Устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях среднего напряжения Российский патент 2025 года по МПК H02H3/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для определения поврежденного присоединения при однофазном замыкании на землю (далее ОЗЗ) в распределительных электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, с резонансным заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (компенсацией емкостных токов) или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор. Селективная защита от ОЗЗ в сетях с малыми токами замыкания на землю может выполняться как с применением индивидуальных (на одно присоединение), так и централизованных устройств, охватывающих все присоединения, подключенные к шинам защищаемого объекта. Преимуществами централизованных исполнений устройств является уменьшение удельных (на одно присоединение) расходов на выполнение защиты сети от ОЗЗ, упрощение ее проектирования и эксплуатации. Централизованные исполнения защиты от ОЗЗ актуальны прежде всего в распределительных кабельных сетях напряжением 6–10 кВ систем промышленного и городского электроснабжения.

Уровень техники

Известны централизованные токовые устройства защиты от ОЗЗ (ЦУЗЗ), основанные на использовании способа относительного замера амплитуд бросков переходных токов нулевой последовательности i₀ в присоединениях защищаемого объекта, например, устройства «Земля» (Борухман, В.А. Центральное устройство селективной сигнализации замыканий на землю типа «Земля» / В.А. Борухман, В.И. Иоэльсон // Наладочные и экспериментальные работы ОРГРЭС. Вып 35. – М.: Энергия. – 1968. – С. 316–324), «Феррит» (Лебедев, О.В. О защите от замыканий на землю компенсированных кабельных сетей 6–10 кВ с использованием принципа сравнения амплитуд переходных токов / О.В. Лебедев, В.А. Шуин // Электричество. – 1973. – № 12. – С. 12–17.), «СЗВИ» (Бухтояров, В.Ф. Централизованное устройство селективной сигнализации замыканий на землю типа СЗВИ / В.Ф. Бухтояров, В.Е. Поляков, А.Н. Зырянов // Электрические станции. – 1968. – № 11. – С. 78–80), получившие применение в компенсированных и некомпенсированных кабельных сетях 6–10 кВ в 60-80-е годы. Устройства защиты от ОЗЗ на основе переходных процессов обладают независимостью от режима заземления нейтрали сети и обеспечивают возможность фиксации всех разновидностей замыканий (устойчивых и дуговых), включая кратковременные самоустраняющиеся (далее КрОЗЗ), информация о которых может быть использована для диагностирования состояния изоляции линий и других элементов сети. Недостатками ЦУЗЗ рассматриваемого типа является отсутствие непрерывности действия при устойчивых ОЗЗ (УОЗЗ), необходимой при отыскании поврежденного участка линии с применением метода оперативных переключений в сети и при выполнении защиты с действием на отключение, зависимость селективности и чувствительности и, следовательно, области возможного применения от соотношений емкостных токов присоединений, подключенных к ЦУЗЗ, сложность расчетов с приемлемой точностью амплитуд бросков переходных токов i₀ в поврежденном и неповрежденных присоединениях для оценки условий применимости ЦУЗЗ на данном принципе, влияние на устойчивость функционирования защиты погрешностей кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП) в переходных режимах ОЗЗ, неселективная работа при замыканиях на шинах защищаемого объекта.

Повышение технического совершенства (селективности и устойчивости функционирования) по сравнению с токовыми ЦУЗЗ относительного замера значений переходных токов позволяют обеспечить централизованные направленные устройства защиты от ОЗЗ (ЦНУЗЗ), основанные на контроле фазных соотношений (соотношений начальных знаков) переходных токов i₀ в присоединениях защищаемого объекта и опорной (поляризующей) величины. В качестве поляризующей величины в ЦНУЗЗ на основе переходных процессов, как правило, используются напряжение нулевой последовательности u₀, его производная du₀/dt или ток 3i₀ одного из присоединений (например, питающего фидера или ввода). Использование в качестве поляризующей величины производной du₀/dt обеспечивает высокую устойчивость функционирования направленной защиты от ОЗЗ на основе переходных процессов в условиях искажений начальных фазных соотношений между переходными токами и напряжением нулевой последовательности в момент зажигания заземляющей дуги за счет смещения нейтрали сети (например, вследствие несимметрии емкостей фаз сети или при дуговых перемежающихся ОЗЗ). К ЦНУЗЗ данного типа относится устройство «Импульс» (Шуин В.А. Централизованное направленное устройство сигнализации однофазных замыканий на землю с использованием переходных процессов / В.А. Шуин, А.В. Гусенков, А.И. Дроздов // Электрические станции. – 1993. – № 9. – С. 53–57; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2001; SU 1275622 A1, МПК H02H3/16. Централизованное устройство для направленной защиты от замыкания на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью /О.В. Лебедев, В.А. Шуин, А.М. Чухин, А.К. Полкошников. – Опуб. 07.12.1986), содержащее пусковой орган максимального напряжения нулевой последовательности, подключенный к фильтру напряжения нулевой последовательности (ФННП), для отстройки от переходных режимов, не связанных с ОЗЗ; формирователь знаков первых полуволн положительной или отрицательной полярности опорной (поляризующей) величины – производной напряжения нулевой последовательности, подключенный к ФННП, формирователи знаков первых полуволн положительной или отрицательной полярности переходного тока на каждом из n присоединений защищаемого объекта, подключенные к фильтрам тока нулевой последовательности, например, ТТНП; быстродействующий суммарный токовый пусковой орган, входы которого подключены к выходам формирователей знаков полуволн переходного тока всех присоединений, а выход – к входу блока автоматического изменения порога срабатывания всех формирователей знаков полуволн переходного тока; схемы сравнения знаков полуволн переходных токов и опорной величины, элементы оперативной памяти для запоминания факта совпадения начальных знаков сравниваемых величин с автоматическим стиранием из них любой ранее записанной информации; элементы долговременной памяти, передача информации в которые из элементов оперативной памяти происходит при срабатывании пускового органа по напряжению нулевой последовательности; исполнительные элементы (например, индикаторы), подключенные к выходу элементов долговременной памяти.

Преимуществами ЦНУЗЗ по сравнению с ЦУЗЗ является возможность получения от контактного выхода устройства как общего неселективного сигнала о срабатывании устройства (по напряжению 3U₀), так и общего селективного сигнала только при возникновении ОЗЗ в зоне действия устройства или на шинах; отсутствие ограничений области применения по соотношению емкостных токов присоединений, более высокая чувствительность к переходным токам, упрощение проектирования и эксплуатации защиты от ОЗЗ. Основными недостатками ЦНУЗЗ являются отсутствие непрерывности действия при УОЗЗ, невозможность применения на объектах, не оборудованных трансформаторами напряжения для измерения напряжения нулевой последовательности, возможность неправильных срабатываний при нарушениях во вторичных цепях напряжения или ошибках в полярности подключения вторичных цепей кабельных ТТНП.

Известно устройство централизованной защиты от ОЗЗ (RU 2410812 C2 H02H3/16. Устройство быстродействующей селективной защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях с возможностью безаварийного ввода резерва// Шонин О.Б., Рогов П.А. – Опуб. 27.01.2011), основанное на контроле направления токов нулевой последовательности присоединений относительно тока питающего фидера, содержащее датчики тока нулевой последовательности, выключатели фидеров узла нагрузки, устройства автоматического ввода резерва, информационную сеть, устройство защиты узла нагрузки, преобразователь тока и напряжения, АЦП, исполнительный элемент, блок питания. Операции по измерению, перемножению с последующим интегрированием, кодированию сигнала, обмен информацией со смежными узлами, управление выключателями реализованы с помощью микропроцессорных устройств.

Преимуществом ЦНУЗЗ, использующими в качестве поляризующей величины ток 3i₀ питающего фидера, является возможность применения устройства на объектах, не оснащенных ФННП (например, распределительных и трансформаторных пунктах (РП и ТП) кабельных сетей промышленного электроснабжения и др.). Однако такие ЦНУЗЗ нельзя применить на центрах питания (ЦП) распределительных сетей среднего напряжения, на которых вводы на сборные шины не оснащены кабельными ТТНП (например, выполнены токопроводом). Во всем остальном устройство имеет такие же недостатки, как и ЦНУЗЗ, использующие в качестве поляризующей величины напряжение u₀ или его производную du₀/dt.

Для обеспечения непрерывности действия при устойчивых замыканиях в сетях, работающих с изолированной нейтралью или с резистивным заземлением нейтрали, могут применяться токовые ЦУЗЗ относительного замера и ЦНУЗЗ, основанные на использовании токов и напряжения нулевой последовательности установившегося режима ОЗЗ. Однако такие защиты неэффективны при наиболее опасных для сети и поврежденного элемента дуговых перемежающихся ОЗЗ (ДПОЗЗ), сопровождающихся перенапряжениями и значительным увеличением среднеквадратичного значения тока в месте повреждения. В то же время известно, что большая часть ОЗЗ в кабельных сетях 6–10 кВ в начальной стадии развития повреждения имеет дуговой перемежающийся характер (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). Поэтому в сетях с изолированной нейтралью ЦУЗЗ и ЦНУЗЗ, основанные на использовании токов и напряжения нулевой последовательности установившегося режима ОЗЗ, практически не получили применения.

В компенсированных кабельных сетях среднего напряжения получили применение токовые ЦУЗЗ относительного замера, основанные на сравнении уровней высших гармоник в токах нулевой последовательности присоединений защищаемого объекта. Для выполнения централизованной сигнализации ОЗЗ на принципе относительного замера высших гармоник в токе 3i₀ наиболее широкое применение получили устройства типа УСЗ-3М, выпускаемые ЧЭАЗ (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2001). Устройство УСЗ-3М состоит из согласующего трансформатора, фильтра, подавляющего составляющие промышленной частоты и высшие гармоники с частотой более 2 кГц, и реагирующего органа – чувствительного микроамперметра, включенного на выходе фильтра через выпрямительный мост. УСЗ-3М подключается вручную поочередно к ТТНП всех присоединений защищаемого объекта, а поврежденное присоединение определяется по наибольшему показанию микроамперметра. Достоинствами УСЗ-3М являются простота, надежность, универсальность, т.е. пригодность для применения практически в любых сетях 6–10 кВ, работающих с компенсацией емкостного тока или с изолированной нейтралью. Основными недостатками устройства являются: невозможность четкой фиксации поврежденного присоединения при КрОЗЗ и дуговых прерывистых замыканиях, включая наиболее опасные ДПОЗЗ, необходимость участия оперативного персонала в работах по определению поврежденного присоединения, что увеличивает время поиска и ликвидации замыкания на землю, особенно на подстанциях без постоянного обслуживающего персонала, невозможность автоматического формирования сигнала срабатывания защиты и выполнения ее с действием на отключение.

Изложенное выше позволяет сделать вывод, что эффективное универсальное техническое решение в части централизованной защиты от ОЗЗ как для компенсированных, так и для некомпенсированных кабельных сетей среднего напряжения, обеспечивающее высокую селективность и устойчивость функционирования при всех учитываемых видах замыканий на землю, возможно только на основе многофункциональных устройств, реализующих несколько разных способов определения поврежденного присоединения с использованием электрических величин как установившегося режима, так и переходного процесса, возникающего при пробое изоляции фазы сети на землю. Достаточно простая техническая реализация многофункциональной централизованной защиты от ОЗЗ возможна только на цифровой микропроцессорной базе.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому изобретению является многофункциональное цифровое устройство централизованной защиты от ОЗЗ (RU 88859 U1 H02H3/16. Устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью // Горюнов В.А., Ерушин В.П., Тимофеев И.П. – Опуб. 20.11.2009), содержащее по числу присоединений трансформаторы тока нулевой последовательности, два измерительных трансформатора напряжения нулевой последовательности, первичные обмотки которых подключены к двум секциям сборных шин питающей подстанции, а обмотки «разомкнутый треугольник» соединены с входом устройства сопряжения по напряжению, отличающееся тем, что в него введены устройства сопряжения по числу защищаемых линий, включающие в себя датчик тока нулевой последовательности и выходное реле, блоки оцифровки сигнала по числу защищаемых линий и трансформаторов напряжения, микроконтроллер, блок индикации и управления, подключенный по линии связи к интерфейсу связи, который с помощью линии связи соединен с микроконтроллером, соответствующие выходы трансформаторов тока нулевой последовательности соединены с входами датчиков тока нулевой последовательности, к первым входам блоков оцифровки сигнала подключены выходы соответствующих датчиков тока нулевой последовательности и устройств сопряжения по напряжению, вторые входы блоков оцифровки сигнала соединены с соответствующими первыми выходами микроконтроллера, первые входы которого соединены с выходами блоков оцифровки сигнала, вторые выходы микроконтроллера соответственно соединены с входами выходных реле, третьи выходы микроконтроллера подключены к входам дискретных выходов, а вторые входы – к выходам дискретных входов.

В наиболее близком аналоге в целях повышения достоверности селективного определения поврежденных присоединений и секций сборных шин как в установившихся, так и в переходных режимах ОЗЗ и расширения функциональных возможностей используется два способа идентификации поврежденного присоединения при устойчивых ОЗЗ. Первый из них основан на использовании принципа относительного замера действующих значений 3I₀ токов нулевой последовательности всех присоединений – значение 3I₀ тока в поврежденном присоединении всегда больше, чем в любом из неповрежденных. Второй способ основан на сравнении между собой фаз векторов токов нулевой последовательности 3I₀ всех присоединений – в поврежденном присоединении вектор тока 3I₀ всегда противоположен по фазе векторам токов 3I₀ в неповрежденных присоединениях, что позволяет определить не только поврежденное присоединение, но и ОЗЗ на секции шин.

Прототип предназначен для применения только в сетях, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, что не позволяет применять устройство данного типа в компенсированных сетях и ограничивает его универсальность. К недостаткам устройства относятся также отсутствие фиксации КрОЗЗ, возможности распознавания устойчивых и дуговых замыканий (т.к. действие защиты от ОЗЗ на отключение в большинстве случаев целесообразно только при опасных ДПОЗЗ), не всегда достаточная устойчивость функционирования при дуговых прерывистых замыканиях.

Таким образом, известные устройства централизованной защиты от ОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, с резонансным заземлением нейтрали через дугогасящий реактор или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, не всегда обеспечивают высокое техническое совершенство при различных видах ОЗЗ и/или имеют ограниченную универсальность в части области возможного применения как в компенсированных, так и некомпенсированных сетях.

Технической задачей изобретения является преодоление недостатков существующего уровня техники.

При решении технической задачи изобретением достигается технический результат, заключающийся в повышении селективности, устойчивости функционирования и универсальности централизованной защиты при всех видах учитываемых ОЗЗ в кабельных и смешанных кабельно-воздушных распределительных сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, с компенсацией емкостных токов или с резистивным заземлением нейтрали.

Раскрытие сущности изобретения

Изобретение представляет собой устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях среднего напряжения, содержащее по числу присоединений n трансформаторы тока нулевой последовательности, вторичные обмотки которых соединены с входами устройств сопряжения по току, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, первичная обмотка которого подключена к секции шин питающей подстанции, а обмотка «разомкнутый треугольник» соединена с входом устройства сопряжения по напряжению, при этом, согласно изобретению, устройства сопряжения по току содержат последовательно включенные резистивный шунт, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства сопряжения по току, устройство сопряжения по напряжению содержит последовательно включенные резистивный делитель напряжения, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства сопряжения по напряжению, и в него введены n формирователей параметров входного тока, каждый из которых содержит блок вычисления среднеквадратичного значения входного тока, блок преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного тока и блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного тока, при этом выходы блока вычисления среднеквадратичного значения и блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих образуют соответственно 1-й и 2-й выходы формирователя параметров входного тока; введен формирователь параметров входного напряжения, содержащий блок вычисления среднеквадратичного значения входного напряжения, блок преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного напряжения и блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного напряжения, при этом выходы блока вычисления среднеквадратичного значения и блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного тока образуют соответственно 1-й и 2-й выходы, а выход блока преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники – 3-й выход формирователя параметров входного напряжения; введены n программных переключателей режима нейтрали сети с двумя входами и одним выходом каждый; введена схема сравнения значений входных токов с n входами и n дискретными выходами; блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания основного алгоритма с дискретными n входами и выходами, входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти; введен первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки; введен второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты; введен узел блокировки схемы сравнения значений входных токов при гашении заземляющей дуги, включающий последовательно соединенные дифференциатор и элемент сравнения, выход которого является выходом упомянутого узла блокировки; введен блок распознавания дуговых замыканий на землю, включающий последовательно соединенные элемент деления и элемент сравнения входной величины с заданным значением, выход которого является выходом упомянутого блока распознавания; введен пусковой орган максимального напряжения; введена схема централизованной направленной импульсной защиты от однофазных замыканий на землю с n входами сигналов тока, одним входом сигнала напряжения, дискретным входом пуска защиты и n +1 дискретными выходами; введен логический блок формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, имеющий 2n +3 дискретных входа, при этом цифровые выходы устройств согласования по току подключены к параллельно включенным входам блоков вычисления среднеквадратичного значения входного сигнала тока и его первой гармоники соответствующих формирователей параметров тока, выходы указанных блоков соединены с входами блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного сигнала тока, а 1-й и 2-й выходы формирователя параметров входного тока подключены к 1-му и 2-му входам переключателя режима нейтрали, выход которого присоединен к соответствующему входу по току схемы сравнения значений входных токов, дискретные выходы 1…n упомянутой схемы сравнения подключены к соответствующим входам блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания основного алгоритма, дискретными выходами 1…n присоединенный к дискретным входам 1…n логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, цифровой выход устройства согласования по напряжению подключен к параллельно соединенным входам блоков вычисления среднеквадратичного значения входного сигнала напряжения и его первой гармоники формирователя параметров напряжения, выходы блоков вычисления среднеквадратичных значений входного сигнала тока и его первой гармоники соединены с входами блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного сигнала напряжения, 1-й выход формирователя параметров напряжения подключен к входу дифференциатора узла блокировки схемы сравнения значений входных токов, а выход упомянутого узла блокировки соединен с дискретным входом фиксации блока элементов долговременной памяти через первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки, 2-й и 3-й выходы формирователя параметров напряжения подключены соответственно к 1-му и 2-му входам элемента деления блока распознавания дуговых замыканий, выход которого присоединен к (n+1)-му дискретному входу логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, вход пускового органа максимального напряжения подключен к 3-му выходу формирователя параметров напряжения, а выход соединен с дискретным входом сброса блока элементов долговременной памяти через второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, (n+2)-м дискретным входом логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации и дискретным входом пуска схемы централизованной направленной импульсной защиты, входы 1…n которой присоединены к цифровым выходам соответствующих устройств сопряжения по току, (n+1)-й вход – к цифровому выходу устройства сопряжения по напряжению, а n +1 дискретных выходов подключены к (n+3)…(2n+3)-му дискретным входам логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации.

Кроме того, схема централизованной направленной импульсной защиты от замыканий на землю с n входами сигналов тока, одним входом сигнала напряжения, дискретным входом пуска защиты и n+1 дискретными выходами содержит формирователь опорной поляризующей величины – дифференциатор входного сигнала напряжения, блок элементов оперативной кратковременной памяти амплитуд и знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины с n+1 информационными входами и выходами, схему сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины с n+1 информационными входами и n+1 дискретными выходами, блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания резервного алгоритма с дискретными n+1 входами и выходами, входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти, формирователь кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала, элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, при этом первые n входов блока элементов оперативной памяти являются входами сигналов тока централизованной направленной импульсной защиты от замыканий на землю, (n+1)-й вход упомянутого блока подключен через формирователь опорной величины к входу сигнала напряжения защиты, а выходы 1…(n+1) соединены с соответствующими информационными входами схемы сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины, дискретными выходами подключенной к соответствующим входами блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания резервного алгоритма, выходы которого являются дискретными выходами централизованной направленной импульсной защиты, при этом дискретный вход пуска защиты подключен к параллельно соединенным входам формирователя кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала и элемента логической инверсии, выходы которых соответственно соединены с дискретными входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти.

Краткое описание сопроводительных фигур

Сущность изобретения может быть дополнительно пояснена неограничивающими примерами, отраженными на сопроводительных фигурах 1-5, где:

фиг.1 – схема предлагаемого устройства централизованной защиты от ОЗЗ в распределительных сетях среднего напряжения;

фиг.2 – упрощенная схема радиальной распределительной сети среднего напряжения для пояснения соотношений емкостных токов нулевой последовательности, используемых в изобретении;

фиг.3-5 – приведены полученные на имитационных моделях расчетные осциллограммы, иллюстрирующие работу устройства защиты при появлении ДПОЗЗ и УОЗЗ на присоединении 2 и в режиме, возникающем после гашения заземляющей дуги в сетях, работающих с изолированной нейтралью, с компенсацией емкостных токов или с резистивным заземлением нейтрали, соответственно.

Отдельными позициями и обозначениями отражены следующие элементы:

1 – трансформатор тока нулевой последовательности;

2 – измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности;

3 – устройство сопряжения по току;

4 – резистивный шунт;

5 – аналого-цифровой преобразователь;

6 – цифровой фильтр;

7 – устройство сопряжения по напряжению;

8 – резистивный делитель напряжения;

9 – аналого-цифровой преобразователь;

10 – цифровой фильтр;

11 – формирователь параметров входного тока;

12 – блок вычисления среднеквадратичного значения входного тока;

13 – блок вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного тока;

14 – блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного тока;

15 – формирователь параметров входного напряжения;

16 – блок вычисления среднеквадратичного значения входного напряжения;

17 – блок вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного напряжения;

18 – блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного напряжения;

19 – программный переключатель режима нейтрали сети;

20 – схема сравнения входных токов;

21 – первый элемент логический инверсии входного сигнала блокировки;

22 – второй элемент логический инверсии входного сигнала пуска защиты;

23 – блок элементов долговременной фиксации входных сигналов срабатывания основного алгоритма;

24 – узел блокировки схемы сравнения значений входных токов при гашении заземляющей дуги;

25 – дифференциатор входного напряжения;

26 – элемент сравнения;

27 – блок распознавания дуговых замыканий на землю;

28 – элемент деления;

29 – элемент сравнения входной величины с заданным значением;

30 – пусковой орган максимального напряжения;

31 – схема централизованной направленной импульсной защиты от однофазных замыканий на землю;

32 – логический блок формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации;

33 – формирователь поляризующей величины;

34 – блок элементов оперативной (кратковременной) фиксации первых полуволн входных переходных токов и поляризующей величины;

35 – схема сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины;

36 – формирователь импульса по положительному фронту входного сигнала пуска защиты;

37 – элемент логический инверсии входного сигнала пуска защиты;

38 – блок элементов долговременной фиксации входных сигналов срабатывания резервного алгоритма;

C – трехфазный источник питания;

R_N – высокоомный резистор, включаемый при работе сети с высокоомным заземлением нейтрали;

L_N – индуктивность ДГР, включаемого при работе сети с компенсацией емкостных токов;

i_R – ток через высокоомный резистор;

i_L – ток через ДГР;

К_з⁽¹⁾ – место ОЗЗ в сети;

i_з⁽¹⁾ – ток ОЗЗ в месте повреждения;

3i₀₁, 3i₀₂ – токи нулевой последовательности неповрежденного и поврежденного присоединений соответственно;

3i_01 соб, 3i_02 соб – собственные емкостные токи неповрежденного и поврежденного присоединений соответственно;

3i_0 с – собственный емкостный ток внешней сети;

3С₀₁, 3С₀₂ – собственная емкость фаз на землю неповрежденного и поврежденного присоединений соответственно;

3С_0 с – ёмкость фаз на землю внешней сети;

u1 – сигнал на выходе устройства сопряжения по току 3 присоединения 1;

u2 – сигнал на выходе устройства сопряжения по току 3 присоединения 2;

u3 – сигналы сравниваемых среднеквадратичных значений токов в схеме сравнения входных токов 20;

u4 – сигнал на 3-ем выходе формирователя параметров входного напряжения 15;

u5 – сигнал на выходе узла блокировки схемы сравнения входных токов при гашении заземляющей дуги 24;

u6 – сигнал на выходе блока распознавания ДОЗЗ 27;

u7 – сигнал фиксации ОЗЗ на присоединении 1 с выхода логического блока 32;

u8 – сигнал фиксации ОЗЗ на присоединении 2 с выхода логического блока 32.

Осуществление изобретения

Изобретение представляет собой устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях среднего напряжения, содержащее по числу присоединений n трансформаторы тока нулевой последовательности, вторичные обмотки которых соединены с входами устройств сопряжения по току, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, первичная обмотка которого подключена к секции шин питающей подстанции, а обмотка «разомкнутый треугольник» соединена с входом устройства сопряжения по напряжению, при этом устройства сопряжения по току содержат последовательно включенные резистивный шунт, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства сопряжения по току, устройство сопряжения по напряжению содержит последовательно включенные резистивный делитель напряжения, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства сопряжения по напряжению, и в него введены n формирователей параметров входного тока, каждый из которых содержит блок вычисления среднеквадратичного значения входного тока, блок преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного тока и блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного тока, при этом выходы блока вычисления среднеквадратичного значения и блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих образуют соответственно 1-й и 2-й выходы формирователя параметров входного тока; формирователь параметров входного напряжения, содержащий блок вычисления среднеквадратичного значения входного напряжения, блок преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного напряжения и блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного напряжения, при этом выходы блока вычисления среднеквадратичного значения и блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного тока образуют соответственно 1-й и 2-й выходы, а выход блока преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники – 3-й выход формирователя параметров входного напряжения; n программных переключателей режима нейтрали сети с двумя входами и одним выходом каждый; схема сравнения значений входных токов с n входами и n дискретными выходами; блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания основного алгоритма с дискретными n входами и выходами, входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти; первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки; второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты; узел блокировки схемы сравнения значений входных токов при гашении заземляющей дуги, включающий последовательно соединенные дифференциатор и элемент сравнения, выход которого является выходом упомянутого узла блокировки; блок распознавания дуговых замыканий на землю, включающий последовательно соединенные элемент деления и элемент сравнения входной величины с заданным значением, выход которого является выходом упомянутого блока распознавания; пусковой орган максимального напряжения; схема централизованной направленной импульсной защиты от однофазных замыканий на землю с n входами сигналов тока, одним входом сигнала напряжения, дискретным входом пуска защиты и n +1 дискретными выходами; логический блок формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, имеющий 2n +3 дискретных входа, при этом цифровые выходы устройств согласования по току подключены к параллельно включенным входам блоков вычисления среднеквадратичного значения входного сигнала тока и его первой гармоники соответствующих формирователей параметров тока, выходы указанных блоков соединены с входами блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного сигнала тока, а 1-й и 2-й выходы формирователя параметров входного тока подключены к 1-му и 2-му входам переключателя режима нейтрали, выход которого присоединен к соответствующему входу по току схемы сравнения значений входных токов, дискретные выходы 1…n упомянутой схемы сравнения подключены к соответствующим входам блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания основного алгоритма, дискретными выходами 1…n присоединенный к дискретным входам 1…n логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, цифровой выход устройства согласования по напряжению подключен к параллельно соединенным входам блоков вычисления среднеквадратичного значения входного сигнала напряжения и его первой гармоники формирователя параметров напряжения, выходы блоков вычисления среднеквадратичных значений входного сигнала тока и его первой гармоники соединены с входами блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного сигнала напряжения, 1-й выход формирователя параметров напряжения подключен к входу дифференциатора узла блокировки схемы сравнения значений входных токов, а выход упомянутого узла блокировки соединен с дискретным входом фиксации блока элементов долговременной памяти через первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки, 2-й и 3-й выходы формирователя параметров напряжения подключены соответственно к 1-му и 2-му входам элемента деления блока распознавания дуговых замыканий, выход которого присоединен к (n+1)-му дискретному входу логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, вход пускового органа максимального напряжения подключен к 3-му выходу формирователя параметров напряжения, а выход соединен с дискретным входом сброса блока элементов долговременной памяти через второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, (n+2)-м дискретным входом логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации и дискретным входом пуска схемы централизованной направленной импульсной защиты, входы 1…n которой присоединены к цифровым выходам соответствующих устройств сопряжения по току, (n+1)-й вход – к цифровому выходу устройства сопряжения по напряжению, а n +1 дискретных выходов подключены к (n+3)…(2n+3)-му дискретным входам логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации.

Схема централизованной направленной импульсной защиты от замыканий на землю с n входами сигналов тока, одним входом сигнала напряжения, дискретным входом пуска защиты и n+1 дискретными выходами содержит формирователь опорной (поляризующей) величины – дифференциатор входного сигнала напряжения, блок элементов оперативной (кратковременной) памяти амплитуд и знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины с n+1 информационными входами и выходами, схему сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины с n+1 информационными входами и n+1 дискретными выходами, блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания резервного алгоритма с дискретными n+1 входами и выходами, входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти, формирователь кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала, элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, при этом первые n входов блока элементов оперативной памяти являются входами сигналов тока централизованной направленной импульсной защиты от замыканий на землю, (n+1)-й вход упомянутого блока подключен через формирователь опорной величины к входу сигнала напряжения защиты, а выходы 1…(n+1) соединены с соответствующими информационными входами схемы сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины, дискретными выходами подключенной к соответствующим входами блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания резервного алгоритма, выходы которого являются дискретными выходами централизованной направленной импульсной защиты, при этом дискретный вход пуска защиты подключен к параллельно соединенным входам формирователя кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала и элемента логической инверсии, выходы которых соответственно соединены с дискретными входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти.

ТТНП, устройства сопряжения по току и введенные формирователи информационных параметров входных токов нулевой последовательности 3i₀ (среднеквадратичного значения полного тока 3I₀, его основной гармоники тока 3I_0 50 и суммы высших гармонических составляющих 3I_0 ВГ), программные переключатели режима заземления нейтрали защищаемой сети («Изолированная» или «Компенсированная»), схема сравнения между собой среднеквадратичных значений входных сигналов тока, блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания, первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки и второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты реализуют централизованную многопараметрическую токовую защиту относительного замера, основанную на сравнении при устойчивых и дуговых замыканиях значений токов нулевой последовательности или их составляющих в присоединениях защищаемого объекта. В сетях, работающих с изолированной нейтралью или с резистивными режимами заземления нейтрали, для действия защиты используются среднеквадратичные значения полного тока 3I₀, т.е. сумма первой гармоники и высших гармонических составляющих, в компенсированных сетях – среднеквадратичные значения суммы высших гармонических составляющих 3I_0 ВГ токов нулевой последовательности. Изменение подведенных к входам схемы сравнения значений токов (3I₀ или 3I_0 ВГ) осуществляется переключением режима заземления нейтрали сети упомянутыми выше программными переключателями. Токовая защита относительного замера обеспечивает непрерывность действия при УОЗЗ и наиболее опасных для сети и поврежденного присоединения ДПОЗЗ.

Введенный узел блокировки схемы сравнения значений входных токов при гашении заземляющей дуги предотвращает возможные при высокой чувствительности ложные срабатывания токовой защиты относительного замера в переходных режимах, сопровождающих процесс разряда емкостей фаз сети после гашения заземляющей дуги или отключении замыкания на землю. Веденный блок распознавания дуговых замыканий на землю обеспечивает распознавание УОЗЗ и ДПОЗЗ, обеспечивая возможность выполнения защиты при последней разновидности замыканий на землю с действием на отключение.

ТТНП, устройства сопряжения по току и напряжению и введенные формирователь опорной (поляризующей) величины du₀/dt, блок элементов оперативной (кратковременной) памяти, схема сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока 3i₀ и опорной величины du₀/dt, блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания, формирователь кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала пуска защиты и элемент логической инверсии указанного входного сигнала реализуют централизованную направленную импульсную защиту от замыканий на землю, основанную на использовании начальных фазных соотношений (начальных знаков) переходных токов 3i₀ и производной напряжения нулевой последовательности du₀/dt. Централизованная направленная импульсная защита обеспечивает селективную фиксацию КрОЗЗ на присоединениях защищаемого объекта и распознавание ОЗЗ на шинах, а также резервирование централизованной токовой защиты относительного замера за счет селективной фиксации первых пробоев изоляции, переходящих в УОЗЗ или ДПОЗЗ.

Введенный пусковой орган максимального напряжения нулевой последовательности реализует общую неселективную защиту от ОЗЗ (контроль изоляции), а также функции пускового органа централизованной токовой защиты относительного замера и централизованной импульсной направленной защиты, обеспечивая их отстройку от режимов без ОЗЗ, например, коммутационных переключений в сети, электромагнитных наводок во вторичных цепях тока и напряжения нулевой последовательности и др.

Введенный логический блок обеспечивает формирование выходных сигналов и визуального отображения выходной информации.

Таким образом, предлагаемое техническое решение реализует многофункциональную многопараметрическую централизованную защиту от ОЗЗ, обладающую следующими свойствами:

универсальность, т.е. возможность применения защиты как в некомпенсированных (с изолированной нейтралью или с резистивными режимами заземления нейтрали), так и в компенсированных (с заземлением нейтрали через ДГР или комбинированным заземлением нейтрали через ДГР и высокоомный резистор) кабельных и смешанных кабельно-воздушных сетях;

селективное определение поврежденного присоединения при всех разновидностях замыканий на землю (ДПОЗЗ, УОЗЗ, КрОЗЗ);

селективное определение ОЗЗ на шинах защищаемого объекта;

распознавание разновидностей ОЗЗ в целях выбора наиболее эффективного способа действия защиты (сигнал или отключение);

непрерывность действия при устойчивых и наиболее опасных дуговых перемежающихся ОЗЗ.

В предлагаемом многофункциональном устройстве реализованы следующие функции защиты от ОЗЗ в распределительных сетях среднего напряжения:

централизованная токовая защита относительного замера для сетей, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным резистивным заземлением нейтрали, основанная на сравнении среднеквадратичных значений токов нулевой последовательности в присоединениях защищаемого объекта, обеспечивающая селективное определение поврежденного присоединения и непрерывность действия при УОЗЗ и ДПОЗЗ;

централизованная токовая защита относительного замера для компенсированных сетей, основанная на сравнении среднеквадратичных значений высших гармонических составляющих токов нулевой последовательности в присоединениях защищаемого объекта, обеспечивающая селективное определение поврежденного присоединения и непрерывность действия при УОЗЗ и ДПОЗЗ;

централизованная импульсная направленная защита для компенсированных и некомпенсированных сетей, основанная на контроле начальных фазных соотношений электрических величин переходного процесса, возникающего при пробое изоляции сети на землю, обеспечивающая селективную фиксацию КрОЗЗ на присоединениях, распознавание ОЗЗ на шинах и резервирование алгоритмов относительного замера токов за счет селективной фиксации первоначального пробоя, возникающего при УОЗЗ и ДПОЗЗ;

общая неселективная защита максимального напряжения нулевой последовательности (контроль изоляции сети).

Известно (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. – М.: Энергия. – 1971; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001 и др.), что при УОЗЗ в распределительных кабельных сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, и отсутствии высших гармоник (ВГ) в фазных напряжениях сети ток в месте замыкания содержит практически только емкостную составляющую основной частоты 50 Гц (активная составляющая основной частоты не превышает ~3–5% от емкостной составляющей) и связан с напряжением нулевой последовательности, измеряемым на шинах центра питания (ЦП), соотношением

, (1)

где 3С_0S – суммарная емкость фаз сети на землю (для схемы сети на фиг.2 ).

В установившемся режиме ОЗЗ среднеквадратичное значение составляющей основной частоты тока в месте повреждения определяется выражением

, (2)

где I_cS – суммарный емкостный ток сети; w = 2pЧ50 – угловая частота рабочего напряжения сети; U_ф.ном – номинальное фазное напряжение сети.

Ток нулевой последовательности в месте повреждения I_cS распределяется между неповрежденными присоединениями пропорционально собственным емкостям фаз на землю 3С_0i, а в поврежденном равен сумме емкостных токов всех неповрежденных присоединений (фиг. 2). С учетом этого для расчетных среднеквадратичных значений токов 3I₀ в поврежденном присоединении 2 и неповрежденном присоединении 1 получим

(3)

, (4)

где I_{c собс.1}, I_{c собс.2} – собственные емкостные токи присоединений 1 и 2 соответственно.

При отсутствии погрешностей функционирования селективность срабатываний централизованной защиты на принципе относительного замера обеспечивается, если при УОЗЗ на любом из присоединений, подключенных к шинам ЦП, выполняется соотношение

. (5)

С учетом (3) и (4) условие селективности токовой защиты относительного замера (5) в сети на фиг. 2 для расчетных значений токов в поврежденном и неповрежденном присоединениях можно представить в следующем виде

. (6)

Отношение токов (6) минимально, если неповрежденное присоединение 1 имеет максимальный, а поврежденное присоединение 2 – второй по величине собственный емкостный ток, т.е. выполняется соотношение

. (7)

Так как при любых соотношениях емкостных токов присоединений , при отсутствии погрешностей функционирования (погрешностей ТТНП, устройств согласования по току, формирователей параметров входных токов и схемы сравнения значений входных токов – фиг.1) условие селективности (6) всегда будет выполняться. В реальных условиях функционирования на устойчивость функционирования (селективность в реальных условиях работы) централизованной токовой защиты относительного замера будут оказывать влияние погрешности, уменьшающие замер значения тока на поврежденном присоединении 3I_0пов и увеличивающие замер значения тока на неповрежденном присоединении 3I_0неп по сравнению с их расчетными значениями. Известно (Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. – М.: Энергоатомиздат, 1984.), что указанные погрешности учитываются соответственно коэффициентом чувствительности К_ч и коэффициентом отстройки К_отс. С учетом влияния погрешностей функционирования условие селективности токовой защиты относительного замера в реальных условиях функционирования можно записать в следующем виде

, (8)

где К_ч.мин и К_{отс.мин} – минимально допустимые значения коэффициентов чувствительности и отстройки, применяемые при расчетах защит от ОЗЗ, основанных на использовании составляющих основной частоты токов нулевой последовательности (для токовых защит от ОЗЗ считается допустимым иметь К_ч.мин = 1,25–1,5, К_{отс.мин} = 1,2–1,3); I_{c собс.1*} = I_{c собс.1} / I_cS, I_{c собс.2*} = I_{c собс.2} / I_cS – относительные значения собственных емкостных токов присоединений 1 и 2 соответственно.

Условие (8) позволяет на стадии проектирования оценить возможность применения защиты данного типа в конкретной сети по параметрам подключенных к шинам ЦП присоединений. Однако в сложных распределительных кабельных сетях 6–10 кВ систем электроснабжения крупных промышленных предприятий и городов в зависимости от режима работы сети возможны значительные изменения как суммарного емкостного тока I_cS, так и собственных емкостных токов отдельных присоединений. Поэтому при небольших кратностях емкостных токов поврежденного и неповрежденного присоединений возможны неправильные срабатывания токовой защиты относительного замера. С учетом этого в целях повышения достоверности определения поврежденного присоединения разработанная схема сравнения значений входных токов не только определяет присоединение с максимальным значением входного тока, но и, в отличие от рассмотренных выше аналогов, оценивает достоверность определения поврежденного присоединения по условию селективности (8).

При наличии в токе ОЗЗ сети, работающей с изолированной нейтралью, высших гармоник алгоритм относительного замера токов в присоединениях защищаемого объекта может быть основан на сравнении среднеквадратичных значений как составляющих основной частоты 3I_0 50, так и полных токов нулевой последовательности 3I₀. По данным оценок гармонического состава тока ОЗЗ в кабельных сетях 6–10 кВ, полученных на основе экспериментальных измерений и исследований на имитационных моделях (Вайнштейн В.Л. Исследование высших гармоник тока замыкания на землю // Промышленная энергетика. – № 1. – 1986. – С. 39 – 40; Шадрикова Т.Ю. Разработка принципов выполнения комплексной многофункциональной защиты от однофазных замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ. / Дис. … канд. техн. наук 05.14.02. – Иваново, ИГЭУ, 2016; Кутумов Ю.Д. Повышение эффективности компенсации токов однофазного замыкания на землю в кабельных сетях 6–10 кВ в условиях влияния на ток повреждения высших гармонических составляющих / Дис. … канд. техн. наук 05.14.02. – Иваново, ИГЭУ, 2022) ), максимальный относительный уровень ВГ в диапазоне частот до ~1,5 кГц в токе ОЗЗ может достигать 40–50% от величины суммарного емкостного тока сети I_сS. Поэтому использование для действия токовой защиты относительного замера не только первой гармоники, но и суммы высших гармонических составляющих токов нулевой последовательности в диапазоне частот до ~1,5 кГц (т.н. мультичастотного подхода к выполнению защиты от ОЗЗ) позволяет увеличить ее чувствительность.

Известно (Шадрикова Т.Ю. Разработка принципов выполнения комплексной многофункциональной защиты от однофазных замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ. / Дис. … канд. техн. наук 05.14.02. – Иваново, ИГЭУ, 2016), что как для установившегося, так и переходных режимов ОЗЗ в диапазоне частот до 1,5–2 кГц входные сопротивления неповрежденных кабельных линий среднего напряжения по отношению к земле имеют практически чисто ёмкостный характер и не зависят от продольных активно-индуктивных сопротивлений. Поэтому соотношение (1) справедливо не только для составляющей основной частоты, но и для всех высших гармонических составляющих в указанном выше диапазоне частот. В предлагаемом устройстве централизованной защиты от ОЗЗ рабочий диапазон частот в отличие от аналогов специально ограничен «сверху» частотой ~1,5–2 кГц цифровыми фильтрами, входящими в состав устройств сопряжения по току и по напряжению (фиг. 1). Для суммы основной и высших гармоник с частотой не более 1,5–2 кГц выражения (1) и (2) можно представить в следующей форме

; (9)

, (10)

где – относительный уровень n-й гармоники в напряжении нулевой последовательности на шинах ЦП.

В принятом для защиты относительного замера рабочем диапазоне частот до 1,5–2 кГц высшие гармонические составляющие тока , как и гармоника основной частоты 50 Гц, распределяются между неповрежденными присоединениями пропорционально собственным емкостям фаз на землю 3С_0i, а ток нулевой последовательности в поврежденном присоединении равен сумме первой и высших гармонических составляющих всех неповрежденных присоединений. С учетом этого из (10) для полных токов нулевой последовательности в неповрежденном присоединении 1 и поврежденном присоединении 2 получим

(11)

. (12)

Из (11) и (12) можно получить условие селективности токовой защиты относительного замера, основанной на использовании суммы основной и высших гармонических составляющих, с учетом погрешностей функционирования

, (13)

т.е. при одинаковых значениях К_ч.мин и К_{отс.мин} условие применимости мультичастотной токовой защиты относительного замера идентично условию применимости (8) защиты, основанной на использовании только первой гармоники токов нулевой последовательности.

В сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор R_N (фиг. 2) ток нулевой последовательности неповрежденного присоединения 1 3I₀₁, как и при работе сети с изолированной нейтралью, при УОЗЗ содержат только емкостные составляющие основной частоты и высших гармоник, а его среднеквадратичное значение определяется выражением (11)

, (14)

где – относительный суммарный уровень ВГ в собственном емкостном токе неповрежденного присоединения 1 (равен относительному уровню ВГ в токе ОЗЗ защищаемой сети).

Ток заземляющего резистора i_R (фиг.2) протекает только через место повреждения и в поврежденном присоединении 2, поэтому ток 3I_0 пов, кроме емкостных составляющих основной частоты и высших гармоник, содержит также и активную составляющую основной частоты I_R

. (15)

Из сравнения выражений (11) и (12) с (14) и (15) можно сделать вывод, что заземление нейтрали сети через высокоомный резистор не нарушает принцип действия токовой защиты относительного замера и увеличивает ее чувствительность.

В переходных режимах в спектре тока замыкания преобладают высшие гармонические составляющие, поэтому использование мультичастотного подхода к измерению входных токов нулевой последовательности позволяет обеспечить селективность токовой защиты относительного замера не только при устойчивых, но и при дуговых замыканиях на землю. Наиболее опасными для сети и поврежденного присоединения представляют ДПОЗЗ, сопровождающиеся при повторных зажиганиях заземляющей дуги эскалацией напряжения смещения нейтрали, перенапряжений на неповрежденных фазах и амплитуд бросков переходного тока в месте повреждения. В работе (Шадрикова Т.Ю. Разработка принципов выполнения комплексной многофункциональной защиты от однофазных замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ. / Дис. … канд. техн. наук 05.14.02. – Иваново, ИГЭУ, 2016) показано, что в кабельных сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью кратность перенапряжений К_п = U_{пер.макс}/U_m ф.ном в сети достигает опасных значений 2,6–2,7 и более, если интервалы времени Dt между повторными зажиганиями заземляющей дуги не превышают ~3-х периодов промышленной частоты (~60 мс). Опасные ДПОЗЗ с кратностью перенапряжений К_п > 2,7 могут возникать также и в компенсированных сетях при возможных в реальных условиях эксплуатации значительных расстройках компенсации ±20% и более (Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков В.С. и др. Защита сетей 6–35 кВ от перенапряжений. – СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 2002). При таких опасных ДПОЗЗ защита должна обладать свойством непрерывности действия, обеспечивающим четкую фиксацию опасного дугового ОЗЗ и возможность ее выполнения при необходимости с действием на отключение. Непрерывность действия защиты при ДПОЗЗ наиболее просто можно обеспечить соответствующим выбором времени усреднения Т_уср при вычислении среднеквадратичного значения входного тока нулевой последовательности и времени срабатывания защиты T_ср.мин

, (16)

где Т_уср ≥ 3Т₅₀ = 60 мс.

Время срабатывания защиты при выполнении (16) должно выбираться из условия

. (17)

При интервалах времени Dt > 3Т₅₀ дуговое замыкание имеет прерывистый характер, но, как и КрОЗЗ, не сопровождается опасными для сети перенапряжениями. При таких дуговых прерывистых ОЗЗ и алгоритм относительного замера токов в присоединениях срабатывать не будет, но такие замыкания будут фиксироваться резервной централизованной направленной импульсной защитой как КрОЗЗ.

В переходном режиме ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью принужденная составляющая с частотой 50 Гц и свободные составляющие переходного процесса в диапазоне частот до 1,5–2 кГц токов 3i₀ неповрежденного и поврежденного присоединений связаны с напряжением 3u₀ на шинах ЦП следующими соотношениями (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001):

; (18)

. (19)

Из (18) и (19) для среднеквадратичных значений токов в поврежденном присоединении 2 и неповрежденном присоединении 1 в переходных режимах ОЗЗ, включая дуговые замыкания, получим

; (20)

, (21)

а условие селективности токовой защиты относительного замера при дуговых замыканиях идентично условиям ее селективности при УОЗЗ (8)

. (22)

Дуговые ОЗЗ с интервалами между повторными зажиганиями заземляющей дуги Dt < 3Т₅₀ возможны также в сетях с заземлением нейтрали через высокоомный резистор R_N (фиг. 2), однако в отличие от сетей с изолированной нейтралью они не сопровождаются опасными перенапряжениями (Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков В.С. и др. Защита сетей 6–35 кВ от перенапряжений. – СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 2002). В переходных режимах при дуговых замыканиях активная составляющая тока ОЗЗ i_R значительно меньше высших гармонических составляющих, имеющих емкостный характер, и не оказывает существенного влияния на среднеквадратичное значение тока 3I_0 пов в поврежденном присоединении. Поэтому при дуговых ОЗЗ условия селективности токовой защиты относительного замера в сетях с высокоомным заземлением нейтрали, как и в сетях с изолированной нейтралью, определяются соотношением (8).

В компенсированных кабельных сетях для действия токовой защиты относительного замера как при УОЗЗ, так и при дуговых замыканиях, могут использоваться только высшие гармонические составляющие. В установившемся режиме ОЗЗ из (11) и (12) для среднеквадратичных значений ВГ с частотой до ~1,5 кГц токов 3i₀ в неповрежденном присоединении 1 и в поврежденном присоединении 2 получим

; (23)

, (24)

а условие селективности защиты будет иметь вид, аналогичный условию (8)

, (25)

т.е. аналогично условиям (8), (13) и (22).

В целях повышения чувствительности и упрощения алгоритма функционирования защиты среднеквадратичное значение суммы высших гармонических составляющих в диапазоне частот до 1,5-2 кГц в токах 3i₀ присоединений защищаемого объекта как при УОЗЗ, так и при дуговых замыканиях вычисляется по выражению

, (26)

где 3I₀, 3I_0 50, 3I0 _ВГ – соответственно среднеквадратичное значение полного тока нулевой последовательности, его составляющей основной частоты 50 Гц и суммы высших гармонических составляющих, вычисляемые в блоках 12, 13 и 14 формирователей параметров входных токов 11 (фиг.1).

При дуговых ОЗЗ соотношения среднеквадратичных значений высших гармонических составляющих токов 3i₀ в неповрежденном присоединении 1 и в поврежденном присоединении 2 в диапазоне частот до 1,5–2 кГц будут такими же, как и для ВГ при УОЗЗ, поэтому при данной разновидности замыканий на землю условие селективности токовой защиты относительного замера будет определяться соотношением (25).

Таким образом, выполнение централизованной токовой защиты относительного замера с применением мультичастотного подхода, основанного на использовании в качестве сравниваемых величин среднеквадратичных значений суммы первой и высших гармонических составляющих в ограниченном «сверху» диапазоне частот до 1,5–2 кГц в сетях с изолированной нейтралью и с высокоомным заземлением нейтрали и суммы высших гармонических составляющих в указанном диапазоне частот в компенсированных сетях, позволяет получить универсальные условия селективности защиты как при УОЗЗ, так и при ДПОЗЗ, вне зависимости от режима заземления нейтрали сети. Это значительно упрощает оценку возможности применения защиты данного типа в конкретной сети и методику выбора ее уставок в сетях с различными режимами заземления нейтрали.

Пуск фиксации результатов работы схемы сравнения среднеквадратичных значений входных токов 20 (фиг. 1) от пускового органа максимального напряжения нулевой последовательности 30 (фиг. 1), обеспечивающего отстройку токовой защиты относительного замера от режимов без ОЗЗ (например, коммутационных переключений в сети, внешних КЗ за приемными трансформаторами 6–10/0,4 кВ и др.). Для исключения ложных срабатываний токовой защиты относительного замера от токов переходного процесса, возникающего в сети после гашения заземляющей дуги или отключения ОЗЗ, предусмотрена ее блокировка 24 (фиг. 1). Непосредственно после гашения дуги начинается разряд емкостей сети через активные сопротивления утечек и потерь в изоляции, характеризуемый апериодическим снижением среднеквадратичного значения напряжения на нейтрали и, соответственно, напряжения U₀(t). Снижение напряжения U₀(t) обуславливает протекание во всех присоединениях сети собственных токов нулевой последовательности, среднеквадратичное значение которых определяется выражением

. (27)

Принцип действия блокировки основан на контроле знака и величины производной текущего среднеквадратичного значения напряжения нулевой последовательности . В момент гашения дуги производная становится отрицательной, а ее начальное значение определяется напряжением U₀(t_гаш), угловой частотой w и коэффициентом успокоения сети d = I_аS/I_cS.

Особенность свойства селективности защиты от ОЗЗ заключается в том, что защита должна не только определять поврежденное присоединение, но и распознавать опасные и не представляющие прямой опасности для сети и поврежденного элемента разновидности замыканий (Шадрикова Т.Ю. Разработка принципов выполнения комплексной многофункциональной защиты от однофазных замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ. / Дис. … канд. техн. наук 05.14.02. – Иваново, ИГЭУ, 2016). Наиболее опасным видом замыканий в кабельных сетях 6–10 кВ являются ДПОЗЗ, сопровождающиеся опасными перенапряжением и значительным увеличением среднеквадратичного значений тока в месте повреждения в отличие от УОЗЗ. Рассмотренные выше принципы выполнения токовой защиты относительного замера обеспечивают ее срабатывания только при УОЗЗ и ДПОЗЗ. Распознавание устойчивых и дуговых перемежающихся замыканий осуществляется специальным блоком 27 (фиг. 1), принцип действия которого основан на контроле относительного уровня высших гармонических составляющих к составляющей первой гармоники 50 Гц в напряжении 3U₀, т.е. отношения 3U_0 ВГ* = 3U_0 ВГ/3U_0 50. При устойчивых ОЗЗ уровень ВГ в напряжении 3U₀ определяется их уровнем в напряжении поврежденной фазы и для сетей 6–10 кВ не превышает 0.05–0.08, при дуговых ОЗЗ относительный уровень ВГ значительно увеличивается. Распознавание дуговых и устойчивых ОЗЗ может быть использовано для выбора наиболее эффективного способа действия защиты на данном присоединении (сигнал или отключение) или способа ликвидации повреждения в сети при действии защиты на сигнал.

Универсальная централизованная импульсная направленная защита для компенсированных и некомпенсированных сетей обеспечивает выполнение дополнительных функций, которые не могут быть реализованы на основе алгоритма относительного замера значений токов в присоединениях защищаемого объекта, а именно:

распознавания замыканий на шинах при всех видах ОЗЗ;

селективной фиксации КрОЗЗ на присоединениях и на шинах;

резервирования токовой защиты относительного замера за счет селективной фиксации первоначального пробоя изоляции, возникающего при всех видах ОЗЗ, включая устойчивые и дуговые замыкания.

Исследования различных авторов показывают, что в кабельных сетях 6–10 кВ доля КрОЗЗ в общем числе замыканий на землю составляет 70…90%. Фиксация КрОЗЗ и использование информации о них для диагностики состояния изоляции элементов в кабельных сетях с малыми токами замыкания на землю может быть использовано в целях повышения эффективности режима заземления нейтрали и надежности электроснабжения потребителей (Шалыт Г.М. Повышение эффективности профилактики изоляции в кабельных сетях // Труды ВНИИЭ. Вып. 8. – М.: Госэнергоиздат. – 1959. – С. 77 – 97).

Принцип действия централизованной импульсной направленной защиты 31 (фиг. 1) основан на контроле начальных фазных соотношений электрических величин переходного процесса, возникающего при пробое изоляции сети на землю. Известно (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001), что в переходном режиме, возникающем при пробое изоляции на землю в сети с малыми токами ОЗЗ при любом режиме заземления нейтрали последней, для неповрежденного 1 и поврежденного 2 присоединений (фиг. 2) выполняются соотношения:

; (28)

. (29)

Из (28) и (29) можно видеть, что в неповрежденных присоединениях начальные знаки переходного тока и производной напряжения нулевой последовательности всегда совпадают, а в поврежденном присоединении начальные знаки переходного тока и всегда противоположны. Сравнивая начальные знаки переходного тока и производной напряжения, можно определить поврежденное присоединение. Использование в направленной импульсной защите на основе переходных процессов в качестве поляризующей величины производной напряжения обеспечивает повышение селективности в условиях возможных искажений начального знака напряжения в момент зажигания заземляющей дуги за счет смещения нейтрали сети (например, вследствие несимметрии емкостей фаз сети или при ДПОЗЗ), а также правильные действия защиты при возникновении пробоя изоляции в момент перехода напряжения поврежденной фазы через нулевое значение. При использовании в защите фильтров, ограничивающих рабочий диапазон частот до 1,5–2 кГц, соотношения (28) и (29) выполняются практически на всем интервале времени существования переходных токов (в кабельных сетях 6–10 кВ переходные токи ОЗЗ полностью затухают через 3–5 мс). С учетом этого в предлагаемой централизованной направленной импульсной защиты в целях повышения ее чувствительности фиксация соотношений знаков сравниваемых величин, в отличие от аналогов (например, АС СССР № 1275622 A1, МПК H02H3/16. Централизованное устройство для направленной защиты от замыкания на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью /О.В. Лебедев, В.А. Шуин, А.М. Чухин, А.К. Полкошников. – Опубликовано 12.07.1986), синхронизирована с моментом перехода через первый максимум производной , достаточно точно совпадающим с моментами перехода через максимум первых полуволн переходных токов и . Фиксация результатов сравнения знаков первых полуволн поляризующей величины и токов и осуществляется только при срабатывании пускового органа по напряжению 3U₀ 30 (фиг. 1).

Устройство по представленной схеме (фиг. 1) работает следующим образом.

При возникновении ОЗЗ в сети на выходе измерительного трансформатора напряжения 2, вторичная обмотка которого соединена по схеме «разомкнутый треугольник», появляется напряжение 3u₀, а на выходах трансформаторов тока нулевой последовательности 1 - токи 3i₀ по числу присоединений n.

От первичного преобразователя напряжения 2 напряжение 3u₀ подается на аналоговый вход устройства сопряжения по напряжению 7, содержащее последовательно включенные резистивный делитель напряжения 8, аналого-цифровой преобразователь 9 и цифровой фильтр 10, для осуществления цифровой обработки сигнала и подавления высокочастотных составляющих с частотой выше 1,5 кГц. С цифрового выхода устройства сопряжения по напряжению 7 мгновенные значения напряжения 3u₀ подаются на вход формирователя параметров напряжения 15 для определения среднеквадратичного значения полного напряжения 3U₀ в блоке 16 по соотношению (16) и величины его основной гармоники 3U_0 50 с усреднением за три периода промышленной частоты в блоке 17. Выходные сигналы блоков вычисления среднеквадратичных значений полного напряжения и его основной гармоники 16 и 17 поступают, соответственно, на 1-ый и 2-ой входы блока 18 для определения суммы высших гармонических составляющих входного напряжения 3U_0 ВГ по соотношению (26).

Полученное среднеквадратичное значение полного напряжения 3U₀ с 1-го выхода формирователя входного напряжения 15 поступает на вход дифференциатора 25 узла блокировки схемы сравнения значений входных токов при гашении заземляющей дуги 24. Производная среднеквадратичного значения полного напряжения d3U₀ с выхода дифференциатора 25 в элементе сравнения 26 сравнивается с нулевым значением. Если производная среднеквадратичного значения полного напряжения d3U₀ ниже нуля, на выходе элемента сравнения 26 появляется логический сигнал "1", запрещающий фиксацию результатов работы схемы сравнения значений входных токов 20, поступая через первый элемент инверсии входного сигнала блокировки 21 на дискретный вход фиксации блока элементов долговременной памяти 23. Если выходная величина d3U₀ дифференциатора 25 выше нуля или равна ему, логический сигнал на выходе элемента сравнения 26 равен "0", и, поступая на дискретный вход фиксации блока элементов долговременной памяти 23 через первый элемент инверсии входного сигнала блокировки 21, разрешает фиксацию результатов работы схемы сравнения значений входных токов 20.

Среднеквадратичное значение суммы высших гармонических составляющих напряжения 3U_0 ВГ и его основная гармоника 3U_0 50 со 2-го и 3-го выхода формирователя входного напряжения 15 поступают, соответственно, на 1-ый и 2-ой входы элемента деления 28 блока распознавания дуговых замыканий 27. Полученное на выходе элемента деления 28 значение 3U_0 ВГ / 3U_0 50 в элементе сравнения 29 сравнивается с заданным значением уставки К_{ВГ уст}. Если отношение 3U_0 ВГ / 3U_0 50 больше уставки срабатывания К_{ВГ уст}, на выходе элемента сравнения 29 появляется логический сигнал "1", указывающий на наличие ДОЗЗ в сети, поступая на (n+1)-й дискретный вход логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации 32. Если выходная величина 3U_0 ВГ / 3U_0 50 элемента деления 28 ниже уставки срабатывания К_{ВГ уст}, логический сигнал на выходе элемента сравнения 29 равен "0", и, поступая на (n+1) дискретный вход логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации 32, указывает на наличие УОЗЗ в сети.

Вычисленное среднеквадратичное значение основной гармоники 3U_0 50 с 3-го выхода формирователя входного напряжения 15 поступает на вход пускового органа максимального напряжения 30. Срабатывание пускового органа 30 указывает на наличие ОЗЗ в сети и разрешает пуск защит устройства путем подачи логического сигнала «1» с выхода упомянутого блока на дискретный вход пуска защиты схемы централизованной направленной импульсной защиты 31, (n+2)-й дискретный вход логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации 32 и дискретный вход сброса информации из элементов долговременной памяти 23 через второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска 22.

От первичных преобразователей тока 1 токи 3i₀ подаются на аналоговые входа соответствующих устройств сопряжения по току 3, содержащие последовательно включенные резистивный шунт 4, аналого-цифровой преобразователь 5 и цифровой фильтр 6, для осуществления цифровой обработки сигнала и подавления высокочастотных составляющих с частотой выше 1,5 кГц. С цифровых выходов устройств сопряжения по току 3 мгновенные значения токов 3i₀ подаются на входы соответствующих формирователей параметров тока 11 для определения среднеквадратичного значения полного тока 3I₀ в блоке 12 по соотношению (16) и величины его основной гармоники 3I_0 50 с усреднением за три периода промышленной частоты в блоке 13. Выходные сигналы блоков вычисления среднеквадратичных значений полного тока и его основной гармоники 12 и 13 поступают, соответственно, на 1-ый и 2-ой входы блока 14 для определения суммы высших гармонических составляющих входного тока 3I_0 ВГ по соотношению (26).

Среднеквадратичные значения полных токов 3I₀ и их сумма высших гармонических составляющих 3I_0 ВГ по числу присоединений n с 1-го и 2-го выхода формирователей входного тока 11 поступают, соответственно, на 1-ый и 2-ой входы программных переключателей режима нейтрали сети 19. Если устройство работает в сети с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, блоки переключения 19 по числу присоединений n устанавливаются в положение «Изолированная», и с выходов программных переключателей 19 на соответствующие цифровые входы схемы сравнения входных токов 20 подаются среднеквадратичные значения полных токов 3I₀. При работе устройства в сети с резонансным заземлением нейтрали через дугогасящий реактор блоки переключения 19 по числу присоединений n устанавливаются в положение «Компенсированная», и с выходов программных переключателей 19 на соответствующие цифровые входы схемы сравнения входных токов 20 подаются среднеквадратичные значения суммы высших гармонических составляющих токов 3I_0 ВГ.

На основе значений входных токов 3I₀ в схеме сравнения 20 определяется поврежденное присоединение по следующему алгоритму:

1. Определяется присоединение с максимальным входным током 3I_{0 макс.1}.

2. Проверяется превышение минимального порога срабатывания по условию:

; (30)

Если условие (30) выполняется, осуществляется переход к следующему этапу. Если условие (30) не выполняется, все присоединения определяются неповрежденными, и осуществляется переход к 6-му этапу.

3. Определяется присоединение, соответствующее второму по величине входному току 3I_{0 макс.2} < 3I_{0 макс.1}.

4. Оценивается отношение измеренных значений входных токов 3I_0 макс / 3I_{0 макс.2} по выражению

; (31)

Если условие (31) выполняется, присоединение, соответствующее входному току 3I_{0 макс.1}, определяется поврежденным, а все остальные неповрежденными. Если условие (31) не выполняется, присоединения, соответствующие входным токам 3I_{0 макс.1} и 3I_{0 макс.2}, определяются поврежденными, а все остальные неповрежденными.

5. На дискретном выходе схемы сравнения входных токов 20, соответствующем номеру поврежденного присоединения, появляется логический сигнал «1».

6. На дискретном выходе схемы сравнения входных токов 20, соответствующем номеру неповрежденного присоединения, появляется логический сигнал «0».

Логические сигналы с дискретных выходов 1…n схемы сравнения входных токов 20 поступают на соответствующие входа блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания 23. Фиксация результатов работы алгоритма, реализованного в упомянутой схеме сравнения 20, осуществляется в случае отсутствия логического сигнала «1» на дискретном входе сброса, поступающего от пускового органа 30 через второй элемент инверсии 22, и наличия логического сигнала «1» на дискретном входе фиксации, поступающего от узла блокировки 24 через первый элемент инверсии 21. Логические сигналы с дискретных выходов 1…n блока элементов долговременной памяти 23 подаются, соответственно, на первые n входов логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации 32.

Одновременно цифровые сигналы токов 3i₀ с выходов устройств сопряжения по току 3 подаются на первые n входов блока элементов оперативной памяти 34 схемы централизованной направленной импульсной защиты от замыканий на землю 31, а цифровой сигнал напряжения нулевой последовательности 3u₀ с выхода устройства сопряжения по напряжению 7 поступает на (n+1)-й вход упомянутого блока 34 через формирователь опорной величины 33, вычисляющий производную напряжения u'₀. С цифровых выходов блока элементов оперативной памяти 34 на соответствующие информационные входа схемы сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины 35 подаются мгновенные значения токов 3i_{0 фикс} по числу присоединений n и производной напряжения u'_{0 фикс}, зафиксированные в момент появления максимального по модулю значения производной напряжения |u'₀| за последние 60 мс.

На основе значений входных токов 3i_{0 фикс} и производной напряжения u'_{0 фикс} в схеме сравнения 35 определяется поврежденное присоединение по следующему алгоритму:

1. Проверяется для каждого из присоединений превышение минимального порога срабатывания по условию:

; (32)

Если для проверяемого присоединения условие (32) выполняется, осуществляется переход к следующему этапу. Если условие (32) не выполняется, проверяемое присоединение определяется неповрежденным.

2. Проверяется наличие хотя бы одного присоединения, удовлетворяющего условию (32). В случае выполнения, осуществляется переход к следующему этапу. В случае невыполнения, все присоединения определяются неповрежденными, и осуществляется переход к 8-му этапу.

3. Определяются знаки мгновенных значений входных токов 3i_{0 фикс}, удовлетворяющих условию (32), и производной напряжения u'_{0 фикс}.

4. Проверяется для каждого присоединения, удовлетворяющего условию (32), несовпадение знака мгновенного значения тока 3i_{0 фикс} со знаком мгновенного значения производной напряжения u'_{0 фикс}. В случае выполнения, проверяемое присоединение определяется поврежденным. В случае не выполнения, проверяемое присоединение определяется неповрежденным.

5. Проверяется наличие хотя бы одного присоединения, определенного как поврежденное. В случае выполнения, на дискретном выходе (n+1) схемы сравнения входных токов 35, соответствующем повреждению на шинах, появляется логический сигнал «0», и осуществляется переход к следующему этапу. В случае невыполнения, на дискретном выходе (n+1) схемы сравнения входных токов 35, соответствующем повреждению на шинах, появляется логический сигнал «1», и осуществляется переход к 8-му этапу.

6. Проверяется наличие только одного присоединения, определенного как поврежденное. В случае выполнения, осуществляется переход к следующему этапу. В случае невыполнения, присоединения, зафиксированные ранее как поврежденные, определяются неповрежденными, и осуществляется переход к 8-му этапу.

7. На дискретном выходе схемы сравнения входных токов 35, соответствующем номеру поврежденного присоединения, появляется логический сигнал «1».

8. На дискретном выходе схемы сравнения входных токов 35, соответствующем номеру неповрежденного присоединения, появляется логический сигнал «0».

Логические сигналы с дискретных выходов 1…(n+1) схемы сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины 35 поступают на соответствующие входа блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания 38. Фиксация результатов работы алгоритма, реализованного в упомянутой схеме сравнения 35, осуществляется в случае отсутствия логического сигнала «1» на дискретном входе сброса, поступающего от дискретного входа пуска защиты через элемент инверсии 37, и наличия логического сигнала «1» на дискретном входе фиксации, поступающего от дискретного входа пуска защиты через формирователь кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала 36. Логические сигналы с дискретных выходов 1…(n+1) блока элементов долговременной памяти 38 подаются, соответственно, на входы (n+3)…(2n+3) логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации 32.

На основе значений (2n+3) входных дискретных сигналов логический блок 32 формирует выходные дискретные сигналы устройства. После появления на дискретном входе (n+2) логического сигнала «1», оповещающего о наличии замыкания на землю в сети, происходит пуск выдержки времени на срабатывание.

В случае срабатывания упомянутой выдержки времени, происходит определение вида замыкания на землю и поврежденного элемента в сети по результатам работы основного и резервного алгоритмов в следующей последовательности:

1. Проверяется значение сигнала от блока распознавания ДОЗЗ, поступающего на дискретный вход (n+1) логического блока 32. Если отсутствует активный сигнал, на выходе «УОЗЗ в сети» появляется логический сигнал «1». Если присутствует активный сигнал, на выходе «ДОЗЗ в сети» появляется логический сигнал «1».

2. Проверяется значение сигнала от схемы централизованной направленной импульсной защиты, поступающего на дискретный вход (2n+3) логического блока 32. Если отсутствует активный сигнал, осуществляется переход на следующий этап. Если присутствует активный сигнал, на выходе «ОЗЗ на шинах» появляется логический сигнал «1».

3. Проверяется количество поврежденных присоединений, определенных по результатам работы основного алгоритма, сигналы срабатывания которого поступают на первые n входов логического блока 32. Если алгоритм определил только одно поврежденное присоединение, на соответствующем выходе «ОЗЗ на прис.1(2...n)» появляется логический сигнал «1». Если алгоритм не определил поврежденное присоединение или их количество равно двум, осуществляется переход на следующий этап.

4. Проверяется результат определения поврежденного присоединения резервным алгоритмом, сигналы срабатывания которого поступают на (n+3)…(2n+2) входов логического блока 32. Если алгоритм определил поврежденное присоединение, на соответствующем выходе «ОЗЗ на прис.1(2...n)» появляется логический сигнал «1». Если алгоритм не определил поврежденное присоединение, осуществляется переход на следующий этап.

5. Повторно проверяется количество поврежденных присоединений, определенных по результатам работы основного алгоритма. Если алгоритм определил два поврежденных присоединения, на соответствующих выходах «ОЗЗ на прис.1(2...n)» появляется логический сигнал «1». Если алгоритм не определил поврежденное присоединение, на выходе «Отказ сраб.» появляется логический сигнал «1».

В случае возврата сигнала пуска защиты до срабатывания упомянутой выдержки времени, на выходе «КрОЗЗ в сети» происходит кратковременное появление логического сигнала «1». На основе результатов работы резервного алгоритма, на соответствующем выходе «ОЗЗ на прис.1(2...n)» или «ОЗЗ на шинах» появляется логический сигнал «1».

Логический блок 32 обеспечивает визуальное отображение и фиксацию выходной информации устройства до сброса оперативным персоналом.

Расчетные осциллограммы, приведенные на фиг.3 и 5, иллюстрируют работу устройства защиты при появлении ДПОЗЗ и УОЗЗ на присоединении 2 и в режиме, возникающем после гашения заземляющей дуги в сетях, работающих с изолированной нейтралью и высокоомным заземлением нейтрали, соответственно. Осциллограммы, приведенные на фиг. 4, иллюстрируют то же самое, что и осциллограммы на фиг. 3 и 5, но при работе устройства защиты в сетях с компенсацией емкостных токов.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить многофункциональное многопараметрическое устройство централизованной защиты от ОЗЗ, обладающее следующими свойствами:

– универсальность, т.е. возможность применения защиты как в некомпенсированных (с изолированной нейтралью или с резистивными режимами заземления нейтрали), так и в компенсированных (с заземлением нейтрали через ДГР или комбинированным заземлением нейтрали через ДГР и высокоомный резистор) кабельных и смешанных кабельно-воздушных сетях;

– селективное определение поврежденного присоединения при всех разновидностях замыканий на землю (ДПОЗЗ, УОЗЗ, КрОЗЗ);

– селективное определение ОЗЗ на шинах защищаемого объекта;

– распознавание разновидностей ОЗЗ в целях выбора наиболее эффективного способа действия защиты (сигнал или отключение);

– непрерывность действия при устойчивых и наиболее опасных дуговых перемежающихся ОЗЗ.

Таким образом, предложенное устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях среднего напряжения позволяет преодолеть недостатки существующего уровня техники и повысить селективность, устойчивость функционирования и универсальность централизованной защиты при всех видах учитываемых ОЗЗ в кабельных и смешанных кабельно-воздушных распределительных сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, с компенсацией емкостных токов или с резистивным заземлением нейтрали.

Поиск по общедоступным источникам информации показал, что из уровня техники не известна и явным образом не следует вся совокупность признаков предложенного изобретения, в связи с чем изобретение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявленное изобретение состоит из стандартных для этой области техники материалов и элементов, взаимосвязанных определенным образом, то есть может быть использовано в промышленности, ввиду чего изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Следует понимать, что после рассмотрения специалистом приведенного описания с примером осуществления предлагаемого изобретения, для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации изобретения. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными настоящим изобретением в объеме прилагаемой формулы.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики. Устройство централизованной защиты содержит по числу присоединений n трансформаторы тока нулевой последовательности; измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности; n устройств сопряжения по току, устройство сопряжения по напряжению, n формирователей параметров входного тока, формирователь параметров входного напряжения, n программных переключателей режима нейтрали сети с двумя входами и одним выходом каждый, схему сравнения значений входных токов с n входами и n дискретными выходами, блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания основного алгоритма с дискретными n входами и выходами, входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти. Устройство также содержит первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки, второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, узел блокировки схемы сравнения значений входных токов при гашении заземляющей дуги, блок распознавания дуговых замыканий на землю, пусковой орган максимального напряжения, схему централизованной направленной импульсной защиты от однофазных замыканий на землю с n входами сигналов тока, одним входом сигнала напряжения, дискретным входом пуска защиты и n+1 дискретными выходами, логический блок формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации. Вторичные обмотки трансформаторов тока нулевой последовательности соединены с входами устройств сопряжения по току. Первичная обмотка измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключена к секции шин питающей подстанции, а обмотка «разомкнутый треугольник» соединена с входом устройства сопряжения по напряжению. 1-й выход формирователя параметров напряжения подключен к входу дифференциатора узла блокировки схемы сравнения значений входных токов. Выход упомянутого узла блокировки соединен с дискретным входом фиксации блока элементов долговременной памяти через первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки. Вход пускового органа максимального напряжения подключен к 3-му выходу формирователя параметров напряжения, а выход соединен с дискретным входом сброса блока элементов долговременной памяти через второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, (n+2)-м дискретным входом логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации и дискретным входом пуска схемы централизованной направленной импульсной защиты. Технический результат заключается в повышении селективности, устойчивости функционирования и универсальности централизованной защиты при всех видах учитываемых ОЗЗ в кабельных и смешанных кабельно-воздушных распределительных сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, с компенсацией емкостных токов или с резистивным заземлением нейтрали. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях среднего напряжения, содержащее по числу присоединений n трансформаторы тока нулевой последовательности, вторичные обмотки которых соединены с входами устройств сопряжения по току, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, первичная обмотка которого подключена к секции шин питающей подстанции, а обмотка «разомкнутый треугольник» соединена с входом устройства сопряжения по напряжению, отличающееся тем, что устройства сопряжения по току содержат последовательно включенные резистивный шунт, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства сопряжения по току, устройство сопряжения по напряжению содержит последовательно включенные резистивный делитель напряжения, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства сопряжения по напряжению, введены n формирователей параметров входного тока, каждый из которых содержит блок вычисления среднеквадратичного значения входного тока, блок преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного тока и блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного тока, при этом выходы блока вычисления среднеквадратичного значения и блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих образуют соответственно 1-й и 2-й выходы формирователя параметров входного тока, введен формирователь параметров входного напряжения, содержащий блок вычисления среднеквадратичного значения входного напряжения, блок преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники входного напряжения и блок вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного напряжения, при этом выходы блока вычисления среднеквадратичного значения и блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного тока образуют соответственно 1-й и 2-й выходы, а выход блока преобразования Фурье для вычисления среднеквадратичного значения первой гармоники образует 3-й выход формирователя параметров входного напряжения, введены n программных переключателей режима нейтрали сети с двумя входами и одним выходом каждый, введена схема сравнения значений входных токов с n входами и n дискретными выходами, блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания основного алгоритма с дискретными n входами и выходами, входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти, введен первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки, введен второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, введен узел блокировки схемы сравнения значений входных токов при гашении заземляющей дуги, включающий последовательно соединенные дифференциатор и элемент сравнения, выход которого является выходом упомянутого узла блокировки, введен блок распознавания дуговых замыканий на землю, включающий последовательно соединенные элемент деления и элемент сравнения входной величины с заданным значением, выход которого является выходом упомянутого блока распознавания, введен пусковой орган максимального напряжения, введена схема централизованной направленной импульсной защиты от однофазных замыканий на землю с n входами сигналов тока, одним входом сигнала напряжения, дискретным входом пуска защиты и n+1 дискретными выходами, введен логический блок формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, имеющий 2n+3 дискретных входа, при этом цифровые выходы устройств согласования по току подключены к параллельно включенным входам блоков вычисления среднеквадратичного значения входного сигнала тока и его первой гармоники соответствующих формирователей параметров тока, выходы указанных блоков соединены с входами блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного сигнала тока, а 1-й и 2-й выходы формирователя параметров входного тока подключены к 1-му и 2-му входам переключателя режима нейтрали, выход которого присоединен к соответствующему входу по току схемы сравнения значений входных токов, дискретные выходы 1…n упомянутой схемы сравнения подключены к соответствующим входам блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания основного алгоритма, дискретными выходами 1…n присоединенный к дискретным входам 1…n логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, цифровой выход устройства согласования по напряжению подключен к параллельно соединенным входам блоков вычисления среднеквадратичного значения входного сигнала напряжения и его первой гармоники формирователя параметров напряжения, выходы блоков вычисления среднеквадратичных значений входного сигнала тока и его первой гармоники соединены с входами блока вычисления среднеквадратичного значения суммы высших гармонических составляющих входного сигнала напряжения, 1-й выход формирователя параметров напряжения подключен к входу дифференциатора узла блокировки схемы сравнения значений входных токов, а выход упомянутого узла блокировки соединен с дискретным входом фиксации блока элементов долговременной памяти через первый элемент логической инверсии входного сигнала блокировки, 2-й и 3-й выходы формирователя параметров напряжения подключены соответственно к 1-му и 2-му входам элемента деления блока распознавания дуговых замыканий, выход которого присоединен к (n+1)-му дискретному входу логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации, вход пускового органа максимального напряжения подключен к 3-му выходу формирователя параметров напряжения, а выход соединен с дискретным входом сброса блока элементов долговременной памяти через второй элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, (n+2)-м дискретным входом логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации и дискретным входом пуска схемы централизованной направленной импульсной защиты, входы 1…n которой присоединены к цифровым выходам соответствующих устройств сопряжения по току, (n+1)-й вход подключен к цифровому выходу устройства сопряжения по напряжению, а n+1 дискретных выходов подключены к (n+3)…(2n+3)-му дискретным входам логического блока формирования выходных сигналов и визуального отображения выходной информации.

2. Устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях среднего напряжения по п.1, отличающееся тем, что схема централизованной направленной импульсной защиты от замыканий на землю с n входами сигналов тока, одним входом сигнала напряжения, дискретным входом пуска защиты и n+1 дискретными выходами содержит формирователь опорной поляризующей величины – дифференциатор входного сигнала напряжения, блок элементов оперативной кратковременной памяти амплитуд и знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины с n+1 информационными входами и выходами, схему сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины с n+1 информационными входами и n+1 дискретными выходами, блок элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания резервного алгоритма с дискретными n+1 входами и выходами, входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти, формирователь кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала, элемент логической инверсии входного сигнала пуска защиты, при этом первые n входов блока элементов оперативной памяти являются входами сигналов тока централизованной направленной импульсной защиты от замыканий на землю, (n+1)-й вход упомянутого блока подключен через формирователь опорной величины к входу сигнала напряжения защиты, а выходы 1…(n+1) соединены с соответствующими информационными входами схемы сравнения знаков первых полуволн входных сигналов тока и опорной величины, дискретными выходами подключенной к соответствующим входам блока элементов долговременной памяти входных сигналов срабатывания резервного алгоритма, выходы которого являются дискретными выходами централизованной направленной импульсной защиты, при этом дискретный вход пуска защиты подключен к параллельно соединенным входам формирователя кратковременного выходного импульса по положительному фронту входного сигнала и элемента логической инверсии, выходы которых соответственно соединены с дискретными входами фиксации и сброса информации из элементов долговременной памяти.