Устройство для защиты измерительного трансформатора напряжения от повреждения при феррорезонансных процессах в сети с изолированной нетралью Советский патент 1992 года по МПК H02H7/04 

Изобретение относится к высоковольтным электрическим сетям, в частности к рас- пределительным электрическим сетям 6-35 кВ, работающим с изолированной нейтралью, и предназначено для автоматической защиты от токовых перегрузок трансформаторов напряжения при дуговых замыканиях на землю и феррорезонансных процессах.

Известно защитное устройство, суть ко торого заключается в том. что первая вторичная обмотка трансформатора напряжения, соединенная в разомкнутый треугольник, замыкается на активное сопротивление 1. Однако минимальная величина постоянно включенного активного сопротивления с точки зрения термического воздействия токов величиной 4А на изоляцию обмотки не может быть ниже 25 Ом, а это техническое требование не обеспечивает необходимой эффективности гашения феррорезонансного процесса, а следовательно не способствует снижению повреждаемости трансформаторов напряжения с последующим повреждением изоляции другого электротехнического оборудования, особенно обмоток статоров электродвигателей.

Более того, при отсутствии компенсации емкостных токов, имеющих малые значения в сетях указанного напряжения вследствие несимметрии емкостей между отдельными фазами и землей, а также нелинейности сопротивления холостого хода трансформаторов напряжения возможна частичная компенсация указанных емкостей (не на всех трех фазах) индуктивностью трансформаторов напряжения. При разных сочетаниях индуктивных и емкостных сопротивлений по фазам происходит смещение нейтрали, которое может сопровождаться значительным возрастанием фазных напряжений. Это может вызвать одновременные повреждения изоляции в нескольких местах.

Следует иметь в виду, что в системе с малыми емкостными токами возможно также возникновение низкочастотных (субгармонических колебаний в контуре, состоящем из емкости фазы по отношению к земле и индуктивности трансформатора напряжения. Такие субгармонические колебания не сопровождаются значительным повышением напряжения, но опасным для трансформатора напряжения, так как при этом в его первичных обмотках могут протекать большие токи.

Для предотвращения субгармонических колебаний директивными документами Минэнерго СССР рекомендуется предусматривать в цепи 31/о трансформа- тора напряжения в схемах блоков генератор-трансформатор и синхронный компенсатор-трансформатор второй резистор сопротивлением 25 Ом на ток 4А, автоматически шунтирующий первый постоянно включенный резистор 2 Однако эффективности указанные технические рекомендации не дали, так как смещения нейтрали, феррорезонансные процессы, колебательные явления и перенапряжения перемежающихся дуг замыканий на землю продолжают достигать опасных по величине напряжений и токов.

Более того, рекомендации по закорачиванию схемы разомкнутого треугольника первой и вторичной обмотки трансформатора напряжения резистором величиной сопротивления в пределах 25-100 Ом в старой редакции правил технической эксплуатации (ПТЭ) в новой редакции 3 отсутствуют. В пункте 5.11.13 просто упомянуто, что с сетях и на присоединениях 6-35 кВ в случае необходимости должны быть приняты меры к предотвращению феррорезонансных процессов, в том числе самопроизвольных смещений нейтрали.

Известно устройство для защиты трансформатора напряжения контроля изоляции от повреждений при феррорезонансных процессах, содержащее цепь из последовательно включенных нелинейного реактора и резистора, параллельно которому включен исполнительный орган, могущий подключить резистор параллельно ранее существующему 4. Это устройство обладает всеми вышеуказанными недостатками предшествующих устройств, дополнительно к которым прибавились следующие основные недостатки: потеряна возможность

фиксировать наличие тока феррорезо- нансного процесса в глухозаземленной нейтрали высоковольтных обмоток трансформатора напряжения; усложнилась схема

подключения дополнительного резистора между выводами разомкнутого треугольника первой вторичной обмотки по причине сложности обеспечения требуемых параметров нелинейного реактора в процессе

эксплуатации с учетом аварийных режимов в сетях; снизилась и без того недостаточная эффективность ограничения феррорезонансных процессов только по фактору наличия напряжения нулевой последовательности 3U0 между выводами треугольника первой вторичной обмотки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому решению является устройство для защиты трансформатора напряжения контроля изоляции от повреждения при феррорезонансных процессах в сети с изолированной нейтралью 5, принятое нами за прототип и содержащее, в отличие от предыдущего устройства, блок

преобразования синусоидального напряжения в напряжение прямоугольной формы, входы которого имеют клеммы для подключения к первой вторичной обмотке трансформатора напряжения, соединенной в

разомкнутый треугольник, а к выходам подключена упомянутая цепь из последовательно соединенных нелинейного реактора и резистора.

В предложенном устройстве хотя и незначительно, но возросла эффективность ограничения феррорезонансных процессов благодаря некоторому увеличению сопротивления нулевой последовательности в первичных обмотках трансформатора напряжения с глухозаземленной нейтралью.

Основными недостатками устройства являются: отсутствие должной эффективности ограничения феррорезонанса резисто5 рами в разомкнутом треугольнике вторичной обмотки; снижение и без того низкой эффективности резисторов при малых токах замыкания на землю; невозможность ограничения перенапряжений при

0 перемежающихся дугах однофазных замыканий на землю; вероятность возникновения смещений нейтрали со значительным увеличением фазных перенапряжений и возникновением низкочастотных (субгар5 монических) колебаний в контуре, приводящих к возрастанию токов в первичных обмотках трансформатора напряжения; усложненность дополнительными элементами, а поэтому недостаточная надежность

схемы автоматизации включения резисторов в разомкнутый треугольник вторичной обмотки.

Целью изобретения является более эффективное ограничение феррорезонаисных процессов благодаря своевременному ограничению перенапряжений перемежающейся дуги однофазного замыкания на землю, исключающему возникновению смещений нейтрали и низкочастотных колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для защиты измерительного трансформатора напряжения от повреждения при феррорезонансных процессах в сети с изолированной нейтралью содержит: электромагнитный трансформатор напряжения, у которого первичная обмотка соединена в звезду с глухозаземленной нейтралью; первая вторичная обмотка соединена по схеме разомкнутого треугольника, между выводами которой подсоединены параллельно два резистора, причем, первый резистор подсоединен наглухо, а второй резистор подсоединен через однофазный коммутационный аппарат, причем параллельно второму резистору подсоединен двухполупериодный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, к выходам постоянного тока которого подсоединен конденсатор, и вывод первой вторичной обмотки со стороны непосредственного подсоединения второго резистора заземлен, и вторая вторичная обмотка соединена в звезду с выведенным нулевым проводом; трехфазную регулируемую ре- зисторную нагрузку, выполненную в виде регулируемых резисторов в фазах, соединенных по схеме звезды с нулевым проводом и подсоединенных к фазным выводам второй вторичной обмотки через трехфазный коммутационный аппарат, отключенный в нормальном режиме, причем нейтрали резисториой нагрузки и второй вторичной обмотки соединены непосредственно и заземлены; первую цепь управления, содержащую трансформатор тока, первичная обмотка которого подсоединена в нейтраль первичной обмотки трансформатора напряжения, а ко вторичным цепям которого подсоединены последовательно токовый частотный фильтр, пороговый элемент, первое промежуточное реле и блок включения однофазного коммутационного аппарата между выводами первой вторичной обмотки, причем параллельно частотному фильтру и пороговому элементу подсоединено реле тока; вторую цепь управления, содержащую частотный фильтр- реле напряжения между выводами первой вторичной обмот ки, к которому подсоедине- яы последовательно первое реле времени,

второе промежуточное реле и блок включения трехфазного коммутационного аппарата между выводами второй вторичной обмотки, причем параллельно частотному 5 фильтру-реле напряжения подсоединено реле напряжения, а между выводом реле тока первой цепи управления и вводом-вто- рого промежуточного реле второй цепи управления подсоединено второе реле 10 времени.

По сравнению с прототипом существенными отличительными признаками являются: использование тока феррорезонансного процесса ф в нейтрали первичных обмоток 15 и напряжения нулевой последовательности 3Uo в разомкнутом треугольнике первой вторичной обмотки трансформатора напряжения соответственно; применение токового и напряженческого частотных фильтров, 0 обеспечивающих регистрацию возникновения высокочастотных составляющих токов в нейтрали первичных и напряжения в разомкнутом треугольнике первой вторичной обмоток трансформатора напряжения; 5 использование трехфазной резисторной нагрузки, подключаемой к выводам второй вторичной обмотки трансформатора напряжения; применение двухполупериодного выпрямителя, подсоединенного параллель- 0 но второму резистору непосредственно, к выводам постоянного тока которого подсоединен конденсатор; наличие двух цепей управления, обеспечивающих подключение указанных нагрузок к выводам первой и вто- 5 рой вторичных обмоток трансформатора напряжения.

Вся заявляемая совокупность основных отличительных признаков соответствует критерию новизна.

0 Комплексное взаимодействие между низкочастотными и высокочастотными составляющими токов и напряжений в обмотках трансформатора напряжения при перемежающихся дугах, феррорезонанс- 5 ных, резонансных и колебательных процессах на функциональные и взаимосвязанные подключения яагоузок в его вторичных обмотках благодаря комбинированному функционированию цепей управления 0 обеспечивают соответствие предложенного технического решения критерию положительный эффект.

По отличительным существенным признакам был проведен поиск известных ре- 5 шений в науке и технике. Известных решений не найдено. Следовательно, заявленное решение соответствует критерию существенные отличия .

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройп ва

Первичная обмотка 1 трансформатора напряжения соединена по схеме звезды с выведенной нейтралью 2, имеющей глухое заземление 3 через первичную обмотку трансформатора тока 4 и подсоединена непосредственно с питающей секции 5,

Его низковольтная обмотка 6 соединена по схеме звезды с выведенным нулевым проводом 7, к линейным выводам которой через нормально отключенный трехфазный коммутационный аппарат 8 подсоединена трехфазная резисторная нагрузка с регулируемыми резисторами 9 в фазах, соединенная по схеме звезды с выведенной нейтралью 10, имеющей заземление 11, причем между нейтралями второй вторичной обмотки и трехфазной нагрузкой имеется непосредственная эчектрическая связь 12.

Его первая вторичная обмотка 13 соединена по схеме разомкнутого треугольника, между выводами которой подсоединены непосредственно и параллельно между собой первый резистор 14 и электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных однофазного коммутационного аппарата 15 и второго резистора 16, причем параллельно второму резистору подсоединен двухполупериодный выпрямитель 17, к выводам выпрямленного тока которого подсоединен конденсатор 18, причем вывод первой вторичной обмотки со стороны непосредственного подсоединения обоих резисторов имеет заземление 19,

Ко вторичным цепям трансформатора тока подключена первая цепь управления, содержащая последовательно соединенные токовый частотный фильтр 20, пороговый элемент 21, первое промежуточное реле 2 и блок включения 23, однофазного коммутационного аппарата между выводами первой вторичной обмотки, причем параллельно частотному фильтру и пороговому элементу подсоединено в цепь управления реле тока 24.

Вторая цепь управления содержит частотный фильтр-реле напряжения 25 между выводами первой вторичной обмогкм, к которому подсоединены последовательно первое реле времени, 26, второе промежуточное реле 27 и блок включения 28 трехфазного коммутационного аппарата лежду выводами первой вторичной обмотки и трехфазной резисторной нагрузки, причем параллельно частотному фильтру-реле напряжения подсоединено в цепь управления реле напряжения 29, а между выводом реле тока 24 первой цепи и вводом второго промежуточного реле 27 второй цепи управления подсоединено второе реле времени 30.

В нормальном режиме работы электрических сетей однофазный коммутационный

аппарат 15отключен,токферрорезонаисно- ю процесса 1ф в нейтрали 2 первичной обмотки 1 трансформатора напряжения, подсоединенного к питающей секции 5, отсутствует, а следовательно, тока во вторич0 ных цепях трансформатора тока 4 нет и первая цепь управления, содержащая токовый частотный фильтр 20, пороговый элемент 21, реле тока 24, первое промежуточное реле 22 и блок включения 23, не

5 функционируют. Отключен и коммутационный аппарат 8 в связи с тем, что между выводами разомкнутого треугольника первой вторичной обмотки 13 отсутствует напряжение - 3Uo, а следовательно и вторая

0 цепь управления, содержащая частотный фильтр-реле напряжения 25, реле напряжения 29, первое реле времени 26, второе промежуточное реле 27 и блок включения 28, не функционируют тоже.

5 Однако глухое заземление 3 нейтрали 2 первичной обмотки 1, совместное заземление 11 нулевого провода 7 второй вторичной обмотки 6 через непосредственную электрическую связь 12 и выведенной нейтрали

0 10 трехфазной резисторной нагрузки с регулируемыми резисторами 9, а также непос- редственное заземление 19 вывода первой вторичной обмотки 13 со стороны непосредственного подсоединения обоих

5 резисторов 14 и 16 уже обеспечивают превышение эффективности постоянно подсоединенного первого резистора 14 в части определенного замедления развития перенапряжений перемежающейся дуги и фер0 рорезонансных процессов в начальный момент их возникновения, до начала функционирования всех элементов защитного устройства.

Более того, непосредственное включе5 ние первичной обмотки трансформатора гока 4 в цепь между нейтралью 2 и заземлением 3 первичной обмотки 1, а также непос- редственное подсоединение между выводами первой вторичной обмотки 13

0 частотного фильтра-реле напряжения 25 и реле напряжения 29 обеспечивают эффективную работу защитною устройства буквально в начальный момент времени при повреждении фазной изоляции электрообо5 рудозания в сетях.

При возникновении перенапряжений перемежающейся дуги однофазных замыканий на землю возрастает магнитный поток в магнитопроаодах трансформаторов на- пряжения, а следовательно уже в начальной

стадии увеличения магнитного потока появляется, хотя и незначительный по величине, ток начального периода развития ферроре- зонансного процесса - ф при колебаниях и переходных процессах в первичной обмотке трансформатора гока 4, приводящий в действие первую цепь управления. Токовый частотный фильтр 20 срабатывает в результате того, что при феррорезонаисе в первичных обмотках 1, а следовательно и по электрической связи между нейтралью 2 и глухим заземлением 3 через первичную обмотку трансформатора тока 4 протекает и ток седьмой гармоники, выявленный экспериментальным путем, величина которого по сравнению с током нормального режима возрастает с 0,7 до 30% от результирующей величины тока. Поэтому весьма успешно срабатывает пороговый элемент 21, приводящий к срабатыванию первого промежуточного реле 22 И блока включения 23, обеспечивающего включение коммутационного аппарата 15, подключающего между выводами первой вторичной обмотки 13 цепь состоящую из параллельно соединенных второго резистора 16 и двухполупери- одного выпрямителя 17 с подсоединенным к его выводам выпрямленного тока конденсатора 18. Еще необходимо дополнить, что при возникновении феррорезонанса с субгармоническими колебаниями порядка 25 или 50 Гц срабатывает обычное реле тока 24, шунтирующее токовый частотный фильтр 20 и пороговый элемент 21, чем обеспечивается вышеуказанная работа первой цепи управления.

В начальный момент времени сопротивление - Хс конденсатора 18 практически равно нулю, чем обеспечивается весьма эффективное и безопасное кратковременное шунтирование первого резистора 14, приводящее к срыву колебательного и переходного процессов, предшествующих начальной стадии развития феррорезонансного процесса. По мере зарядки конденсатора 18 его сопротивление возрастает до величин, обеспечивающих фактически протекание большой величины тока через второй резистор 16, а следовательно обеспечивается протекание результирующего тока между выоодами первой вторичной обмотки 13 по двум, параллельно подсоединенным, резисторам 14 и 16 непосредственно в земле через заземление 19, что дает возможность исключить повторное возникновение колебательных и переходных процессов в обмотках 1 трансформатора напряжения, а следовательно и между фазами питающей секции 5 и землей. Наличие заземления 19 в этот момент способствует

повышению эффективности стабилизации электромагнитных процессов, предшествующих феррорезонансным процессам. При уменьшении величины тока 1ф ниже уровня 5 срабатывания порогового элемента 21 схема защитного устройства возвращается в исходное состояние.

Однако при недостаточной эффективности работы первой цепи управления защит- 10 ного устройства и сохранении возникшего напряжения нулевой последовательности - 3Uo между выводами первой вторичной обмотки 13, зашунтированными параллельно подсоединенными резисторами 14 и 16, 15 срабатывает частотный фильтр-реле напряжения 25, приводящий к срабатыванию первого реле времени 26, второго промежуточного реле 27 и блока включения 28 трехфазного коммутационного аппарата

0 8, подсоединяющего к фазным выводам второй вторичной обмотки 6 резисторную нагрузку с регулируемыми резисторами 9 в фазах, соединенных в звезду с выведенной нейтралью 10, которая заземлена с по5 мощью заземления 11. Нулевой провод 7 соединен непосредственное нейтралью 10 при помощи электрической связи 12.

Эффективное срабатывание частотного фильтра-реле напряжения 25 обеспечивает0 ся тем, что в напряжении 3U0 преобладает третья гармоника, которая в нормальном режиме работы электрических сетей составляет не более 0,7 процента, а в режимах переходного процесса и начальной стадии

5 развития феррорезонанса не менее 28 процентов от результирующей величины напряжения, что гоже выявлено экспериментальным путем. Относительно наличия первого реле времени 26 необходимо отме0 тить то, что оно введено во вторую цепь управления в связи с необходимостью отстройки от времени отключения токов короткого замыкания, возникающих в местах всей электрически связанной сети. Под5 ключением к фазам второй вторичной обмотки 6 регулируемых резисторов 9 обеспечивается эффективное шунтирование тока намагничивания - в магнитопро- воде трансформатора напряжения, а

0 следовательно снижение магнитного потока, в крайнем случае стабилизации его величины, исключающих, как минимум, развитие феррорезонансного процесса до уровня опасных величин токов и перенапря5 жений, а то и обеспечивающих его полное гашение в начальной стадии развития.

Более того, совместная электрическая связь 12 между нейтралью 10 и нулевым проводом 7, а также их заземление через заземлитель 11 стабилизирует весьма эффективно шунтировку тока намагничивания - IjW.

При возникновении аварийных процессов с преобладающим наличием в напряжении - 3Uo субгармонических составляющих частотой 25 или 50 Гц срабатывает реле напряжения 29 с последующей работой вышеуказанных элементов второй цепи управления.

В заключение описания эффективности работы защитного устройства необходимо отметить случаи развития аварийных режимов в циклично-каскадной последовательности по причине комбинированного воздействия перенапряжений перемежающейся дуги замыкания на землю, резонансного и феррорезонансного процессов с наложением на них как низкочастотных, так и высокочастотных колебаний, приводящих к смещению нейтрали сети и так называемому явлению опрокидывания фаз с возникновением, в конечном результате, весьма опасных для изоляции всего электротехнического оборудования не только фазных, но и линейных перенапряжений.

Однако наличие второго реле времени 30, подсоединенного между выводами реле тока 24 первой цепи и вводом второго промежуточного реле 27 второй цепи управления, и незначительно отстроенной в сторону увеличения его временной установки по сравнению с установкой первого реле времени 26 обеспечивает включение коммутационного аппарата 8 через второе промежуточное реле 27 и блок включения 28. чем гасится сложный переходной процесс в самой начальной стадии развития, а это. в свою очередь, полностью исключает наличие колебательных процессов на питающей секции 5 после отключения повредившегося участка сети, приводящих в настоящее время во многих случаях к повреждениям изоляции в ячейках КРУ и их возгораниям, приводящим к большим экономическим убыткам.

Таким образом, применение предложенного устройства полностью обеспечивает возможность своевременного выявления и гашения феррорезонансных процессов практически в начальной стадии его развития на основании функционального взаимодействия между элементами, воздействующими на своевременное и эффективное гашение феррорезонансных токов и внутренних перенапряжений.

Минимальный экономический эффект применительно к энергосистемам средних мощностей составляет 120-220 тысяч рублей в год на один миллион кВт установленной мощности.

Благодаря предложенному защитному устройству практически полностью обеспечивается безаварийная работа измерительных трансформаторов, разрядников,

коммутационных аппаратов и надежное срабатывание устройств релейной защиты. Отсюда дополнительный экономический эффект от снижения аварийности в сетях и повышения надежности их работы трудно

0 переоценить, а минимальная сумма для энергосистем с учетом сельской электрификации составляет 350-380 тысяч рублей в год.

В связи с подробно изложенным и тех5 нически обоснованным описанием, на основании поясняющей схемы и приведенных источниках информации видно, что предложенное устройство представляет собой техническое решение новых задач, осущест0 вленное неизвестными ранее сочетаниями средств и путями.

Формула изобретения отображает техническое решение указанного перечня новых задач, которые в прототипе и анало5 rax являются недостатками. Более того, в признаках отличительной части формулы выражена совершенно новая, по сравнению с прототипом, причинно-следственная связь.

0

Формула изобретения Устройство для за щиты измерительного трансформатора напряжения от повреждения при феррорезонансных процессах в

5 сети с изолированной нейтралью, содержащее первый резистор с выводами для подключения к первой вторичной обмотке защищаемого трансформатора, соединенной в разомкнутый треугольник, и цепь из

0 последовательно соединенных второго резистора и однофазного коммутационного аппарата, подключенную параллельно первому резистору, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности

5 функционирования, в него дополнительно введены двухполупериодный выпрямитель, входы которого подключены параллельно второму резистору, точка соединения которого с первым резистором имеет вывод для

0 подключения к контуру аземления, конденсатор, подключенный к выходам двухполу- периодного выпрямителя, трехфазный коммутационный аппарат, первые выводы которого предназначены для подключения

5 к выводам второй вторичной обмотки защищаемого трансформатора, соединенной в звезду, вторые выводы подключены к трехфазной регулируемой резисторной нагрузке, соединенной в звезду, нейтраль которой имеет вывод для подключения к

нейтрали второй вторичной обмотки защищаемого трансформатора и к контуру зазем- ления, первая цепь управления, включающая трансформатор тока, первичная обмотка которого предназначен для включения в заземленную нейтраль первичной обмотки защищаемого трансформатора, и последовательно включенные в цепь вторичной обмотки трансформатора тока токовый частотный фильтр, пороговый элемент, первое промежуточное реле и блок включения однофазного коммутационного з аппарата, при этом параллельно токовому частотному фильтру и пороговому элементу

включено реле тока, вторая цепь управления, содержащая частотный фильтр-реле напряжения, подключенный параллельно первому резистору, и последовательно подсоединенные к выходу указанного фильтр- реле первое реле времени, второе промежуточное реле и блок включения трехфазного коммутационного аппарата, при этом параллельно частотному фильтру-реле напряжения подключено реле напряжения, выход которого соединен с входом первого реле времени, между выходом реле тока и входом второго промежуточного реле включено второе реле времени.

Сущность изобретения: введением дополнительных измерительных органов, контролирующих как основную, так и гармонические составляющие тока в заземленной нейтрали первичной обмотки и напряжения на первой вторичной обмотке защищаемого трансформатора, соединенной в разомкнутый треугольник, а также двухполупериод- ного выпрямителя, входы которого через однофазный коммутационный аппарат подключены к первой вторичной обмотке, а выходы - к вновь введенному конденсатору, и трехфазной регулируемой резисторной нагрузки, через трехфазный аппарат подключаемой ко второй вторичной обмотке, соединенной в звезду, обеспечивается повышение эффективности функционирования защиты. 1 ил. сл с

±41

о #