Устройство для шунтирования места однофазного замыкания Советский патент 1983 года по МПК H02H3/16 

ИзобретЁние относится к защите электрических сетей от однофазных замыканий на землю и защите людей от поражения электротоком при однофазном прикосновении и может быть использовано в трехфазных электрических сетях, работающих t изолированной нейтралью. Известно устройство шунтирования места однофазного замыкания, состоящее, из блока определения поврежденной фазы и шунтирующих выключателей, соединяющих поврежденную фазу с землей. Поврежденная фаза в этом устройстве определяется .посредством измерения напряжений, иcкycct-, бенно сформированных геометрическим суммированием фазных напряжений с развернутым на определенный угол напряжением Нулевой последовательности и сравнения сформированных напряжений с пороговой величиной. Поврежденная фаза при этом определяется по условию достижения пороговой величины срабатывания амплитуда-1 ми сформированных указанным способом напряжений неповреждённых фаз 1. Недостатками этого устройства являются: снижение быстродействия определения поврежденной фазы, обусловленное последовательным сравнениемамплитудного значенчй измеряемых напряжений на всех трех фазах с пороговой величиной, вследствие этого время определения поврежденной фазы достигает 20-25 мс; зависимость зоны чувствительности от колебаний напряжения сети; отсутствие селективности определения (юврежденной фазы по месту замыкания, т.е. способность реагировать на замыкание, произошедшсе как на линии, так ив обмотке потребителя. Последнее привести к пе5(|)фектионому шунтированию и. усугубить процесс однофазного замыкания на . землк). Наиболее близким к предлагаемому ЯВ-ляется. устройство, в котором повышен быстродсйствие определения поврежденной. фазы до 3-8 мс, за счет реализации иного принципа, заключающегося в сравнений мгновенных значений напряжений фаз п6 знаку с током замыкания на землю одновременно на всех фазах. При однофазных замыканиях на землю на участке сети от источника питания до потребителей существует закономерность: на поврежденной (замкнувшейся на землю) фазе остаточное напряжение Находится в фазе с током замыкания на землю в течение всего полупериода; на неповрежденных фазах остаточные напряжения какую-то часть полупериода не совпадают по знаку с током замыкания на землю. По этой информации логическая схема устройства и определяет поврежденную фазу. Кроме того, исключена зависимость чувствительности- от колебаний напряжения сети. Это достигнуто введением «следящей за напряжением сети пороговой величины срабатывания (2). Недостатком известного устройства является отсутствие селективности определения поврежденной фазы по месту замыкания. Обусловлено это тем, что в случае замыкания фазы на землю в обмотках электродвигателей или понижающих трянсформаторов остаточное напряжение в месте замыкания, определяемое падением напряжения на части обмотки от ее начала до точки замыкания., оказывается значительным, При этом через землю, заземляющие цепи и шунтирующий выключатель будет протекать ток, превышающий ток металлического однофазного замыкания, который может создавать в заземляющих цепях опасньге-. напряжения прикосновения. Цель изобретения - повышение избирательности путем блокирования работы устройства при замыканиях на корпус в обмот электродвигателей или понижающих трансформаторах. Поставленная цель достигается тем, чтб устройство для шунтирования места од офазного замыкания, содержащее опреде™ поврежденной фазы, соединенный тремя выходами с логическим блоком, реализованным на трех элементах 2И, выходы которого связаны с шунтирующими включателями каждой фазы, при этом определи поврежденной фазы состоит из последовательно соединенных блока преобразова« « напряжения нулевой последовательности в ток. адекватный току замыкания на землю, и блока преобразования тока замыкания на землю в дополнительное напряже-. цепочек, каждая из которых сос™ последовательно соединенных суммирования дополнительного напряжения с фазным напряжением сети, блоков .сравнения и выходных пороговых элементов, выходы которых являются выходами опреДе лителя поврежденной фазы, а соответст вующие датчики фазных напряжений сети ;подключаются к вторым входам блоков суммирования дополнительного напряжения с фазным напряжением сети и к вторым - блоков сравнения каждой из цепочек, причем датчик напряжения нулевой /юследовательности подключается к входу блока преобразования напряжения нулевой последовательности в ток, адекватный току замыкания на землю, а выход блока преобразования тока замыкания на землю в дополнительное напряжение подключен к первым входам блоков суммирования дополнительного напряжения с фазным напряжением сети каждой цепочки, введены три элемента временной задержки и вспомогательный логический блок, выполненный по схеме ЗИ, входы которого подключены к трем выходам определителя поврежденной , а выходы - к блокировочным вхоДам элементов временной задержки каждой фазы, причем выходы логического блока через элементы временной задержки каждой фазы соединены с шунтирующими выключателями каждой фазы соответственно.

На фиг. I представлены векторные Диаграммы напряжений и тока при однофазных замыканиях в линиях (а) и в обмотках электропотребителей (б); на фиг. 2 - блок-схема устройства; на фиг. 3 - диаграммы напряжений соответствующих режиму замыкания в линиях (а) и в обмотках электрических машин (б). Ток однофазного замыкания имею1и ий преимущественно емкостной харак тер, ic на участках от источника питания. до вводных клемм потребителя совпадает по .фазе с остаточШм напряжением поврежденной фазы UOCT

При однофазных замыканиях на корпус обмоток электрических машин и понижающих трансформаторов, т.е. непосредственно в обмотках потребителей электроэр1ергии, ток однофазного замыкания на землю ic оказывается не синфазным с остаточным напряжением поврежденной фазы UOCT . Остаточное напряжение UOCT является геометрической суммой напряжения относительно земли в Mecfe замыкания, обусловленного проводимостью изоляции UMJ. (напряжение обмотки в месте замыкания относительно земли н падения напряжения в обмотке потребителя на участке от вводных клемм до места замыканияЬи, т.е.- . UOCT и„ + §UH.

Так как замыкания на корпус в обмотках потребителей носят дуговой характер сопротивлением дуги, не превышающей, несколько Ом,то модуль вектора UMI составляет (0,005-0,01) от модуля фазного напряжения. Падение же напряжения §UH в зависимости от точки замыкания может по модулю достигать значения,близкого к модулю фазного напряжения.

Поэтому, как следует из векторной диаграммы, показанной на фиг. 1,6, UOCT по фазе будет примерно совпадать с §UH, т.е. с исходным фазным напряжением поврежден ной фазы Ug.

С другой стороны известно, что

UOCT Uop- Uo,

где Uo-напряжение нулевой последовательности, возникающее при замыкании на корпус одной фазы обмотки потребителя и обусловленное нарушением симметрии проводимости изоляции фаз.

Учитбшая, что Цзст по фазе примерно совпадает с Uop для случая номинальной загрузки потребителя, Uo также будет примерно совпадать по фазе с «Зин и UOCT При реально возможных сочетаниях емкостной проводимости изоляции и нагрузки потребителя угол рассогласования фаз УО и «SUfl не превышает 15°. Ток замыкаЛия на землю it, протекающий под воздей ствием напряжения, будет опережать по фазе напряжение угол 75-90°. При замыкании ее в линиях электропередачугол между it и 1/ост близок к нулю, т.е. они практически синфазны.

Следовательно, используя различия в фазовых соотношениях между током замыкания на земле и остаточным напряжением поврежденной фазы, можно однозначно различать место замыкания и выполнять селективное шунтирование, т.е. осуществлять его при замыканиях на земле в линиях электропередач, характеризующихся синфазностью между током замыкания и остаточным напряжением фазы, и не допускать шунтирование при замыканиях на корпус одной из фаз обмоток потребителей,характеризующихся угловым сдвигом тока замыкания и остаточного напряжения фазы на угол близкий к 90°.

Устройство состоит из определителя I поврежденной фазы с логическим блоком 2, реа лизующим логические- функции УЛ ХА XB Хс, YB Хд XB Хс. , YC X Х Хс, присоединенным выходами к элементам 3-5 временной задержки, которые в свою очередь выходами подключены к шунтирующим выключателям 6-8. Параллельно входам логической схемы 2 подключены входы вспомогательного логического блока 9, выполненного по схеме ЗИ, выходы которого присоединены к блокировочным входам элемен-тов 3-5 временной задержки.

Определитель поврежденной фазы 1 вклю чает в себя следующие функциональные блоки: блок 10 преобразования напряжения нулевой последовательности Uo в ток, адекватный току замыкания на землю Ц; блок преобразования тока замыкания на землю ii в дополнительное напряжение Ui.ll; блоков 12-14 суммирования дополнительного напряжения U с напряжениями фаз сети относительно земли; блоков сравнивая модулей мгновенных значений суммарных напряжений U.:. с модулями мгновенных значений фаз сети относительно земли и выходных пороговых элементов 18-20, подключенных к входам логического блока 2.

В исходном состоянии, т.е. при отсутствии в сети однофазного замыкания на землю, напряжение нулевой последовательности Uo отсутствует и, следовательно, на вход Ъпределителя 1 поврежденной фазы управляющий сигнал не поступает. Поэтому и с выходов определителя 1 поврежденной фазы сигналы не поступают на логические блоки 2, 9. В силу этого шунтирующие выключатели 6-8 не замыкают фазы сети на землю..

При возникновении однофазнрю замыкания на землю в сети.появляется напряжение нулевой последовательности I.U, . которое Tiociyriaet на вход определителя 1 повреждеи1101Т фазы. При этом блок 10 преобразо Бывает напряжение Uo в ток, адекватный току однофазного замыкания на землю i. Затем блоком М ток, адекватный i, преобразуется в добавочное напряжение Ш, которое блоками 12-14 суммируется с напряжениями фаз сети относительно земли. .Полученные таким образом суммарные йа 11ря;$ ения Uta, USB, IJtc блоками 15-17 еравниваются по модулю, с напряжениями фаз сети относительнр земли U, U.Uc.H в случае превышениЯ суммарного напряжения над фазными на какой-либо из фаз выходной пороговый элемент 18-20, соответствующий этой . фазе, передает сигнал на вход логических блоков 2,9. Количество входных сигналов, ггоступающих на входы логических блоков 2,9, зависит от места, возникновения однофазьгого замыкания. При однофазном замыкании в линиях электропередач вход блоков 2,9 будет поступать два сигнала, соответствующих не. поврежденным фазам... Появление именно двух последовательно постунаюшн.х сигналов обусловлено тем, что при однофазных замыканиях в линиях суммарные напряжения Us на неповрежденных фазах,по.1ученные посредством сложения допо.;)нительного напряжения US и остаточного напряжения на поврежденной фазе UOCT , в течение некоторой части каждого полупериода превышают напряжения этих фаз относительно земли. А на поврежденной фазе UK всегда меньше остаточного напряжения этой фазы. .... При появлении на входах двух сигналов логический блок .2 реализует функции YA Хг, YB Хл Хр Хс.,. YC . - ХАХ(,ХС и передает команду на .один из элементов 3-5 временной задержки, соответствующий поврежденной фазе. ВсПомогательныи логический блок 9, вьшолненный по схеме ЗИ, на наличие двух входных сигналов не реагирует. Поэтому на блокировочные входы элементов 3-:5 временной задержки, снгналы от логической схемы 9 не поступают. Вследствие этого элемент;.временной задержки, на который поступила команда от логической блока 2, через заданную выдержку времени, выдает команду на один из шунтирующих выключателей 6- 8, соединяющий, поврежденную фазу с землей и, таким образом, осуществляющий шунтирование места повреждения. При бднофазном замыкании на корпус обмотки двигателя или трансформатора (потребителей электроэнергии) на входы логических блоков 2 и 9 будет поступать последовательно с некоторыми интервалами времени три сигнала. Логический блок 2 после поступления двух сигналов сработает и передаст команду на соответствующий элемент временной задержки. Дальнейшее прохождение сигнала возможно только; после выдержки времени tev заранее заложен ной в элементы 3-5 временной задерж:, ки. Выдержка времени выбрана такой, чтобы она перекрывала интервал времени между появлением второго и третьего входных сигналов на логические схемы 2, 9. Поэтому элемент временной задержки, на который поступил сигнал от логического блока 2, не успев пропустить этот сигнал, получает на блокировочный в запрещающий сигнал от вспомогательного логического блока 9, отработавшей {по схеме ЗИ) три последовательно поступивших входных сигнала. Таким образом, элементы 3-5 временной задержки оказываются заблокированными и не пропускают командные сигналы на шунтирующие выключатели, исключая тем самым шунтирование места повреждения в обмотках потребителей. В этом случае заш,нта от однофазных замыканий осуществляется только отключением поврежденного фидера. Появление третьего сигнала при однофазном замыкании на корпус обмоток потребителей обусловлено тем, что вследствие присущей этому виду повреждения несинфазиости тока замыкаиия it с остаточным Напряжением поврежденной фазы UOCT (угол расхождения может состав.:пть 75- ) суммарные напряжения UE превышают напряжения (аз относительно земли не только на {неповрежденных фазах, но и на юврежд нной. Таким образом устройство позволяет од: позначно отличить однофазные замыкания на землю в линиях от однофазных замыканий на корпус в обмотках электрических машин и понижающих трансформаторов (потребителей электроэнергии) и осушествлять в соответствии с этим селективное шунтирование при замыканиях в линиях, исключая и.1унтирование замыканий на корпус обмоток потребителей. Использование предложенного устройства позволяет повысить электробезопасность при эксплуатации электроустановок угольных разрезов и шахт, а также горных предприятий других отраслей промыпгленности.

а с

5

к

с в

А

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШУНТИРО- ВАНИЯ МЕСТА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ, .содержан ее определитель поврежденной фазы, соединенный тремя выходами с логическим б-локом, реализованным на трех элементах 2И, выходы которого связаны с шунтирующими выключателями каждой фазьг, при этом определитель поврежденной фазы состоит из .последовательно соединен ных блока преобра.зования напряжения нулевой последовательности в ток, адекватный Чоку замыкания на землю, и блока «реобразо вания тока заМыкания на землю в дополнительное напряжение и трех цепочек, каждая из ; которых состоит из последовательно соединенных блоков суммирования дополнительного напряжения е фазным .|}апряженмем сети, блоков сравнения и выходных пороговых ; элементов, выходы которых являются выходами определителя поврежденной фазы, а соответствующие датчики фазных напряжений сети подключаются к вторым входам блоков суммирования дополнительного напряжения с фазным напряжением сети и к вторым входам блоков сравнения каждой из цепоче.;, причем датчик напряжения нулевой последовательности подключается к :входу блока преобразования напряжения нулевой последовательности в ток, адек;ватный току замыкания на землю, а выход ;блока преобразования тока замыкания на гземлю в дополнительное напряжение под ключей к первым входам блоков суммировани;я дополнительного напряжения с фаЗ, ным напряжением сети, каждой цепочки, а J3 отличающееся тем, что, с целью позьплепия избирательности путем, блокирования ра(Л боты устройства при замыканиях на корпус в обмотках электродвигателей или поннжающих трансформаторах, введены три элемента временной задержки и вспомогательный логический блок, выполненный по схеме ЗИ, входы которого подключены к трем выходам определителя- поврежденной фазы, а выходы-к блокировочнь1М входам элементов ел временной задержки каждой фазы, причем 05 выходы логического блока через элементы СО 4 ЬО временной задержки каждой фазы соедине, ны с шунтирующими выключателями кажI дои фазы соответственно.