Патент на изобретение №2157038

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ С ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для выявления линий с замыканием на землю в сетях 6-35 кВ. Сущность изобретения: в известное устройство, содержащее два однофазных заземляющих резистора, фильтры тока нулевой последовательности, два измерительных трансформатора тока, измерительный трансформатор напряжения, два фильтра промышленной частоты, фазоповоротный блок, три компаратора, датчик тока, логический элемент И, преобразователь прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, расширитель импульсов, элемент выдержки времени, блок проверки исправности и исполнительный орган, дополнительно введены третий однофазный высоковольтный заземляющий резистор, трехфазный силовой выключатель и разъединитель, блок управления заземляющими резисторами, третий измерительный трансформатор тока в цепи высоковольтных заземляющих резисторов и устройство защиты резисторов, причем группа заземляющих резисторов подключена к сборным шинам через цепочку из выключателя, разъединителя и комплекта измерительных трансформаторов тока, основной вход блока управления заземляющими резисторами присоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а дополнительные входы служат входами управляющих сигналов, выходы блока управления заземляющими резисторами присоединены к соответствующим управляющим входам выключателя, вход элемента выдержки времени присоединен к выходу расширителя импульсов, а его выход соединен со входом исполнительного органа. Предлагаемое устройство имеет более широкую область применения, что является техническим результатом. 10 ил.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для выявления присоединения с замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью.

В таких сетях селективное выявление линии электропередачи, в которой произошло замыкание на землю, часто оказывается непростой задачей, особенно если в месте повреждения возникают большие переходные сопротивления, а к рассматриваемой секции сборных шин в каком-то реальном рабочем режиме (в том числе ремонтном) может быть присоединено малое количество линий электропередачи. Например, при наличии двух подключенных к секции сборных шин линий разной длины и появлении замыкания на землю на длинной линии ток в ее защите может оказаться очень небольшим, недостаточным для срабатывания (смотри, например, [1,2]). При этом защита линии от замыкания на землю не срабатывает и не выявляет поврежденное присоединение.

Часто возникающие в таких сетях при замыканиях на землю перемежающиеся дуги (смотри, например, [3,4]) еще больше усложняют ситуацию. В настоящее время нет строгого однозначного математического описания процессов, протекающих в сети при наличии перемежающейся дуги. Это, в свою очередь, затрудняет анализ поведения релейной защиты, которая должна выявлять такие повреждения.

В результате часто эксплуатационный персонал выводит из действия имеющиеся у них стандартные виды релейной защиты и выявляют поврежденную линию путем поочередного отключения подключенных к рассматриваемой секции сборных шин линий по признаку исчезновения напряжения нулевой последовательности. При наличии разветвленной сети такие отключения могут задержать процесс выявления поврежденной линии на значительное время и, кроме того, вызвать значительные материальные ущербы у отключаемых потребителей.

Существенно облегчаются режимы работы сети при заземлении ее нейтрали, например, через высокоомный резистор [5,6]. Во много раз снижаются перенапряжения, уменьшается, а при соответствующем выборе величины резистора исключается возможность возникновения перемежающихся дуг. Появляется возможность использовать активный ток для выявления поврежденной линии. Однако указанная возможность достаточно легко реализуется лишь в сетях 35 киловольт, где заземляющий резистор необходимой величины может быть включен, например, в нейтраль силового трансформатора. При этом в нормальном режиме работы сети он обтекается лишь незначительным током, вызванным несимметрией нейтрали, а при замыкании на землю через указанный резистор протекает достаточный для нормальной работы селективной защиты ток, определяемый напряжением сети, величиной переходного сопротивления в месте повреждения и сопротивлением резистора.

В сетях 6…10 киловольт силовые трансформаторы обычно не имеют выведенной нейтрали, поэтому включить резистор в их нейтраль не представляется возможным. Для решения поставленной задачи предлагается применять специально устанавливаемые трансформаторы с выведенной нейтралью, что вызывает как технические, так и экономические трудности. Использование нейтрали измерительных трансформаторов напряжения, как правило, не дает возможности использовать резистор необходимой мощности. В соответствии с [5] в этом случае, например, используя короткозамкнутую обмотку, соединенную в треугольник, у трансформатора типа НТМИ удается в течение нескольких секунд получить в сети наложенный активный ток порядка 1,6…2 ампера, что может оказаться недостаточным для решения рассматриваемой задачи.

Рассмотрим, в какой степени известные устройства для выявления замыканий на землю способны решать поставленную задачу применительно к сетям 6…10 киловольт.

Известно (смотри, например, [1 (страницы 56…59), 2 (страницы 380… 386]) устройство для выявления присоединения с замыканием на землю, содержащее фильтры тока нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, реле тока, присоединенные к выходам соответствующих фильтров тока нулевой последовательности, цепочку из последовательно включенного элемента выдержки времени, элемента сигнализации и исполнительного органа, вход которой присоединен к выходу реле тока, а выход служит выходом сигнала о замыкании на землю.

В этом устройстве измеряют ток нулевой последовательности в линиях и сравнивают его с током срабатывания, который в коэффициент отстройки раз больше суммы собственного емкостного тока линии и тока небаланса фильтра токов нулевой последовательности, причем поврежденной линией считают ту, в которой протекающий ток нулевой последовательности больше тока срабатывания в течение времени, превышающего время срабатывания защиты.

Недостатком рассматриваемого устройства является невозможность его применения в тех случаях, когда в каком-то реальном рабочем режиме (в том числе – ремонтном) к рассматриваемой секции сборных шин может быть присоединено малое количество линий электропередачи. Например, при наличии двух подключенных к секции сборных шин линий разной длины и появлении замыкания на землю на длинной линии ток в ее защите может оказаться очень небольшим, недостаточным для срабатывания.

У рассматриваемого устройства возникают проблемы с чувствительностью также тогда, когда в месте повреждения возникают большие переходные сопротивления. В экспериментах, проведенных сотрудниками Новосибирского Государственного технического университета на подстанциях Тюменьэнерго, были зафиксированы переходные сопротивления в месте замыкания на землю, величина которых достигала 5…7 килоом, при которых токовая защита нулевой последовательности оказывалась нечувствительной.

Часто возникающие в таких сетях при замыканиях на землю перемежающиеся дуги (смотри, например, [3,4,5]) еще больше усложняют ситуацию. Теоретические расчеты, а также проведенные эксперименты показали, что большое содержание высших гармонических в напряжении нулевой последовательности при наличии в месте замыкания на землю перемежающейся дуги вызывают резкое, в несколько раз, увеличение емкостных токов линий, от которых описанное выше устройство должно быть отстроено во избежание его излишнего срабатывания. Однако, при такой отстройке и возникновении, например, металлического замыкания на землю или замыкания через большое переходное сопротивление на “обслуживаемой” линии устройство оказывается нечувствительным.

Известно (смотри, например, [1 (страницы 83…99)]) устройство для выявления присоединения с замыканием на землю, содержащее фильтры тока нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, измерительный трансформатор напряжения, содержащий вторичную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, логический элемент И, цепочку из последовательно включенного элемента выдержки времени, элемента сигнализации и исполнительного органа, реле тока и реле направления мощности, последовательно соединенные токовые обмотки которых присоединены к выходам соответствующих фильтров тока нулевой последовательности, причем входы напряжения реле направления мощности подключены к выводам обмотки измерительного трансформатора напряжения, соединенной в разомкнутый треугольник, входы логического элемента И присоединены к выходам реле тока и реле направления мощности, вход цепочки из последовательно включенного элемента выдержки времени, элемента сигнализации и исполнительного органа присоединен к выходу логического элемента И, а выход служит выходом сигнала о замыкании на землю.

В этом устройстве измеряют величину тока нулевой последовательности в каждой линии и его фазовый угол относительно напряжения нулевой последовательности на сборных шинах, измеренную величину тока нулевой последовательности сравнивают с током срабатывания, который больше тока небаланса фильтра токов нулевой последовательности в коэффициент отстройки раз, угол между током нулевой последовательности и напряжением нулевой последовательности сравнивают с минимальным и максимальным предельными углами, причем поврежденной линией считают ту, в которой ток нулевой последовательности превышает ток срабатывания в течение времени, превышающего время срабатывания защиты, а измеренный фазовый угол лежит между минимальным и максимальным предельными углами.

Недостатком рассматриваемого устройства, как и предыдущего, является невозможность его применения в тех случаях, когда в каком-то реальном рабочем режиме (в том числе – ремонтном) к рассматриваемой секции сборных шин может быть присоединено малое количество линий электропередачи. Например, при наличии двух подключенных к секции сборных шин линий разной длины и появлении замыкания на землю на длинной линии ток в установленном на ней устройстве выявления может оказаться очень небольшим, недостаточным для срабатывания.

У рассматриваемого устройства возникают проблемы с чувствительностью также тогда, когда в месте повреждения возникают большие переходные сопротивления, во много раз снижающие величины токов и напряжений нулевой последовательности по сравнению с режимом металлического замыкания на землю.

Часто возникающие в таких сетях при замыканиях на землю перемежающиеся дуги (смотри, например, [3,4,5]), еще больше усложняют ситуацию. В соответствии с [5] характер горения перемежающихся дуг при различных видах повреждений в одной и той же сети может быть различным. Строгого однозначного математического описания процессов при перемежающейся дуге в настоящее время не существует. Нет, в частности, ясности в том, как именно может измениться угол между током и напряжением нулевой последовательности при перемежающейся дуге, а следовательно, нет ясности с тем, как в этом режиме будет вести себя направленная токовая защита нулевой последовательности.

Исследованиями ВНИИЭ [7] установлено, что защиты ЗЗП-1 и ЗЗП-1М, реагирующие на направление мощности нулевой последовательности в установившемся режиме и исполняющие функции выявления присоединения с замыканием на землю, могут отказывать в срабатывании в режимах перемежающихся дуговых замыканий на землю.

В [1] описаны случаи ложного срабатывания направленной защиты нулевой последовательности, установленной на неповрежденных линиях и выполненной на стандартных реле ЗЗП-1 и ЗЗП-1М, в процессе перезаряда емкостей сети после отключения поврежденной линии.

Известны устройства для выявления присоединения с замыканием на землю, в которых измеряется не мощность нулевой последовательности, как в описанном выше случае, а аналогичная мощность в определенные отрезки времени переходного режима.

Например, известно (смотри, например, [1 (страницы 99…102)]) устройство для выявления поврежденной линии, в котором, например, в первый полупериод переходного режима замыкания на землю измеряют величину тока нулевой последовательности в каждой линии и его фазовый угол относительно напряжения нулевой последовательности на сборных шинах, измеренную величину тока нулевой последовательности сравнивают с током срабатывания, угол между током нулевой последовательности и напряжением нулевой последовательности сравнивают с минимальным и максимальным предельными углами, причем поврежденной линией считают ту, в которой ток нулевой последовательности превышает ток срабатывания в течение времени, превышающего время срабатывания защиты, а измеренный фазовый угол лежит между минимальным и максимальным предельными углами.

Известно большое число устройств для направленной защиты от замыканий на землю, реализующих такого рода способы и выполненных на использовании переходных токов и напряжений нулевой последовательности, основная часть которых реагирует на мощность нулевой последовательности в первом полупериоде переходного режима [1].

Однако такие защиты имеют недостаточную помехозащищенность, могут неправильно функционировать вследствие естественных угловых сдвигов и фазовых погрешностей в цепях измерения тока и напряжения нулевой последовательности. В частности, они могут неправильно действовать при замыканиях на землю в моменты, близкие к нулю или максимуму напряжения поврежденной фазы [1].

На угловые сдвиги и фазовые искажения входных сигналов меньше реагируют устройства защиты, основанные на раздельной фиксации тока и напряжения нулевой последовательности в первом полупериоде переходного процесса [8], однако их помехозащищенность также значительно уступает аналогичному качеству защит, работающих в установившемся режиме.

Одним из вариантов описанных выше устройств является защита, основанная на сравнении направлений токов нулевой последовательности поврежденного и неповрежденных присоединений [1 (страницы 103…105)]. При наличии нескольких линий, присоединенных к одной секции распределительного устройства, замыкание на землю на одной из этих линий сопровождается протеканием по этим линиям противоположно направленных емкостных токов. Ток в поврежденной линии течет в одну сторону, а токи в неповрежденных линиях – в противоположную. При появлении замыкания на землю во вторичных цепях трансформаторов токов защиты каждой линии появляются токи нулевой последовательности, направление которых соответствует направлению первичных токов нулевой последовательности в этих линиях.

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. Определяют знак первого полупериода тока (положительный или отрицательный) во вторичной цепи каждой линии и сравнивают соответствующие знаки, поврежденной считают ту линию, знак тока нулевой последовательности в которой в первый полупериод замыкания на землю противоположен знакам токов в остальных линиях.

Похож на рассмотренный выше принцип и принцип действия описанного в [9] устройства.

Описанное устройство, как и все быстродействующие, может ложно срабатывать от помех.

Известно [1 (страница 68)] устройство для выявления присоединения с замыканием на землю, которое содержит специальный генератор наложенного тока частотой, например, 25 герц, включенный между выводом нейтрали силового питающего трансформатора и землей, фильтры тока нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, которые через цепочку из последовательно соединенных гармонических фильтров частотой 25 герц, пороговых органов, элементов выдержки времени и элементов сигнализации присоединены ко входам соответствующих исполнительных элементов, выходы которых служат выходами сигналов на отключение соответствующего присоединения.

В этом устройстве при появлении замыкания на землю в сети в нейтраль силового трансформатора вводят наложенный ток частотой 25 герц, измеряют эту гармоническую составляющую в токе нулевой последовательности каждой линии и сравнивают ее с током срабатывания, равным току небаланса, умноженному на коэффициент отстройки, причем поврежденной линией считают такую, в которой измеренная величина гармонической составляющей 25 герц в токе нулевой последовательности превышает ток срабатывания защиты.

Недостатками описанного устройства является необходимость включения специального высоковольтного источника тока частотой 25 герц в нейтраль трансформатора, которая в сетях напряжением 6…10 киловольт может быть не выведена, а также то, что такой способ защиты не исключает появления в месте замыкания на землю перемежающейся дуги, что может значительно усложнить работу защиты и послужить причиной ее неправильных действий.

Известно [10] устройство для выявления присоединения с замыканием на землю, содержащее два однофазных высоковольтных заземляющих резистора, включенные в нейтрали силовых трансформаторов, питающих соответствующие секции сборных шин подстанции, фильтры тока нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, два измерительных трансформатора тока, включенные в цепь соответствующих заземляющих резисторов, два измерительных трансформатора напряжения, содержащие вторичные обмотки, соединенные в разомкнутый треугольник, входы которых подключены соответственно к первой и второй секциям сборных шин питающей подстанции, выход первого измерительного трансформатора напряжения соединен с входом первого фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные первый фазоповоротный блок и первый компаратор подключен первый вход первого логического элемента И, исполнительные органы в количестве, равном числу защищаемых линий n, n датчиков тока нулевой последовательности, n+1 фильтр промышленной частоты, 3 n+3 компаратора, 2 n+1 логический элемент И, 2 n преобразователей прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, n расширителей импульсов, n+2 накладки оперативные, четыре пороговых органа, два согласующих элемента, второй фазоповоротный блок, сумматор, 2n+2 элемента сигнализации, два элемента выдержки времени, блок проверки исправности устройства, n резисторов и n диодов, причем выход второго измерительного трансформатора напряжения соединен с входом второго фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные второй фазоповоротный блок и второй компаратор подключен первый вход второго логического элемента И, вход первого порогового органа соединен с выходом первого измерительного трансформатора напряжения, а его выход служит выходом первого сигнала о замыкании на землю, вход второго порогового органа соединен с выходом второго измерительного трансформатора напряжения, а его выход служит выходом второго сигнала о замыкании на землю, выходы первого и второго фильтров промышленной частоты через первый и второй согласующий элементы соединены с первым и вторым входами сумматора соответственно, выход сумматора через третий и четвертый компараторы подключен к вторым входам первого и второго логических элементов И соответственно, к выходам которых присоединены входы первого и второго элементов сигнализации соответственно, входы третьего и четвертого пороговых органов подключены к трансформаторам тока, включенным в цепи высокоомных заземляющих резисторов, а их первые входы соединены соответственно с первыми выводами первой и второй накладок оперативных, вторые выходы третьего и четвертого пороговых органов соединены с входами первого и второго элементов выдержки времени, выходы которых служат выходами сигналов на отключение соответствующих выключателей, входы n датчиков тока нулевой последовательности подключены к выходам соответствующих фильтров тока нулевой последовательности, а их выходы через последовательно соединенные третьи фильтры промышленной частоты, пятые компараторы, третьи логические элементы И, первые преобразователи прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, шестые компараторы, расширители импульсов, четвертые логические элементы И, вторые преобразователи прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, седьмые компараторы и исполнительные органы соединены с первыми выводами третьих накладок оперативных, вторые выводы которых служат выходами сигналов на отключение соответствующих защищаемых линий, входы третьих и четвертых элементов сигнализации подключены соответственно к выходам четвертых логических элементов И и исполнительных органов, первые выводы n резисторов присоединены к плюсовой шине источника питания, а их вторые выводы объединены с анодными выводами соответствующих диодов и подключены к вторым входам четвертых логических элементов И, катодные выводы диодов, принадлежащих защитам линий, подключенных к первой секции сборных шин, соединены с вторым выводом первой накладки оперативной, а катодные выводы диодов, принадлежащих защитам линий, подключенных к второй секции сборных шин, соединены со вторым выводом второй накладки оперативной, вторые входы третьих элементов И, принадлежащих защитам линий, подключенных к первой секции сборных шин, соединены с выходом первого логического элемента И, принадлежащих защитам линий, подключенных ко второй секции сборных шин, соединены с выходом второго логического элемента И, а основные выходы блока проверки исправности устройства соединены с входами первого, второго и пятых компараторов и первым входом сумматора, дополнительный выход блока проверки исправности устройства соединен с вторым входом сумматора.

Прототипом предлагаемого устройства для выявления присоединения с замыканием на землю является последнее из описанных устройств.

Недостатком прототипа является невозможность его применения в таких сетях 6…10 киловольт, где питающие силовые трансформаторы не имеют выведенной нейтрали.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для выявления присоединения с замыканием на землю, имеющего более широкую область применения, которое может быть использовано, например, в сетях 6…10 киловольт.

Это достигается тем, что в известное устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее два однофазных высоковольтных заземляющих резистора, фильтры тока нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, два измерительных трансформатора тока, включенные в цепь соответствующих однофазных высоковольтных заземляющих резисторов, измерительный трансформатор напряжения, содержащий вторичную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, входы которого подключены к секции сборных шин подстанции, два фильтра промышленной частоты, фазоповоротный блок, три компаратора, датчик тока, логический элемент И, преобразователь прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, расширитель импульсов, элемент выдержки времени, блок проверки исправности устройства и исполнительный орган, причем выход измерительного трансформатора напряжения соединен с входом первого фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные фазоповоротный блок и первый компаратор подключен первый вход логического элемента И, вход датчика тока нулевой последовательности подключен к выходу фильтра тока нулевой последовательности, а его выход через последовательно соединенный второй фильтр промышленной частоты, второй компаратор, логический элемент И, преобразователь прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение и третий компаратор присоединен ко входу расширителя импульсов, выход исполнительного органа служит выходом выходного сигнала устройства, а выходы блока проверки исправности устройства соединены с входами первого и второго компараторов, дополнительно введены третий однофазный высоковольтный заземляющий резистор, образующий трехфазную группу с указанными выше однофазными высоковольтными заземляющими резисторами, трехфазный силовой выключатель и разъединитель, блок управления однофазными высоковольтными заземляющими резисторами, третий измерительный трансформатор тока в цепи однофазных высоковольтных заземляющих резисторов, образующий трехфазный комплект с указанными выше измерительными трансформаторами тока, и устройство защиты однофазных высоковольтных заземляющих резисторов, причем трехфазная группа однофазных высоковольтных заземляющих резисторов подключена к сборным шинам подстанции через последовательно соединенную цепочку из трехфазного силового выключателя, разъединителя и трехфазного комплекта измерительных трансформаторов тока, входы устройства защиты однофазных высоковольтных заземляющих резисторов присоединены к соответствующим выходам трехфазного комплекта измерительных трансформаторов тока, основной вход блока управления однофазными высоковольтными заземляющими резисторами присоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а дополнительные входы служат входами управляющих сигналов, выходы блока управления однофазными высоковольтными заземляющими резисторами присоединены к соответствующим управляющим входам трехфазного силового выключателя, вход элемента выдержки времени присоединен к выходу расширителя импульсов, а его выход соединен со входом исполнительного органа.

В результате описанного активный ток вводят на время выявления поврежденной линии непосредственно в фазы силовой схемы после того, как в сети появляется напряжение нулевой последовательности, превышающее максимальное напряжение небаланса нормального режима. При этом не требуется иметь выведенную нейтраль силового питающего трансформатора.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами.

На фиг. 1 приведена укрупненная структурная схема предлагаемого устройства для выявления присоединения с замыканием на землю применительно к одной из возможных схем подстанции. На фиг.2 приведена подробная структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.3 – пример исполнения блока 18 управления заземляющими резисторами. На фиг.4 приведен пример исполнения фазоповоротного блока, на фиг.5 – пример исполнения преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение. На фиг.6 приведен пример исполнения расширителя импульсов, на фиг.7 – пример схемы блока проверки предлагаемого устройства. На фиг.8 приведена векторная диаграмма токов и напряжений нулевой последовательности при замыкании на землю в сети, а на фиг.9 – эпюры сигналов на выходах некоторых элементов схемы. На фиг. 10 приведена фазовая характеристика защиты линии электропередачи от замыкания на землю.

На фиг. 1 приведена укрупненная структурная схема предлагаемого устройства для выявления присоединения с замыканием на землю применительно к одной из возможных схем подстанции. Здесь 1 – секция сборных шин, к которой через силовые выключатели 2, 3, 4 и разъединители 5, 6, 7 присоединены линии электропередачи 8, 9 и 10 соответственно. Питание секции сборных шин 1 обеспечивается силовым трансформатором 11, присоединенным к секции 1 через цепочку из последовательно включенных силового выключателя 12 и разъединителя 13. В цепях линий 8, 9 и 10 установлены трансформаторы тока нулевой последовательности (или трехтрансформаторные фильтры тока нулевой последовательности) 14, 15, 16, предназначенные для измерения токов нулевой последовательности, протекающих по линиям 8, 9, 10 соответственно. Первичная обмотка измерительного трансформатора напряжения 17, предназначенного для измерения напряжения нулевой последовательности, присоединена к секции 1 сборных шин. К выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения 17, соединенной в разомкнутый треугольник, присоединены основные входы блока 18 управления заземляющими резисторами, предназначенного для формирования сигналов на включение и отключение выключателя 19, через который трехфазная группа заземляющих резисторов 20 присоединена к секции 1 сборных шин. Дополнительные входы блока 18 управления заземляющими резисторами служат управляющими входами. Выходы блока 18 управления заземляющими резисторами, предназначенные для управления выключателем 19, соединены с соответствующими выводами соленоидов управления выключателем 19. Исполнение блока 18 управления заземляющими резисторами будет пояснено ниже (фиг.3).

Трехфазная группа заземляющих резисторов 20, предназначенная для создания активной составляющей тока в сети при замыкании на землю, присоединена к секции 1 сборных шин через разъединитель 21 и выключатель 19. Разъединитель 21, включенный между выключателем 19 и секцией 1 сборных шин, предназначен для обеспечения безопасности проведения ремонтных работ на выключателе 19 и трехфазной группе резисторов. Устройства защиты 22, 23 и 24 линий 8, 9 и 10 от замыканий на землю своими токовыми входами подключены к выводам вторичных обмоток трансформаторов тока нулевой последовательности 14, 15 и 16 соответственно, а входами напряжения – к вторичной обмотке трансформатора напряжения 17, включенной в разомкнутый треугольник. В цепи трехфазной группы резисторов 20 установлен трехфазный комплект трансформаторов тока 25, предназначенный для обеспечения устройства 26 защиты резисторов необходимой для нормальной работы информацией. Устройство 26 защиты предназначено для защиты трехфазной группы резисторов 20 от повреждений.

На фиг.2 приведена подробная структурная схема предлагаемого устройства. Здесь основной вход блока 18 управления заземляющими резисторами, предназначенного для формирования сигналов на включение и отключение выключателя 19 (фиг. 1), объединен с входом первого фильтра промышленной частоты 27 и присоединен к выходу трансформатора напряжения 17 (фиг. 1). Дополнительные входы блока 18 управления заземляющими резисторами служат управляющими входами. Выходы блока 18 управления заземляющими резисторами, предназначенные для управления выключателем 19, соединены с соответствующими выводами соленоидов управления выключателем 19. Трехфазный выключатель 19 предназначен для подключения к сборным шинам подстанции трехфазной группы высоковольтных заземляющих резисторов 20, в цепи которого установлен трехфазный комплект измерительных трансформаторов тока 25. К выходам измерительных трансформаторов тока 25 присоединены соответствующие входы устройства защиты 26, предназначенного для защиты трехфазной группы резисторов 20 от повреждений.

Первый фильтр промышленной частоты 27 предназначен для выделения из входного сигнала составляющей частотой 50 герц. Он выполнен по любой из стандартных схем, описанных, например, в [11, 12, 13, 14], и взят без изменений из прототипа.

Выход первого фильтра промышленной частоты 27 соединен с входом фазоповоротного блока 28, предназначенного для сдвига поступающего на него сигнала по фазе. Его исполнение будет пояснено ниже (фиг.4).

Выход фазоповоротного блока 28 соединен с входом первого компаратора 29, предназначенного для формирования единичного выходного сигнала при условии, если входной сигнал превышает по величине порог срабатывания. Он выполнен по любой из стандартных схем, описанных, например, в [11, 12, 13, 14], и взят без изменений из прототипа.

Вход датчика тока 30, предназначенного для преобразования входного тока нулевой последовательности в сигнал, удобный для обработки в последующих элементах, подключен к выводам трансформаторов тока нулевой последовательности (или к выходу трехтрансформаторного фильтра тока нулевой последовательности) защищаемой линии [15]. Датчик тока 30 может быть, например, выполнен в виде трансреактора в соответствии с описанным в [15].

Вход второго фильтра промышленной частоты 31, аналогичного 27, присоединен к выходу датчика тока 30, а его выход подключен к входу второго компаратора 32, аналогичного 29.

Первый вход логического элемента И 33, предназначенного для реализации соответствующей логической функции, подключен к выходу второго компаратора 32, а второй его вход – к выходу первого компаратора 29.

Вход преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение 34 подключен к выходу логического элемента И 33. Преобразователь 34 предназначен для преобразования прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение и может быть выполнен, например, в соответствии с фиг. 5.

Вход третьего компаратора 35, аналогичного 29, 32, подключен к выходу преобразователя 34, а его выход соединен с входом расширителя импульсов 36, предназначенного для формирования импульса шириной не менее одного-полутора периодов промышленной частоты при поступлении на его вход короткого импульса. Расширитель импульсов 36 может быть выполнен, например, по схеме фиг.6.

Вход элемента выдержки времени 37, предназначенного для задержки поступающего на него сигнала на заранее заданное время, подключен к выходу расширителя импульсов 36. Элемент выдержки времени 37 может быть выполнен по любой стандартной схеме, описанной, например, в [11, 12, 13, 14, 15].

Вход исполнительного органа 38, предназначенного для формирования выходного сигнала на отключение линии, присоединен к выходу элемента выдержки времени 37. Исполнительный орган 38 взят без изменения из прототипа и содержит, как и в прототипе, последовательно включенные усилитель мощности, описанный, например, в [16], и выходное промежуточное реле из числа описанных, например, в [15, 17]. Выход исполнительного органа 38 служит выходом устройства защиты.

Выходы блока 39 проверки исправности, предназначенного для проверки исправности предлагаемого устройства, подключены к входам первого и второго компараторов.

Совокупность блоков 27 … 38 представляет собой устройство защиты 22 линии от замыканий на землю (фиг. 1). Аналогично выполнены устройства 23 и 24 защит 23 и 24 линий 9 и 10 соответственно.

На фиг. 3 приведен пример исполнения блока 18 управления заземляющими резисторами. Здесь входы органа напряжения 40, в качестве которых служат выводы обмотки органа напряжения 40, предназначенного для срабатывания при превышении входного сигнала над уровнем уставки, соединены с выводами обмотки трансформатора напряжения 17 (фиг. 1), включенной в разомкнутый треугольник. Первый вывод замыкающего контакта органа напряжения 40 присоединен к положительному зажиму источника оперативного питания, а второй – к первому выводу накладки электрической 41, предназначенной для коммутации цепи входного управляющего сигнала. Второй вывод накладки электрической 41 соединен с первым выводом кнопки электрической 42, предназначенной для коммутации проходящего через нее сигнала. Второй вывод кнопки электрической 42 через диод 43 соединен с первым выводом размыкающего контакта первого промежуточного реле 44, предназначенного для коммутации сигнала на включение выключателя. Второй вывод размыкающего контакта промежуточного реле 44 служит выходом сигнала на включение выключателя 19. Второй вывод кнопки электрической 42 соединен также непосредственно с первым выводом обмотки второго промежуточного реле 45, предназначенного для фиксации факта запуска схемы блока 18 управления заземляющими резисторами. Второй вывод обмотки второго промежуточного реле 45 присоединен к отрицательному зажиму источника питания оперативного тока. Первый вывод замыкающего контакта второго промежуточного реле 45 присоединен к положительному зажиму источника питания оперативного тока, а второй вывод этого контакта присоединен к второму выводу замыкающего контакта органа напряжения 40. Второй вывод кнопки электрической 42 соединен также непосредственно с первым выводом обмотки элемента времени 46, предназначенного для создания заранее обусловленной временной задержки поступающего на его контакты сигнала. Второй вывод обмотки элемента 46 присоединен к отрицательному зажиму источника питания оперативного тока. Первый вывод замыкающего контакта элемента времени 46 присоединен к положительному зажиму источника оперативного питания, а второй вывод замыкающего контакта элемента времени 46 соединен с первым выводом обмотки промежуточного реле 44, второй вывод которой соединен с отрицательным зажимом источника питания оперативного тока. Кроме того, второй вывод замыкающего контакта элемента времени 46 соединен с первым выводом обмотки третьего промежуточного реле 47, второй вывод которой соединен с отрицательным зажимом источника питания оперативного тока. Первый вывод замыкающего контакта третьего промежуточного реле 47 присоединен к положительному зажиму источника оперативного питания, а второй вывод замыкающего контакта промежуточного реле 47 служит выходом сигнала на отключение выключателя 19. Промежуточное реле 47 предназначено для коммутации сигнала на отключение выключателя 19. Выводы 48 накладки электрической 41 служат управляющими входами блока 18 управления заземляющими резисторами.

В качестве органа напряжения 40 может быть использовано, например, реле максимального напряжения, в качестве промежуточных реле 44, 45, 47 – стандартные промежуточные реле из числа описанных в [15, 17], а в качестве элемента времени 46 – термостойкое реле времени из числа описанных в [15, 17].

На фиг. 4 приведен пример исполнения фазоповоротного блока. Здесь 49 – вход блока, 50 – его выход. Резистор 51, один вывод которого соединен с входом блока, и конденсатор 52, через который резистор 51 соединяется с общим проводом, предназначены для сдвига входного сигнала промышленной частоты на необходимый угол. Регулирующий резистор 53, включенный параллельно конденсатору 52, предназначен для регулирования выходного сигнала фазоповоротного блока по величине.

На фиг. 5 приведен пример исполнения преобразователя 34 прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение. Вход преобразователя 34 присоединен к выходу логического элемента И 33, который изображен на фиг.3, 5. Левый вывод резистора 54 служит входом преобразователя 34, правый вывод через диод 55 соединен с выходом преобразователя 34. Резистор 56 включен между шиной положительного напряжения источника питания и выходом преобразователя 34, конденсатор 57 включен между выходом преобразователя 34 и нулевым проводом.

На фиг. 6 приведен пример исполнения расширителя импульсов 36. Входом расширителя импульсов 36 служит верхний вывод резистора 58, второй вывод которого соединен с нулевым проводом. База транзистора 59, предназначенного для работы в режиме эмиттерного повторителя, соединена с входом расширителя импульсов, а коллектор через резистор 60, предназначенный для ограничения тока, соединен с шиной положительного напряжения источника питания. Эмиттер транзистора 59 через диод 61 соединен с выходом расширителя импульсов 36. Между выходом расширителя импульсов 36 и нулевым проводом включены резистор 62 и конденсатор 63, предназначенные для “запоминания” поступившего на них импульса на определенное время.

На фиг. 7 приведен пример схемы блока 39 проверки предлагаемого устройства. Здесь шина положительного потенциала источника питания через электрическую кнопку 64, диод 65 и резистор 66 соединена с первым выходом 67 блока 39, а через электрическую кнопку 64, диод 68 и резистор 69 соединена со вторым выходом 70 блока 39.

На фиг.8 приведена векторная диаграмма токов и напряжений нулевой последовательности для неповрежденной линии при замыкании на землю в сети. Здесь 3U₀ – утроенный вектор напряжения нулевой последовательности; I_C1, I_C2 – вектора утроенного тока нулевой последовательности в емкостном токе в поврежденном и неповрежденном присоединении соответственно; I_R – вектор активного тока, создаваемого заземляющим резистором; I₃₁, I₃₂ – вектора тока нулевой последовательности, протекающего по поврежденной и неповрежденной линии соответственно; _раб – фазовый угол тока нулевой последовательности в поврежденной линии; _max,_min – граничные углы зоны срабатывания.

На фиг.9 приведены эпюры сигналов на выходах некоторых элементов схемы. Здесь 3U₀¹ – гармоника 50 герц напряжения нулевой последовательности, сдвинутая по фазе фазоповоротным блоком 28 и поступающая на вход первого компаратора 29; U_пор – порог срабатывания первого компаратора 29; U_оп – сигнал на выходе первого компаратора 29; I₀¹ – гармоника 50 герц тока нулевой последовательности, поступающая на вход второго компаратора 32 с датчика тока 30 через второй фильтр промышленной частоты 31; I_пор – порог срабатывания второго компаратора 32; U₃₂ – сигнал на выходе второго компаратора 32; U₃₃ – сигнал на выходе логического элемента И 33; U₃₅ – сигнал на выходе преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение 34; U₃₅ – сигнал на выходе третьего компаратора 35; U₃₆ – сигнал на выходе расширителя импульсов 36; U₃₇ – сигнал на выходе элемента выдержки времени 37.

На фиг. 10 приведена фазовая характеристика защиты линии электропередачи от замыкания на землю. Здесь I_ср – ток срабатывания; ^{– фазовый угол.}

Предлагаемое устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью работает следующим образом.

При возникновении замыкания на землю в рассматриваемой сети (фиг. 1) появляется напряжение нулевой последовательности, величина которого зависит от рабочего напряжения сети, величины переходного сопротивления в месте замыкания и некоторых других факторов. Соответствующее напряжение, снимаемое со вторичной обмотки измерительного трансформатора напряжения 17, сравнивают с напряжением срабатывания блока 18 управления заземляющими резисторами. Если оно больше напряжения срабатывания, то выдают сигнал на включение выключателя 19, в результате чего к сборным шинам 1 (фиг. 1) подключается трехфазная группа заземляющих резисторов 20, являющаяся источником активного (имеющего нулевой фазовый сдвиг относительно вызвавшего его напряжения) тока, протекающего через точку замыкания на землю. При “металлическом” замыкании на землю активный ток протекает в поврежденном присоединении через точку замыкания на землю, по заземляющим резисторам, которые принадлежат неповрежденным фазам сети, через соответствующие обмотки низшего напряжения питающего силового трансформатора 11 и вновь – к месту замыкания на землю. При замыканиях на землю через переходное сопротивление, активный ток протекает также через заземляющий резистор, принадлежащий поврежденной фазе.

В результате описанного токи нулевой последовательности в неповрежденных линиях остаются емкостными, а ток нулевой последовательности в поврежденной линии содержит значительную активную составляющую (например, равную по величине емкостному току сети). Измеряют угол тока нулевой последовательности в каждой линии, подключенной к рассматриваемым сборным шинам (фиг. 1), по отношению к напряжению нулевой последовательности на этих шинах. Поврежденной линией считают ту, в которой измеренный угол лежит между минимальным и максимальным граничными значениями (фиг.8). Спустя время, необходимое для выявления поврежденной линии, трехфазную группу заземляющих резисторов 20 отключают.

Рассмотрим работу схемы предлагаемого устройства.

На входы предлагаемого устройства (фиг. 1,2) от измерительных трансформаторов тока и напряжения поступают сигналы о токе нулевой последовательности, протекающем по защищаемой линии, и напряжении нулевой последовательности на сборных шинах питающей подстанции. В зависимости от величин этих сигналов и фазы сдвига между током и напряжением нулевой последовательности предлагаемое устройство формирует свои сигналы.

При отсутствии замыкания на землю в сети, питающейся от подстанции по фиг. 1, токи и напряжения нулевой последовательности практически отсутствуют. От реально присутствующих небалансов все пороговые органы предлагаемого устройства отстроены, то есть ток срабатывания защиты и напряжение срабатывания должны быть больше соответствующих небалансов, например, в 1,5. ..1,7 раза. Это достигается, например, соответствующим выбором порогов срабатывания I_пор и U_пор.

В исходном состоянии орган напряжения 40, входящий в состав блока 18 управления заземляющими резисторами (фиг.3), находился в несработавшем состоянии, накладка электрическая 41 – замкнута, контакт кнопки электрической 42 – замкнут, реле 44, 45, 46, 47 находились в несработавшем состоянии.

При возникновении замыкания на землю (например, на линии 8 – фиг. 1) в сети появляется значительное по величине напряжение нулевой последовательности, достаточное для срабатывания органа напряжения 40, входящего в состав блока 18 управления заземляющими резисторами.

Сработав при появлении в сети напряжения нулевой последовательности, орган напряжения 40 своими контактами через накладку электрическую 41, кнопку электрическую 42 и диод 43 выдает сигнал положительной полярности на размыкающие контакты первого промежуточного реле 44. Со второго вывода контактов этого реле выдается сигнал на включение выключателя 19. После завершения включения выключателя 19 цепь сигнала на его включение разрывается специальными блок-контактами, имеющимися в приводе этого выключателя. В свою очередь выключатель 19 подключает к сборным шинам 1 (фиг. 1) трехфазную группу заземляющих резисторов 20. Активный ток, создаваемый этими резисторами, протекает по поврежденной линии 8 до места замыкания на землю.

Одновременно с выдачей сигнала на включение выключателя 19 орган напряжения 40 своими контактами через накладку электрическую 41 и кнопку электрическую 42 выдает сигнал положительной полярности на обмотку второго промежуточного реле 45, которое, сработав, становится на самоподпитку своими замыкающими контактами через последовательно соединенные накладку электрическую 41 и кнопку электрическую 42.

Одновременно с выдачей сигнала на включение выключателя 19 орган напряжения 40 своими контактами через накладку электрическую 41 и кнопку электрическую 42 выдает также сигнал положительной полярности на обмотку реле времени 46. Спустя время, равное уставке элемента времени 46, замыкаются контакты элемента времени 46 и выдают сигнал положительной полярности на один вывод обмотки реле промежуточного 47, второй вывод которой присоединен к отрицательному зажиму источника питания. Реле промежуточное 47 срабатывает и своими контактами выдает сигнал на отключение выключателя 19. При срабатывании реле времени 46 выдается также сигнал на срабатывание первого промежуточного реле 44. Своими размыкающими контактами реле 41 разрывает цепь сигнала на включение выключателя 19. В результате описанного выше выключатель 19 подключает к сборным шинам 1 трехфазную группу заземляющих резисторов 20 на время, например, равное 3…4 секундам, достаточное для выявления поврежденной линии и срабатывания предлагаемого устройства защиты.

После завершения отключения выключателя 19 цепь сигнала на его отключение разрывается специальными блок-контактами, имеющимися в приводе этого выключателя. После исчезновения напряжения нулевой последовательности элемент 40 возвращается в исходное состояние, а второе промежуточное реле 45 остается в сработавшем состоянии из- за наличия цепи самоудерживания. При этом остаются в сработавшем состоянии также промежуточные реле 44, 47 и реле времени 46. Для их возврата следует нажать на кнопку 42.

В некоторых случаях при замыкании на защищаемой линии в месте повреждения появляется большое переходное сопротивление. Тогда в момент включения заземляющего резистора 20 напряжение нулевой последовательности в сети может снизиться за счет шунтирующего действия сопротивления резистора 20 относительно переходного сопротивления в месте замыкания на землю. Если при этом напряжение 3U₀ снизится ниже порога возврата органа напряжения 40, то реле 40 может разорвать свои контакты и нормальная работа схемы на этом может прерваться. Чтобы этого не произошло, второе промежуточное реле 45 становится на самоудерживание по описанной выше схеме. Возврат схемы в исходное состояние при этом осуществляется при нажатии кнопки 42, в результате чего размыкается цепь самоудерживания реле 45 и происходит его возврат в исходное состояние, в результате чего в исходное состояние возвращаются также реле 44, 46 и 47.

При наличии на рассматриваемой подстанции (фиг. 1) автоматического повторного включения линий может потребоваться повторное включение заземляющего резистора. При этом описанная схема блока 18 управления заземляющим резистором должна возвращаться в исходное состояние не нажатием кнопки 45, а автоматически, например, при размыкании контактов управляющей автоматики, подключаемых в этом случае к управляющим входам параллельно накладке 41. Саму накладку 41 в этом случае предварительно размыкают. В описанном случае выключатель 19 будет подключать трехфазную группу заземляющих резисторов 20 к сборным шинам в каждом цикле автоматического повторного включения линии, если при этом возникает значительное по величине напряжение нулевой последовательности.

Диод 43 предотвращает запитывание реле 46 и непредусмотренное отключение выключателя 19 из-за поступления “обратного” сигнала со стороны второго (правого на фиг.3) вывода размыкающего контакта реле 44, например, при выдаче сигнала на включение выключателя 19 “вручную”.

Как уже отмечалось выше, активный ток трехфазной группы заземляющих резисторов 20 протекает по поврежденной линии (в нашем случае – 8) через точку замыкания на землю, по земле, через оставшиеся под напряжением фазы резистора 20, по обмоткам питающего трансформатора 11 и снова – к точке замыкания на землю. В результате векторная диаграмма токов и напряжений в поврежденной и неповрежденных линиях принимает вид, изображенный на фиг.8. Ток нулевой последовательности, протекающий по поврежденной линии, попадает в зону срабатывания устройства защиты, и защита поврежденной линии срабатывает. Ток нулевой последовательности, протекающий по неповрежденной линии, попадает в зону несрабатывания устройства защиты, и защита поврежденной линии не срабатывает.

Наличие подключенной к сборным шинам трехфазной группы заземляющих резисторов 20, ток через которую примерно равен емкостному току сети, исключает возникновение перемежающейся дуги и тем самым облегчает условия работы защиты. Введение выдержки времени защиты порядка 2…3, 5 секунд позволяет отстроиться от переходного процесса перезарядки емкостей, связанного с коммутациями и замыканиями в сети.

Рассмотрим работу устройства 22 защиты по фиг. 2.

В исходном состоянии, при отсутствии замыкания на землю в сети, напряжение нулевой последовательности 3 U₀ и токи нулевой последовательности 3 I₀ в линиях близки к нулю, сигналы на входе первого фильтра промышленной частоты 27 и датчиках тока 30 всех линий также близки к нулю. Предлагаемые устройства защиты находятся в несработавшем состоянии.

При металлическом замыкании на землю, например на линии 8, на входе первого фильтра промышленной частоты 27 появляется напряжение порядка 100 вольт, а на выходе этого фильтра выделяется составляющая 50 герц этого сигнала. Фазоповоротный блок 28 способен сдвинуть фазу этого сигнала на угол от 0^o до 90^o в зависимости от соотношения параметров резисторов 51, 53 (обычно сопротивление резистора 53 принимают в несколько раз большим, чем сопротивление резистора 51) и конденсатора 52. Соответствующий подбор параметров элементов фазоповоротного блока обеспечивает расположение середины зоны срабатывания фазовой характеристики защиты (фиг. 8) примерно на минус 45 электрических градусов.

Сигнал 3 U₀¹ с выхода фазоповоротного блока 28 (фиг.2,9) поступает на вход компаратора 29, вырабатывающего единичные логические сигналы в том случае, когда поступающий на него сигнал больше порогового значения (фиг.9). Порог U_пор¹ срабатывания компаратора 29 выбирается большим, чем напряжение небаланса нулевой последовательности при отсутствии замыкания на землю в сети. Таким образом, сигнал на выходе компаратора 29 (фиг.2) (опорное напряжение U_оп на фиг. 9) представляет собой прямоугольные импульсы с частотой следования 50 герц. Эти импульсы несут в себе информацию о фазе напряжения 3 U₀, а также информацию о том, что напряжение 3 U₀ превысило порог чувствительности предлагаемого устройства.

Одновременно с описанным выше в рассматриваемом режиме (при замыкании на землю на линии 8) токи 3 I₀ от измерительных трансформаторов тока 14, 15, 16 подаются на входы датчиков тока 30 всех трех устройств защиты 22, 23, 24 (фиг. 1) линий. Датчики тока 30 преобразуют поступающий на них ток в величины, удобные для использования в полупроводниковых элементах блоков 31, 32, 33 и последующих. Датчики тока 30 могут быть выполнены, например, в виде трансреакторов в соответствии с [15].

Фильтр промышленной частоты 31 выделяет из поступающего на него сигнала составляющую 50 герц, отсеивая различные помехи.

Компаратор 32 формирует прямоугольные единичные сигналы в том случае, когда поступающий на него сигнал (3 I₀¹ на фиг.9) больше порогового значения I_пор. Порог срабатывания компаратора 32 (фиг.2,9) выбирается больше, чем небаланс, поступающий на этот компаратор при отсутствии замыкания на землю в сети. Таким образом производится отстройка от токов небаланса в режиме дежурства. В результате в рассматриваемом режиме сигнал на выходе компаратора 32 (U₃₂ на фиг.9) представляет собой прямоугольные импульсы напряжения с частотой следования 50 герц. Эти импульсы несут в себе информацию о фазе тока 3 I₀, а также информацию о том, что ток 3 I₀ превысил порог чувствительности предлагаемого устройства.

Угол поворота сигнала в фазоповоротном блоке 28 (фиг.2, 4) выбирается таким, чтобы импульсы на выходе компаратора 32 совпадали по фазе с опорным напряжением U_оп, поступающим с выхода компаратора 29 в том случае, когда ток 3 I₀ опережает напряжение 3 Uo примерно на 45 электрических градусов. Сигналы с выходов компараторов 29 и 32 поступают на входы логического элемента И 33 и в описываемом случае вызывают появление на выходе элемента И 33 максимальных по длительности прямоугольных импульсов, продолжительность каждого из которых не превышает половины периода промышленной частоты.

Если угол между 3 I₀ и 3 U₀ отклоняется от – 45^o, то длительность прямоугольных импульсов, сформированных на выходе логического элемента И 33, уменьшается (U₃₃ на фиг.9).

В преобразователе прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение 34 прямоугольные импульсы U₃₃, поступающие с выхода элемента И 33 (фиг.2), преобразуются в пилообразное напряжение (U₃₄ на фиг.9).

На фиг. 5 приведен пример схемы преобразователя 34. Входным сигналом здесь является выходной сигнал элемента И 33. Когда этот сигнал равен нулю, диод 55 (фиг. 5) открыт и резистор 54 шунтирует конденсатор 57. Поскольку сопротивление резистора 54 во много раз меньше сопротивления резистора 56, напряжение на конденсаторе 57 близко к нулю. Когда напряжение на выходе элемента И 33 становится равным единице, диод 55 закрывается и конденсатор 57 начинает заряжаться через резистор 56. После окончания прямоугольного импульса U₃₃ конденсатор 57 опять быстро разряжается через резистор 54 на выход элемента И 33. В результате напряжение на конденсаторе 57 (а следовательно, и на выходе преобразователя 34) имеет вид U₃₄, изображенный на фиг.9.

В компараторе 35 (фиг.2) напряжение U₃₄ сравнивается с пороговым значением U^II, определяющим ширину зоны срабатывания на фазовой характеристике устройства, изображенной на фиг. 10 (на фиг.8 – соответственно промежуток между _max,_min – граничными углами зоны срабатывания). Прямоугольные импульсы U₃₅ (фиг. 9) формируются на выходе компаратора 35 (фиг.2) в те моменты, когда U₃₄ U^II>.

Расширитель импульсов 36 (фиг.2) увеличивает ширину сигнальных импульсов, снимаемых с компаратора 35. Пример схемы расширителя импульсов 36 приведен на фиг.6. Входной импульс U₃₅ выделяется на резисторе 58 (фиг.6) и открывает транзистор 59. Через резистор 60, ограничивающий максимальное значение тока, и через диод 61 заряжается конденсатор 63. Поскольку допустимый ток транзистора существенно выше, например, выходного тока микросхемы, заряд конденсатора 63 происходит достаточно быстро, так как величина сопротивления резистора 60 может быть принята незначительной. Резистор 62 определяет постоянную разряда конденсатора 63. Величина сопротивления резистора 62 может быть принята, например, на один-два порядка выше, чем сопротивление резистора 60. Поэтому разряд конденсатора 63 происходит на порядок-два медленнее, чем его заряд. В результате форма кривой сигнала на конденсаторе 63 U₃₆ имеет вид, изображенный на фиг.9.

Сигнал с выхода расширителя импульсов 36 (фиг.2) поступает на вход элемента времени 37, предназначенного для задержки поступающего на него сигнала на заранее заданное время, (например, 2…3, 5 секунды) с мгновенным возвратом в исходное состояние при снятии входного сигнала. Элемент выдержки времени 37 может быть выполнен по любой стандартной схеме, описанной, например, в [11, 12, 13, 14, 15]. Как уже отмечалось выше, введение выдержки времени защиты порядка 2…3,5 секунд позволяет отстроиться от переходного процесса перезарядки емкостей, связанного с коммутациями и замыканиями в сети. Кроме того, отстройка защиты от замыканий на землю по времени от основных защит линий позволяет снизить ее ток срабатывания, поскольку в этом случае не требуется отстраивать защиту от замыканий на землю от больших по величине токов небаланса, которые могут возникнуть, например, при междуфазных коротких замыканиях.

Сигнал с выхода элемента выдержки времени 37 поступает на вход исполнительного органа 38, предназначенного для формирования выходного сигнала на отключение линии. Исполнительный орган 38 взят без изменения из прототипа и содержит, как и в прототипе, последовательно включенные усилитель мощности, описанный, например, в [16] , и выходное промежуточное реле из числа описанных, например, в [15, 17]. Выход исполнительного органа 38 служит выходом выходного сигнала устройства, отмечающего присоединение с замыканием на землю. Этот сигнал может быть заведен, например, на отключение “поврежденной” линии.

В соответствии с описанным выше на отключение линии в рассматриваемом случае срабатывает только устройство 22, поскольку только в этом устройстве ток нулевой последовательности попадает в зону срабатывания защиты (смотри фиг.8). Устройства 23, 24 (фиг. 1) не сработают, поскольку в них ток нулевой последовательности попадает в зону несрабатывания защиты (фиг.8).

При желании вместо отключения можно завести выходной сигнал предлагаемого устройства защиты на сигнализацию, информирующую дежурный персонал о том, что на соответствующей линии произошло замыкание на землю.

Для проверки исправности предлагаемого устройства следует вывести его из работы и нажать кнопку 64 (фиг.7) в блоке 39 проверки исправности. При этом через диоды 65, 68 и резисторы 66, 69 проверочные сигналы поступят на входы компараторов 29, 32 (фиг.2), которые при этом срабатывают. Если последующие блоки устройства защиты исправны, то вся защита срабатывает, что можно зафиксировать по срабатыванию промежуточного реле, входящего в состав исполнительного органа 38.

Если в процессе работы произойдет повреждение заземляющего резистора 20, сопровождающееся большими токами (например, междуфазное короткое замыкание на трехфазной группе заземляющих резисторов 20), то токи во вторичных цепях измерительных трансформаторов тока 25 возрастут и сработает на отключение выключателя 19 защита резистора 26, в качестве которой может быть принята стандартная защита от междуфазных коротких замыканий, описанная, например, в [2, 15] (например, мгновенная токовая отсечка).

Из описанного выше следует, что предлагаемое устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в отличие от прототипа не требует для своей реализации наличия выведенной нейтрали достаточно мощного силового трансформатора, что позволяет использовать его, например, в сетях 6…10 киловольт, во многих из которых такая нейтраль отсутствует.

С одной стороны, применение предлагаемого устройства для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью позволяет сэкономить значительные средства, которые потребовались бы для установки дополнительного силового трансформатора при реализации прототипа.

С другой стороны, сохраняются все основные достоинства прототипа. Подключение к шинам подстанции на время выявления поврежденной линии высокоомных заземляющих резисторов, сопротивление которых примерно равно емкостному сопротивлению изоляции сети, в соответствии с [1, 6] позволяет исключить перемежающиеся дуги в месте замыкания и облегчить тем самым условия работы защиты. Использование выдержки времени, превышающей выдержку времени основных защит линий, позволяет не отстраивать ток срабатывания предлагаемой защиты от значительных токов небаланса, возникающих, например, при междуфазных коротких замыканиях.

Все это при использовании предлагаемого устройства в сетях 6…10 киловольт позволит повысить эффективность работы релейной защиты и энергосистемы в целом.

Источники информации
1. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. – М.: Недра, 1986. – 184 с.

2. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 520 с.

3. Вайнштейн Р.А., Фальк Ю.П. Принципы выполнения селективной защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока /Томск. политехн. Институт. Томск, 1985. – 30 с.- Деп. в ИНФОРМЭНЕРГО 08.07.85, N 1891 эн – Д85.

4. Фальк Ю. П. Усовершенствование защиты от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ на основе исследования вероятностных характеристик электрических величин при перемежающихся дуговых замыканиях. Дисс. На соискание ученой степени к.т.н. Томск, Томский политехнический институт, 1987, 208 с.

5. Сирота И. М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. Киев, Наукова Думка, 1985, 263 с.

7. Айдаров Ф. А. , Савицкий В.Н. Результаты исследований эффективности направленной защиты от однофазных замыканий на землю типа ЗЗП-1. /Электротехническая промышленность. Серия Аппараты низкого напряжения. 1983, вып.6 (109), с.4-5.

8. Дударев Л. Е. Сопоставление основных принципов построения измерительных органов защит от замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. /Электрические станции, 1980, N7. С.50-53.

11. В.Л.Шило. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. Москва, “Советское радио”, 1979, 363 стр.

12. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Москва, Мир, 1983, 512 стр.

13. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Том 1. Москва, Мир, 1983. 598 стр.

14. М. Мэндл. 200 избранных схем электроники. Москва, Мир, 1985, 350 стр.

15. Н.В. Чернобровов. Релейная защита. Москва, Энергия, 1974, 680 стр.

16. В. Л. Фабрикант, В.П. Глухов, Л.Б. Паперно, В.Я. Путиньш. Элементы автоматических устройств. Москва, Высшая школа, 1981, 400 стр.

17. B. C. Алексеев, Г.П. Варганов, В.И. Панфилов, Р.З. Розенблюм. Реле защиты. Москва, Энергия, 1976, 464 стр.

Формула изобретения

Устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее два однофазных высоковольтных заземляющих резистора, фильтры тока нулевой последовательности, включенные в цепь каждого присоединения, два измерительных трансформатора тока, включенные в цепь соответствующих однофазных высоковольтных заземляющих резисторов, измерительный трансформатор напряжения, содержащий вторичную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, входы которого подключены к секции сборных шин подстанции, два фильтра промышленной частоты, фазоповоротный блок, три компаратора, датчик тока, логический элемент И, преобразователь прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, расширитель импульсов, элемент выдержки времени, блок проверки исправности устройства и исполнительный орган, причем выход измерительного трансформатора напряжения соединен с входом первого фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные фазоповоротный блок и первый компаратор подключен первый вход логического элемента И, вход датчика тока нулевой последовательности подключен к выходу фильтра тока нулевой последовательности, а его выход через последовательно соединенные второй фильтр промышленной частоты, второй компаратор, логический элемент И, преобразователь прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение и третий компаратор присоединен к входу расширителя импульсов, выход исполнительного органа служит выходом выходного сигнала устройства, а выходы блока проверки исправности устройства соединены с входами первого и второго компараторов, отличающееся тем, что в него введены третий однофазный высоковольтный заземляющий резистор, образующий трехфазную группу с указанными выше однофазными высоковольтными заземляющими резисторами, трехфазный силовой выключатель и разъединитель, блок управления однофазными высоковольтными заземляющими резисторами, третий измерительный трансформатор тока в цепи однофазных высоковольтных заземляющих резисторов, образующий трехфазный комплект с указанными выше измерительными трансформаторами тока, и устройство защиты однофазных высоковольтных заземляющих резисторов, причем трехфазная группа однофазных высоковольтных заземляющих резисторов подключена к сборным шинам подстанции через последовательно соединенную цепочку из трехфазного силового выключателя, разъединителя и трехфазного комплекта измерительных трансформаторов тока, входы устройства защиты однофазных высоковольтных заземляющих резисторов присоединены к соответствующим выходам трехфазного комплекта измерительных трансформаторов тока, основной вход блока управления однофазными высоковольтными заземляющими резисторами присоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а дополнительные входы служат входами управляющих сигналов, выходы блока управления однофазными высоковольтными заземляющими резисторами присоединены к соответствующим управляющим входам трехфазного силового выключателя, вход элемента выдержки времени присоединен к выходу расширителя импульсов, а его выход соединен с входом исполнительного органа.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 28.04.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 35-2002

Извещение опубликовано: 20.12.2002