

Использование изобретения повышает техническое совершенство функционирования защиты от ОЗЗ за счет использования токоограничивающего резистора меньшей мощности и повышает селективность защиты, а именно, обеспечивает определение поврежденного участка за счет проведения корреляционного анализа на основе автокорреляционных функций, т.е. с нахождением взаимосвязей между разными точками во времени внутри одного процесса.

Использование: в области электроэнергетики для определении места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) на ЛЭП, находящихся под рабочим напряжением. Технический результат - повышение селективности и технического совершенства защиты. Способ заключается в измерении напряжения нулевой последовательности на шинах общих для присоединений, а также токов нулевой последовательности в присоединениях и напряжения их фаз, фиксации возникновения ОЗЗ по увеличению напряжения нулевой последовательности на общих шинах выше заданного значения, при этом контролируют отсутствие в сети режима двойного замыкания на землю, выявлении поврежденной фазы по уменьшению напряжения одной из фаз общих шин ниже заданного значения, формировании цепи для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю принудительным выборочным замыканием на землю через токоограничивающий резистор одной из неповрежденных фазы общих шин, выявлении значения аварийных составляющих токов каждого из присоединений, определении присоединения и его участка с ОЗЗ с помощью корреляционного анализа указанных аварийных составляющих токов и отключении его. При этом формируют многократно через заданные интервалы времени цепь для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю, осуществляют корреляционный анализ аварийных составляющих токов каждого из присоединений с учетом траектории протекания искусственно созданного импульсного тока и фазовых соотношений аварийных составляющих, формируют срабатывание соответствующих автокорреляционных измерительных реле в составе введенных устройств релейной защиты, установленных в цепях на трассе протекания тока двойного двухместного замыкания на землю между местом повреждения и токоограничивающим резистором, при обнаружении заданной временной последовательности искусственно созданных импульсов тока и выявлении ожидаемой функции автокорреляции, определяют место ОЗЗ по сработавшим автокорреляционным измерительным реле, а отключение присоединения и его участка с ОЗЗ осуществляют с выдержкой времени, выбранной по ступенчатому принципу с нарастанием на каждом шаге по направлению к месту установки токоограничивающего резистора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ), заключающийся в измерении напряжения нулевой последовательности на шинах общих для присоединений, а также токов нулевой последовательности в присоединениях и напряжения их фаз, фиксации возникновения ОЗЗ по увеличению напряжения нулевой последовательности на общих шинах выше заданного значения, при этом контролируют отсутствие в сети режима двойного замыкания на землю, выявлении поврежденной фазы по уменьшению напряжения одной из фаз общих шин ниже заданного значения, формировании цепи для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю принудительным выборочным замыканием на землю через токоограничивающий резистор одной из неповрежденных фазы общих шин, выявлении значения аварийных составляющих токов каждого из присоединений, определении присоединения и его участка с ОЗЗ с помощью корреляционного анализа указанных аварийных составляющих токов и отключении его, отличающийся тем, что формируют многократно через заданные интервалы времени цепь для кратковременного протекания тока двойного двухместного замыкания на землю, осуществляют корреляционный анализ аварийных составляющих токов каждого из присоединений с учетом траектории протекания искусственно созданного импульсного тока и фазовых соотношений аварийных составляющих, формируют срабатывание соответствующих автокорреляционных измерительных реле в составе введенных устройств релейной защиты, установленных в цепях на трассе протекания тока двойного двухместного замыкания на землю между местом повреждения и токоограничивающим резистором, при обнаружении заданной временной последовательности искусственно созданных импульсов тока и выявлении ожидаемой функции автокорреляции, определяют место ОЗЗ по сработавшим автокорреляционным измерительным реле, а отключение присоединения и его участка с ОЗЗ осуществляют с выдержкой времени, выбранной по ступенчатому принципу с нарастанием на каждом шаге по направлению к месту установки токоограничивающего резистора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принудительное замыкание на землю осуществляют дважды с интервалом времени сдвига t_c между импульсами, равным трем периодам промышленной частоты (60 мс), при этом для определения функции автокорреляции на каждом из присоединений на интервале формирования искусственно созданного многоимпульсного тока интегрируют произведения аварийных составляющих токов i_{ав.сост.}(t)⋅i_{ав.сост.}(t-t_c), где t_c - время сдвига.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании импульса искусственно созданного тока обеспечивают заранее заданное значение его начальной фазы, при этом по значению начальной фазы импульсов, обнаруженных в устройствах релейной защиты в различных точках защищаемой электрической сети, определяют направления мощности и реализуют селективность действия устройств релейной защиты.