УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Название	УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Разработчик (Авторы)	Шуин Владимир Александрович, Шадрикова Татьяна Юрьевна, Добрягина Ольга Александровна, Шагурина Елена Сергеевна, Пашковский Сергей Николаевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2629376
Дата регистрации	26.07.2016
Правообладатель	Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "ЭКРА"
Область применения (класс МПК)	H02H 3/16 (2006.01) H02H 3/26 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для защиты от однофазных замыканий на землю (Далее ОЗЗ) кабельных и воздушных линий распределительных сетей среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с резонансным заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (с компенсацией емкостных токов).

В таких сетях защита от ОЗЗ, как правило, действует на сигнал в соответствии с требованиями ПУЭ, за исключением защиты линий, питающих электродвигатели, и сетей с повышенными требованиями по электробезопасности (шахтные, карьерные сети, сети угольных разрезов, торфоразработок и др.). В сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, большая часть ОЗЗ (до 90%) имеет дуговой прерывистый характер. При большой частоте повторных зажиганий и гашений заземляющей дуги ОЗЗ сопровождаются опасными перенапряжениями, охватывающими всю электрически связанную сеть, что может привести к вторичным пробоям изоляции и переходам ОЗЗ в двойные и многоместные замыкания на землю или междуфазные короткие замыкания в месте повреждения, к увеличению аварийности в рассматриваемых сетях и снижению надежности электроснабжения потребителей. Такие опасные дуговые ОЗЗ, называемые дуговыми перемежающимися ОЗЗ (ДПОЗЗ), во многих случаях необходимо отключать в целях защиты контролируемой сети от перенапряжений. Возникновение ДПОЗЗ возможно также в компенсированных сетях при больших расстройках компенсации (Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков B.C. и др. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002. - 268 c.).

Известно, что из элементов сетей среднего напряжения наименьшими запасами электрической прочности изоляции обладают электродвигатели напряжением 6-10 кВ, для которых величина переменного напряжения при высоковольтных испытаниях не должна превышать значений U_исп=(2,8-2,9)U_ф (Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. №204). С учетом этого безусловно опасными, прежде всего, для кабельных сетей 6-10 кВ следует считать дуговые прерывистые ОЗЗ, сопровождающиеся кратностями перенапряжений К_п=U_п.макс/U_ф.т≥(2,8-2,9).

По данным исследований (Шуин В.А., Шадрикова Т.Ю., Добрягина О.А. Способы распознавания опасных дуговых прерывистых замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Электроэнергетика глазами молодежи. Научные труды VI Международной молодежной научно-технической конференции, 9-13 ноября 2015 г.; Материалы конференции. Т. 2. - Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. - 2015. - С. 213-218) в сетях с изолированной нейтралью перенапряжения при повторных пробоях изоляции превышают указанный уровень при интервалах между повторными пробоями изоляции Δt ≤ ~70 мс. При больших, чем указанные, значениях интервалов времени Δt между повторными пробоями изоляции дуговые ОЗЗ не сопровождаются опасными для сети перенапряжениями и поэтому не требуют немедленного отключения поврежденного присоединения. Такую разновидность ОЗЗ принято называть дуговым прерывистым однофазным замыканием на землю (ДПрОЗЗ).

Еще меньшую опасность для сети представляют кратковременные самоустраняющиеся ОЗЗ («клевки земли», «мгновенные замыкания на землю» - КрОЗЗ). Однако КрОЗЗ, как правило, предшествуют всем остальным разновидностям ОЗЗ - ДПОЗЗ, ДПрОЗЗ и устойчивым ОЗЗ (УОЗЗ), и их селективная фиксация может быть использована для диагностирования состояния изоляции элементов сети. Существующие исполнения защиты от замыканий на землю не обладают способностью распознавать опасные и неопасные для сети дуговые ОЗЗ и не могут решить задачу выбора наиболее эффективного при данной разновидности ОЗЗ способа действия защиты (сигнал или отключение).

Известны устройства токовой защиты нулевой последовательности (Далее ТЗНП) (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976; Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1998; Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М.: Энергоатомиздат, 1987), основанные на контроле составляющих промышленной частоты тока нулевой последовательности установившегося режима ОЗЗ, содержащие измерительный орган тока, подключенный к фильтру тока нулевой последовательности (Далее ФТНП) и реагирующий на среднеквадратичное или средневыпрямленное значение контролируемой величины. Устройства ТЗНП получили наиболее широкое применение в распределительных электрических сетях с изолированной нейтралью и с резистивным заземлением нейтрали.

Недостатком устройств защиты данного типа является низкая эффективность функционирования при дуговых ОЗЗ (возможность излишних срабатываний при внешних отказов срабатывания при внутренних повреждениях), ограниченная величиной собственного емкостного тока защищаемого присоединения область применения, неспособность распознавать опасные и неопасные для сети дуговые ОЗЗ и фиксировать КрОЗЗ.

Известны устройства токовой направленной защиты нулевой последовательности (Далее ТНЗНП) (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976.; Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1998; Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М.: Энергоатомиздат, 1987), содержащие орган направления мощности, подключенный к фильтру напряжения нулевой последовательности (Далее ФННП) и ФТНП, контролирующий фазные соотношения составляющих промышленной частоты подведенных величин в установившемся режиме ОЗЗ. Устройства ТНЗНП имеют более широкую область применения, чем ТЗНП, не ограниченную величиной собственного емкостного тока защищаемого присоединения.

Недостатком устройств защиты данного типа является не всегда достаточная селективность и устойчивость функционирования при дуговых ОЗЗ, неспособность распознавания опасных и неопасных для сети дуговых ОЗЗ и фиксации КрОЗЗ.

Известны устройства направленной импульсной защиты от ОЗЗ (Попов И.Н., Лачугин В.Ф., Соколова Г.В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. - М., Энергоатомиздат, 1986 г.; Лачугин В.Ф. Направленная импульсная защита от замыканий на землю // Энергетик. 1997. №9. - С. 21; RU 2480882 C1, опубл. 27.04.2013; RU 2519277 C1, опубл. 10.06.2014; RU 2550348 C1, опубл. 10.05.2015, SU 1275622 A1, опубл. 07.12.1986; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001), основанные на использовании электрических величин переходного процесса при пробое изоляции фазы контролируемой сети на землю, содержащие импульсный орган направления мощности, подключенный к ФТНП и ФННП, реагирующий на начальный знак мощности нулевой последовательности переходного процесса (начальные фазные соотношения переходного тока и напряжения нулевой последовательности) при ОЗЗ, пусковой орган, реагирующий на напряжение нулевой последовательности промышленной частоты, для отстройки от коммутационных переключений в сети и других режимов без ОЗЗ, элемент И, служащий для фиксации совместного срабатывания указанных органов, элементы логики, элементы сигнализации, выходные реле защиты.

В указанных устройствах защиты от ОЗЗ в качестве поляризующей величины используется напряжение нулевой последовательности, что создает возможность отказов функционирования при нарушениях начальных фазных соотношений сравниваемых величин за счет смещения нейтрали сети.

Недостатками устройств защиты данного типа также являются отсутствие непрерывности действия в установившемся режиме ОЗЗ, необходимой при поиске поврежденного участка линии методом оперативных переключений в сети и при выполнении защиты с действием на отключение, неспособность распознавания опасных и неопасных для сети дуговых ОЗЗ, обусловленная отсутствием непрерывности действия импульсного органа направления мощности на интервале времени существования переходного тока ОЗЗ.

Известно устройство централизованной импульсной направленной защиты (SU 1275622 A1. опубл. 07.12.1986; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001), основанное на использовании фазных соотношений переходного напряжения и переходных токов нулевой последовательности в присоединениях защищаемого объекта в начальный момент ОЗЗ, содержащее пусковой орган, реагирующий на напряжение нулевой последовательности, для отстройки от переходных режимов, не связанных с ОЗЗ; датчики знаков мгновенных значений переходного тока на каждое из n присоединений защищаемого объекта, подключенные через формирователи сигналов тока к ФТНП; быстродействующий токовый пусковой орган, входы которого подключены к датчикам знака мгновенных значений переходного тока, а выход - к входу блока автоматического изменения порога срабатывания датчиков тока; датчики мгновенных значений опорной (поляризующей) величины, подключенные через формирователь сигналов напряжения к ФННП; схемы сравнения начальных знаков 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.

В отличие от импульсных направленных защит в качестве поляризующей величины используется не напряжение нулевой последовательности, а его производная, что обеспечивает некритичность защиты к искажениям начальных фазных соотношений между переходным напряжением и переходными токами нулевой последовательности, обусловленными смещением нейтрали сети в режиме, предшествующем ОЗЗ, например, за счет несимметрии емкостей фаз сети на землю, и при дуговых перемежающихся или прерывистых замыканиях на землю.

Недостатками устройства (SU 1275622 A1. опубл. 07.12.1986; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001) являются отсутствие непрерывности действия в установившемся режиме ОЗЗ, а также неспособность распознавания опасных и неопасных для сети дуговых ОЗЗ.

Известно устройство направленной импульсной защиты от ОЗЗ (SU 675513 A1 опубл. 25.07.1979), основанное на использовании электрических величин переходного процесса, содержащее импульсный орган направления мощности нулевой последовательности с самоудерживанием по напряжению нулевой последовательности и автоматическим возвратом при его исчезновении, один из выходов которого подключен к измерительному органу перемежающегося дугового замыкания, срабатывающего с выдержкой времени в зависимости от числа пробоев за период, выход которого подключен к первому входу логического элемента И. Второй выход импульсного органа связан со вторым входом логического элемента И, формирующего сигнал на отключение защищаемого присоединения при дуговых перемежающихся ОЗЗ, а также с органом фиксации устойчивого замыкания, выход которого подключен к элементу сигнализации. Счетчик числа единичных пробоев изоляции подключен к третьему выходу импульсного органа направления мощности нулевой последовательности. В данном аналоге предусмотрена возможность фиксации КрОЗЗ, действия на сигнал при устойчивых ОЗЗ, как правило, не представляющих прямой опасности для сети, и на отключение при дуговых ОЗЗ.

Недостатками указанного устройства являются отсутствие непрерывности действия направленного импульсного измерительного органа при устойчивых ОЗЗ, возможность ложных срабатываний при переходных процессах, сопровождающихся появлением составляющих нулевой последовательности в режимах без ОЗЗ, например, при коммутационных переключениях в сети, невозможность распознавания с использованием предложенного критерия, основанного на контроле числа пробоев за период промышленной частоты, опасных и неопасных для сети по величине перенапряжений дуговых замыканий на землю.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является централизованное устройство автономной комплексной направленной защиты от ОЗЗ (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001), содержащее согласующие преобразователи тока и напряжения нулевой последовательности трансформаторного типа; дифференциатор, подключенный к выходу преобразователя напряжения; частотные фильтры, выделяющие рабочую полосу частот до 3 кГц; схемы сравнения времени совпадения с временем несовпадения знаков тока и производной напряжения на интервале времени наблюдения (интервале времени существования переходного тока) и пусковой орган, реагирующий на напряжение нулевой последовательности промышленной частоты. Выход схемы сравнения и выход пускового органа по напряжению подключаются к логическому элементу И, на выходе которого появляется сигнал о возникновении ОЗЗ на защищаемом присоединении.

Ближайший аналог обладает непрерывностью действия на всем интервале времени существования тока переходного процесса, что повышает селективность и устойчивость функционирования при дуговых ОЗЗ, а в установившемся режиме ОЗЗ реагирует на фазные соотношения высших гармоник тока и напряжения нулевой последовательности. Поэтому устройство может быть использовано для определения поврежденного присоединения как при устойчивых, так и при дуговых ОЗЗ.

Недостатком прототипа является отсутствие функции распознавания разновидностей замыканий на землю, прежде всего опасных и неопасных для сети дуговых ОЗЗ, а также отсутствие возможности фиксации однократных самоустраняющихся пробоев изоляции.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение селективности и устойчивости функционирования (технического совершенства) защиты электрических сетей среднего напряжения 6-35 кВ от однофазных замыканий на землю путем распознавания всех разновидностей ОЗЗ и выбора на этой основе наиболее эффективного способа действия защиты - на сигнал или на отключение.

Технический результат достигается тем, что в устройство защиты от однофазного замыкания на землю распределительных сетей среднего напряжения, содержащее согласующие преобразователи тока и напряжения нулевой последовательности, полосовые частотные фильтры, дифференциатор, схему сравнения фаз двух величин, пусковой орган напряжения нулевой последовательности, введен блок фиксации кратковременных замыканий на землю, включающий элементы оперативной и долговременной памяти с двумя входами - записывающим и стирающим, первый элемент временной задержки, формирователь кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала, первый элемент И и счетчик числа пробоев изоляции; введен блок контроля длительности бестоковых пауз; введен блок токовой направленной защиты нулевой последовательности; введены второй и третий элементы И, первый и второй элементы ЗАПРЕТ с одним информационным и двумя запрещающими входами каждый; введен элемент ИЛИ; введен второй элемент временной задержки; введены четыре выходных реле, при этом выход схемы сравнения фаз двух величин подключен к входам элемента временной задержки, формирователя кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала, блока контроля длительности бестоковых пауз и к информационному входу второго элемента ЗАПРЕТ, записывающий вход элемента оперативной памяти подключен к выходу первого элемента временной задержки, а стирающий вход - к выходу формирователя кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала, выход элемента оперативной памяти подключен к первому входу первого элемента И, выходом подключенного к входу счетчика числа пробоев изоляции и к записывающему входу элемента долговременной памяти, первый выход блока контроля длительности бестоковых пауз подключен к первому входу второго элемента И и к первым запрещающим входам первого и второго элементов ЗАПРЕТ, а второй выход - к первому входу третьего элемента И и ко вторым запрещающим входам первого и второго элементов ЗАПРЕТ, выход пускового органа напряжения нулевой последовательности - ко вторым входам первого, второго и третьего элементов И, входы блока токовой направленной защиты нулевой последовательности, подключены к выходам согласующих преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности соответственно, а выход - к информационному входу элемента ЗАПРЕТ, выход элемента долговременной памяти подключен к первому выходному реле, выходы второго и третьего элементов И соответственно ко второму и третьему выходным реле, выходы первого и второго элементов ЗАПРЕТ - к входам элемента ИЛИ, выход которого подключен через второй элемент временной задержки к четвертому выходному реле.

Согласующие преобразователи тока и напряжения нулевой последовательности, полосовые частотные фильтры, дифференциатор, схема сравнения фаз двух величин реализуют функцию направленного измерительного органа непрерывного действия, реагирующего на фазные соотношения высших гармонических составляющих в заданном рабочем диапазоне частот в переходных и, при достаточной чувствительности, в установившихся режимах ОЗЗ. Введенный в схему устройства защиты блок токовой направленной защиты нулевой последовательности, реагирующий на фазные соотношения тока и напряжения нулевой последовательности промышленной частоты, обеспечивает непрерывность действия при устойчивых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью, в которых при малых значениях суммарного емкостного тока обеспечить требуемую чувствительность направленной защиты на основе высших гармоник при устойчивых ОЗЗ возможно не всегда. Введенный элемент временной задержки обеспечивает отстройку функций защиты, предназначенных для действия только при устойчивых ОЗЗ, от КрОЗЗ.

Введенный блок фиксации кратковременных замыканий на землю, включающий элементы оперативной и долговременной памяти, первый элемент временной задержки сигнала, формирователь кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала, первый элемент И и счетчик числа пробоев изоляции обеспечивает фиксацию КрОЗЗ, а также первых пробоев изоляции, переходящих в ДПрОЗЗ, ДПОЗЗ или УОЗЗ. Формирователь кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала и первый элемент временной задержки указанного сигнала обеспечивают стирание любой ранее записанной информации с элемента оперативной памяти перед записью новой информации, что исключает возможность ложной фиксации КрОЗЗ при коммутациях в сети, сопровождающихся бросками переходного тока и напряжения нулевой последовательности.

Введенные блок контроля длительности бестоковых пауз, логика, реализованная с помощью элементов И, ЗАПРЕТ, ИЛИ и выходные реле позволяют осуществить раздельную фиксацию ДПрОЗЗ, ДПОЗЗ, УОЗЗ.

Формула изобретения

Устройство защиты от однофазного замыкания на землю распределительных сетей среднего напряжения, содержащее согласующие преобразователи тока и напряжения нулевой последовательности, полосовые частотные фильтры, дифференциатор, схему сравнения фаз двух величин, пусковой орган напряжения нулевой последовательности, отличающееся тем, что введен блок фиксации кратковременных замыканий на землю, включающий элементы оперативной и долговременной памяти с двумя входами - записывающим и стирающим, первый элемент временной задержки, формирователь кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала, первый элемент И и счетчик числа пробоев изоляции; введен блок контроля длительности бестоковых пауз; введен блок токовой направленной защиты нулевой последовательности; введены второй и третий элементы И, первый и второй элементы ЗАПРЕТ с одним информационным и двумя запрещающими входами каждый; введен элемент ИЛИ; введен второй элемент временной задержки; введены четыре выходных реле, при этом выход схемы сравнения фаз двух величин подключен к входам элемента временной задержки, формирователя кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала, блока контроля длительности бестоковых пауз и к информационному входу второго элемента ЗАПРЕТ, записывающий вход элемента оперативной памяти подключен к выходу первого элемента временной задержки, а стирающий вход - к выходу формирователя кратковременного импульса по переднему фронту входного сигнала, выход элемента оперативной памяти подключен к первому входу первого элемента И, выходом подключенного к входу счетчика числа пробоев изоляции и к записывающему входу элемента долговременной памяти, первый выход блока контроля длительности бестоковых пауз подключен к первому входу второго элемента И и к первым запрещающим входам первого и второго элементов ЗАПРЕТ, а второй выход - к первому входу третьего элемента И и ко вторым запрещающим входам первого и второго элементов ЗАПРЕТ, выход пускового органа напряжения нулевой последовательности - ко вторым входам первого, второго и третьего элементов И, входы блока токовой направленной защиты нулевой последовательности подключены к выходам согласующих преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности соответственно, а выход - к информационному входу элемента ЗАПРЕТ, выход элемента долговременной памяти подключен к первому выходному реле, выходы второго и третьего элементов И соответственно ко второму и третьему выходным реле, выходы первого и второго элементов ЗАПРЕТ - к входам элемента ИЛИ, выход которого подключен через второй элемент временной задержки к четвертому выходному реле.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ" (Шуин Владимир Александрович, Шадрикова Татьяна Юрьевна, Добрягина Ольга Александровна, Шагурина Елена Сергеевна, Пашковский Сергей Николаевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога