УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ И С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ

Название	УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ И С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ
Разработчик (Авторы)	Шуин Владимир Александрович, Шадрикова Татьяна Юрьевна, Добрягина Ольга Александровна, Шагурина Елена Сергеевна, Пашковский Сергей Николаевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2629375
Дата регистрации	17.08.2016
Правообладатель	Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "ЭКРА"
Область применения (класс МПК)	H02H 3/16 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для защиты от однофазных замыканий на землю (далее ОЗЗ) кабельных и воздушных линий электрических сетей среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с резонансно заземленной нейтралью через дугогасящий реактор (далее ДГР) (с компенсацией емкостных токов ОЗЗ).

В электрических распределительных сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, для защиты от основного вида повреждений - ОЗЗ, как правило, применяются максимальные токовые защиты нулевой последовательности (далее ТЗНП), основанные на использовании полных емкостных токов нулевой последовательности 3i₀ или их составляющих основной частоты 50 Гц. В компенсированных сетях обеспечить селективность и чувствительность указанных ТЗНП, как правило, нельзя, поэтому в таких сетях основное применение получили максимальные токовые защиты нулевой последовательности, основанные на использовании высших гармоник (ВГ) токов 3i₀ (далее ТЗНПВГ), не компенсируемых ДГР.

Задачей изобретения является повышение технического совершенства (селективности и чувствительности) максимальных токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ, основанных на использовании полных токов 3i₀ или их составляющих основной частоты 50 Гц в сетях с изолированной нейтралью или высших гармоник токов 3i₀ в компенсированных сетях.

Известны исполнения ТЗНП с одной подведенной величиной - током нулевой последовательности 3i₀ - с измерительными органами тока (реле тока) на электромеханической базе, например, РТ-40, РТ-140, ЭТД-551 (Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. Защита электрических сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 520 с.; Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с. и др.), с измерительными органами тока на электронной или микроэлектронной базе, например, РТЗ-51, РСТ-11, РСТ-11М, РСТ-13, РСТ-140 (Нудельман Г.С., Шамис М.А. Быстродействующее реле тока для защиты от замыканий на землю // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. - 1981. - Вып. 1 (92) - С. 13; Нудельман Г.С., Кочкин Н.А., Эверсков О.Л. Органы защит от замыканий на землю // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. - 1982, №1. - С. 16-18; http://www.cheaz.ru/ru/production/ustroystva-releynoy-zashchity/rele-toka-s-povyshennoy-chuvstvitelnostyu-staticheskie-rtz-51-01), с цифровыми измерительными органами тока на микропроцессорной базе (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektrosnabzenia&parent-category-id=4600;

http://w5.siemens.com/web/ua/ru/em/automation,_control_and_protection/relay_for_different_purposes/pages/siprotec_7sn60.aspx; http://www.ekra.ru/produkcija/rza-podstancionnogo-oborudovanija-6-35-kv/373-be2502a10hh.html).

Принцип действия указанных исполнений ТЗНП с одной подведенной величиной основан на сравнении значения воздействующей величины - полного тока нулевой последовательности 3I₀ или его составляющей основной частоты 50 Гц в защищаемом присоединении с уставкой, выбираемой из условия отстройки от собственного емкостного тока данного присоединения при внешних ОЗЗ, включая ДПОЗЗ (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: ПЭИПК. - 2003; Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит // Новости Электротехники. - 2005. - №5 (35); Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001):

где К_отс=1,2-1,3 - коэффициент отстройки; К_бр - максимальное значение коэффициента, учитывающего увеличение значения тока в неповрежденном присоединении за счет бросков переходных емкостных токов при дуговых перемежающихся замыканиях на землю (ДПОЗЗ);

где I_{C собс} - собственный емкостный ток устойчивого ОЗЗ защищаемого присоединения; 3C_{0 собс} - собственная емкость фаз защищаемого присоединения на землю; ω=2π 50; U_ф.ном - номинальное фазное напряжение сети.

Для исполнений ТЗНП на электромеханической базе принимают К_бр=4-5, на электронной или микроэлектронной базе - К_бр=2-4, для цифровых исполнений на микропроцессорной базе - К_бр=2-3.

Чувствительность ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью в соответствии с требованиями ПУЭ (Правила устройства электроустановок. Издание 7-е. Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. №204) оценивается только при внутренних устойчивых ОЗЗ (УОЗЗ) по выражению:

где К_ч - коэффициент чувствительности; К_{ч. мин} - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности (1,25 для защиты с действием на сигнал и 1,5 для защиты с действием на отключение);

где  - суммарный емкостный ток сети; 3С_0Σ - суммарная емкость фаз сети на землю.

Отметим, что такой подход к оценке чувствительности ТЗНП только при УОЗЗ не гарантирует устойчивых срабатываний защиты при более опасных для сети и поврежденного присоединения ДПОЗЗ.

Из (3) можно получить условие применимости (селективности при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ) ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью:

Из (3) и (5) можно видеть, что необходимость учета влияния переходных процессов при ДПОЗЗ на работу ТЗНП в значении коэффициента К_бр значительно ограничивает чувствительность и область возможного применения защиты. Так при К_бр=2-5, К_отс=1,3, К_ч.мин=1,25 из (5) получим

,

т.е. область применения ограничена присоединениями с величиной собственного емкостного тока не более 11-24% от . В то же время на присоединениях, подключенных к шинам центров питания (ЦП) сетей с изолированной нейтралью, значения I_{C собс} могут достигать значительно больших значений (до ~30-35% от ), что не позволяет применить на них ТЗНП с одной подведенной величиной.

Известны исполнения ТЗНПВГ с одной подведенной величиной, называемые также токовыми защитами абсолютного замера ВГ в токе 3i₀ (Кискачи В.М., Назаров Ю.Г. Сигнализация однофазных замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ / Труды ВНИИЭ. Вып. 16. - М.: Госэнергоиздат.- 1963. - С. 219-251; Кискачи В.М., Сурцева С.Е., Горшенина Н.М. и др. Устройства сигнализации замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Электрические станции. - 1972. - №4. - С. 69-72.).

В рассматриваемых устройствах защиты, как правило, используется ограниченный спектр ВГ, включающий гармоники ν=3, 5, 7, 11, 13 (150-650 Гц). Ток срабатывания ТЗНПВГ должен выбираться из условия отстройки от максимального уровня ВГ в собственном емкостном токе защищаемого присоединения при внешних УОЗЗ (Винокурова Т.Ю., Шуин В.А., Шагурина Е.С. Применение имитационного моделирования для оценки уровня нестабильности высших гармоник в токе однофазного замыкания на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 6. - Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. - 2014. - С. 31-38):

где К_отс=1,3 - коэффициент отстройки; α_макс - максимально возможный уровень ВГ в токе I_{C собс} (в о.е.) в контролируемой сети.

Коэффициент чувствительности защиты при внутренних УОЗЗ на защищаемом присоединении определяется по формуле:

где α_мин - минимально возможный уровень ВГ в токах I_{c Σ} и I_{c собс} защищаемой сети; K_ч.мин=1,5 - минимально допустимый коэффициент чувствительности защиты.

Из (6) и (7) получим условия применимости (селективности и чувствительности) ТЗНПВГ:

где Z=α_макс/α_мин - параметр, характеризующий степень нестабильности общего уровня ВГ в токе ОЗЗ в защищаемой сети.

По данным, приведенным в (Винокурова Т.Ю., Шуин В.А., Шагурина Е.С. Применение имитационного моделирования для оценки уровня нестабильности высших гармоник в токе однофазного замыкания на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ // Вестник ИГЭУ. Вып. 6. - Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. - 2014. - С. 31-38) наибольшие значения параметра Z характерны для компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ промышленного электроснабжения предприятий со сменным графиком работы с выходными днями и достигает значений 6 и более.

При Z=6, К_отс=1,5, К_ч.мин=1,5 из (8) получим

,

т.е. область возможного применения ТЗНПВГ значительно уже, чем ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью.

Практически при выборе уставки по току срабатывания для токовых защит на основе ВГ К_отс в (6) приходится принимать значительно большим, чем 1,5, из-за невозможности рассчитать максимальный и минимальный уровни ВГ в конкретной сети. В (Алексеев В.Г. Токовая защита ЗГНП-4.2 от замыканий на землю в обмотке статора генератора, работающего на сборные шины // Электрические станции. - №2. - 2006. - С. 51-56) рекомендуется равным К_отс=3-4. При таких значениях К_отс из (8) получим:

,

т.е. известные исполнения ТЗНПВГ практически не применимы на присоединениях, подключенных к шинам ЦП компенсированных электрических сетей среднего напряжения.

Недостатком известных исполнений ТЗНПВГ является также то, что при дуговых прерывистых ОЗЗ, включая ДПОЗЗ, действие таких защит блокируется. В то же время известно, что при больших расстройках компенсации, возможных в эксплуатации, ДПОЗЗ, сопровождаемые опасными для сети перенапряжениями, возможны также и в компенсированных сетях (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 с.).

Известны также исполнения ТЗНП с двумя подведенными величинами - током и напряжением нулевой последовательности 3i₀ и 3u₀ (RU 2088010 C1 опубликовано 20.08.1997, 2088010 Российская Федерация. МПК Н02Н 3/16, Н01Н8 3/20 / В.И. Кашкалов; заявитель и патентообладатель В.И. Кашкалов. - №94030995/07; заявл. 19.08.1994; опубл. 20.08.1997). Использование в ТЗНП напряжения 3u₀ позволяет выполнить защиту с изменяемой в зависимости от значения 3u₀ уставкой по току срабатывания и повысить чувствительность защиты.

Известно реле защиты отходящего присоединения электрический сети с изолированной нейтралью от однофазного замыкания на землю (RU 2088010 C1 опубликовано 20.08.1997), содержащее входной блок, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока нулевой последовательности, а выход с одним из входов измерительного блока, выход которого соединен с исполнительным органом, отличающееся тем, что оно снабжено блоком автоматического регулирования тока срабатывания, подключенного к другому входу измерительного органа и реализующего функцию: I_ср при U₀≈U_{0 нач}, I_cp=I_cp.min+KU₀ при U_{0 нач}<U≈U_ф.н, где K=(I_з.max-I_ср.min)/(U_ф.н-U_{0 нач}) - коэффициент наклона линейной части зависимости I_cp=f(U₀); I_cp.min - минимальный ток срабатывания реле; U_{0 нач}=(0…0,15)U_ф.н - начальное значение напряжения смещения нейтрали сети; I_з.max - наибольший ток однофазного металлического замыкания на землю в данной электрической сети; U_ф.н - номинальное фазное напряжение сети.

Возможность регулирования тока срабатывания реле I_ср и, соответственно, первичного тока срабатывания защиты в зависимости от значения напряжения нулевой последовательности U₀ позволяет увеличить чувствительность ТЗНП при УОЗЗ через переходное сопротивление, когда зависимость между током I₀ и напряжением U₀, подведенными к защите, имеет линейный характер: I₀=b I_{0 max}, где I_{0 max} - максимальное значение тока I₀ при металлическом ОЗЗ; b=U₀/U_ф.н - коэффициент полноты замыкания на землю. Однако в приведенных выше выражениях, определяющих характеристику срабатывания защиты, не учтены минимально допустимые значения коэффициента отстройки К_отс и коэффициента чувствительности К_ч.мин, без чего не может быть обеспечена требуемая устойчивость функционирования при внешних и внутренних устойчивых замыканиях на землю.

Известно также, что большую часть ОЗЗ, особенно в начальной стадии развития повреждения изоляции, в сетях с изолированной нейтралью составляют ДПОЗЗ (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971; Дударев Л.Е. Дуговые замыкания на землю в кабельных сетях / Л.Е. Дударев, С.И. Запорожченко, Н.М. Лукьянцев // Электрические станции. - 1971, №8. - С. 64-66; 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 с). При ДПОЗЗ значения I₀ и U₀, в общем случае изменяются в разной степени в зависимости от ряда влияющих факторов (параметров сети и поврежденной линии, места ОЗЗ в сети, интервалов времени между повторными пробоями изоляции, условий гашений и повторных зажиганий заземляющей дуги и др.), что не учитывается при выборе значения коэффициента К по выражению К=(I_з.max-I_cp.min)/(U_ф.н-U_{0 нач}) и не позволяет обеспечить селективность несрабатываний защиты при внешних ДПОЗЗ. Отметим также, что область возможного применения данной защиты, как и у ТЗНП с одной подведенной величиной, ограничена выражением (5).

Наиболее близким аналогом к предполагаемому изобретению является устройство токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю (RU 2422964 C1, опубликовано 27.06.2011), содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, кроме того, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, на первый вход которого поступает сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, а выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности. Второй вариант заявленного устройства - в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции величины сигнала о контролируемом токе нулевой последовательности линии, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен с первым входом релейного органа блока защиты, а на второй его вход поступает сигнал о заданном токе уставки.

Область возможного применения обоих вариантов защиты в прототипе ограничена условием (5). Коэффициент неполноты замыкания линейно связан с током I₀, подводимым к защите, как было отмечено выше, только при УОЗЗ. Поэтому изменение уставки по току срабатывания в зависимости от значения коэффициента неполноты замыкания на землю не позволяет обеспечить устойчивые несрабатывания защиты при внешних ДПОЗЗ

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, является повышение чувствительности и расширение области применения ТЗНП с двумя подведенными величинами при устойчивых и дуговых перемежающихся замыканиях на землю в электрических сетях среднего напряжения 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока. Технический результат достигается тем, что в устройство адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание, модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, выход которого подключен к второму входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, введены первый, второй, третий и четвертый полосовые частотные фильтры, первый и второй блоки переключения, дифференциатор, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения, элемент временной задержки, при этом выход датчика тока нулевой последовательности подключен к входам первого и второго полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам первого блока переключения, выходом подключенного через первый блок к первому входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам второго блока переключения, выходом подключенного через дифференциатор и второй блок вычисления среднеквадратичного значения к входу модуля (блока) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, связанного выходом с вторым входом релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход которого подключен к входу элемента временной задержки.

Введенный дифференциатор предназначен для получения производной напряжения нулевой последовательности 3u₀, используемой для вычисления текущей уставки в установившемся и в переходных режимах ОЗЗ в модуле (блоке) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание. Введенные первый и третий полосовые частотные фильтры имеют одинаковые частотные характеристики и предназначены для пропускания составляющей основной частоты 50 Гц и высших гармонических составляющих до 1-2 кГц тока нулевой последовательности 3io, используемых для работы устройства защиты в сетях с изолированной нейтралью. Введенные второй и четвертый полосовые частотные фильтры также имеют одинаковые частотные характеристики и предназначены для пропускания только высших гармонических составляющих тока 3io в диапазоне от 150 Гц до 1-2 кГц, используемых для работы устройства защиты в компенсированных сетях. Введенные первый и второй блоки переключения предназначены для изменения рабочего диапазона частот устройства защиты в зависимости от режима заземления нейтрали защищаемой сети. Введенные в схему первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения обеспечивают получение непрерывных сигналов входной воздействующей величины и текущей уставки на соответствующих входах релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание в установившемся и переходных режимах ОЗЗ. Введенный элемент временной задержки необходим для отстройки устройства защиты от переходных процессов, связанных с коммутационными переключениями в защищаемой сети.

Формула изобретения

Устройство адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание, модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, выход которого подключен к второму входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, отличающееся тем, что введены первый, второй, третий и четвертый полосовые частотные фильтры, первый и второй блоки переключения, дифференциатор, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения, элемент временной задержки, при этом выход датчика тока нулевой последовательности подключен к входам первого и второго полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам первого блока переключения, выходом подключенного через первый блок к первому входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам второго блока переключения, выходом подключенного через дифференциатор и второй блок вычисления среднеквадратичного значения к входу модуля (блока) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, связанного выходом с вторым входом релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход которого подключен к входу элемента временной задержки.

Изобретение "УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ И С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ" (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