Устройство для дистанционной защиты линии электропередачи несимметричных коротких замыканий на землю Советский патент 1984 года по МПК H02H3/40 

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для дистанционной защиты линии электропере дач от несимметричных коротких замы каний на землю. По основному авт.св. № 1056346 ;;йзв естно устройство дистанцион,ной защиты от несимметричных коротких замыканий на землю, содержащее формирователь компенсированных фазных напряжений и напряжения, пропор ционального току нулевой последовательности, преобразователи указан ных синусоидальных напряжений в прямоугольные импульсы, знак которы совпадает со знаком мгновенных знач ний соответствующих напряжений, схему совпадения и блок преобразова теля для преобразования импульсов в непрерывный сигнал lj . Недостатками известного устройст ва являются низкая чувствительность при однофазньк коротких замыканиях в защищаемой зоне через переходное сопротивление, особенно на линиях электропередачи небольшой длины при больших мощностях питающих систем, а также в ряде случаев низкая селек тивность, особенно на протяженных линиях электропередачи при больших мощностях питающих систем. Обусловлен этот недостаток тем, что форма характеристики известных устройств в комплексной плоскости . однозначно определяется режимом работы защищаемой электропередачи и не регулируется параметрами схемы устройства. В результате на линиях небольшой длины, а следовательно, и небольшой величины сопротивления уставки и при мощных эквивалентных питающих системах цлощадь характеристики устройства в комплексной плоскости сопротивления петли корот кого замыкания снижается и чувствительность к переходным сопротивлениям может оказаться недостаточной. И наоборот, на линияхбольшой длины площадь характеристики увеличивается, что приводит к снижению селективности устройства при внешних коротких замыканиях в условиях расхож дения по фазе ЭДС эквивалентных питающих систем. Цель изобретения - повьшение селективности при внешних однофазных и двухфазных коротких замыканиях на 22 землю в условиях расхождения по фазе эквивалентных ЭДС питающих систем. С этой целью устройство для дистанционной защиты линии электропередач от несимметричных коротких замыканий на землю дополнительно содержит последовательно соединенные элементы И, блок вьщержки времени и блок преобразования импульсного сигнала в непрерывный, причем входы дополнительного элемента И соединены с выходами элементов ИЛИ, а выход блока преобразования импульсного сигнала в непрерьгоный соединен с дополнительным входом выходной схемы совпадения. Введение дополнительного элемента И, на входы которого подаются импульсы, сформированные из компенсированных фазных напряжений, и подключение выхода упомянутого элемента И через блок выдержки времени к входу блока преобразования импульсного сигнала в непрерывный, выход которого подключен к дополнительному входу выходной схемы совпадения, приводит к тому, что для срабатывания устройства становится необходимым выполнение следующего условия: время совпадения импульсов, сформированных из компенсированньк напряжений, должно быть больше заданного времени, определяемого уставкой - блока выдержки времени. В результате характеристика устройства в комплексной плоскости сопротивления петли короткого замыкания, кроме прямолинейных участков, будет содержать дополнительно три дуги, ограничивающих область срабатывания, что приведет к повышению селективности при всех видах.внешних коротких замыканий. Положение упомянутых дуг, а следовательно, и селективность устройства, определяются величиной уставки блока выдержки времени. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - 5 - диаграммы напряжений; на фиг. 6 - 12 характеристики срабатывания в комплексных плоскостях. Устройство содержит формирователь 1 компенсированных напряжений фаз и напряжения, пропорционального току нулевой последовательности, выходы которого соединены с соответствующими входами преобразователя 2 указанных напряжений в прямоугольные логические сигналы, первый выход которого, соединен с входом формирователя 3 импульсов, а каждый из трех других выходов соединен с входом соответствующего блока 4 сдвига импульсов, выход каждого из которых соединен с одним из входов соответствующего элемента И 5, другой вход каждого из которых соединен с соответствующим выходом избирателя 6 особой фазы, а выходы каждого элементов И 5 соединены с одним из входов соответствующих элементов ИЛИ 7, другой вход каждого из которых соединен соответственно с упомянутыми тремя выходами преобразователя 2. Выходы элементов ИЛИ 7 соединены соответственно с первыми тремя входами схемы 8 совпадения и с входами элемента И 9, выход которого через блок 10 вьщержки времени и блок 11 преобразования импульсног сигнала в непрерывный соединен с четвертым входом схемы 8 совпадения пятый вход которой соединен с выходом формирователя 3 импульсов и выход соединен с выходным органом 1 Устройство дистанционной защиты от несимметричных коротких замыкани на землю работает следующим образом На входы формирователя 1 (фиг., 1 поступают фазные напряжения U( g U|4 и токи 3ft , g , DC соответствую щих фаз А, В, С, ток нулевой последовательности DO . из которых форми рователем 1 формируются следующие компенсированные фазные напряжения UA Ug UQ и напряжение UQ , пропорциональное току нулевой последовательностиUk-.U -ZyUA + , , Uc Oc-ZyUc+ oV, где Zq - сопротивление уставки, опр деляемое по прямой последо вательности; К - коэффициент компенсации; ч - коэффициент пропорциональности. Преобразователь 2 преобразует положительные полуволны (при однопо лупериодном выполнении) подводимых синусоидальных напряжений Од g U , IJQ в прямоугольные логические импульсы. На фиг. 2-5 изображены диаграммы напряжений, где по оси ор динат отложено напряжение U , а по оси абсцисс время t . Кривая 13 (фиг. 2а) соответствует напряжению UQ на выходе формирователя 1, пропорциональному току нулевой последовательности. Из напряжения 0(5 преобразователем 2 (фиг.1) формируются прямоугольные импульсы 14 (фиг. 26), длительность которых соответствует длительности положительной полуволны напряжения UQ . Формирователь 3 из прямоугольного импульса 14 формирует короткий импульс 15 (фиг. 2а), сдвинутый по времени на величину (5 относительно момента перехода мгновенных значений напряжения через нуль от отрицательных значений к положительным. Кривые 16 (фиг. За), 17 (фиг.4а) и 18 (фиг. 5а) соответствуют компенсированным фазным напряжениям U , UL и (jj, , из которых преобразователем 2 формируются прямоугольные логические импульсы 19 (фиг. 36), 20 (фиг. 46) и 21 (фиг. 56), доительность которых равна длительности положительной полуволны соответствующего компенсированного напряжения. Блоки 4 сдвига импульсов сдвигают по времени импульсы на их выходах относительно импульсов на их входах.При этом импульсы 22 (фиг. Зв), 23 (фиг. 4в) и 24 (фиг. 5в) на выходах соответствукяцих блоков 4 сдвига импульсов оказываются сдвинутыми на величину ft относительно соответствующих импульсов 19 (фиг. 36), 20 (фиг. 46) и 21 (фиг. 56). В нормальном режиме работы защищаемой линии электропередачи ток нулевой последовательности отсутствует. При этом отсутствует напряжение UQ , отсутствуют импульсы 15 на входе схемы 8 совпадения и устройство не работает. При коротких замыканиях на землю появляется ток нулевой последовательности и на всех входах схемы 8 совпадения могут появляться импульсы. Для срабатывания устройства необходимо, чтобы импульсы на всех входах схемы 8 совпадения присутствовали бы одновременно. Для этого необходимо выполнение следующих двух условий. Условие 1. В момент появления импульса 15 на выходе формирователя 3 должны присутствовать импульсы на выходах всех трех элементов ИЛИ 7. При отсутствии непрерьшных сигналов на выходах А, В и С избирателя 6 ос бой фазы для выполнения условия 1 необходимо, чтобы напряжение UQ отставало от компенсированных фазных напряжений на угол, меньпгай 180 , т.е. чтобы одновременно вьтолнялись следующие три неравенства So- 180° aT tliolUft)t8o-, (5) So- 180° argCUoluJnSo, (6) So- 180%oirg(Uo|uV)8,. (7) где arc аргумент комплексного чис ла, находящийся в интервале от -180 до . Условие 2. Время одновременного присутствия импульсов на входах эл мента И 9 должно быть больше време ни задержки tj блока 10 вьщержки времени. При отсутствии сигналов на выходах А, В и С избирателя 6 особой фазы для выполнения условия 1 необходимо одновременное выполне ние двух :неравенств в одной из сл дующих трех систем (Li;|U 1&0-jf, 0 ar Vu;iu{;)M&o°- 3 06ar CUe/u; iM&o -y,-) Обаг(ив1ис Мйо°-у 0 ar CUclUA)M8o°- 3 .(0 YJ O ar UcfUft fe 180 где wti 7 задержка, выраженна электрических граду сах; 10 2Hi,i - частота тока в сети На фиг. 6-10 приведены характ ристики устройства в комплексной плоскости петли короткого замыкани при замыкании на землю фазы А в прямом направлении при отсутствии нагрузки для случая неравенства уг лов всех полных сопротивлений элементов защищаемой сети. Граничными линиями неравенств (5), (6) и (7) являются соответственно прямые А, В и С (фиг. 6), проходящие через особые точки Р , Рд, Pj комплексной плоскости, в ко торых образуются в нуль компенсированные фазные напряжения. Граничными линиями каждого из неравенств (8), (9) и (10) являются две дуги, опирающиеся на соответствующие особые точки комплексной плоскости. Так граничными линиями первого из неравенств (8) являются дуги а b и АВ (фиг, 7), опирающиеся на особые точки Рд и Рд. Вписанный угол О Ь гшвен 120°, а дуги АВ - И Область выполнения неравенств расположена вне контура, охваченного дугами а b и АВ (показано штриховкой). Граничньми линиями второго из неравенств (8) являются дуги ср и АС (фиг. 7), опирающиеся на особые точки Рд и Рс. Вписанный угол дуги со равен 20, а дуги АС- 60 +Jfa . Область выполнения неравенства расположена внутри контура, образованного дугами СА и АС. Оба неравенства (8) одновременно выполняются в области i , ограниченной дугами АС,СО| и, al). Аналогично строятся граничные линии неравенств (9) и (10). Оба неравенства (9) одновременно выполняются в области 11, ограниченной дугами ВА иоЬ и Ьс , причем положение дуги ВА определяется правой частью первого из неравенств (9). Оба неравенства (10) одновременно выполняются в области III, ограниченной дугами СВ,со и be (фиг. 7), причем положение дуги СВ -определяется правой частью второго из неравенств (10) . Область выполнения второго условия является суммой областей 1, Ц и III и ограничена дугами АС, ВА и СВ, вписанный угол каждой из которых равен 60 (Уч При коротком замыкании на землю фазы А или фаз ВС на выходе А избирателя 6 (фиг. 1) особой фазы появляется непрерывньш сигнал, которьш поступает на вход элемента И 5, на другой вход которого поступает импульс 24 (фиг. 5в) с выхода блока 4 (фиг. 1) задержки импульса, сформированного из компенсированного фазного напряжения U, . При этом на выходе упомянутого элемента И 5 появляются импульсы 24, поступающие на вход элемента ИЛИ 7, на другой вход которого поступают импульсы 21 (фиг. 56). В результате иа выходе упомянутого элемента ИЛИ 7 .вместо импульсов 21 появляются импульсы 25 (фиг. 5г), длительность которых равна 3 + leo. При этом неравенст во (7) в первом условии принимает вид (Uo(u;;Hp 6o, ( а неравенства (8), (9) и (10) во втором условии принимают соответственно вид (UV|U8)6l60-y I .lMeoOtp-jf ), n O ar CUe/un l&oSp- f ar(Ue|u; ne.o. -1 -ро,г {и/0)М8оО-Д1. СИ) Граничными линиями неравенства (11) являются две полупрямые СО и ОС, выходящие из особой точки Р. и образующие с прямой С углы соотве ственно 180 +8(5 и р (фиг. 8). При этом область выполнений первого условия ограничена прямыми А, В, СО и ОС (фиг. 8). Граничными линиями каждого из неравенств (12), (13) и (14), так ж как и неравенств (8), (9), (10), являются две дуги, и область вьтоли ния второго условия также ограничена дугами АС, ВА и СВ (фиг. 9. При чем, как следует из сравнения неравенств (8 - 10) с неравенствами (12 14), положение дуг ВА и СВ не изменяется, а вписанный угол дуги АС уменьшается на величину р . Область срабатывания устройства в целом является общей частью облас тей выполнения первого условия (фиг. 8) и второго условия (фиг.9) При этом область срабатывания устройства комплексной плоскости сопро тивления петли короткого замыкания ограничена дугами АС, ВА, СВ и прямыми А, В, СО и ОС (фиг. 10). Чувствительность устройства к п реходным сопротивлениям определяется положением дуги АС. Изменяя впи санный угол дуги ЛС путем изменения В можно также как и в известно устройствеОбеспечить любую требуемую чувствительность. По сравнению с известным устройством в характеристике предлагаемого устройства появляются граничные линии ВА, СВ и АС, а также изменяется положение граничных линий СО и ОС. Кроме того, положение граничных линий ВА, СВ и АС изменяется одновременно изменением только одного параметра времени задержки ti . С увеличением ta происходит сжатие всех трех дуг ВА, СВ и АС и область срабатьшания снижается, что особенно важно на линиях большой длины. При необходимости положение дуги АС, а следовательно, и чувствительность устройства к переходным сопротивлениям можно регулировать изменением величины В . Все перечисленные факторы действуют в сторону повышения селективности предлагаемого устройства и выгодно отличают его от известных устройств. Так изменение положения прямой А и появление дуги АС повышает селективность устройства при внеш-. них однофазных коротких замыканиях через переходное сопротивление. Если известное устройство может сработатьизлишне при внешних коротких замыканиях на расстоянии 2 ц, через переходное сопротивление Kj даже при отсутствии нагрузки вследствие того, что конец вектора приведенного переходного сопротивления R под влиянием неравенства углов полных сопротивлений элементов сети попадает, в область срабатывания известного устройства (вектора R пересекает прямую А), то предлагаемое устройство при правильном выборе величины DO в описанном случае селективность не теряет, так как конец вектора ({ не попадает в его область срабатывания (фиг. 10). Одновременно регулирование граничных линий АС, СВ и ВА и сжатие характеристики путем увеличения времени задержки ti повьш1ает селективность при всех видах j opoTKoro замыкания. Но особенно существенно это преимущество на длинных линиях, когда достаточная чувствительность к переходным сопротивлениям обеспечивается за счет увеличения сопротивления уставки. Следует отметить, что при сжатии и расширении характеристики путем изменения t-з 1-1 не изменяется положение граничных линий СП и ОС, что является еще одним преимуществом предлагаемого устройства, так как регулирование ti не приводит к изменению предельных условий селективности. На фиг. 11 и 12 приведены характеристики предлагаемого устройства в комплексной плоскости отношения ЭДС питающих систем в предельном случае, когда место внешнего короткого замыкания неограниченно приближается к концу защищаемой зоны. При внешних коротких замыканиях на землю фазы А предельная область сра батывания устройства ограничена пря мой А (фиг. 11). При этом излишнего (неселективного) срабатывания не происходит, если угол 0 между эквивалентным ЭДС находится в интервале -C|),-SoiQ - &0°-t,-So. U5) где Ц)л - угол полного сопротивления защищаемой линии. При внешних двухфазных коротких замыканиях на землю фаз ВС предельная область срабатывания ограничен прямыми В и ОС (фиг. 12). При этом предельное условие селективности им ет вид -240° t j ft 1-8о в 60°-К41д+6о. (Ь Из предельных условий селективности (15) и (16) следует, что, вы бирая 180°-С -6,0 24o°-cp,-p.S,.e,, где 0ц - максимальное значение угла 0 в режиме нагрузки, можно исключить излишнее срабатывание устройства при наложении внешнего короткого замыкания на режим нагрузки. Работа устройства симметрична к виду короткого замыкания, т.е. аналогичным образом устройство будет работать при коротких замыканиях на землю фазы В и фаз СА, фазы С и фаз АВ. При двухполупериодном выполнении предлагаемого устройства число блоков 2-5, 7-11 удвоится. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить и обеспечить высокую селективность при внешних коротких замыканиях на землю в условиях расхождения по фазе эквивалентных ЭДС при сохранении высокой чувствительности к переходным сопротивлениям при однофазных коротких замыканиях в защищаемой зоне. Такое сочетание свойств позволит сократить как число излишних срабатываний при внешних коротких замыканиях, так и число отказов дистанционной защиты при коротких замыканиях в защищаемой зоне, что позволит повысить надежность электроснабжения потребителей электрической энергии и даст существенный технико-экономический эффект.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОН.НОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ НЕСИММЕТРИЧНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕЬШЮ по авт.св. № 1056346, отличающееся тем, что, с целью повышения селективности, оно дополнительно снабжено последовательно соединенными элементами И, блоком выдержки времени и блоком преобразования импульсного сигнала в непрерывный, причем входы дополнительного элемента И соединены с выходами элементов ИЛИ, а выход блока преобразования импульсного сигнала в непрерывный соединен с дополнительным входом выходной схемы совпадения. (О

ue.J

. /

M

ZO

i

Фиг.

s

60lS

ЛОЛ

ti

-й

II

б

J1L4-.

Zf

./

A

фиг. 7

AC

V

1

Л Ч

фиг. //

фиг. /