RU2097893C1

RU2097893C1 - Single-phase selective ground fault protective gear for ac power mains and its operation

Info

Publication number: RU2097893C1
Application number: RU95107061A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Малеев; Игорь Анатольевич Шелеметьев; Владимир Елистратович Кузнецов; Юрий Константинович Ефимов
Original assignee: Александр Владимирович Малеев; Игорь Анатольевич Шелеметьев; Владимир Елистратович Кузнецов; Юрий Константинович Ефимов
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1997-11-27
Also published as: RU95107061A

Abstract

FIELD: selective ground fault protection of supply mains with resistive, insulated, partially or fully compensated neutral. SUBSTANCE: protective gear has identical zero-sequence high-frequency current and voltage channels (HFI_o) and (HFU_o), respectively, and zero-sequence voltage channel (V). First half-wave is separated upon occurrence of ground fault. Threshold elements compare half-wave amplitudes with reference values. Phase sensing elements record phase relations between HFI_o and HFU_o as soon as HFI_o chooses zero. Low-frequency filter separates component corresponding to working frequency from U_o. Threshold element compares its amplitude with reference value. With phase shift angle in desired interval and U_o amplitudeticaeeding reference value, results are checked within time space. With result maintained, alarm signal is shaped. Time space is set by means of controlled delay circuit or according to duration of transients, or it is increased by time required to compensate for capacitive currents at single-phase ground fault. EFFECT: improved reliability, selectivity, reduced probability of unwanted operations. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к защите электрических линий от аварий, а именно к защите, реагирующей на ток замыкания на землю, и может быть использовано для селективной защиты при замыкании на землю в сетях с изолированной, резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью. The invention relates to the protection of electrical lines from accidents, namely to protection that responds to earth fault current, and can be used for selective protection in case of earth fault in networks with isolated, resistive, partially or fully compensated neutral.

Известен способ направленной защиты от замыканий на землю, в соответствии с которым сравнивают сдвиг фаз между током и напряжением нулевой последовательности и при нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале формируют аварийный сигнал [1]
Недостаток известного способа состоит в том, что в нем в качестве критерия для вывода о наличии короткого замыкания используют контроль величины фазового сдвига между током и напряжением нулевой последовательности на рабочей частоте. Однако в сетях с изолированной нейтралью, имеющих активные и емкостные проводимости изоляции относительно земли, угол между током нулевой последовательности, протекающим на участке от источника питания до места замыкания, и напряжением нулевой последовательности является функцией тангенса угла диэлектрических потерь изоляции сети. В этом случае величина фазового сдвига находится в зависимости от количества одновременно подключенных к сети линий и электроприемников и не является достоверной величиной, что снижает надежность способа и, кроме того, повышает вероятность ложных срабатываний.A known method of directional protection against earth faults, in accordance with which the phase shift between the current and voltage of the zero sequence is compared, and when the phase angle is found in a given interval, an alarm signal is generated [1]
The disadvantage of this method is that in it as a criterion for the conclusion about the presence of a short circuit, control of the magnitude of the phase shift between the current and the voltage of the zero sequence at the operating frequency is used. However, in networks with insulated neutral, having active and capacitive conductivities of insulation relative to the ground, the angle between the zero sequence current flowing from the power source to the circuit and the zero sequence voltage is a function of the dielectric loss tangent of the network insulation. In this case, the magnitude of the phase shift depends on the number of lines and power receivers connected to the network at the same time and is not a reliable value, which reduces the reliability of the method and, in addition, increases the likelihood of false positives.

Кроме того, известный способ не обеспечивает надежную защиту линий электропередачи при наличии во время короткого замыкания высокочастотных переходных процессов, которые являются характерными для перемежающегося однофазного дугового замыкания на землю. Объясняется это тем, что форма тока нулевой последовательности при перемежающемся однофазном дуговом замыкании на землю отличается от формы тока при металлическом или через переходное сопротивление замыкании и представляет собой пучки высокочастотных импульсов, возникающих раз в полупериод рабочей частоты сети. Вследствие этого в этом случае при сравнении фаз тока и напряжения нулевой последовательности вырабатывают случайный сигнал, который чаще всего не отвечает действительному состоянию линии электропередачи. Это снижает надежность способа защиты, повышает вероятность ложных срабатываний и снижает селективность по отношению к сигналу помехи. In addition, the known method does not provide reliable protection of power lines in the presence during a short circuit of high-frequency transients, which are characteristic of an alternating single-phase arc fault to earth. This is explained by the fact that the shape of the zero sequence current during an alternating single-phase arc fault to earth differs from the current shape for a metal or through a transition resistance and is a bundle of high-frequency pulses that occur once every half-cycle of the operating frequency of the network. As a result of this, in this case, when comparing the phases of the current and voltage of the zero sequence, a random signal is generated that most often does not correspond to the actual state of the power line. This reduces the reliability of the protection method, increases the likelihood of false positives and reduces the selectivity with respect to the interference signal.

Кроме того, известный способ не обеспечивает защиту сетей с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью, что сужает его функциональные возможности. In addition, the known method does not provide protection for networks with resistive, partially or fully compensated neutral, which narrows its functionality.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, который реализован в устройстве для направленной защиты нулевой последовательности от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью [2] В соответствии со этим способом измеряют разность фаз между сигналами тока и напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, сравнивают результаты измерения с заданным интервалом углов сдвига фаз, одновременно выделяют сигнал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности и сравнивают его амплитуду с эталонным значением, при одновременном наличии превышения амплитудой и нахождении сдвига фаз в заданном интервале, формируют аварийный сигнал. Closest to the proposed one is a method that is implemented in a device for directional protection of a zero sequence from a single-phase earth fault in a network with isolated neutral [2] In accordance with this method, the phase difference between the current signals and the zero sequence voltage at the operating frequency is measured, the results are compared measurements with a given interval of phase angle angles, simultaneously isolate the signal of the high-frequency component of the zero sequence current and compare its amplitude with the standard At the same time, when there is an excess in amplitude and the phase shift is in the specified interval, an alarm is generated.

Недостаток известного способа состоит в том, что в нем для выявления короткого замыкания при существовании высокочастотного переходного процесса анализируют низкочастотные составляющие тока и напряжения нулевой последовательности, а именно сдвиг фаз между ними, что не отражает достоверного состояния линии при подобном коротком замыкании. Наличие в способе операции выделения сигнала высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности и контроль превышения ее амплитудой эталонного значения не исключает того, что зафиксированное превышение вызвано сигналом помехи, так как в способе отсутствует операция идентификации выделенной высокочастотной составляющей. В результате это снижает надежность способа, снижает селективность по отношению к сигналу помехи и повышает вероятность ложных срабатываний. The disadvantage of this method is that in order to detect a short circuit in the presence of a high-frequency transient, it analyzes the low-frequency components of the current and voltage of the zero sequence, namely the phase shift between them, which does not reflect the reliable state of the line with such a short circuit. The presence in the method of the operation of isolating the signal of the high-frequency component of the current of the zero sequence and monitoring the excess of the amplitude of the reference value does not exclude the fact that the detected excess is caused by an interference signal, since the method does not identify the selected high-frequency component. As a result, this reduces the reliability of the method, reduces the selectivity with respect to the interference signal, and increases the likelihood of false alarms.

Таким образом, известные способы при их осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности способа защиты, повышении селективности по отношению к сигналу помехи и снижении вероятности ложных срабатываний, а также имеют ограниченные функциональные возможности, так как обеспечивают защиту только в сетях с изолированной нейтралью. Thus, the known methods in their implementation do not allow to achieve a technical result, which consists in increasing the reliability of the protection method, increasing the selectivity with respect to the interference signal and reducing the likelihood of false alarms, and also have limited functionality, since they provide protection only in networks with isolated neutral.

Известно устройство для направленной защиты, содержащее фильтры тока и напряжения нулевой последовательности, выходы которых подключены к каналам преобразования тока и напряжения нулевой последовательности, которые через фазосравнивающий логический элемент подсоединены к исполнительному реле [3]
Недостаток известного устройства во-первых состоит в снижении селективности по отношению к сигналу помехи во время переходного режима восстановления симметрии фазных напряжений после ликвидации однофазного замыкания на землю и в повышении вследствие этого вероятности ложных срабатываний. Это объясняется тем, что частота свободно затухающих колебаний определяется эквивалентной индуктивностью нулевой последовательности измерительных трансформаторов напряжения и суммарной емкостью сети относительно земли. Нелинейность индуктивностей трансформаторов напряжения способствует образованию гармонических составляющих в затухающем токе в нулевой последовательности. При этом некоторые из них оказываются в зоне прозрачности канала тока нулевой последовательности, что приводит к срабатыванию защиты.A device for directional protection, containing current and voltage filters of the zero sequence, the outputs of which are connected to the channels for converting current and voltage of the zero sequence, which are connected through a phase-comparing logic element to the actuating relay [3]
The disadvantage of the known device is, firstly, to reduce selectivity with respect to the interference signal during the transition mode of restoration of phase voltage symmetry after the elimination of a single-phase earth fault and, as a result, in increasing the probability of false alarms. This is because the frequency of freely damped oscillations is determined by the equivalent inductance of the zero sequence of voltage measuring transformers and the total capacity of the network relative to the ground. The non-linearity of the inductances of voltage transformers contributes to the formation of harmonic components in the damped current in the zero sequence. At the same time, some of them are in the transparency zone of the zero-sequence current channel, which leads to the operation of the protection.

Во-вторых, устройство не обеспечивает надежную защиту сети при наличии высокочастотных переходных процессов, вызванных коротким замыканием на землю, что особенно характерно для перемещающегося однофазного дугового замыкания на землю, при котором емкостные токи, вызываемые высокочастотными колебаниями напряжения, могут во много раз превышать токи металлического замыкания на землю. Secondly, the device does not provide reliable protection of the network in the presence of high-frequency transients caused by a short circuit to ground, which is especially characteristic of a moving single-phase arc fault to earth, in which the capacitive currents caused by high-frequency voltage fluctuations can be many times higher than the currents of metal earth fault.

Кроме того, устройство может быть использовано только для защиты сетей с изолированной нейтралью и не работоспособно в сетях с резистивной, частично компенсированной или полностью компенсированной нейтралью, что сужает его функциональные возможности. In addition, the device can only be used to protect networks with isolated neutral and is not functional in networks with resistive, partially compensated or fully compensated neutral, which narrows its functionality.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для направленной защиты нулевой последовательности от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее каналы тока и напряжения нулевой последовательности и канал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности. При этом выходы каналов тока и напряжения нулевой последовательности подключены к фазочувствительному элементу, который через пороговый элемент подключен к одному из входов схемы формирования выходного сигнала, второй вход которой подключен к выходу канала высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности, а выход схемы является выходом устройства. Кроме того, канал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности содержит последовательно соединенные фильтр высоких частот, вход которого является входом канала, и пороговый элемент, выход которого является выходом канала [2] Устройство формирует аварийный сигнал при нахождении угла сдвига фаз тока и напряжения нулевой последовательности в заданном интервале на рабочей частоте 50 Гц и при наличии в сигнале тока нулевой последовательности высокого уровня гармоник промышленной частоты. Closest to the proposed invention is a device for directional protection of the zero sequence from a single-phase earth fault in a network with isolated neutral, containing channels of current and voltage of the zero sequence and the channel of the high-frequency component of the current of the zero sequence. The outputs of the channels of the current and voltage of the zero sequence are connected to a phase-sensitive element, which is connected through a threshold element to one of the inputs of the output signal generating circuit, the second input of which is connected to the channel output of the high-frequency component of the zero sequence current, and the circuit output is the output of the device. In addition, the channel of the high-frequency component of the zero-sequence current contains a series-connected high-pass filter, the input of which is the input of the channel, and a threshold element, the output of which is the output of the channel [2] The device generates an alarm signal when the phase angle and voltage of the zero sequence are found in the specified the interval at the operating frequency of 50 Hz and in the presence of a zero sequence signal in the current signal of a high level of harmonics of industrial frequency.

Недостаток этого устройства, так же как и устройства-аналога, состоит в снижении селективности по отношению к сигналу помехи во время переходного режима восстановления симметрии фазных напряжений после ликвидации однофазного замыкания на землю и в повышении вследствие этого вероятности ложных срабатываний. Кроме того, устройство не обеспечивает надежную защиту сети при наличии высокочастотного переходного процесса, вызванного однофазным коротким замыканием на землю. Это объясняется тем, что во время замыкания устройство анализирует сдвиг фаз между током и напряжением нулевой последовательности на рабочей частоте (50 Гц), что не отражает в этом случае реальные процессы, происходящие в сети. Канал высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности обеспечивает контроль превышения порогового уровня амплитудой высокочастотного сигнала, который только отслеживает максимально допустимый уровень высокочастотных гармоник. При этом в устройстве отсутствуют средства, позволяющие удостовериться в том, что превышение порогового значения не вызвано сигналом помехи. В результате снижается надежность срабатывания устройства, снижается селективность по отношению к сигналу помехи и повышается вероятность ложных срабатываний. Кроме того, известное устройство может быть использовано только в сетях с изолированной нейтралью и не работоспособно как схема защиты в сетях с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью, что сужает его функциональные возможности. The disadvantage of this device, as well as the analog device, is to reduce the selectivity with respect to the interference signal during the transition mode of restoration of phase voltage symmetry after eliminating a single-phase earth fault and, as a result, increasing the probability of false alarms. In addition, the device does not provide reliable network protection in the presence of a high-frequency transient caused by a single-phase short circuit to ground. This is because during the circuit, the device analyzes the phase shift between the current and the zero sequence voltage at the operating frequency (50 Hz), which does not reflect in this case the real processes taking place in the network. The channel of the high-frequency component of the zero-sequence current provides control of exceeding the threshold level by the amplitude of the high-frequency signal, which only tracks the maximum permissible level of high-frequency harmonics. At the same time, the device does not have the means to make sure that exceeding the threshold value is not caused by an interference signal. As a result, the reliability of the operation of the device is reduced, the selectivity with respect to the interference signal is reduced, and the likelihood of false alarms is increased. In addition, the known device can only be used in networks with isolated neutral and is not functional as a protection circuit in networks with resistive, partially or fully compensated neutral, which narrows its functionality.

Таким образом, выявленные известные устройства для защиты от однофазного замыкания на землю при их осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности устройства, повышении селективности и снижении вероятности ложных срабатываний, а также имеют ограниченные функциональные возможности, так как обеспечивают защиту только в сетях с изолированной нейтралью. Thus, the known devices for protection against a single-phase earth fault during their implementation do not allow to achieve a technical result consisting in increasing the reliability of the device, increasing selectivity and reducing the likelihood of false positives, and also have limited functionality, since they provide protection only in networks with isolated neutral.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, которое при его осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности, в повышении селективности по отношению к сигналу помехи и в снижении вероятности ложных срабатываний, а также в расширении функциональных возможностей, а именно в возможности использования способа защиты в электрических сетях переменного тока не только с изолированной, но и с резистивной, частично и с полностью компенсированной нейтралью. The present invention solves the problem of creating a method of directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current electric network, which, when implemented, allows to achieve a technical result consisting in increasing reliability, increasing selectivity with respect to an interference signal and reducing the probability of false alarms, as well as in expanding the functionality, namely in the possibility of using the protection method in electrical AC networks, not only with isolated, but also with resistive, partially and fully compensated neutral.

Суть изобретения заключается в том, что в способе направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, включающем выделение при коротком замыкании из сигнала напряжения нулевой последовательности составляющей, соответствующей рабочей частоте, выделение высокочастотной составляющей из сигнала тока нулевой последовательности, сравнение ее амплитуды с эталонной величиной и формирование аварийного сигнала, кроме того, выделяют из сигнала напряжения нулевой последовательности высокочастотную составляющую, после чего измеряют амплитуды первых полуволн сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжений нулевой последовательности, сравнивают результаты измерений с соответствующими эталонными значениями и при наличии превышений измеренных величин на эталонными фиксируют фазовое соотношение между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты и амплитуду сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, затем сравнивают результаты измерений соответственно с заданным интервалом сдвига фаз и с эталонным значением амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте, после чего при нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале и наличии превышения эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности контролируют результаты сравнения в течение заданного интервала времени, затем по истечении заданного интервала времени при сохранении результатов сравнения формируют аварийный сигнал, при этом продолжительность заданного интервала времени задают или соответствующей продолжительности времени существования высокочастотных переходных процессов при однофазном замыкании на землю, или увеличивают ее на интервал времени, необходимый для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. The essence of the invention lies in the fact that in the method of directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current electric network, comprising isolating a component corresponding to the operating frequency from a voltage signal of a zero sequence, isolating a high-frequency component from a zero sequence current signal, comparing its amplitude with a reference value and the formation of an alarm, in addition, a high-frequency setting, after which the amplitudes of the first half-waves of the signals of the high-frequency components of the current and the zero-sequence voltages are measured, the results of measurements are compared with the corresponding reference values, and if there are excesses of the measured values on the reference ones, the phase relationship between the signals of the high-frequency components of the current and the zero-sequence voltage is measured at the moment the current passes through zero high frequency and amplitude of the zero-sequence voltage signal at the operating frequency, then with the measurement results are updated, respectively, with the specified phase shift interval and with the reference value of the zero-sequence voltage amplitude at the operating frequency, after which, when the phase angle is found in the specified interval and if the reference value is exceeded by the zero-sequence voltage amplitude, the comparison results are monitored for a given time interval, then after a specified time interval has elapsed while saving the comparison results, an alarm is generated, while For a given time interval, either the corresponding duration of the existence of high-frequency transients during a single-phase earth fault is set, or it is increased by the time interval necessary to compensate for capacitive currents in a single-phase earth fault.

Технический результат в предлагаемом способе достигается следующим образом. Как известно из литературы, под влиянием атмосферных или переходных коммутационных процессов в электрических системах возникают волны напряжения, накладывающиеся на рабочее напряжение фаз. Создающийся при этом импульс перенапряжения может вызвать где-либо в системе в месте ослабленной изоляции пробой фазы на землю. В системе с изолированной нейтралью дуга в месте замыкания в некоторых случаях (при достаточном расстоянии между проводом и землей) горит неустойчиво, периодически погасая и вновь зажигаясь (иногда по мере разогревания места повреждения неустойчивое горение дуги переходит в устойчивое). Независимо от причины возникновения перемежающееся замыкание на землю вызывает повышение напряжений в системе, обусловленное процессом перезарядки емкостей фаз относительно земли. Обычно характер процесса перемежающейся дуги не постоянен. При этом необходимо отметить, что перемежающиеся дуги практически могут быть в сетях с изолированной нейтралью при любых токах замыкания на землю. Согласно одной из теорий, описывающей данный процесс, дуга в месте замыкания на землю горит в течение небольшого промежутка времени, погасая в момент первого или одного из последующих прохождений через нуль тока высокочастотного колебания, причем цикл зажигания и погасания повторяется в каждый полупериод рабочей частоты. При этом емкостные токи, вызываемые высокочастотными колебаниями напряжения, могут во много раз превышать токи металлического замыкания рабочей частоты. Независимо от характера режима замыкания на землю и характера горения дуги мгновенное значение емкостного тока замыкания на землю всегда определяется емкостью системы и напряжением нейтрали относительно земли

i_з мгновенное значение емкостного тока замыкания на землю;
U_o напряжение смещения нейтрали;
C суммарная емкость между фазами и землей.The technical result in the proposed method is achieved as follows. As is known from the literature, under the influence of atmospheric or transient switching processes in electrical systems, voltage waves arise, superimposed on the operating voltage of the phases. The overvoltage pulse created in this case can cause a breakdown of the phase to the ground somewhere in the system in the place of weakened insulation. In a system with an isolated neutral, the arc at the point of fault in some cases (with a sufficient distance between the wire and the ground) burns unstable, periodically extinguishing and igniting again (sometimes as the damage site warms up, the unstable burning of the arc becomes stable). Regardless of the cause of the occurrence, an alternating earth fault causes an increase in voltage in the system due to the process of recharging the phase capacitors relative to the earth. Typically, the nature of the intermittent arc process is not constant. It should be noted that intermittent arcs can practically be in networks with an isolated neutral at any earth fault currents. According to one of the theories describing this process, the arc at the point of earth fault burns for a short period of time, extinguishing at the moment of the first or one of the subsequent passage through the zero of the high-frequency oscillation current, and the ignition and extinction cycle is repeated every half-cycle of the operating frequency. In this case, capacitive currents caused by high-frequency voltage fluctuations can many times exceed the currents of the metal circuit of the working frequency. Regardless of the nature of the earth fault mode and the nature of the arc burning, the instantaneous value of the capacitive earth fault current is always determined by the capacity of the system and the neutral voltage relative to earth

i _s instantaneous value of capacitive earth fault current;
U _o neutral bias voltage;
C is the total capacitance between phases and ground.

Кроме того, при перемежающемся замыкании несинусоидальное напряжение U_o может быть разложено на постоянную часть и ряд гармонических составляющих

.In addition, with an alternating circuit, the non-sinusoidal voltage U _o can be decomposed into a constant part and a number of harmonic components

.

Каждая гармоника напряжения дает свою, опережающую ее на 90^o, составляющую тока замыкания на землю

(Сирота И. М. Защита от замыканий на землю в электрических системах. Киев: Издательство Академии наук Украинской ССР, 1965, с. 17-18).Each voltage harmonic gives its own, ahead of it by 90 ^o , a component of the earth fault current

(Orphan I. M. Protection against earth faults in electrical systems. Kiev: Publishing House of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, 1965, p. 17-18).

В предлагаемом способе вывод о наличии замыкания на землю делают путем анализа амплитуд сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности и фазовых соотношений между ними и контроля амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте. Для этого из сигналов тока и напряжения нулевой последовательности выделяют высокочастотные составляющие. Это позволяет непосредственно оценить параметры высокочастотной составляющей переходного процесса, которая представляет собой наибольшую опасность для сети при коротком замыкании фазы на землю и возникает при перемежающемся дуговом замыкании на землю. Операции измерения амплитуды высокочастотной составляющей тока и напряжения нулевой последовательности и сравнения результатов измерения с эталонными значениями позволяют убедиться в наличии короткого замыкания на землю. Измерение амплитуды первой полуволны высокочастотного сигнала позволяет учесть случайный характер знака первой полуволны: положительная или отрицательная, что повышает надежность предлагаемого способа. Фиксация фазового соотношения между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности позволяет убедиться в наличии фазового сдвига между ними, близкого или равного 90^o, что подтверждает не только наличие короткого замыкания, но и обеспечивает селективность предлагаемого способа защиты по отношению к сигналу помехи, так как каждая гармоника напряжения нулевой последовательности дает свою, опережающую ее на 90^o составляющую тока замыкания на землю. Кроме того, поскольку фиксацию фазового сдвига проводят в момент прохождения через нуль тока высокой частоты, т.е. когда амплитуда сигнала высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности в виду его синусоидального характера должна быть максимальна, это обеспечивает привязку гармоники тока нулевой последовательности к соответствующей ей гармонике напряжения нулевой последовательности, что также повышает селективность предлагаемого способа защиты по отношению к сигналу помехи. Благодаря тому, что контроль превышения на рабочей частоте эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности и контроль соответствия измеренного сдвига фаз заданному интервалу осуществляют одновременно в течение заданного интервала времени, повышается надежность и селективность предлагаемого способа и снижается вероятность ложных срабатываний, так как операция контроля амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте позволяет оценить величину перенапряжения в системе при однофазном коротком замыкании на землю и в случае его нахождения в допустимых пределах исключить неоправданное отключение электросети. Наличие диапазона заданного интервала времени позволяет использовать способ как в сетях с изолированной, так и в сетях с резистивной, компенсированной или частично компенсированной нейтралью. При этом в первом случае используют интервал времени, соответствующий продолжительности существования высокочастотного переходного процесса после первых зажигания и погасания дуги при перемежающемся дуговом однофазном замыкании на землю, а во втором случае в интервал времени включают, кроме того, заданный интервал времени для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. В этом случае контроль превышения эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности помимо подтверждения наличия короткого замыкания позволяет проконтролировать и работу устройства компенсации и с достоверностью убедиться в отсутствии или в наличии перенапряжения в системе. Это также повышает надежность способа, повышает селективность по отношению к сигналу помехи и снижает вероятность ложных срабатываний.In the proposed method, the conclusion about the presence of an earth fault is made by analyzing the amplitudes of the signals of the high-frequency components of the current and voltage of the zero sequence and phase relationships between them and monitoring the amplitude of the voltage of the zero sequence at the operating frequency. For this, high-frequency components are isolated from the signals of the current and voltage of the zero sequence. This allows you to directly evaluate the parameters of the high-frequency component of the transient process, which represents the greatest danger to the network with a short circuit to earth and arises with an alternating arc fault to earth. The operations of measuring the amplitude of the high-frequency component of the current and voltage of the zero sequence and comparing the measurement results with the reference values make it possible to verify the presence of a short circuit to ground. The measurement of the amplitude of the first half-wave of the high-frequency signal allows you to take into account the random nature of the sign of the first half-wave: positive or negative, which increases the reliability of the proposed method. The fixation of the phase relationship between the high-frequency components of the current and the zero sequence voltage allows us to verify the presence of a phase shift between them, close to or equal to 90 ^o , which confirms not only the presence of a short circuit, but also ensures the selectivity of the proposed protection method with respect to the interference signal, since each the harmonic voltage of the zero sequence gives its own, ahead of her 90 ^o component of the fault current to earth. In addition, since the phase shift is fixed at the moment of passage of a high-frequency current through zero, i.e. when the amplitude of the signal of the high-frequency component of the zero-sequence voltage due to its sinusoidal nature should be maximum, this ensures that the harmonic of the zero-sequence current is linked to the corresponding harmonic of the zero-sequence voltage, which also increases the selectivity of the proposed protection method with respect to the interference signal. Due to the fact that the control of exceeding the reference value at the operating frequency by the voltage amplitude of the zero sequence and the monitoring of the correspondence of the measured phase shift to the specified interval is carried out simultaneously for a given time interval, the reliability and selectivity of the proposed method are increased and the probability of false positives is reduced, since the operation of monitoring the voltage amplitude is zero sequence at the operating frequency allows you to estimate the magnitude of the overvoltage in the system with a single-phase short a short to ground and if it is within acceptable limits, eliminate unjustified power outages. The presence of the range of the specified time interval allows the method to be used both in networks with isolated and in networks with resistive, compensated or partially compensated neutral. In this case, in the first case, the time interval corresponding to the duration of the high-frequency transient after the first ignition and extinction of the arc during an alternating arc single-phase earth fault is used, and in the second case, the specified time interval for compensating capacitive currents for single-phase is also included in the time interval ground fault. In this case, monitoring the excess of the reference value by the voltage amplitude of the zero sequence, in addition to confirming the presence of a short circuit, allows you to monitor the operation of the compensation device and verify with certainty that there is no or presence of overvoltage in the system. It also increases the reliability of the method, increases the selectivity with respect to the interference signal and reduces the likelihood of false positives.

Таким образом, предлагаемый способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока позволяет повысить надежность защиты, повысить селективность защиты по отношению к сигналу помехи и снизить вероятность ложных срабатываний. Thus, the proposed method of directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current electric network can improve the reliability of protection, increase the selectivity of protection with respect to the interference signal and reduce the likelihood of false alarms.

Кроме того, предлагаемый способ при его осуществлении обеспечивает достижение двух дополнительных технических результатов, отсутствующих у прототипа, а именно:
расширение функциональных возможностей, так как способ обеспечивает направленную защиту от однофазного короткого замыкания на землю в сетях не только с изолированной нейтралью, но и с резистивной, частично или с полностью компенсированной нейтралью;
контроль работоспособности компенсирующего устройства.In addition, the proposed method during its implementation ensures the achievement of two additional technical results that are absent from the prototype, namely:
expansion of functionality, since the method provides directional protection against a single-phase short circuit to ground in networks not only with isolated neutral, but also with resistive, partially or fully compensated neutral;
monitoring the performance of the compensating device.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети переменного тока, которое при его осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности защиты, повышении селективности по отношению к сигналу помехи и в снижении вероятности ложных срабатываний, а также в расширении функциональных возможностей, а именно: возможность работы устройства для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети переменного тока не только с изолированной нейтралью, но и с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью. The present invention solves the problem of creating a device for directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current network, which, when implemented, allows to achieve a technical result consisting in increasing the reliability of protection, increasing selectivity with respect to an interference signal and reducing the likelihood of false alarms, as well as in expanding the functionality, namely: the ability of the device to provide directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current network does not only with isolated neutral, but also with resistive, partially or fully compensated neutral.

Суть изобретения заключается в том, что в устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, содержащее высокочастотный канал тока нулевой последовательности, вход которого является входом сигнала тока нулевой последовательности и который содержит фильтр верхних частот и первый пороговый элемент, канал напряжения нулевой последовательности, вход которого является входом сигнала напряжения нулевой последовательности, фазочувствительный элемент, второй пороговый элемент и схему формирования аварийного сигнала, дополнительно введены высокочастотный канал напряжения нулевой последовательности, который выполнен идентично высокочастотному каналу тока нулевой последовательности, второй фазочувствительный элемент, элемент ИЛИ и регулируемая схема задержки, при этом вход высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности подключен к входу канала напряжения нулевой последовательности, первые выходы высокочастотных каналов подключены соответственно к первому и второму входам первого фазочувствительного элемента, а вторые их выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго фазочувствительного элемента, выходы первого и второго фазочувствительного элементов подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ, выход которого и выход канала напряжения нулевой последовательности подключены к первому и второму входам регулируемой схемы задержки соответственно, выход которой подключен к входу схемы формирования аварийного сигнала, выход которой является выходом устройства, кроме того, в каждый из высокочастотных каналов дополнительно введены предварительный фильтр, схема выделения первой полуволны сигнала, первый и второй фильтры нижних частот и второй пороговый элемент, при этом предварительный фильтр, вход которого является входом высокочастотного канала, фильтр верхних частот и схема выделения первой полуволны сигнала соединены последовательно, первый и второй выходы схем выделения первой полуволны сигнала подключены соответственно к первому и второму фильтрам нижних частот, выходы которых подключены к первому и второму пороговым элементам, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами соответствующего высокочастотного канала, при этом канал напряжения нулевой последовательности содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот и пороговый элемент, при этом вход фильтра является входом канала, а выход порогового элемента - выходом канала. Кроме того, каждый из фазочувствительных элементов представляет собой RS-триггер, R выход которого является первым входом фазочувствительного элемента, S вход вторым входом, а выход выходом фазочувствительного элемента. The essence of the invention lies in the fact that in a device for directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current electric network, containing a high-frequency channel of a zero-sequence current, the input of which is an input of a zero-sequence current signal and which contains a high-pass filter and a first threshold element, channel voltage of the zero sequence, the input of which is the input of the signal voltage of the zero sequence, phase-sensitive element, the second threshold element and circuit mu alarm generation, additionally introduced a high-frequency channel voltage zero sequence, which is identical to the high-frequency channel current zero sequence, the second phase-sensitive element, OR element and an adjustable delay circuit, while the input of the high-frequency channel voltage zero sequence is connected to the input of the voltage channel zero sequence the outputs of the high-frequency channels are connected respectively to the first and second inputs of the first phase sense an element, and their second outputs are connected respectively to the first and second inputs of the second phase-sensitive element, the outputs of the first and second phase-sensitive elements are connected to the corresponding inputs of the OR element, the output of which and the output of the zero-sequence voltage channel are connected to the first and second inputs of an adjustable delay circuit, respectively, the output of which is connected to the input of the alarm generation circuit, the output of which is the output of the device, in addition, to each of the high-frequency x channels additionally introduced a preliminary filter, a scheme for extracting the first half-wave of the signal, a first and second low-pass filter and a second threshold element, while a preliminary filter, the input of which is the input of a high-frequency channel, a high-pass filter and a scheme for allocating the first half-wave of the signal are connected in series, the second outputs of the first half-wave selection circuits of the signal are connected respectively to the first and second low-pass filters, the outputs of which are connected to the first and second threshold elements tapes whose outputs are respectively the first and second outputs of the corresponding high-frequency channel, while the zero-sequence voltage channel contains a low-pass filter and a threshold element connected in series, the input of the filter being the channel input and the output of the threshold element being the channel output. In addition, each of the phase-sensitive elements is an RS-trigger, the R output of which is the first input of the phase-sensitive element, S input is the second input, and the output is the output of the phase-sensitive element.

Технический результат в осуществляющем предлагаемый способ устройстве для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети переменного тока достигается, также как и в предлагаемом способе, путем анализа амплитуды сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности и фазовых соотношений между ними и контроля амплитуды напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте. Для этого устройство содержит высокочастотные каналы тока и напряжения нулевой последовательности, выполненные идентично, и канал напряжения нулевой последовательности, что позволяет оценить как параметры высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, которые представляют собой наибольшую опасность для сети при коротком замыкании фазы на землю, так и оценить величину перенапряжения в сети в этой ситуации, что повышает селективность устройства и снижает вероятность ложного срабатывания. Введение в каждый из высокочастотных каналов предварительного фильтра обеспечивает фильтрацию рабочей частоты, а также полосы частот, не входящей в объект исследований, что повышает селективность устройства. Фильтр верхних частот обеспечивает выделение сигнала высокочастотной составляющей тока (напряжения) нулевой последовательности, которая формируется в результате переходных процессов при перемещающемся дуговом замыкании на землю. Введение схемы выделения первой полуволны сигнала позволяет учесть случайный характер начальной фазы и полярности анализируемого высокочастотного сигнала, поскольку на выходах схема формирует сигнал как для положительной, так и для отрицательной полярности первой полуволны высокочастотного сигнала, что повышает надежность работы устройства. Введение первого и второго фильтров низкой частоты обеспечивает окончательную фильтрацию полезного высокочастотного сигнала, отфильтровывая сигналы наводки на частоте выше частоты полезного сигнала, повышая тем самым селективность устройства. Наличие двух пороговых элементов в каждом из высокочастотных каналов позволяет контролировать превышение амплитуды высокочастотного сигнала эталонного значения как при положительной, так и при отрицательной полярности его первой полуволны, что повышает надежность работы устройства. Введение в устройство второго фазо-чувствительного элемента обеспечивает возможность фиксации фазового сдвига между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности как при положительной, так и при отрицательной полярности первой полуволны высокочастотной направляющей тока напряжения нулевой последовательности, что повышает надежность работы устройства. Фиксация фазового сдвига между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности снижает вероятность ложного срабатывания защиты, так как позволяет практически исключить возможность фиксации фазового сдвига между полезным сигналом и сигналом помехи, что характерно для устройств, в которых для определения замыкания на землю измеряют сдвиг фаз между током и напряжением нулевой последовательности. Фиксация фазового сдвига позволяет по его величине близка к 90^o - определить наличие короткого замыкания. Кроме того, поскольку каждая гармоника напряжения нулевой последовательности дает свою, опережающую ее по фазе на 90^o, составляющую тока замыкания на землю, то фиксация сдвига фазы в предлагаемом устройстве обеспечивает также и повышение селективности защиты от помехи, так как в этом случае сдвиг фаз служит привязкой к полезному сигналу. Выполнение фазочувствительного элемента в виде RS-триггера, R-вход которого является первым входом и подключен к соответствующему выходу высокочастотного канала тока нулевой последовательности, S-вход является вторым входом и подключен к соответствующему выходу высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности, а выход является выходом фазочувствительного элемента, позволяет фиксировать сдвиг фаз при переходе первой полуволны высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности через нуль, когда амплитуда высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности максимальна в виде его синусоидального характера, что также обеспечивает привязку гармоники тока нулевой последовательности к соответствующей ей гармонике напряжения нулевой последовательности и повышает селективность устройства защиты по отношению к сигналу помехи. Кроме того, выполнение фазочувствительного элемента в виде RS-триггера и его соответствующее подключение позволяют исключить срабатывание защиты при наличии превышения порогового значения амплитудой высокочастотного сигнала или только напряжения, или только тока нулевой последовательности, что снижает вероятность ложного срабатывания устройства от сигнала помехи. Элемент ИЛИ формирует на своем выходе сигнал о наличии сдвига фаз, близкого к 90^o, между первыми или положительными, или отрицательными полуволнами сигналов высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности.The technical result in the device implementing the proposed method for directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current network is achieved, as in the proposed method, by analyzing the amplitude of the signals of the high-frequency components of the current and voltage of the zero sequence and phase relationships between them and monitoring the amplitude of the voltage of the zero sequence at the operating frequency. For this, the device contains high-frequency current and voltage channels of the zero sequence, performed identically, and the voltage channel of the zero sequence, which allows you to evaluate both the parameters of the high-frequency components of the current and voltage of the zero sequence, which are the most dangerous for the network with a short circuit to earth, and estimate the amount of overvoltage in the network in this situation, which increases the selectivity of the device and reduces the likelihood of a false positive. The introduction of a pre-filter into each of the high-frequency channels provides filtering of the operating frequency, as well as the frequency band that is not part of the research object, which increases the selectivity of the device. The high-pass filter provides the isolation of the signal of the high-frequency component of the current (voltage) of the zero sequence, which is formed as a result of transients during a moving arc fault to ground. The introduction of the scheme for extracting the first half-wave of the signal allows us to take into account the random nature of the initial phase and polarity of the analyzed high-frequency signal, since the output circuit generates a signal for both positive and negative polarity of the first half-wave of the high-frequency signal, which increases the reliability of the device. The introduction of the first and second low-pass filters provides the final filtering of the useful high-frequency signal, filtering the pick-up signals at a frequency higher than the frequency of the useful signal, thereby increasing the selectivity of the device. The presence of two threshold elements in each of the high-frequency channels allows you to control the excess of the amplitude of the high-frequency signal of the reference value both with positive and negative polarity of its first half-wave, which increases the reliability of the device. The introduction of a second phase-sensitive element into the device makes it possible to fix the phase shift between the high-frequency components of the zero-sequence current and voltage in both positive and negative polarity of the first half-wave of the zero-frequency high-frequency current guide, which increases the reliability of the device. Fixing the phase shift between the high-frequency components of the current and the zero-sequence voltage reduces the likelihood of false triggering of the protection, since it almost eliminates the possibility of fixing the phase shift between the useful signal and the interference signal, which is typical for devices in which the phase shift between the current is measured to determine the earth fault and zero sequence voltage. The fixation of the phase shift allows its value is close to 90 ^o - to determine the presence of a short circuit. In addition, since each harmonic of the zero sequence voltage gives its phase-ahead 90 ^° component of the earth fault current, fixing the phase shift in the proposed device also provides an increase in the selectivity of protection against interference, since in this case the phase shift serves binding to a useful signal. The implementation of the phase-sensitive element in the form of an RS-trigger, the R-input of which is the first input and connected to the corresponding output of the high-frequency channel of the zero-sequence current, the S-input is the second input and connected to the corresponding output of the high-frequency channel of the zero-sequence voltage, and the output is the output of the phase-sensitive element , allows you to fix the phase shift during the transition of the first half-wave of the high-frequency component of the zero sequence current through zero, when the amplitude is high the frequency component of the zero sequence voltage is maximum in the form of its sinusoidal nature, which also ensures that the harmonics of the zero sequence current are linked to the corresponding harmonics of the zero sequence voltage and increase the selectivity of the protection device with respect to the interference signal. In addition, the implementation of the phase-sensitive element in the form of an RS-flip-flop and its corresponding connection make it possible to exclude protection operation if the threshold value is exceeded by the amplitude of a high-frequency signal or only voltage, or only a zero-sequence current, which reduces the likelihood of a false operation of the device from an interference signal. The OR element generates at its output a signal about the presence of a phase shift close to 90 ^o between the first or positive or negative half-waves of the signals of the high-frequency components of the current and voltage of the zero sequence.

Фильтр нижних частот на входе канала напряжения нулевой последовательности выделяет из сигнала напряжения нулевой последовательности низкочастотную составляющую, соответствующую рабочей частоте, что повышает селективность устройства. Пороговый элемент обеспечивает контроль превышения порогового значения амплитудой сигнала, выделенного фильтром, и формирует сигнал на выходе канала напряжения нулевой последовательности при наличии этого превышения. The low-pass filter at the input of the zero-sequence voltage channel extracts a low-frequency component corresponding to the operating frequency from the zero-sequence voltage signal, which increases the selectivity of the device. The threshold element provides control of exceeding the threshold value by the amplitude of the signal extracted by the filter, and generates a signal at the output of the zero-sequence voltage channel in the presence of this excess.

Введение в устройство регулируемой схемы задержки, первый вход которой подключен к выходу элемента ИЛИ, а второй вход к выходу канала напряжения нулевой последовательности, обеспечивает задержку формирования аварийного сигнала на заданный интервал времени, который позволяет проконтролировать наличие опасного для сети превышения порогового значения амплитудой напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте в течение заданного интервала времени, что снижает вероятность ложных срабатываний устройства, а также повышает селективность по отношению к сигналу помехи. Кроме того, возможность изменения времени задержки формирования аварийного сигнала позволяет проверить достоверность наличия короткого замыкания не только в сети с изолированной нейтралью, но и в сетях с резистивной, с частично и с полностью компенсированной нейтралью, что расширяет функциональные возможности устройства и является дополнительным техническим результатом по отношению к прототипу. При этом для случая изолированной нейтрали время задержки устанавливают соответствующим продолжительности высокочастотного переходного процесса при коротком замыкании на землю. Для случаев с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью в общее время задержки, помимо времени существования высокочастотных переходных процессов, входит время, отведенное для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. В результате в предлагаемом устройстве достигается второй дополнительный технический результат по отношению к прототипу, заключающейся в возможности проверки работоспособности устройства компенсации. The introduction of an adjustable delay circuit into the device, the first input of which is connected to the output of the OR element, and the second input to the output of the zero-sequence voltage channel, provides a delay in generating an alarm signal for a specified time interval, which allows you to monitor the presence of a zero-sequence voltage threshold exceeding the threshold amplitude. at the operating frequency for a given time interval, which reduces the likelihood of false alarms of the device, and also increases the mudflow ciency in relation to signal interference. In addition, the possibility of changing the delay time of the formation of the alarm allows you to check the reliability of the presence of a short circuit not only in networks with isolated neutral, but also in networks with resistive, with partially and fully compensated neutral, which extends the functionality of the device and is an additional technical result by relative to the prototype. Moreover, for the case of isolated neutral, the delay time is set corresponding to the duration of the high-frequency transient during a short circuit to ground. For cases with resistive, partially or fully compensated neutral, the total delay time, in addition to the existence of high-frequency transient processes, includes the time allotted to compensate for capacitive currents in case of a single-phase earth fault. As a result, the proposed device achieves a second additional technical result in relation to the prototype, which consists in the possibility of checking the operability of the compensation device.

Таким образом, возможность контроля предлагаемым устройством для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока амплитуд высокочастотных сигналов тока и напряжения нулевой последовательности, величины сдвига фаз между их первыми полуволнами и амплитуды сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте позволяют выявить с помощью предлагаемого устройства защиты не только наличие короткого замыкания на землю, но и степень его опасности для электрической сети. При этом достоверность оценки критичности ситуации обеспечивается тем, что устройство формирует аварийный сигнал только при наличии трех зафиксированных факторов: превышение пороговых значений амплитудами высокочастотных составляющих тока и напряжение нулевой последовательности, наличие близкого к 90^o сдвига фаз между первыми полуволнами этих сигналов и наличие превышения порогового значения амплитудой напряжения нулевой последовательности в течение заданного интервала времени. В результате в предлагаемом устройстве достигается технический результат, заключающийся в повышении надежности, повышении селективности по отношению к сигналу помехи, снижении вероятности ложных срабатываний.Thus, the ability of the proposed device for directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current electric network of the amplitudes of high-frequency current signals and zero-sequence voltage, the phase shift between their first half-waves and the amplitudes of the zero-sequence voltage signal at the operating frequency can be determined using the proposed protection devices not only the presence of a short circuit to ground, but also the degree of its danger to the electrical network. Moreover, the reliability of assessing the criticality of the situation is ensured by the fact that the device generates an alarm signal only if there are three fixed factors: exceeding threshold values by amplitudes of high-frequency components of the current and voltage of zero sequence, the presence of a phase shift close to 90 ^o between the first half-waves of these signals and the presence of exceeding the threshold value the voltage amplitude of the zero sequence for a given time interval. As a result, the proposed device achieves a technical result, which consists in increasing reliability, increasing selectivity with respect to the interference signal, and reducing the likelihood of false alarms.

Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает достижение двух дополнительных технических результатов, отсутствовавших в прототипе:
расширение функциональных возможностей за счет возможности работы устройства не только в сетях с изолированной, но и в сетях с резистивной, частично или полностью компенсированной нейтралью;
возможность контроля работоспособности компенсирующего устройства.In addition, the proposed device ensures the achievement of two additional technical results that were not in the prototype:
expansion of functionality due to the possibility of the device working not only in networks with isolated, but also in networks with resistive, partially or fully compensated neutral;
the ability to control the performance of the compensating device.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока. The drawing shows a functional diagram of a device for directional protection against a single-phase earth fault in an electrical AC network.

Устройство содержит высокочастотный канал 1 тока нулевой последовательности, высокочастотный канал 2 напряжения нулевой последовательности, канал 3 напряжения нулевой последовательности, первый 4 и второй 5 фазочувствительные элементы, элемент ИЛИ 6, регулируемую схему задержки 7, схему 8 формирования аварийного сигнала. Первые выходы высокочастотных каналов 1, 2 подключены соответственно к первому и второму входам первого 4 фазочувствительного элемента, а вторые выходы к первому и второму входам второго 5 фазочувствительного элемента. Выходы фазочувствительных элементов 4, 5 подключены к соответствующим входам элемента ИЛИ 6, выход которого и выход канала 3 напряжения нулевой последовательности подключены соответственно к первому и второму входам регулируемой схемы 7 задержки, выход которой подключен к входу схемы формирования аварийного сигнала. Кроме того, вход канала 3 нулевой последовательности подключен к входу высокочастотного канала 2 напряжения нулевой последовательности. The device comprises a high-frequency channel 1 of the zero-sequence current, a high-frequency channel 2 of the voltage of the zero sequence, channel 3 of the voltage of the zero sequence, the first 4 and second 5 phase-sensitive elements, an OR element 6, an adjustable delay circuit 7, an alarm generating circuit 8. The first outputs of the high-frequency channels 1, 2 are connected respectively to the first and second inputs of the first 4 phase-sensitive element, and the second outputs to the first and second inputs of the second 5 phase-sensitive element. The outputs of the phase-sensitive elements 4, 5 are connected to the corresponding inputs of the OR element 6, the output of which and the output of the zero-sequence voltage channel 3 are connected respectively to the first and second inputs of the adjustable delay circuit 7, the output of which is connected to the input of the alarm generation circuit. In addition, the input of channel 3 of the zero sequence is connected to the input of the high-frequency channel 2 voltage of the zero sequence.

Высокочастотные каналы 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности выполнены идентичными и содержат предварительный фильтр 9₁(9₂), фильтр верхних частот 10₁(10₂), схему выделения первой полуволны сигнала 11₁(11₂), первый 12₁(12₂) и второй 13₁(13₂) фильтры нижних частот, первый 14₁(14₂) и второй 15₁(15₂) пороговые элементы. Предварительный фильтр 9₁(9₂), фильтр верхних частот 10₁(10₂) и схема 11₁(11₂) выделения первой полуволны сигнала соединены последовательно, при этом вход предварительного фильтра 9₁(9₂) является входом канала 1(2). Первый и второй выходы схемы 11₁(11₂) подключены к соответствующим первому и второму фильтрам 12₁(12₂) и 13₁(13₂) низкой частоты, выходы которых подключены соответственно к первому 14₁(14₂) и второму 15₁(15₂) пороговым элементам, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами канала 1(2).High-frequency channels 1, 2 of current and zero sequence voltage are identical and contain a preliminary filter 9 ₁ (9 ₂ ), a high-pass filter 10 ₁ (10 ₂ ), a scheme for extracting the first half-wave of a signal 11 ₁ (11 ₂ ), the first 12 ₁ (12 ₂ ) and the second 13 ₁ (13 ₂ ) low-pass filters, the first 14 ₁ (14 ₂ ) and the second 15 ₁ (15 ₂ ) threshold elements. The pre-filter 9 ₁ (9 ₂ ), the high-pass filter 10 ₁ (10 ₂ ) and the circuit 11 ₁ (11 ₂ ) for extracting the first half-wave of the signal are connected in series, while the input of the pre-filter 9 ₁ (9 ₂ ) is the input of channel 1 (2 ) The first and second outputs of circuit 11 ₁ (11 ₂ ) are connected to the corresponding first and second low-pass filters 12 ₁ (12 ₂ ) and 13 ₁ (13 ₂ ), the outputs of which are connected respectively to the first 14 ₁ (14 ₂ ) and second 15 ₁ (15 ₂ ) threshold elements whose outputs are respectively the first and second outputs of channel 1 (2).

Канал 3 напряжения нулевой последовательности содержит соединенные последовательно фильтр нижних частот 16, вход которого является входом канала 3, и пороговый элемент 17, выход которого является выходом канала 3. The zero sequence voltage channel 3 contains a low-pass filter 16 connected in series, the input of which is the input of channel 3, and a threshold element 17, the output of which is the output of channel 3.

Схема 11₁(11₂) выделения первой полуволны сигнала может быть выполнена в виде детектора.Scheme 11 ₁ (11 ₂ ) selection of the first half-wave signal can be performed in the form of a detector.

Пороговые элементы 14₁(14₂), 15₁(15₂) и 17 могут быть выполнены в виде компараторов.The threshold elements 14 ₁ (14 ₂ ), 15 ₁ (15 ₂ ) and 17 can be made in the form of comparators.

Фазочувствительные элементы 4, 5 выполнены в виде RS-триггеров, у каждого из которых R-вход является первым входом фазочувствительного элемента 4(5), S-вход вторым входом, а выход выходом фазочувствительного элемента 4(5). The phase-sensitive elements 4, 5 are made in the form of RS-triggers, each of which the R-input is the first input of the phase-sensitive element 4 (5), the S-input is the second input, and the output is the output of the phase-sensitive element 4 (5).

Регулируемая схема 7 задержки может быть выполнена, например, в виде регулируемой линии задержки с элементом И на входе. The adjustable delay circuit 7 can be performed, for example, in the form of an adjustable delay line with an AND element at the input.

Схема 8 формирования аварийного сигнала может быть выполнена, например, в виде исполнительного реле. The alarm generating circuit 8 can be performed, for example, in the form of an executive relay.

Способ направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока применяют следующим образом. The method of directional protection against a single-phase earth fault in an electric alternating current network is used as follows.

При замыкании на землю из сигналов тока и напряжения нулевой последовательности выделяют их высокочастотные составляющие и анализируют амплитуды и фазовое соотношение выделенных сигналов. Для этого измеряют амплитуды первых полуволн, высокочастотных сигналов и сравнивают результат измерения с эталонным значением. При наличии превышений амплитудами первых полуволн сигналов эталонных значений фиксируют фазовые соотношения между сигналами высокочастотных составляющих тока и напряжения нулевой последовательности в момент прохождения через нуль тока высокой частоты и амплитуду сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте (50 Гц). Результаты сравнивают соответственно с заданным интервалом углов сдвига фаз и с эталонным значением амплитуды сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте. При нахождении угла сдвига фаз в заданном интервале и наличии превышения эталонного значения амплитудой напряжения нулевой последовательности результаты сравнения контролируют в течение заданного интервала времени. По истечении заданного интервала времени при одновременном сохранении обоих результатов измерения формируют аварийный сигнал. Продолжительность заданного интервала времени выбирают в зависимости от того, какого вида нейтраль использована в защищаемой сети переменного тока, а именно: для сетей с изолированной нейтралью продолжительность заданного интервала времени соответствует продолжительности существования высокочастотных переходных процессов после первых зажигания и погасания дуги при перемежающемся однофазном замыкании на землю. Это время находится в пределах 3/4 периода рабочей частоты. Для рабочей частоты 50 Гц примерно 0,015 с. Для сетей с резистивной, с частично или полностью компенсированной нейтралью продолжительность заданного интервала времени включает в себя время существования высокочастотных переходных процессов плюс заданный интервал времени для компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. When a ground fault occurs, the high-frequency components of the current and voltage signals of the zero sequence are isolated and the amplitudes and phase ratio of the extracted signals are analyzed. To do this, measure the amplitudes of the first half-waves, high-frequency signals and compare the measurement result with a reference value. If there are excesses of the amplitudes of the first half-waves of the signals of the reference values, the phase relationships between the signals of the high-frequency components of the current and the zero-sequence voltage at the moment of passage of the high-frequency current through zero and the amplitude of the zero-sequence voltage signal at the operating frequency (50 Hz) are recorded. The results are compared, respectively, with a predetermined interval of phase angle angles and with a reference value of the amplitude of the zero-sequence voltage signal at the operating frequency. If the phase angle is found in a given interval and if the reference value is exceeded by the zero-sequence voltage amplitude, the comparison results are monitored for a given time interval. After a predetermined time interval has elapsed while saving both measurement results, an alarm is generated. The duration of the specified time interval is selected depending on what type of neutral is used in the protected AC network, namely: for networks with isolated neutral, the duration of the specified time interval corresponds to the duration of the existence of high-frequency transient processes after the first ignition and extinction of the arc during an alternating single-phase earth fault . This time is within 3/4 of the operating frequency period. For an operating frequency of 50 Hz, approximately 0.015 s. For networks with resistive, with partially or fully compensated neutral, the duration of the specified time interval includes the lifetime of the high-frequency transients plus the specified time interval for compensating capacitive currents in case of a single-phase earth fault.

Устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока работает следующим образом. A device for directional protection against a single-phase earth fault in an electrical AC network operates as follows.

Сигналы на входы тока и напряжения нулевой последовательности поступают в устройство с трансформаторов тока и напряжения нулевой последовательности. При возникновении на контролируемом присоединении короткого замыкания на землю в составе сигналов тока и напряжения нулевой последовательности появляется высокочастотная составляющая, каждую из которых выделяют соответственно высокочастотные каналы 1, 2 тока и напряжения нулевой последовательности. The signals to the inputs of the current and voltage of the zero sequence are supplied to the device with transformers of current and voltage of the zero sequence. When a short circuit to ground occurs on a controlled connection, a high-frequency component appears in the composition of the current and voltage signals of the zero sequence, each of which emit respectively the high-frequency channels 1, 2 of the current and voltage of the zero sequence.

Рассмотрим работу высокочастотных каналов на примере высокочастотного канала 1 тока нулевой последовательности, поскольку каналы 1 и 2 выполнены идентично. Consider the operation of high-frequency channels using the example of high-frequency channel 1 of the zero sequence current, since channels 1 and 2 are identical.

Сигнал тока нулевой последовательности поступает на предварительный фильтр 9₁, который поступает на вход фильтра 10₁ высокой частоты составляющие сигналы тока нулевой последовательности с частотой выше рабочей частоты устройства, например выше 50 Гц. Фильтр 10₁ верхних частот выделяет из поступившего на его вход сигнала высокочастотную составляющую, обусловленную высокочастотными переходными процессами, протекающими при коротком замыкании. Сигнал с выхода фильтра 10₁ поступает на вход схемы 11₁ выделения первой полуволны сигнала. Схема 11₁, в зависимости от полярности первой полуволны входного сигнала, выделяет первую полуволну сигнала или на первом выходе для положительной полярности, или на втором выходе для отрицательной полярности. Полярность выходных сигналов схемы 11₁ положительная. Сигнал, выделенный схемой 11₁ и отфильтрованный от сигналов наводки фильтром 12₁(13₁), поступает на соответствующий пороговый элемент 14₁(15₁). Пороговый элемент 14₁(15₁) фиксирует наличие превышения порогового уровня амплитудой входного сигнала и формирует на выходе сигнал.The signal of the zero sequence current is fed to the pre-filter 9 ₁ , which is fed to the input _{of the} high-frequency filter 10 _1, the constituent signals of the zero sequence current with a frequency above the operating frequency of the device, for example, above 50 Hz. The high-pass filter 10 ₁ extracts a high-frequency component from the signal received at its input, which is caused by high-frequency transients that occur during a short circuit. The signal from the output of the filter 10 _{1 is} fed to the input of the circuit 11 ₁ allocation of the first half-wave signal. Scheme 11 ₁ , depending on the polarity of the first half-wave of the input signal, selects the first half-wave of the signal either at the first output for positive polarity or at the second output for negative polarity. The polarity of the output signals of the circuit 11 ₁ positive. The signal extracted by the circuit 11 ₁ and filtered from the pick-up signals by the filter 12 ₁ (13 ₁ ) is supplied to the corresponding threshold element 14 ₁ (15 ₁ ). The threshold element 14 ₁ (15 ₁ ) detects the presence of exceeding the threshold level by the amplitude of the input signal and generates a signal at the output.

Таким образом, на первых (или вторых) выходах высокочастотных каналов тока 1 и напряжения 2 нулевой последовательности устанавливаются сигналы, один из которых соответствует превышению порогового значения амплитудой высокочастотной составляющей тока нулевой последовательности, а другой - амплитудой высокочастотной составляющей напряжения нулевой последовательности. Далее устройство фиксирует угловую величину сдвига фаз между высокочастотными сигналами тока и напряжения нулевой последовательности. Сдвиг фаз фиксируют первый 4 и второй 5 фазочувствительные элементы. При этом первый 4 фазочувствительный элемент фиксирует сдвиг фаз при положительной полярности первой полуволны высокочастотного сигнала, а второй 5 фазочувствительный элемент при отрицательной полярности первой полуволны высокочастотного сигнала. Допустим, работает первый 4 фазочувствительный элемент. На первый вход фазочувствительного элемента 4 поступает сигнал с первого выхода высокочастотного канала тока нулевой последовательности, а на второй вход - сигнал с первого выхода высокочастотного канала напряжения нулевой последовательности. При переходе через нуль сигнала с первого выхода высокочастотного канала тока нулевой последовательности при одновременном сохранении сигнала на втором входе фазочувствительного элемента 4 последний формирует на выходе сигнал, содержащий в себе информацию о том, что сдвиг фаз между высокочастотными составляющими тока и напряжения нулевой последовательности находится в заданных пределах, близких к 90^o.Thus, at the first (or second) outputs of the high-frequency channels of the current 1 and voltage 2 of the zero sequence, signals are set, one of which corresponds to exceeding the threshold value with the amplitude of the high-frequency component of the current of the zero sequence, and the other with the amplitude of the high-frequency component of the voltage of the zero sequence. Further, the device captures the angular magnitude of the phase shift between the high-frequency signals of the current and voltage of the zero sequence. The phase shift is fixed by the first 4 and second 5 phase-sensitive elements. In this case, the first 4 phase-sensitive element fixes the phase shift with positive polarity of the first half-wave of the high-frequency signal, and the second 5 phase-sensitive element with negative polarity of the first half-wave of the high-frequency signal. Let's say the first 4 phase-sensitive element is working. The first input of the phase-sensitive element 4 receives a signal from the first output of the high-frequency channel of the zero sequence current, and the second input receives the signal from the first output of the high-frequency channel of the zero sequence voltage. When the signal passes from zero from the first output of the high-frequency channel of the zero sequence current while the signal is stored at the second input of the phase-sensitive element 4, the latter generates a signal at the output that contains information that the phase shift between the high-frequency components of the current and voltage of the zero sequence is in the specified limits close to 90 ^o .

Сигнал с выхода сработавшего фазочувствительного элемента 4 через схему ИЛИ 6 поступает на первый вход регулируемой схемы задержки 7. The signal from the output of the triggered phase-sensitive element 4 through the OR 6 circuit is fed to the first input of the adjustable delay circuit 7.

Одновременно с каналами 1, 2 работает канал 3 напряжения нулевой последовательности. Входной сигнал канала 3 поступает на фильтр нижних частот 16. В результате на вход порогового элемента 17 проходит сигнал напряжения нулевой последовательности, соответствующий рабочей частоте (50 Гц). Пороговый элемент 17 формирует сигнал на выходе канала 3 в случае превышения порогового значения амплитудой сигнала напряжения нулевой последовательности на рабочей частоте и устанавливает его на втором входе регулируемой схемы задержки 7. Продолжительность времени задержки сигналов обуславливается тем, какого вида нейтраль применена в защищаемом устройстве. Для изолированной нейтрали время задержки сигналов соответствует продолжительности существования высокочастотного переходного процесса и составляет примерно 3/4 периода рабочей частоты. Для резистивной, частично компенсированной или полностью компенсированной нейтрали время задержки состоит из суммы двух величин: времени существования высокочастотного переходного процесса и заданного времени компенсации емкостных токов при однофазном замыкании на землю. Simultaneously with channels 1, 2, channel 3 of the zero sequence voltage operates. The input signal of channel 3 is fed to a low-pass filter 16. As a result, a zero-sequence voltage signal corresponding to the operating frequency (50 Hz) passes to the input of the threshold element 17. The threshold element 17 generates a signal at the output of channel 3 if the threshold value is exceeded by the amplitude of the zero-sequence voltage signal at the operating frequency and sets it at the second input of the adjustable delay circuit 7. The duration of the delay time of the signals is determined by the type of neutral used in the protected device. For an isolated neutral, the delay time of the signals corresponds to the duration of the high-frequency transient and is approximately 3/4 of the operating frequency period. For a resistive, partially compensated, or fully compensated neutral, the delay time consists of the sum of two values: the lifetime of the high-frequency transient and the specified compensation time for capacitive currents during a single-phase earth fault.

По окончании заданного интервала времени схема задержки 7 при одновременном наличии сигналов на ее входах формирует на своем выходе сигнал, по которому срабатывает схема формирования аварийного сигнала. At the end of the specified time interval, the delay circuit 7, with the simultaneous presence of signals at its inputs, generates a signal at its output, according to which the alarm generation circuit is triggered.

Claims

1. A method of directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current electric network, comprising isolating, during a short circuit, a zero sequence component from a voltage signal corresponding to the operating frequency, isolating a high frequency component from a zero sequence current signal, comparing its amplitude with a reference value, and generating an emergency signal, characterized in that the high-frequency component is extracted from the voltage signal of the zero sequence, after which I measure t the amplitudes of the first half-waves of the signals of the high-frequency components of the current and voltage of the zero sequence, compare the measurement results with the corresponding reference values and in the presence of excesses of the measured values over the reference ones, fix the phase relationship between the signals of the high-frequency components of the current and voltage of the zero sequence at the moment of passage of the high-frequency current through zero and the amplitude voltage signal of zero sequence at the operating frequency, then compare the results respectively With a predetermined phase shift interval and with a reference value of the amplitude of the zero sequence voltage at the operating frequency, then, when the phase angle is found in the specified interval and if the reference value is exceeded by the amplitude of the zero sequence voltage, the comparison results are monitored for a specified time interval, then after a given time interval while saving the comparison results form an alarm, while the duration of the specified time interval is set whether the corresponding time duration of existence of high frequency transients at single-phase fault to ground or to increase it to the time interval required for compensation of capacitive currents in single-phase earth fault.

2. A device for directional protection against a single-phase earth fault in an alternating current electric network containing a high-frequency channel of a zero-sequence current, the input of which is an input of a signal of a zero-sequence current, containing a high-pass filter and a first threshold element, a channel of a zero-sequence voltage, a phase-sensitive element, and alarm generating circuit, characterized in that a second phase-sensitive element, an OR element, adjustable by delays and a high-frequency channel of zero-voltage voltage, identical to the high-frequency channel of a zero-sequence current, which is made in the form of a series-connected input pre-filter, the input of which is the channel input, a high-pass filter, an input circuit for extracting the first half-wave of the signal, the outputs of which are connected to the inputs of the input the first and second low-pass filters, the outputs of which are connected respectively to the first and second threshold elements entered s, the outputs of which are the first and second outputs of the high-frequency channel, respectively, while the inputs of the high-frequency channel of the zero-sequence voltage and the channel of the voltage of the zero-sequence are connected, the first outputs of the high-frequency channels are connected respectively to the first and second inputs of the first phase-sensitive element, and their second outputs are connected to the first and the second inputs of the second phase-sensitive element, the outputs of the phase-sensitive elements are connected to the corresponding inputs of the element OR, whose output and the output of the zero-sequence voltage channel are connected to the first and second inputs of the adjustable delay circuit, respectively, the output of which is connected to the input of the alarm generation circuit, the output of which is the output of the device, while the zero-sequence voltage channel contains a low-pass filter connected in series, the input of which is the input of the channel, and a threshold element whose output is the output of the channel.

3. The device according to claim 2, characterized in that the phase-sensitive element is made in the form of an RS-trigger, wherein the R-input of the trigger is the first input of the phase-sensitive element, S-input is the second input, and the output of the trigger is the output of the phase-sensitive element.