Устройство для дистанционной защиты от несимметричных коротких замыканий на землю Советский патент 1983 года по МПК H02H3/40 

Изобретение относится к электррэйерГЙгике и предназначено для дистанциойной защиты линий электропередач от несимметричных коротких замыканий на землю.

По основному авт. св. № 1030904 известно yctpoйcтвo для дистанционной защиты от несимметричных коротких замыканий на землю, содержащее формирователь компенсированных фазных напряжений и напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, вр 1ходы которого соединены с входами формирователя указанных напряжений в прямоугольные логические сигналы,. выходы которого подключены к входам элемента И и через элементы ИЛИ, к вторым входам которьгх подключены выходы избирателя особой фазы, входы которого подключены к фазам защищаемого и источнику нулевой последовательности.-.-

Это устройство имеет значительно выще чувствительрюсть к однофазным коротким замыканиям через переходное сопротивление. На выходе устройства появляется сигнал «Устройство срабатывает если одновременно присутствуют все четыре импульса На входах схемы совпадения 1.

Однако известное устройство обладает 1едостаточной селективностью при внешних коротких замьгканиях на землю в прямом направлении в условиях расхождения по фазе эквивалентных ЭДС питающих систем. Обусловлен .этот недостаток тем, что при коротком замыкании на землю одной из фаз (или при коротком замыкании на землю двух других фаз) на соответствующем выходе избирателя особой фазы появляется непрерьгвпый сигнал, который поступает на вход соответствующего элемента ИЛИ и полностью исклю 1ает влияние прямоугольного логического сигнала, поступающего на другой вход упомянутого элемента ИЛИ. Так, например, при коротком замыкании на землю фазы А(или фаз ВС) на выходе А избирателя особой фазы появляется непрерывный сигнал, который поступает На вход элемента ИЛИ, и условие срабатывания устройства становится независимым от наличия прямоугольного сигнала, сформированного из компенсированного напряжения фазы С, опережающей особую фазу А.

Цель изобретения - повышение селективности при рнещйих двухфазных коротких замыканиях на землю.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, для дистанционной защиты от HecHMMeTpH4Hbjx коротких замыканий допол йительНо введены блок формирования коротких импульсов, четыре блока расширителя импульсов, три элемента И, и блок задержки, при этом вход одного из блоков расширителя импульсов подключен к выходу блока формирователя коротких импульсов, подключенному к выходу формироватеЛя импульсов, а выход через блок задержки подключен к входу элемента И, каждый вы.ход тр(гх других блоков расширителя импульсов под;:лючен к соответствующему выходу формирователя синусоидальных напряжений в логические сигналы, а каждый выход - к одному из входов соответствующего элем:еНта И, другие входы которь1х подключены к соответствующим выходам избирателя особой фазы, а выходы - к

0 входам соответствующих элементов ИЛИ. Введение трех блоков расширителей импульсов, сформированных из компенсированных фазных напряжений, и подключение выходов каждого из них к одному из входов соответствующего элемента И, к другим входам которь1Х подключены соответствующие выходы избирателя особой фазы, позволяет вместо непрерьгвного сигнала с выходов избирателя особой фазы подавать на соответствующие входы элементов ИЛИ

0 расширенный импульсный сигнал. В результате вместо исключения компенсированного напряжения фазы, опережающей особую, происходит расширение импульса, сформировайного из к-омпейсирЪванного напряжения особой фазы. При этом вместо полного

5 исключения соответствующей граничной линии области срабатывания устройства в кoмплeкcнQЙ плоскости происходит ее поворот, что приводит к ограничению области срабатывания, и, как следствие, к повышению селективности. Введение четвертого

блока расширителя импульсов, сформированных из Напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, и подключение выхода его к входу схемы совпадения через блок задержки позволяет вместо короткого импульса подать на вход схемы . .совпадения импульс заданной длительности, причем передний фронт импульса сдвинут На заданный угол относительно моментов перехода через нуль мгновенных значений тока нулевой последовательности, что при0 водит к дополнительному повышению селективности при внешних одйофазйых и двух. фазных коротких замыканиях на землю.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2-5 - диаграммы напря5 жений; на фиг. б-8 - характеристики в комплексных плоскостях.

Устройство содержит формирователь 1 1 омпенсировайных фазных напряжений UA , UB , Uc и напряжения Со, пропорционального току нулевой последовательности, выходы которого соединены с соответствующими входами формирователя 2 указанных напряжений в прямоугольные логические сигналы, первый выход которого соединен с входом формирователя 3 5 коротких импульсов, а каждый из трех других входов соединен с входом соответствующего блока 4 расширителя импульсов, выход каждого из KOTOpbix соответственно соедйнен с одним из входов соответствующего элемейта 5 И, другие входы которых соедийейы с соответствующими выходами избирателя 6 особой фазы, а выходы каждого из элемейтов 5 И соответствеййо соедийены с одним из входов соответствующих элемейтов 7 ИЛИ, другие входы которых соответствеййо соединейы с соответствующими выходами формирователя 2 сийусоидальных йапряжейий в прямоугольные логические сигйалы, а выходы элемейтов 7 ИЛИ,соедийейы с соответствующими входами элемейта И 8, четвертый вход которого соедийей с выходом.-формирователя 3 импульсов через расщиритель 9 импульсов и блок 10 задержки, а выход элемейта И 8 соедийен с входом выходного органа 11.. . На входы формирователя 1 посту.пают йапряжейия Од, Ов, Ос и токи IK, , U соответствующих фаз А, В, С и ток нулевой последовательйости Ь, из которых формирователем 1 формируются компенсироваййые фазные напряжения UA , UB , Uc и напряжение Uo , пропорциональное току нулевой последовательности..y; lJA-Zy(); . :0) ув Ов -Zy(lB +К1о);(2) и/ Oc-Zy(lc + Kio);(3) Uo -nio,.(4) где Zy-r- сопротивление уставки, определяемое по прямой последовательности; К - коэффициейт компенсации; п -коэффициент пропорциональности. Формирователь 2 преобразует положительные полуволны (при однополупериодйом выполнении) подводимых синусоидальных напряжений в прямоугольные логические импульсы длительностью в полперйода подводимых напряжений. На фиг. 2-5 приведены диаграммы йапряжейий, на .которьгх по оси приведены диаграммы напряжейий йа которых по оси абсцисс .отложено время t, а по оси ординат - напряН(енне U: Кривая 12 (фиг. 2а) соответствует напряжению Uo на выходе формирователя 1, пропорционального току нулевой . последовательности (о. Из напряжейия Uo .фор: мирователем 2 (фиг. 1) формируются прямоугольные логические импульсы 13 (фиг. 2 б) длительность которых соответствует длительности положительной полуволны напряжения Uo. Из имггульса 13 формирователь 3 коротких импульсов формирует короткий импульс 14 (фиг. 2 в). Из импульса 14 расщирителем 9 импульсов формируется импульс 15 (фиг. 2 г) длительностью fo.. :Передний фронт импульса 15 блоком 10 ;3адержкй задерживается на величину Зо (фиг. 2 д). При этом длительность импульса 16 йа выходе блока 10 задержки равна Л, (фиг. 2 д). Кривые 17 (фиг. 3 а), 18 (фиг. 4. а) и 19 (фиг. 5 а) соответствуют компенси-ррванйым фазйым напрямекиям UA , Ов , Uc соответствеййо на выходе формйгУователя I (фиг. 1). Из напряжения UA формирователем 2 формируются прямоугольные логические импульсы 20 (фиг. 3 б), длительность которы.х соответствует длительности положительной полуволны компенсированного фазного напряжейия ОА . Аналогично из компенсированных фазных напряжений UB и Uc формирователем 2 (фиг. 1) формируются соответствеййо прямоугольйые логические импульсы 21 (фиг. 4 б) и 22 (фиг. 5,6), длительность которых также соответствует длительности положительной полуволны соответствующего компенсированного фазйого напряжения. Блоки 4 расширителей импульсов увеличивают длительности импульсов на их вы- ,ходах относительно длительности импульсов на их входах на величину 5. При этом длительйость импульсов 23 (фиг. 3 в), 24 (фиг. 4 в) и 25 (фиг. 5 в) на выходах соответствующих блоков 4 расширителей импульсов равна 180° +б. В нормальном режиме работы защищаемой линии электропередачи на выходах А, В, С избирателя 6 особой фазы сигаалы отсутствуют. Три этом на одном из входов каждого из элементов 5 И сигнал также отсутствует, а следовательно, fler сигналов и на выходах всех трех элементов 5 И. В результате на входы соответстнующих элементрв 7 ИЛИ поступают соответственно только импульсы 20 (фиг. 3 б), 21 (фиг. 4 б) и 22 (фиг. 56), длительность которых равна длительности положительной полуволны соответствующих компенсированных фазных напряжейий UA , Up , Uc. . При этом к входам элемента И 8 подаются импульсы 16, 20, 21 и 22. Для срабатывайия устройства необходимо и достаточно, чтобы при наличии импульса 16 одновременно присутствовали импульсы 20, 21 и 22. Это имеет место при выполнении двух условий. Во-первых, напряжейие Uo, пропорциональное току нулевой последовательности, должйо либо опережать комрейсированйые фазйые напряжейия UA , UB , Uc на угол, меньший } , либо должно отставать от компенсированных фазйых напряжейий йа угол, меньший 180°-во условие I), т. е. если одйовремейно выполняются неравенства 5а-180° arg-ga- -Po ;(5) бо 180° аrg -% fo ;(6) 6o-180°.arg-yf- fo,(7) где arg - аргумент комплексного числа, находящийся в диапазоне от -180° до +180°. Во-вторых, пучок векторов компейсироваянь х фазных напряжений должен находиться в одной половине комплексйой плоскости (условие 2), т. е. необходимо одновременное выполнение двух неравенств ё одной из следующих трех систем неравенств

О arg - l80°;l -V -€180°./J

О arg

(8)

-UJО . «ilSO ,9)

0 I80 J .

0 I80°

0 arg-gf- lgO°J :(10)

В нормальном режиме ток нулевой последовательности отсутствует. При этом отсутствует и напряжение Uo, отсутствуют импульсы 16 (фиг. 2д) и сигнал на выходе элемента И 8 также отсутствует. Устройство не работает.

Рассмотрим работу устройства при однофазном коротком замыкарши,например при замыканин на землю фазы А. В первый момент после КО1ЮТКОГО замыкания импульсы 16, 20,21 н 22 могут появиться ранылё, чем появятся сигналы на выходах избирателя 6 особой фазы вследствие того, что время с})ормировання непрерывных сигналов на выходах избирателя 6 особой фазы может б1лть больн1е времени, через которое появляются нмпульсы 16, 20, 21 и 22. При этом для ср;1батыва1Н1я устройства необходимо одновременное выполнение неравенства (5)--{7), а также одновременно выполненне двух неравенств в одной из систем Неравенств (8), (9) или. (10). В комплексной плоскости сопротивления петли короткого заг.гыкания (раничными линиями каждого из неравенства (5), (6), (7) являются две полупрямые, вьиодиише соответственно из особых точек Рд и Рс. (фиг. 6), в которых обращаются в нуль компенсированные фазПые напряжения UA , Ов и Ос соответственно. Граничными линиями неравенства 5 являются полупрямые ОА и АО, образующие с прлмон А, параллельной действительной оси, углытРо и So соответственно (фиг. 6). Аналогично граничными линиями неравенств ва (6) являются полупрямые. ОБ и ВО, образующие с прямой Е5, проходящей под углом 120° к действительной оси, утлыУо п 6 соответственно. Граничными линиями неравенства 7 являются полупрямые ОС и СО, образую Hwe соответственно углы РО и бо с прямой С, проходящей к действительной оси под углом 60°. Области выполнения неравенств (5) -(7) показаны штриховкой.

Граничные линии неравенств (8) -(10) пpeдcтвляюt собой соответственно .дуги АВ и Ас, В А и ВС, СА и QB, опирающиеся на особые точки Рд, Р и Р (фиг. 7), а вписанный угол дуг АВ, ВС и СА равен 120°. одновременного выполнения двух неравенств в системах (8) -(10) обозначены; на фиг. 7 через .1, И, III соответственно, и показаны штриховкой. Область : выполнения условия (2), т. е. область на-хождения векторов компенсированных фазных напряжений в одной нолуплоскостй, представляет собой сумму областей I, И, и in и ограничена дугами АС, ВА и СВ (фиг. 7).

Область срабатывания устройства . приотсутствии сигналов на выходах избирателя 6 особой фазы является общей частью областей выполнения условия (I) (фиг. 6) и условия (2) (фиг. 7) и показана на фиг. 8.

Через время, равное времени срабатывания избирателя 6 особой фазы, на выходе А избирателя 6 появляется непрерывный сигнал. Этот сигнал поступает на вход элемента 5 И, на другой вход которого поступает импульс 23 (фиг. 3 в) с выхода 4 расширителя 20 импульса, сформиррвайH ojo из компенсированного напряжения UA фазы А. При этом на оба входа соот ветствующего элемента 7 ИЛИ поступают импульсы, причем на один из входов посту0 нает импульс 20 (фиг. 36), а на другой вход - импульс 23 (фиг. 3 в), длительность которого больше длительности импульса 20 на величину & В результате длительность импульса на выходе этого элемента ИЛИ равна длительности импульса 23 и к схеме

8 совпадения подаются импульсы 16, 21-23. При это.м в условиях срабатывания устройства неравеяс -ва (6), (7). (9) и (10) не из меняются, а неравенства (5) и (8) вследствие замены импульса 20 на импульс 23

принимают соответственно вид

6о 5 fо ; (f О

-

i

(12) «ISO

-aj

По сравнению с неравенством 5 в левой части неравенства 11 присутствует. При этом граничная линия АО (фиг. 6 и фиг. 8) поворачивается вокруг точки Рд но часовой стрелке на угол д. В результате прямая ОА характеристики предлагаемого устройства образует с прямой А угол 6о- (фиг. 9).

По сравнению с неравенствами (8) в Правой части неравенств (12) вместо 180° присутствует сумма 180°-f о. При этом

. вписанный угол дуги АС (фиг. 7 и фиг. 8)

уменьшается и становится равным

. (фиг. 9). В результате положения дуги АС

характеристики предлагаемого устройства

регулировать путем изменения вели. чины 6. Изменяя величину 6, можно обесQ печить любую требуемую чувствительность к переходным сопротивлениям. Наличие граничных линий ОА, ОС, ОБ, АС, ВА, СВ и регулируемый поворот граничной линии АО относительно прямой А выгодно отличает область срабатывания предлагаемого

5 устройства от области срабатывания извест: ноге устройства, так как наличие граничной линии ОС приводит к повышению селек.тивности при внешних двухфазных коротких

замыкайиях на землю, наличие угЛа до-§ между граничной линией ОА и прямой А и наличие граничной линии АС повышает селективность при внешних однофазных коротких замыканиях через переходное сопротивление. Дeйcтвиteльнo, при внеш. них коротких замыканиях на расстоянии ZjK через переходное сопротивление R конец вектора приведенного переходного сопротивления R оказывается ниже прямой А, которая является граничной линией области срабатывания известного устройства, и известное устройство срабатывает. В предлагаемом устройстве вследствие наклона граничной линии АО и ограничения области срабатывания дугой АС конец вектора приведенного переходного сопротивления не попадает в область ерабатывания предлагаемого устройства и неселективиого срабатывания не происходит.

На фиг. 10 приведена характеристика дан ного устройства в комплексной плоскости отношения ЭДС питающих систем в предельном случае, когда место внешнего двухфазного короткого замыкания на землю фаз ВС неограниченно приближается к концу защищаемой зоны.

Область срабатывания известного уст-ройства, в котором граничная линия С исключается избирателем особой фазы, ограничена прямой В. При этом несёлективнь х излишних срабатываний не проис-ходит, если

ел- 120° +А(13)

где - угол полного сопротивления защищаемой линии. Из неравенства (13) следует, что потеря селективности известного устррйства может наступить при 9 -120°, что может иметь место в режиме нагрузки даже при отсутствии качаний.

Область срабатывания описываемого устройства в плоскости отношения ЭДС ограничена граничными линиями ВО и ОС, которые повернуты относительно прямых В и С (фиг. 10). При этом неселективных срабатываний не происходит, если Чл- 240° - fo + о {14)

Выбирая -fo таким образом, чтобы выпол нялось условие

240°- ,(15)

где Он - максимально возможное расхождение по фазе эквива;1ентйых ЭДС в ре,жиме Harpy3KHj можно исключить неселективное (излишнее) срабатывание устройства при наложении режимов нагрузки и внепК Него короткого замыкания.

Работа устройства симметрична к виду короткого замыкания.

То есть аналогичным образом устройство будет работать при коротких замыканиях на землю фазы В и фаз СА, фазы С и АВ. Так, при коротком замыкании йа землю фазы В или фаз СА нспрерьтный сигнал появится На выходе В избирателя 6 (фиг. 1) особой фазы. При этом на соответствующий вход схемы 8 совпадения вместо импульса 21, длительность которр о соответствует длительности положительной полуволнь компенсированного фазного Напряжения UB , поступает расширенный импульс 24 (фиг. 4 в) и будет происходить поворот граничной линии ВО. на угол и относительно особой точки Pg и снижение на величину d вписанного угла дуги ВА. Аналогично при коротком замьтании на землю фазы С или АВ Непрерывный сугнаЛ появляется на выходе С избирателя б особой фазы (фиг. 1). При этом на соответствующий вход схемы 8 совпадения вместо импульса 22, длительность которого соответствует длительности положительной полуволны компенсированного фазного напряжения Ue , поступает расширенный импульс 25 (фиг. 5 в) и будет происходить поворот граничной линии СО на угол S вокруг особой точки PC и снижение на величину д вписанного угла дуги СВ.

При двухполупериодном выполнении данного устройства число блоков 3-10 удвоится. . :

Таким образом, данное устройство при сохранении высокой чувствительности к пере ходным сопротивлениям при однофазных коротких замыканиях на землю в защищаемой зоне позволяет повысить селективность при внешних однофазных и двухфазных коротких замыканиях на зе.млю как при металлических, так и через переходные сопротивления, в условиях расхождения по фазе эквивалентных ЭДС питающих систем.

Такое сочетание свойств позволит сократить число излишних (неселективных) срабатываний как при однофазных, так и при двухфазных внешних коротких замыканиях на землю, что позволит повысить надежность электррснабжения потребителей электрической энергии и .даст существенный техникоэкономический эффект. ,

t

M

a

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ НЕСИММЕТРИЧНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ по авт. св. № 1030904 отличающееся тем, что, с целью повышения селективности при внешних двухфазных коротких замыканиях на землю, оно дополнительно содержит блок формирования коротких импулы cob, четыре блока расширителя импульсов, три элемента И и блок задержки, при этом вход одного из блоков расширителя импульсов подключен к выходу блока формирования коротких импульсов, подключенному к выходу формирователя импульсов, а выход через блок задержки подключен к входу элемента И, каждый выход трех других блоков расширителя импульсов подключен к соответствующему выходу формирователя синусоидальных напряжений в логические сигналы, а каждый выход к одному из входов соответствующего элемента И, другие входы которых подключены к соответствующим выходам избирателя особой фазы, а выходы соединены с входами соответствующих элементов ИЛИ. X СО ел 05 00 4 сл

Фиг.2. liU tM

п

.0

I I

20

(

2J

Фиг.З CO Фаг.5 Ф(лг.В

АО

ОС

сриг.10