Устройство диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий в электрических сетях

Авторы патента:

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях, работающих с изолированной нейтралью, заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (компенсацией емкостных токов) или высокоомный резистор, основанным на использовании высокочастотных составляющих электрических величин переходного процесса, возникающего при пробое изоляции фазы сети на землю.

Сущность полезной модели: в предлагаемом устройстве диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях, содержащем первый и второй аналого-цифровой преобразователи, дифференциатор, коррелятор, первую, вторую и третью схемы сравнения, блок памяти, первый и второй счетчики и дешифратор, причем первый (второй) вход устройства соединен со входом первого (второго) аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом коррелятора, а выход второго аналого-цифрового преобразователя через дифференциатор подключен ко второму входу коррелятора, выход коррелятора подключен к первым входам первой и второй схем сравнения, ко вторым входам первой, второй и третьей схем сравнения подключены соответственно первый, второй и третий выходы блока памяти, выход второй схемы сравнения подключен ко входу второго счетчика, выход второго счетчика подключен к первому входу третьей схемы сравнения, выход первого счетчика подключен ко входу дешифратора, выходы которого являются первой группой выходов устройства, согласно предложению, введены четвертая схема сравнения, элемент задержки и два логических элемента И, причем первый вход четвертой схемы сравнения подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, а ее второй вход подключен к четвертому выходу блока памяти, выход четвертой схемы сравнения через элемент задержки подключен ко вторым входам первого и второго логических элементов И, к первым входам первого и второго логических элементов И подключены соответственно выходы первой и третьей схем сравнения, выход первого логического элемента И подключен ко входу первого счетчика, а выход второго логического элемента И является вторым выходом устройства.

1 н.п.ф., 1 илл.

Применение устройства целесообразно при построении селективной сигнализации и защиты с действием на отключение при кратковременных, перемежающихся и устойчивых замыканиях на землю.

Известны такие устройства направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях, как УЗС-01, КЗЗП, «Импульс», «Спектр» [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВт. - М.: НТФ «Энергопрогресс», стр.68-78].

Недостатком этих известных устройств является низкая устойчивость в условиях помех.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемой полезной модели является устройство, реализующее способ диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий в электрических сетях [Патент РФ 2402131 Н02Н 3/16, опубл. 20.10.2010, Б.И. 29]. Устройство включает первый и второй аналого-цифровой преобразователи (АЦП), дифференциатор, коррелятор, первую, вторую и третью схемы сравнения, блок памяти, первый и второй счетчики и дешифратор.

Первый (второй) вход устройства соединен с входом первого (второго) АЦП, выход первого АЦП соединен с первым входом коррелятора, а выход второго АЦП через дифференциатор подключен ко второму входу коррелятора, выход коррелятора подключен через первую (вторую) схемы сравнения соответственно к первому (второму) счетчику, ко вторым входам первой, второй и третьей схемы сравнения подключены соответственно первый, второй и третий выходы блока памяти, выход второго счетчика подключен к первому входу третьей схемы сравнения, выход которой является вторым выходом устройства, выход первого счетчика подключен ко входу дешифратора, выходы которого являются первой группой выходов устройства.

Недостатком устройства-прототипа является низкая устойчивость функционирования в условиях воздействия коммутационных помех.

Указанный недостаток устройства-прототипа объясняется тем, что при коммутационных помехах переходные процессы описываются аналогичными уравнениями, что и при однофазных замыканиях на землю [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВт. - М.: НТФ «Энергопрогресс», стр.47-48]. Алгоритм функционирования устройства-прототипа основан на вычислении интегральной величины, в качестве которой выбрана взаимная корреляционная функция совокупностей мгновенных значений токов нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, и сравнении ее с порогом (уставкой). Взаимная корреляционная функция характеризует «степень похожести» процессов, поэтому интегральная величина при коммутационных помехах может достигать больших значений и превышать порог срабатывания защиты.

Для устранения влияния коммутационных помех на защиту от однофазных замыканий на землю вводится пусковой орган по напряжению нулевой последовательности U₀ [Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВт. - М.: НТФ «Энергопресс», стр.48].

Задача полезной модели - повышение устойчивости функционирования в условиях воздействия коммутационных помех.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях, содержащем первый и второй аналого-цифровой преобразователи, дифференциатор, коррелятор, первую, вторую и третью схемы сравнения, блок памяти, первый и второй счетчики и дешифратор, причем первый (второй) вход устройства соединен со входом первого (второго) аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом коррелятора, а выход второго аналого-цифрового преобразователя через дифференциатор подключен ко второму входу коррелятора, выход коррелятора подключен к первым входам первой и второй схем сравнения, ко вторым входам первой, второй и третьей схем сравнения подключены соответственно первый, второй и третий выходы блока памяти, выход второй схемы сравнения подключен ко входу второго счетчика, выход второго счетчика подключен к первому входу третьей схемы сравнения, выход первого счетчика подключен ко входу дешифратора, выходы которого являются первой группой выходов устройства, согласно предложению, введены четвертая схема сравнения, элемент задержки и два логических элемента И, причем первый вход четвертой схемы сравнения подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, а ее второй вход подключен к четвертому выходу блока памяти, выход четвертой схемы сравнения через элемент задержки подключен ко вторым входам первого и второго логических элементов И, к первым входам первого и второго логических элементов И подключены соответственно выходы первой и третьей схем сравнения, выход первого логического элемента И подключен ко входу первого счетчика, а выход второго логического элемента И является вторым выходом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства изображена на фиг.1.

Устройство включает: первый 1 и второй 2 аналого-цифровой преобразователи, дифференциатор 3, коррелятор 4, первую 5, вторую 7, третью 9 и четвертую 12 схемы сравнения, блок памяти 6, первый 8 и второй 10 счетчики, дешифратор 11, элемент задержки 13, первый 14 и второй 15 логические элементы И.

Компоненты устройства диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях соединены следующим образом: первый (второй) вход устройства соединен со входом первого 1 (второго 2) аналого-цифрового преобразователя, выход первого 1 аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом коррелятора 4, а выход второго аналого-цифрового преобразователя 2 через дешифратор 3 подключен ко второму входу коррелятора 4, выход коррелятора 4 подключен к первым входам первой 5 и второй 7 схем сравнения, ко вторым входам первой 5, второй 7 и третьей 9 схем сравнения подключены соответственно первый, второй и третий выходы блока памяти 4, выход второй схемы сравнения 7 подключен ко входу второго счетчика 10, выход второго счетчика 10 подключен к первому входу третьей схемы сравнения 9, выход первого счетчика 8 подключен ко входу дешифратора 11, выходы которого являются первой группой выходов устройства, первый вход четвертой схемы сравнения 12 подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя 2, а ее второй вход подключен к четвертому выходу блока памяти 4, выход четвертой схемы сравнения 12 через элемент задержки 13 подключен ко вторым входам первого 14 и второго 15 логических элементов И, к первым входам первого 14 и второго 15 логических элементов И подключены выходы первой 5 и третьей 9 схем сравнения, выход первого 14 логического элемента И подключен ко входу первого счетчика 8, а выход второго логического элемента И 15 является вторым выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении замыкания на землю на входы блоков аналого-цифрового преобразования 1 и 2 поступают соответственно ток нулевой последовательности I₀ и напряжение нулевой последовательности U₀ от измерительных трансформаторов. После аналого-цифрового преобразования в блоке 1 цифровые отсчеты тока нулевой последовательности поступают на первый вход коррелятора 4, на второй вход коррелятора 4 подаются цифровые отсчеты, пропорциональные скорости нарастания напряжения нулевой последовательности, образующиеся после аналого-цифрового преобразования в блоке 2 и дифференцирования в блоке 3 напряжения нулевой последовательности U₀. Коррелятор 4 осуществляет операцию цифровой свертки над отсчетами, поступающими на его вход. В результате свертки формируется взаимная корреляционная функция совокупностей мгновенных значений тока нулевой последовательности и скорости нарастания напряжения нулевой последовательности.

С выхода коррелятора 4 цифровые отсчеты взаимной корреляционной функции поступают на первые входы схем сравнения 5 и 7, а на их вторые входы из блока памяти 6 поступают цифровые коды уставок. Причем для схемы сравнения 5 подается уставка, характеризующая режим неустойчивого однофазного замыкания на землю, а для схемы сравнения 7 - уставка, характеризующая режим устойчивого однофазного замыкания на землю.

При включении линии под напряжение за счет неодновременности замыкания контактов выключателя возникает переходный процесс, при котором возникают составляющие нулевой последовательности. Причем при включении присоединений с относительно большой собственной емкостью, амплитуды бросков переходного тока нулевой последовательности и напряжения нулевой последовательности могут достигать значений, соизмеримых и даже превышающих амплитуды соответствующих величин при однофазных замыканиях на землю. Поэтому для обеспечения несрабатывания предлагаемого устройства диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях при наличии коммутационных помех выдача решения о превышении уставок со схем сравнения 5 и 9 осуществляется только при срабатывании пускового органа по напряжению нулевой последовательности. Для чего на входы схемы сравнения 12 подаются значения напряжения нулевой последовательности. В случае превышения уставки, подаваемой из блока 6 памяти на второй вход схемы сравнения 12, разрешающий сигнал с выхода схемы сравнения 12 через элемент задержки 13 подается на вторые входы логических элементов И 14 и 15. Таким образом пусковой орган «разрешает» срабатывание предлагаемого устройства в режимах неустойчивого и устойчивого замыканий. Следует отметить, что длительность задержки сигнала в элементе задержки 13 составляет 8-15 мс и формируется, исходя из длительности затухания переходного процесса в результате коммутационных помех.

При устойчивом однофазном замыкании на землю количество превышений уставочного значения подсчитывается счетчиком 10, выход которого соединен с первым выходом схемы сравнения 9. На второй вход схемы сравнения 9 с блока памяти 6 подается цифровой код, характеризующий временной интервал, начиная с которого классифицируют однофазное замыкание на землю как устойчивое. При превышении этого временного интервала на выходе схемы сравнения 9 появляется сигнал, который, при наличии разрешающего сигнала с выхода элемента задержки 13 на вход логического элемента И 15, выдается с выхода этого элемента И 15 как сигнал командного воздействия на исполнительные органы релейной защиты.

При неустойчивом однофазном замыкании на землю превышения уставочного значения фиксируются схемой сравнения 5 и при условии разрешающего сигнала с выхода элемента задержки 13 сигнал с выхода схемы сравнения 5 через логический элемент И 14 поступает на вход счетчика 8. Выход счетчика 8 соединен со входом дешифратора 11. Число превышений уставочного значения подсчитывается счетчиком 8, причем в соответствии со схемой устройства подсчет производится при условии срабатывания пускового органа по напряжению U₀. В зависимости от цифрового кода (числа превышений уставочного значения) с выхода счетчика 8 на одном из выходов дешифратора 11 появляется сигнал. При этом состояние изоляции анализируемой фазы сети, связанное с числом произошедших неустойчивых однофазных замыканий на землю, можно характеризовать номером выхода дешифратора 11, на котором появился сигнал. Эта информация (номер выхода дешифратора) может выступать в качестве диагностической, сигнальной или служить для обеспечения командного воздействия на исполнительные органы релейной защиты.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает большей устойчивостью функционирования в условиях воздействия коммутационных помех по сравнению с устройством-прототипом.

Устройство диагностики и направленной защиты от однофазных замыканий в электрических сетях, содержащее первый и второй аналого-цифровой преобразователи, дифференциатор, коррелятор, первую, вторую и третью схемы сравнения, блок памяти, первый и второй счетчики и дешифратор, причем первый (второй) вход устройства соединен со входом первого (второго) аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом коррелятора, а выход второго аналого-цифрового преобразователя через дешифратор подключен ко второму входу коррелятора, выход коррелятора подключен к первым входам первой и второй схем сравнения, ко вторым входам первой, второй и третьей схем сравнения подключены соответственно первый, второй и третий выходы блока памяти, выход второй схемы сравнения подключен ко входу второго счетчика, выход второго счетчика подключен к первому входу третьей схемы сравнения, выход первого счетчика подключен ко входу дешифратора, выходы которого являются первой группой выходов устройства, отличающееся тем, что введены четвертая схема сравнения, элемент задержки и два логических элемента И, причем первый вход четвертой схемы сравнения подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, а ее второй вход подключен к четвертому выходу блока памяти, выход четвертой схемы сравнения через элемент задержки подключен ко вторым входам первого и второго логических элементов И, к первым входам первого и второго логических элементов И подключены соответственно выходы первой и третьей схем сравнения, выход первого логического элемента И подключен ко входу первого счетчика, а выход второго логического элемента И является вторым выходом устройства.