RU2672663C1 - Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения - Google Patents

Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения Download PDF

Info

Publication number
RU2672663C1
RU2672663C1 RU2017141890A RU2017141890A RU2672663C1 RU 2672663 C1 RU2672663 C1 RU 2672663C1 RU 2017141890 A RU2017141890 A RU 2017141890A RU 2017141890 A RU2017141890 A RU 2017141890A RU 2672663 C1 RU2672663 C1 RU 2672663C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
zero
protection
current
earth
Prior art date
Application number
RU2017141890A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Александрович Шуин
Татьяна Юрьевна Шадрикова
Ольга Александровна Добрягина
Елена Сергеевна Шагурина
Екатерина Андреевна Воробьева
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ)
Priority to RU2017141890A priority Critical patent/RU2672663C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2672663C1 publication Critical patent/RU2672663C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/16—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to fault current to earth, frame or mass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/40—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to ratio of voltage and current

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат - повышение селективности и чувствительности защиты от однофазных замыканий на землю. В способе защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, включающем мониторинг тока нулевой последовательности 3iи напряжения нулевой последовательности u, определение замыкания на землю в сети на основе величины напряжения нулевой последовательности, дополнительно определяют замыкание на землю на основе величины тока нулевой последовательности, дифференцируют напряжение нулевой последовательности u, подавляют высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности 3iи в производной напряжения нулевой последовательности uОпределяют среднеквадратичные значения тока нулевой последовательности 3Iи производной напряжения нулевой последовательности U', находят их отношение 3I/U', полученную при этом величину сравнивают с уставкой, определяемой емкостью фаз на землю защищаемого присоединения, при превышении которой и при наличии замыкания на землю в сети формируют выходной сигнал о внутреннем однофазном замыкании на землю. 6 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для защиты от однофазных замыканий на землю (далее ОЗЗ) кабельных, воздушных и смешанных кабельно-воздушных линий электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор. Задачей изобретения является повышение технического совершенства (селективности и чувствительности) защиты от ОЗЗ при обеспечении высокой эксплуатационной надежности.
В электрических сетях среднего напряжения применяются ненаправленные и направленные защиты от ОЗЗ, основанные на использовании тока 3i0 и напряжения 3u0 нулевой последовательности. Недостатком направленных защит является меньшая, чем для ненаправленных защит, эксплуатационная надежность из-за возможных в реальных условиях эксплуатации ошибок в полярности подключения вторичных цепей тока 3i0 и напряжения 3u0. Потому направленные защиты применяются только в тех случаях, когда применение более простых и надежных ненаправленных защит не позволяет обеспечить селективность или требуемую чувствительность.
В электрических сетях, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали, для выполнения ненаправленной защиты от ОЗЗ наиболее широкое применение получили максимальные токовые защиты нулевой последовательности (далее ТЗНП). Защиты по данному способу измеряют значение тока нулевой последовательности 3I0, сравнивают измеренное значение с постоянной величиной - уставкой по току срабатывания Iуст - и формируют выходной сигнал, если измеренное значение тока 3I0 превышает Iуст (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с; Чернобровов Н.В. Релейная защита / Изд. 5-е, перераб. и доп. - М: Энергия, 1974. 680 с; Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с. и др.).
Недостатком ТЗНП является значительное влияние на ее функционирование переходных токов 3i0 при дуговых перемежающихся ОЗЗ (далее ДПОЗЗ), ограничивающее селективность и чувствительность и, следовательно, область возможного применения устройств защиты по данному способу (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. - СПб.: ПЭИПК, 2003. - 350 с.; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001. - 104 с. и др.). Условие применимости ТЗНП - селективности при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ - определяется соотношением между собственным емкостным током защищаемого присоединения IC собс и суммарным емкостным током сети ICΣ (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001. - 104 с.):
Figure 00000001
где Котс=1,2-1,3 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности измерений воздействующей величины, измерительного органа тока, расчета значений IC собс и ICΣ и др.; Кбр>1 - коэффициент, учитывающий увеличение значения 3I0 за счет бросков переходных токов при ДПОЗЗ, характеризуемых минимальными интервалами времени между повторными зажиганиями и гашениями заземляющей дуги; Кч.мин=1,25 - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности защиты.
При указанных значениях коэффициентов Котс, Кч.мин и Кбр=2-3 (для ТЗНП на микроэлектронной и микропроцессорной базе) (Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. - СПб.: ПЭИПК, 2003. - 350 с.) применение ТЗНП в соответствии с (1) в сетях с изолированной нейтралью возможно на присоединениях, собственный емкостный ток которых IC собс не превышает 15-20% от ICΣ, доля которых на центрах питания (далее ЦП) электрических сетей среднего напряжения от общего числа присоединений, подключенных к шинам защищаемого объекта, в среднем не превышает 50-70% (Шуин В.А., Добрягина О.А., Шагурина Е.С. Влияние переходных процессов при замыканиях на землю в электроустановках среднего напряжения на функционирование защит от замыканий на землю на основе высших гармоник // Релейная защита и автоматизация. - 2012, №2. - С. 26-30). На присоединениях, относительное значение собственного емкостного тока которых IC собс*=IC собс/ICΣ>0,15-0,2, должны применяться направленные защиты, имеющие меньшую эксплуатационную надежность по сравнению с ненаправленными.
Влияние переходных процессов на селективность и чувствительность ТЗНП в сетях с заземлением нейтрали через высокоомный резистор несколько меньше, чем в сетях с изолированной нейтралью, но также ограничивает область возможного применения защиты от ОЗЗ данного типа.
Известен способ защиты от ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью по п. 1 формулы изобретения (Патент РФ 2629374 Н02Н 3/16. Способ защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и устройство для его осуществления // Шуин В.А., Шадрикова Т.Ю., Добрягина О.А., Шагурина Е.С., Пашковский С.Н. - Опубл. 29.08.2017), заключающийся в том, что измеряют ток нулевой последовательности 3i0 защищаемого присоединения, выделяют из него в качестве воздействующей величины составляющую основной частоты 50 Гц I50, сравнивают значение составляющей основной частоты I50 с уставкой по току срабатывания Iуст и формируют выходной сигнал при превышении составляющей основной величины I50 значения уставки Iуст, отличающийся тем, что из тока 3i0 выделяют высшие гармонические составляющие IВГ, сравнивают значения величин I50 и IВГ и при I50>IВГ автоматически уменьшают уставку по току срабатывания защиты Iуст.
Исходная уставка по току срабатывания Iуст защиты по данному способу выбирается, как и для рассмотренной выше ТЗНП, с учетом увеличения значения тока 3I0 в переходных режимах при ДПОЗЗ, тогда как при устойчивых ОЗЗ увеличение уставки Iуст в Кбр раз не требуется. Критерием распознавания дуговых и устойчивых замыканий является соотношение значений I50 и IВГ: при ДПОЗЗ всегда IВГ>I50, при устойчивых ОЗЗ - всегда IВГ<I50 - Поэтому применение защиты по данному способу позволяет повысить ее чувствительность в Кбр=2-3 раза при устойчивых ОЗЗ по сравнению с рассмотренной выше ТЗНП.
Однако данный способ не позволяет обеспечить требуемую чувствительность защиты по сравнению с ТЗНП при увеличении интервалов времени между повторными зажиганиями и гашениями заземляющей дуги при ДПОЗЗ. Недостатком защиты по данному способу является также не всегда достаточная чувствительность к ОЗЗ через переходное сопротивление.
Известен способ ненаправленной защиты от ОЗЗ, основанный на контроле проводимости нулевой последовательности на землю защищаемого присоединения в режиме замыкания на землю, реализованный в микропроцессорных терминалах РЗА линий электропередачи среднего напряжения некоторых фирм-производителей (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektro-snabzenia&parent-category-id=4600; http://www.mupasz.ru/fileadmin/user_upload/documents/Instrukcje/mu_2000_sts_rts_ru.pdf; Wahlroos A., Altonen J. „Multifrequency admittance protection",
Figure 00000002
Elektrotechniczne, 12/2016; J. Lorenc et. al, Admittance criteria for earth fault detection in substation automation systems in Polish distribution power networks, CIRED 1997 Birmingham и др.). Действие защиты по данному способу, называемой также адмитансной, основано на измерении отношения тока 3I 0 защищаемого присоединения и напряжения U 0 установившегося режима ОЗЗ
Figure 00000003
и сравнении значения полной проводимости Y0=|Y0|, ее активной G0 или реактивной В0 составляющей с уставкой срабатывания, выбираемой из условия отстройки от внешних ОЗЗ на землю.
При внешних устойчивых ОЗЗ в электрической сети среднего напряжения с любым режимом заземления нейтрали проводимость на зажимах защиты Y0 и ее активная G0 и реактивная В0 составляющие определяются собственной проводимостью фаз на землю защищаемого присоединения Y0собс и соответственно равны
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
где С0 собс и G0 собс - соответственно собственные емкость и активная проводимость фазы на землю защищаемого присоединения; со - угловая частота рабочего напряжения сети.
Для обеспечения селективности несрабатываний при внешних устойчивых ОЗЗ уставка срабатывания максимальной защиты по данному способу должна быть больше значения проводимости на зажимах защиты. Для защиты, основанной на контроле значений полной, реактивной или активной проводимости, условие выбора уставки срабатывания соответственно имеет вид
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
где Котс - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности измерений воздействующей величины, расчета значений 3С0 собс и 3G0 собс и др.
Для воздушных и кабельных линий электрических сетей среднего напряжения активная составляющая собственной проводимости 3G0 собс, как правило, составляет нескольких процентов от емкостной проводимости, т.е. 3ωС0 собс>>3G0 собс. Потому условия выбора уставок срабатывания по полной проводимости (6) с достаточной точностью можно записать в следующей форме
Figure 00000010
При внутренних ОЗЗ проводимость на зажимах защиты в электрической сети с изолированной нейтралью определяется взятой с обратным знаком проводимостью внешней сети, равной сумме проводимостей нулевой последовательности всех неповрежденных присоединений:
Figure 00000011
В сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор RN активная составляющая проводимости при внутренних устойчивых ОЗЗ увеличивается на величину 1/3RN и равна
Figure 00000012
Величина активной проводимости 3G0 собс зависит от текущего состояния изоляции защищаемого присоединения, и достаточно точное ее определение расчетным способом для выбора уставки по (8), особенно для воздушных линий, возможно не всегда. Поэтому в сетях с изолированной нейтралью обеспечить высокую селективность и устойчивость функционирования защиты, основанной на контроле активной проводимости, практически трудно. Учитывая это, в сетях с изолированной нейтралью максимальная защита проводимости может выполняться только на основе контроля полной проводимости Y0 или ее реактивной составляющей В0. В сетях с высокоомным заземлением нейтрали за счет увеличения при внутренних ОЗЗ активной составляющей проводимости G0 на величину 1/3RN (см. выражение (11)) выполнение селективной и чувствительной максимальной защиты возможно на основе контроля как полной проводимости Y0, так и ее реактивной В0 или активной G0 составляющих.
Условия выбора уставок срабатывания по (6) и (7) справедливы только для устойчивых ОЗЗ. В переходных режимах при дуговых прерывистых ОЗЗ, являющихся основной разновидностью замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, в токах 3i0 поврежденного и неповрежденных присоединений преобладают свободные составляющие с частотами fcв=ωсв/2π от сотен герц до нескольких десятков килогерц, что приводит к увеличению полной проводимости и ее реактивной (емкостной) составляющей на зажимах защиты 3Y0 собс=3В0 собс=3ωС0 собс. Поэтому для обеспечения селективности несрабатываний в переходных режимах при дуговых ОЗЗ уставка срабатывания защиты, основанной на контроле полной проводимости или ее реактивной составляющей защищаемого присоединения, должна быть увеличена и в общем случае выбираться из условия
Figure 00000013
где Кбр - коэффициент, учитывающий увеличение значения тока 3I0 и, соответственно, полной проводимости и ее реактивной емкостной составляющей в переходных режимах при ДПОЗЗ.
При выборе уставки срабатывания по (12) условие селективности защит полной и реактивной проводимости при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ, т.е. условие применимости защиты в сетях с изолированной нейтралью, как и для рассмотренной выше ТЗНП, будет определяться соотношением между собственной емкостью фаз на землю защищаемого присоединения 3С0 собс и суммарной емкостью сети 3С0∑ и имеет вид
Figure 00000014
Из (13) можно видеть, что увеличение воздействующей величины в переходных режимах при дуговых ОЗЗ, учитываемое коэффициентом Кбр, ограничивает чувствительность и область возможного применения защит полной и реактивной проводимости в сетях с изолированной нейтралью. Аналогичное влияние увеличение емкостной проводимости в переходных режимах ОЗЗ будет оказывать на чувствительность и область возможного применения защиты полной и реактивной проводимости и в сетях с высокоомным заземлением нейтрали, хотя и меньшей степени, чем в сетях с изолированной нейтралью.
Недостатком максимальных защит, основанных на контроле проводимости нулевой последовательности, является также возможность ложных срабатываний в сетях с изолированной нейтралью после гашения заземляющей дуги на достаточно продолжительное время перед повторным пробоем изоляции или при отключении ОЗЗ на поврежденном присоединении. В сети с изолированной нейтралью избыточные заряды на фазах, накопившиеся за время горения заземляющей дуги и определяющие остаточное напряжение на нейтрали uN=u0, могут стекать только через проводимости изоляции фаз относительно земли 3G0∑ и заземленные нейтрали трансформаторов напряжения. Процесс стекания избыточных зарядов в этом случае имеет апериодический характер, а постоянная времени апериодической составляющей напряжения u0(t) может достигать значений порядка десятков и сотен миллисекунд. Апериодический характер изменения напряжения u0(t) обуславливает появление в неповрежденных линиях апериодических емкостных токов, имеющих значительно меньшие значения, чем при устойчивом ОЗЗ. При достаточно высокой чувствительности устройства защиты по току нулевой последовательности погрешности трансформации апериодических составляющих с большими постоянными времени первичными и вторичными преобразователями тока и напряжения нулевой последовательности могут привести к значительным искажениям замера Y0=3I0/U0 и обусловить ложные срабатывания максимальной защиты проводимости на неповрежденных присоединениях.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого способа выбран способ для определения замыкания фазы на землю, реализующий п. 1 формулы изобретения (Патент РФ 2491563 G01R 31/08. Способ и устройство для определения замыкания на землю // Валроос Ари (FI), Алтонен Янне (FI). - Опубл. 27.08.2013), включающий мониторинг нулевой последовательности тока в трехфазной электрической линии и нулевой последовательности напряжения в электрической сети, определение замыкания на землю в электрической сети на основе величины нулевой последовательности напряжения, определение разности между нулевой последовательностью тока до замыкания на землю и нулевой последовательностью тока во время замыкания на землю; определение разности между нулевой последовательностью напряжения до замыкания на землю и нулевой последовательностью напряжения во время замыкания на землю; определение полной проводимости нейтрали или величины, ей соответствующей, на основе отношения между разностями нулевых последовательностей токов и разностями нулевых последовательностей напряжений и сравнение определенной полной проводимости нейтрали или величины, ей соответствующей, с заранее заданной рабочей характеристикой.
В отличие от рассмотренных выше аналогов защиты от ОЗЗ на основе контроля проводимости нулевой последовательности защищаемого присоединения в защите по данному способу в качестве воздействующей величины используется не отношение измеренных значений тока 3I0 и напряжения U0, а отношение разности значений тока 3I0 во время замыкания и в режиме, предшествующем ОЗЗ, к соответствующей разности напряжений U0, что позволяет повысить отстроенность от влияния смещения нейтрали сети и небалансов первичных преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности и повысить чувствительность защиты. Определение замыкания на землю в электрической сети на основе величины нулевой последовательности напряжения, т.е. применение пускового органа по напряжению нулевой последовательности, обеспечивает повышение отстроенности защиты от режимов, не связанных с ОЗЗ (например, от коммутационных переключений в сети).
Основным недостатком защиты по данному способу, как и для рассмотренных выше способов защиты от ОЗЗ на основе контроля проводимости нулевой последовательности, является влияние переходных процессов при ДПОЗЗ на замер защиты, ограничивающее селективность и чувствительность и область ее возможного применения. Использование пускового органа по напряжению нулевой последовательности, длительно остающегося в сработавшем состоянии после гашения заземляющей дуги или отключения ОЗЗ, как и в рассмотренных выше исполнениях защиты на основе контроля проводимости Y0, обуславливает также возможность ложных срабатываний защиты на неповрежденных присоединениях в сетях с изолированной нейтралью за счет апериодических составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, а также уменьшение чувствительности при ОЗЗ через переходное сопротивление.
Таким образом, известные способы выполнения ненаправленных защит от ОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, не всегда обеспечивают селективность и требуемую чувствительность защиты и имеют ограничения на область возможного применения.
Технический результат, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, заключается в повышении селективности и чувствительности защиты от ОЗЗ и расширении области ее возможного применения в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, при обеспечении высокой эксплуатационной надежности.
Технический результат достигается тем, что в способе защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, включающем мониторинг тока нулевой последовательности 3i0 и напряжения нулевой последовательности u0, определение замыкания на землю в сети на основе величины напряжения нулевой последовательности, дополнительно определяют замыкание на землю на основе величины тока нулевой последовательности, дифференцируют напряжение нулевой последовательности u0, подавляют высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности 3i0 и в производной напряжения нулевой последовательности u0, определяют среднеквадратичные значения тока нулевой последовательности 3I0 и производной напряжения нулевой последовательности U'0, находят их отношение 3I0/U'0, полученную при этом величину сравнивают с уставкой, определяемой емкостью фаз на землю защищаемого присоединения, при превышении которой и при наличии замыкания на землю в сети формируют выходной сигнал о внутреннем однофазном замыкании на землю.
Заявляемый способ решает задачу повышения технического совершенства защиты от ОЗЗ - селективности и чувствительности как при устойчивых, так и в переходных режимах при дуговых замыканиях и расширения области возможного применения в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали при обеспечении высокой эксплуатационной надежности.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 приведена схема электрической сети среднего напряжения для пояснения принципа действия предлагаемого изобретения, где приняты следующие обозначения:
RN - высокоомный резистор (при работе сети с высокоомным заземлением нейтрали);
Figure 00000015
- внешнее ОЗЗ (вне защищаемой зоны);
Figure 00000016
- внутреннее ОЗЗ (в защищаемой зоне).
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого способа защиты от ОЗЗ электрических сетей среднего напряжения, где приняты следующие обозначения:
1 - первичный преобразователь тока нулевой последовательности;
2 - первичный преобразователь напряжения нулевой последовательности;
3 - пусковой орган по току нулевой последовательности;
4 - пусковой орган по напряжению нулевой последовательности;
5 - первый частотный фильтр;
6 - дифференциатор;
7 - второй частотный фильтр;
8 - первый блок вычисления среднеквадратичного значения;
9 - второй блок вычисления среднеквадратичного значения;
10 - блок вычисления отношения двух величин;
11 - схема сравнения с уставкой;
12 - логический элемент И.
На фиг. 3 и 4 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу предлагаемого устройства защиты при внутреннем (а) и внешнем (б) дуговом перемежающемся ОЗЗ, переходящем в устойчивое, где u1 … u4, u6, u8 … u11 - сигналы на выходах блоков 1 … 4, 6, 8 … 11 соответственно (фиг. 2). На фиг. 3 представлены осциллограммы для сети с изолированной нейтралью, фиг. 4 - для сети с высокоомным заземлением нейтрали.
Сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем.
Из схемы электрической сети (фиг. 1), работающей с изолированной нейтралью (заземляющий резистор RN отключен), пренебрегая падениями напряжения на продольных активно-индуктивных сопротивлениях линий и источника питания и активными потерями в изоляции (в активных проводимостях G0 элементов сети), при внешнем ОЗЗ в т.
Figure 00000017
(повреждение вне зоны действия защиты) для тока нулевой последовательности защищаемой линии получим
Figure 00000018
,
где 3i0 co6c - собственный емкостный ток нулевой последовательности защищаемой линии.
При внутреннем ОЗЗ в т.
Figure 00000019
(в зоне действия защиты) при указанных выше допущениях ток нулевой последовательности защищаемой линии определяется емкостями фаз на землю внешней сети и при принятых на фиг. 1 положительных направлениях для токов и напряжений равен
Figure 00000020
Известно (Кискачи В.М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник токов нулевой последовательности // Электричество. - 1967. - №9. - С. 24-30), что в сетях с изолированной нейтралью соотношения (14) и (15) с достаточной точностью выполняются не только для основной составляющей рабочего напряжения сети, но и для высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности 3i0 как в установившемся, так и в переходных режимах ОЗЗ. Практически это имеет место, если входное сопротивление нулевой последовательности неповрежденных линий для данной частотной составляющей сохраняет емкостный характер. Расчеты и исследования на имитационных моделях показывают, что при известных параметрах и реальных длинах кабельных и воздушных линий электрических сетей среднего напряжения это условие выполняется в диапазоне частот до 1,5-2 кГц (Шадрикова Т.Ю. Разработка комплексной многофункциональной защиты от одно-фазных замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ: дис. … канд. техн. наук: защищена 13.05.2016: утв. 25.07.2016 / Шадрикова Татьяна Юрьевна. - Иваново, 2016. - 204 с). Из (14) и (15) можно видеть, что в указанном диапазоне частот отношение мгновенных значений тока 3i0 к мгновенным значениям производной напряжения
Figure 00000021
при внешних и при внутренних ОЗЗ соответственно равно:
Figure 00000022
Figure 00000023
На основе соотношений (16) и (17) в сетях с изолированной нейтралью можно осуществить максимальную защиту, контролирующую величину емкости нулевой последовательности защищаемого присоединения как в установившемся, так и в переходных режимах ОЗЗ. Однако непосредственный контроль величины емкости нулевой последовательности защищаемого присоединения на основе соотношений мгновенных значений тока 3i0 и мгновенных значений производной напряжения
Figure 00000024
(16) и (17) практически осуществить трудно из-за возможных в процессе измерений временных сдвигов кривых 3i0(t) и
Figure 00000025
, обусловленных угловыми погрешностями первичных преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности, дифференцирования напряжения u0(t), частотных фильтров для подавления составляющих с частотами f>1,5-2,0 кГц и других элементов схемы формирования сравниваемых величин. Наиболее просто компенсацию влияния указанных угловых погрешностей можно выполнить, используя для сравнения не мгновенные, а средние интегральные значения величин 3i0(t) и
Figure 00000026
, например, среднеквадратичные (действующие).
Из (16) и (17) для отношения среднеквадратичных значений величин 3i0(t) и
Figure 00000027
для неповрежденного и поврежденного присоединений получим:
Figure 00000028
Figure 00000029
Аналогичные соотношения можно получить для средневыпрямленных значений величин 3i0(t) и
Figure 00000030
В отличие от рассмотренной выше максимальной защиты, основанной на контроле полной проводимости нулевой последовательности защищаемого присоединения Y0 или ее реактивной (емкостной) составляющей В0, значение воздействующей величины на зажимах предлагаемой защиты
Figure 00000031
определяется только величиной емкостей фаз на землю защищаемого присоединения 3С0 собс (при внешних ОЗЗ) и внешней сети 3(C0 ∑c - С0 собс) (при внутренних ОЗЗ), не зависящей от частоты, что позволяет обеспечить высокую устойчивость функционирования как в установившихся, так и в переходных режимах замыкания на землю. Отметим, что стабильность замера
Figure 00000031
как в установившихся, так и в переходных режимах ОЗЗ может быть обеспечена только при подавлении в токе 3i0(t) и производной
Figure 00000032
составляющих с частотами, превышающими 1,5-2 кГц.
Для обеспечения селективности несрабатываний при внешних замыканиях на землю предлагаемой максимальной защиты, реагирующей на отношение
Figure 00000033
, уставка срабатывания должна выбираться из условия отстройки от собственной емкости фаз на землю защищаемого присоединения
Figure 00000034
При выборе уставки по (20) условие применимости предлагаемой защиты определяется выражением (13), в котором следует принять Кбр=1. При обычно принимаемых значениях Котс=1,2-1,3, Кч.мин=1,25 (для защиты от ОЗЗ с действием на сигнал) и Кбр=1 из (13) получим, что для предлагаемой защиты условия селективности и чувствительности выполняются, если относительное значение собственной емкости фаз на землю (относительный собственный емкостный ток) защищаемого присоединения не превышает величины
Figure 00000035
,
что значительно больше, чем для рассмотренной выше ТЗНП и больше, чем для максимальной защиты, основанной на контроле проводимости.
Доля присоединений на ЦП распределительных электрических сетей среднего напряжения, для которых IC собс*≤0,38, составляет до 90 и более процентов от общего числа присоединений, подключенных к шинам защищаемого объекта, а на других объектах - распределительных и трансформаторных подстанциях (РП и ТП) практически равна 100% (Шуин В.А., Добрягина О.А., Шагурина Е.С. Влияние переходных процессов при замыканиях на землю в электроустановках среднего напряжения на функционирование защит от замыканий на землю на основе высших гармоник // Релейная защита и автоматизация. - 2012, №2. - С. 26-30). Таким образом, область возможного применения предлагаемой защиты на основе контроля емкости нулевой последовательности в электрических сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью по сравнению с другими типами ненаправленных защит от ОЗЗ (ТЗНП, защитами на основе контроля проводимости нулевой последовательности) существенно больше.
В сетях, работающих с заземлением нейтрали через высокоомный резистор (RN, фиг. 1), ток 3i0 в защищаемом присоединении при внешних ОЗЗ (т.
Figure 00000036
, фиг. 1), как и в сети с изолированной нейтралью, определяется (14). Соответственно замер защиты при внешних ОЗЗ для мгновенных значений тока и напряжения нулевой последовательности, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется (16), для среднеквадратичных - соотношением (18).
При внутреннем ОЗЗ (т.
Figure 00000037
, фиг. 1) с учетом тока iR в резисторе RN, протекающего только через место повреждения и в поврежденном присоединении, равен
Figure 00000038
Из (21) для среднеквадратичных значений электрических величин 3I0 и U'0 можно получить следующее соотношение
Figure 00000039
Из (22) можно видеть, что активная составляющая iR тока 3i0 защищаемого присоединения, обусловленная заземляющим резистором RN, при внутренних ОЗЗ увеличивает замер защиты, т.е. ее чувствительность, однако влияние активной составляющей тока ОЗЗ на замер защиты в установившемся и переходных режимах ОЗЗ будет различным. Как известно (например, Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков B.C. и др. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002. - 272 с), при высокоомном заземлении нейтрали оптимальным считается сопротивление резистора RN=1/3ωС0∑. При указанном сопротивлении заземляющего резистора RN в установившемся режиме ОЗЗ реактивная (емкостная) составляющая тока замыкания равна активной, т.е IR=IC∑, а полный ток ОЗЗ равен
Figure 00000040
. При этом ток 3I0 пов и, соответственно, значение воздействующей величины С0 пов на зажимах защиты увеличивается в
Figure 00000041
раз. В переходных режимах при дуговых ОЗЗ в токе 3i0 пов активная составляющая тока ОЗЗ и, соответственно, тока 3i0 пов значительно меньше емкостной и не оказывает существенного влияния на замер защиты, который в этих режимах определяется выражением (19).
Таким образом, заземление нейтрали сети через высокоомный резистор RN не влияет на условия селективности предлагаемой защиты по сравнению с изолированной нейтралью, увеличивает замер и, соответственно, чувствительность защиты в установившемся режиме ОЗЗ и обеспечивает такую же чувствительность в переходных режимах ОЗЗ, как и в сети с изолированной нейтралью.
Защита по предлагаемому способу (фиг. 2) работает следующим образом. При возникновении ОЗЗ в сети, работающей с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, в поврежденном и неповрежденных присоединениях появляются токи нулевой последовательности 3i0, а в электрической сети - напряжение нулевой последовательности u0. С выхода первичного преобразователя тока нулевой последовательности 1 ток 3i0 подается на вход пускового органа по току нулевой последовательности 3 и на вход первого частотного фильтра 5 для подавления высокочастотных составляющих с частотой выше 1,5-2 кГц в токе нулевой последовательности. С выхода первичного преобразователя напряжения нулевой последовательности 2 напряжение u0 подается на вход пускового органа по напряжению нулевой последовательности 4, а также через дифференциатор 6 на вход второго частотного фильтра 7, подавляющего высокочастотные составляющие с частотой выше 1,5-2 кГц в производной напряжения нулевой последовательности. Выходные сигналы первого и второго частотных фильтров 5 и 7 подаются соответственно на входы первого и второго блоков вычисления среднеквадратичных значений 8 и 9, выходы которых подключены к входам блока 10 вычисления отношения двух величин - среднеквадратичного значения тока 3I0 к среднеквадратичному значению производной напряжения U'0. Полученное на выходе третьего блока вычисления отношения двух величин 10 значение С0=3I0/U'0 в схеме сравнения с уставкой 11 сравнивается с заданной уставкой срабатывания С0 уст.
Уставка С0 уст выбирается из условия отстройки от собственной емкости фаз на землю защищаемого присоединения по выражению (20) и равна С0 уст≥Котс 3С0 соб. Если значение выходной величины блока вычисления отношения двух величин 10 С0=3I0/U'0 больше заданной уставки срабатывания, на выходе схемы сравнения с уставкой 11 появляется логический сигнал "1", если значение выходной величины блока вычисления отношения двух величин 10 С0=3I0/U'0 меньше заданной уставки, логический сигнал на выходе схемы сравнения с уставкой 11 равен "0". При срабатывании пускового органа по току нулевой последовательности 3 на его выходе появляется логический сигнал "1". При срабатывании пускового органа по напряжению нулевой последовательности 4 на его выходе появляется логический сигнал "1". Пусковой орган по напряжению нулевой последовательности 4 обеспечивает отстройку защиты от токов небаланса первичного преобразователя тока нулевой последовательности в нагрузочных режимах работы защищаемого присоединения, при пусках и самозапуске электродвигателей и при внешних коротких замыканиях за трансформаторами, питаемыми от защищаемого присоединения, а также при включениях и отключениях линий в контролируемой сети, при которых возможно кратковременное появление бросков тока и напряжения нулевой последовательности. Пусковой орган по току нулевой последовательности 3 обеспечивает быстрый возврат защиты в исходное состояние после отключения ОЗЗ, исключая возможность ложных срабатываний защиты на неповрежденных присоединениях от емкостных токов нулевой последовательности и остаточного напряжение на нейтрали uN=u0, обусловленных апериодическим процессом стекания избыточных зарядов на фазах сети с изолированной нейтралью при возврате ее в нормальное состояние.
Сигнал срабатывания защиты появляется на выходе логического элемента И 12, если логический сигнал на выходе схемы сравнения с уставкой 11 равен "1" и сработали пусковой орган по току нулевой последовательности 3 и пусковой орган по напряжению нулевой последовательности 4.
При внешних ОЗЗ замер защиты - сигнал на выходе блока вычисления отношения двух величин 10 - в соответствии с (18), как в установившемся режиме ОЗЗ, так и в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю, имеет значение, равное 3С0 собс, что меньше уставки срабатывания, логический сигнал на выходе схемы сравнения с уставкой 11 равен "0", при этом равен "0" и сигнал на выходе логического элемента И 12, т.е. защита не срабатывает.
При внутренних ОЗЗ в сети, работающей с изолированной нейтралью, замер защиты - сигнал на выходе блока вычисления отношения двух величин 10 в соответствии с (19) и в установившемся режиме ОЗЗ, и в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю имеет значение, равное 3(C0 ∑ - С0 собс)- Если замер защиты превышает заданную уставку срабатывания (т.е. обеспечивается требуемая чувствительность), на выходе схемы сравнения с уставкой 11 появляется логический сигнал "1", и при условии срабатывания пускового органа по току нулевой последовательности 3 и пускового органа по напряжению нулевой последовательности 4 появляется также сигнал "1" на выходе логического элемента И 12, являющийся сигналом срабатывания защиты.
При внешних ОЗЗ в сетях, работающих с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, замер защиты - сигнал на выходе блока вычисления отношения двух величин 10, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется выражением (18) и, как в установившемся режиме ОЗЗ, так и в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю, имеет значение, равное 3С0 собс т.е. меньше уставки срабатывания. При этом логические сигналы на выходе схемы сравнения с уставкой 11 и на выходе логического элемента И 12 равны "0", т.е. защита не срабатывает.
При внутренних повреждениях на защищаемом присоединении в сети, работающей с заземлением нейтрали через высокоомный резистор, в переходных режимах при дуговых прерывистых ОЗЗ активная составляющая тока нулевой последовательности в поврежденном присоединении значительно меньше емкостной и не оказывает существенного влияния на замер защиты, который в этих режимах, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется выражением (19). Если замер превышает заданную уставку срабатывания (т.е. обеспечивается требуемая чувствительность), защита срабатывает. В режиме устойчивого ОЗЗ за счет активного тока, создаваемого заземляющим резистором RN, замер увеличивается в
Figure 00000042
раз, т.е. и повышается чувствительность защиты по сравнению с сетями с изолированной нейтралью.

Claims (1)

  1. Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, включающий мониторинг тока нулевой последовательности 3i0 и напряжения нулевой последовательности u0, определение замыкания на землю в сети на основе величины напряжения нулевой последовательности, отличающийся тем, что дополнительно определяют замыкание на землю на основе величины тока нулевой последовательности, дифференцируют напряжение нулевой последовательности u0, подавляют высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности 3i0 и в производной напряжения нулевой последовательности u0, определяют среднеквадратичные значения тока нулевой последовательности 3I0 и производной напряжения нулевой последовательности U'0, находят их отношение 3I0/U'0, полученную при этом величину сравнивают с уставкой, определяемой емкостью фаз на землю защищаемого присоединения, при превышении которой и при наличии замыкания на землю в сети формируют выходной сигнал о внутреннем однофазном замыкании на землю.
RU2017141890A 2017-11-30 2017-11-30 Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения RU2672663C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141890A RU2672663C1 (ru) 2017-11-30 2017-11-30 Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141890A RU2672663C1 (ru) 2017-11-30 2017-11-30 Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2672663C1 true RU2672663C1 (ru) 2018-11-19

Family

ID=64327926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017141890A RU2672663C1 (ru) 2017-11-30 2017-11-30 Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2672663C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113824095A (zh) * 2021-08-26 2021-12-21 西安理工大学 架空-电缆混合线路距离保护零序电流补偿系数整定方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4566053A (en) * 1984-07-10 1986-01-21 Westinghouse Electric Corp. Ground-fault protective relay
EP1195875A2 (en) * 2000-09-22 2002-04-10 ABB Substation Automation Oy Method for identification of a faulting or faulted sending end or feeder branch in an electrical distribution system such as a compensated network
RU2491563C2 (ru) * 2008-11-26 2013-08-27 Абб Текнолоджи Аг Способ и устройство для определения замыкания фазы на землю
RU2629374C1 (ru) * 2016-08-17 2017-08-29 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ЭКРА" Способ защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и устройство для его осуществления

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4566053A (en) * 1984-07-10 1986-01-21 Westinghouse Electric Corp. Ground-fault protective relay
EP1195875A2 (en) * 2000-09-22 2002-04-10 ABB Substation Automation Oy Method for identification of a faulting or faulted sending end or feeder branch in an electrical distribution system such as a compensated network
RU2491563C2 (ru) * 2008-11-26 2013-08-27 Абб Текнолоджи Аг Способ и устройство для определения замыкания фазы на землю
RU2629374C1 (ru) * 2016-08-17 2017-08-29 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ЭКРА" Способ защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и устройство для его осуществления

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113824095A (zh) * 2021-08-26 2021-12-21 西安理工大学 架空-电缆混合线路距离保护零序电流补偿系数整定方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2727727C1 (ru) Безопасный операционный способ снижения напряжения и устранения искрения фазы замыкания на землю выключенной системы заземления
CN112136256B (zh) 在接地故障保护中使用的方法和设备
WO2019139973A1 (en) Temporary overvoltage and ground fault overvoltage protection based on arrester current measurement and analysis
CN102224427A (zh) 用于检测相对地故障的方法和设备
KR20120091141A (ko) 다상 접지-결함 회로-차단기들을 위한 시스템 및 방법
CN111969575B (zh) 配电网单相接地故障消弧方法、装置、设备及存储介质
US20150124358A1 (en) Feeder power source providing open feeder detection for a network protector by shifted neutral
Zadeh et al. Investigation of neutral reactor performance in reducing secondary arc current
Andruszkiewicz et al. Overcurrent protection against multi-phase faults in MV networks based on negative and zero sequence criteria
Olejnik Adaptive zero-sequence overcurrent criterion for earth fault detection for fault current passage indicators in resistor grounded medium voltage networks
RU2672663C1 (ru) Способ защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения
Shuin et al. Protection from single-phase short circuits to ground based on monitoring the zero sequence capacitance in 6–10 kV cable networks
Banjanin et al. Experimental registration and numerical simulation of the transient overvoltages caused by single phase intermittent arc earth fault in 35 kV network with isolated neutral
RU2675623C1 (ru) Устройство защиты от однофазных замыканий на землю в компенсированных электрических сетях среднего напряжения
Shen et al. Grounding transformer application, modeling, and simulation
Frantzeskakis et al. Loss of Neutral in Low Voltage Electrical Installation with connected DG units–Consequences and Solutions
Schiner et al. Advanced Residual Current Compensation System
RU2685747C1 (ru) Способ определения места и расстояния до места однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью
Shuin et al. Complex of technical solutions for protection and selective signaling of single-phase earth faults in 6-10 kV distribution cable networks
Torelli et al. Transient overvoltages and distance protections: Problems and solutions
Nikander et al. Applications of transient phenomena during earth-faults in electricity distribution networks
Hou Comparing Fault Resistance Coverage of Different Distribution System Grounding Methods
CN112119556A (zh) 用于在接地故障保护中使用的方法和设备
Shuin et al. Universal earth fault protection of compensated and uncompensated cable networks of medium voltage
Shuin et al. Adaptive Current Protection Against Earth Faults in 6–10 kV Cable Networks

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190605

Effective date: 20190605