Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю. Способ основан на анализе тока утечки, который формируется коммутатором в специально созданных цепях, соединяющих защищаемую сеть с землей. Сущность метода состоит в следующем. С помощью коммутатора одновременно выбирают фазы с наибольшим и наименьшим напряжением относительно земли и соединяют их с землей через отдельные сопротивления. Измеряют ток утечки на землю, фазные напряжения и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, формируют сигнал на отключение поврежденного элемента сети. Одновременно выделяют первую гармоническую составляющую тока утечки, измеряют ее параметры и по ним определяют место повреждения изоляции и формируют информационный сигнал о месте повреждения изоляции. Способ позволяет непрерывно контролировать сопротивление изоляции сети в нормальных условиях, выявлять замыкания на землю в любой точке защищаемой сети без зон нечувствительности, определять характер и место повреждения в аварийных ситуациях. Благодаря новым свойствам способа сокращается продолжительность вынужденных отключении защищаемой сети для ремонта, снижаются ремонтно-эксплуатационные расходы, повышается надежность в работе сети в целом и снижается вероятность возникновения аварий с катастрофическими последствиями, что и является достигаемым техническим результатом. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю.

Известен способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, заключающийся в том, что отдельно каждую фазу защищаемой сети соединяют с землей через ограничительное сопротивление с помощью специального коммутатора с заданным алгоритмом коммутаций, измеряют ток утечки на землю через ограничительное сопротивление, и этот ток сравнивают с предельно допустимым значением. Если ток утечки превышает допустимое значение, то формируют сигнал на отключение защищаемого объекта [1]. Этот способ не позволяет получить высокую точность контроля изоляции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ защиты сети с изолированной нейтралью, используемый в качестве прототипа [2], при котором выбирают фазу с наибольшим напряжением относительно земли, соединяют выбранную фазу с землей через первое ограничительное сопротивление, измеряют ток утечки на землю, по отношению номинального значения напряжения сети и тока утечки определяют общее активное сопротивление изоляции сети относительно земли, это сопротивление сравнивают с допустимым значением и, если онооказывается меньше допустимого, что считают, что в защищаемой сети произошло замыкание на землю, и формируют сигнал, по которому поврежденный элемент отделяют от исправной части сети.

Известный способ имеет недостатки. При его использовании нарушается симметрия защищаемой трехфазной сети относительно земли, т.к. всегда (в любой момент) какая-либо из фаз сети соединена с землей через ограничительное сопротивление. В результате этого появляется постоянное напряжение смещения между нейтральными точками обмоток элементов сети, соединенных в звезду, и землей. Величина этого смещения зависит от эквивалентного сопротивления изоляции сети относительно земли R_ИЗ и ограничительного сопротивления в устройстве R_О: где U_СР - среднее значение падения напряжения на эквивалентном сопротивлении цепи утечки на землю; E_m - амплитудное значение фазной ЭДС сети.

При исправной изоляции, когда R_О << R_ИЗ, напряжение смещения может достигать значения Постоянное напряжение смещения нейтрали вызывает повышение напряжения фазных проводников сети относительно земли. Для отдельных элементов защищаемой сети это недопустимо, т.к. может способствовать возникновению повреждения изоляции.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности работы защищаемой сети путем снижения ее несимметрии.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, согласно которому соединяют фазу с наибольшим значением напряжения относительно земли с землей через первое сопротивление, измеряют ток утечки на землю и фазные напряжения, и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют управляющий сигнал, по которому поврежденный элемент сети отделяют от исправной части сети, дополнительно одновременно соединяют фазу с наименьшим значением напряжения относительно земли с землей через второе сопротивление, выделяют первую гармоническую составляющую тока утечки (частота которой равна частоте напряжения сети), измеряют ее параметры, по ним определяют место повреждения изоляции и формируют информационный сигнал о месте повреждения изоляции, в качестве параметра первой гармонической составляющей используют фазовый сдвиг ее относительно напряжения сети, измеряют его и по этому сдвигу определяют поврежденный элемент защищаемой сети, кроме того, в качестве параметра первой гармонической составляющей используют ее амплитуду и по ней вычисляют расстояние от фазного вывода обмотки до места повреждения.

Сопоставительный анализ технических решений показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что фазу с наименьшим напряжением относительно земли соединяют с землей через второе ограничительное сопротивление. Благодаря этому всегда две фазы сети соединены с землей через первое и второе ограничительные сопротивления. Напряжение смещения нейтральной точки сети в нормальных условиях (когда сопротивление изоляции много больше ограничительного сопротивления) определяется разностью первого R₁ и второго R₂ ограничительных сопротивлений и эквивалентным сопротивлением изоляции сети относительно земли R_из: Приемлемое смещение нейтральной точки обеспечивается путем подбора ограничительных сопротивлений. Причем, чем меньше различаются значения ограничительных сопротивлений, тем меньше напряжение смещения нейтральной точки. В предельном случае, когда R₁=R₂, это смещение равно нулю. Но при этом теряется важнейшее свойство метода - возможность контролировать сопротивление изоляции в симметричной относительно земли сети. Поэтому сопротивление R₁ и R₂ не должны быть равными.

Выделение первой гармонической составляющей тока утечки и измерение ее параметров (амплитуды и начального фазового сдвига) обеспечивает определение поврежденного элемента и места повреждения изоляции защищаемой сети.

Причем, при симметричном снижении эквивалентного сопротивления изоляции сети относительно земли и при замыкании на землю нейтральной точки сети в токе утечки не содержится первой гармонической составляющей. Если эквивалентное сопротивление изоляции снизилось до предельно допустимого значения, а амплитуда первой гармонической составляющей тока утечки равно нулю, то считают, что в сети возникло замыкание на землю нейтральной точки и предпринимают соответствующие действия.

Несимметричные замыкания на землю вызывают появление первой гармонической составляющей в токе утечки. Измерение ее начального фазового сдвига относительно ЭДС сети (например, относительно ЭДС фазы А) позволяет определить в каком элементе защищаемой сети произошло замыкание (в фазном проводнике, или в обмотке, соединенной звездой, или в обмотке, соединенной треугольником).

При повреждении в обмотке измерение амплитуды первой гармонической составляющей тока утечки дает возможность вычислить расстояние (число витков обмотки, выраженное в относительных единицах) от фазного вывода обмотки до места повреждения.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства защиты сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, в котором реализован заявляемый способ; на фиг. 2 показан ток в первом ограничительном сопротивлении при исправной изоляции в нормальном режиме работы сети; на фиг. 3 показан ток в первом ограничительном сопротивлении при симметричном снижении полного сопротивления изоляции сети относительно земли; на фиг. 4 показан ток в первом ограничительном сопротивлении при повреждении в обмотке фазы C, соединенной в звезду (расстояние от фазного вывода до места повреждения составляет 0,5 общего числа витков в обмотке); на фиг. 5 показан ток в первом ограничительном сопротивлении при замыкании на землю фазы C; на фиг. 6 показаны векторные диаграммы напряжений в сети при различных видах повреждений.

Схема устройства, в котором реализован заявляемый способ (фиг. 1), содержит: защищаемую трехфазную сеть 1, изолированной нейтралью; эквивалентное сопротивление изоляции 2 сети относительно земли (приведенное к нейтральной точки сети); коммутатор 3, три входа которого подключены к трем фазам защищаемой сети; датчик 4 фазных ЭДС защищаемой сети, три входа которого подключены к трем фазам защищаемой сети; первое ограничительное сопротивление 5, подключенное первым выводом к первому выходу коммутатора; второе ограничительное сопротивление 6, подключенное первым выводом к второму выходу коммутатора, а вторым выводом - к второму выводу первого ограничительного сопротивления; шунт 7, первым выводом подключенный к объединенным вторым выводам ограничительных сопротивлений 5 и 6, а вторым выводом подключенный к земле; блок 8 определения эквивалентного активного сопротивления изоляции, первый вход которого соединен с первым выводом шунта, а второй вход соединен с выходом датчика фазных ЭДС сети; компаратор 9, первый вход которого подключен к выходу блока 8 определения сопротивления изоляции, а на второй вход в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции; частотный фильтр 10, вход которого соединен с первым выводом шунта; блок 11 определения расстояния от места повреждения до фазного вывода, входом подключенный к выходу частотного фильтра; блок 12 определения поврежденной фазы, первый вход которого соединен с выходом частотного фильтра, а второй вход - с выходом датчика фазных ЭДС. На схеме обозначены также элементы, указанных блоков: диодные ключи 13 - 18 в коммутаторе, соединенные по схеме трехфазного диодного моста; интегрирующий элемент 19, блок 20 измерения ЭДС сети и делитель 21 в блоке определения сопротивления изоляции.

Устройство, в котором реализуется предлагаемый способ защиты сети, работает следующим образом (фиг. 1).

В защищаемой цепи действует ЭДС:
здесь E_m и - амплитуда фазной ЭДС сети и ее угловая частота.

Соединение фаз сети с землей через первое R₁ и второе R₂ сопротивления осуществляется коммутатором с помощью диодных ключей 13-18. Ток утечки измеряется с помощью шунта 7, сопротивление которого значительно меньше ограничительных сопротивлений. Падение напряжения на шунте используется как полезный сигнал.

В нормальных условиях, когда эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли много больше сопротивлений R₁ и R₂, по диодным ключам и ограничительным резисторам R₁ и R₂ протекают, соответственно, токи которые определяются, практически, ЭДС сети и сопротивлениями R₁ и R₂. Когда эквивалентное сопротивление изоляции сети много больше ограничительных сопротивлений можно принять Период колебаний этого тока i_R составляет 1/6 периода ЭДС сети, т.е. /3 (фиг. 2) [3].

Используя преобразование Фурье этот ток можно представить рядом:

где
k - целое число;
среднее значение тока за период (постоянная составляющая);

постоянные коэффициенты ряда.

Начальная фаза колебаний в рассматриваемых условиях при исправной изоляции не имеет значения. Поэтому за начало отсчета по оси абсцисс удобно принять точку, относительно которой функция, выражающая ток, симметрична. Тогда все синусоидальные члены ряда равны нулю и ток можно представить в виде косинусного ряда;

здесь R_Э = R₁+R₂ - эквивалентное сопротивление цепи для тока i_R при R_ИЗ_ .
Как видно, в нормальных условиях наибольшую амплитуду имеет гармоническая составляющая тока с частотой, превышающей частоту ЭДС сети в шесть раз.

При симметричном снижении сопротивления изоляции во всех фазах, когда эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли становится соизмеримо с сопротивлением R₁, или при наличии значительной емкости проводников сети относительно земли, появляются дополнительные составляющие токов в резисторах R₁ и R₂. Эти составляющие токов протекают в двух контурах. Первый из них образован диодными ключами 13 - 15, ограничительным сопротивлением R₁, шунтом, источниками ЭДС сети и сопротивлением изоляции сети относительно земли. Второй контур образован диодными ключами 16 - 18, ограничительным сопротивлением R₂, шунтом, источниками ЭДС сети и сопротивлением изоляции сети относительно земли. Период колебаний токов в ограничительных сопротивлениях составляет 1/3 периода ЭДС сети (фиг. 3).

Приняв допущения, примененные для предыдущего режима, ток утечки (протекающий по шунту) можно представить в этих условиях в виде разности двух косинусных рядов Фурье. Постоянная составляющая тока утечки (среднее значение) в этих условиях определяется так:

Изменение сопротивления изоляции сети относительно земли, как видно, вызывает изменение среднего значения тока утечки. Поэтому это интегральное значение тока можно использовать в качестве информационного сигнала для определения сопротивления изоляции.

Замыкание на землю в нейтральной точке обмотки представляет собой предельный случай симметричного режима при R_ИЗ=0.

В случае повреждения изоляции в обмотке, соединенной в звезду, (например, в обмотке фазы C) напряжения фаз контролируемой сети относительно земли можно записать следующим образом (см. фиг. 6):

здесь U_AO, U_BO, U_CO - напряжения фаз A, B, C сети относительно земли при повреждении в обмотке;
- расстояние (число витков) от фазного вывода поврежденной обмотки до места повреждения в этой обмотке, измеряемое в относительных единицах.

При этом ток утечки имеет сложную форму и может быть представлен только разными непрерывными функциями на отдельных временных интервалах в пределах периода колебаний.

Так, например, ток в первом ограничительном сопротивлении при повреждении в обмотке можно представить следующим образом (фиг. 4);

здесь


Среднее за период значение тока утечки:

где

T₃= 2 - период тока утечки при повреждении в обмотке.

Коэффициенты ряда Фурье для первой гармоники:

Каждый из этих интегралов можно определить как сумму четырех определенных интегралов, пределы интегрирования в которых соответствуют границам отдельных участков, на которых ток представлен непрерывными гармоническими функциями.

В результате интегрирования получим:


Тогда, для амплитуды составляющей тока первой гармоники можно записать следующее выражение:

Как видно, амплитуда первой гармоники тока зависит от удаленности места повреждения от фазных выводов обмотки. Причем, она максимальна по абсолютной величине при замыкании фазы на землю, и минимальна (равна нулю) при замыкании в нейтрали обмотки. На фиг. 5 показан ток в первом ограничительном сопротивлении при замыкании фазы C на землю. Здесь напряжение фазы C относительно земли равно нулю, и амплитуда первой гармонической составляющей в первом ограничительном сопротивлении максимальна.

Начальный фазовый сдвиг этой составляющей тока первой гармоники определяется так:
₁= arctg(b₁/a₁).
При повреждении в фазе C начальный фазовый сдвиг равен (-/6), при повреждении в фазе A (-5/6), при повреждении в фазе B (-3/2).
Из векторных диаграмм напряжений в защищаемой сети, показанных на фиг. 6, видно, что трехфазные системы векторов напряжений, действующих в сети при разных видах замыканий на землю, различаются. Так, при замыкании в нейтральной точке обмотки, соединенной в звезду, система векторов остается симметричной, но увеличивается постоянная составляющая тока утечки. При замыкании на землю фазного проводника сети напряжения двух неповрежденных фаз относительно земли представляются двумя векторами линейных ЭДС, сдвинутыми относительно друг друга на угол 60^o. При замыкании в фазной катушке обмотки, соединенной в звезду, трехфазная система векторов несимметрична относительно земли, причем, два вектора имеют одинаковую длину, один вектор короче двух других. При замыкании на землю в междуфазной катушке обмотки, соединенной в треугольник, симметрия, как и в предыдущем случае, нарушается. Здесь два вектора напряжения относительно земли сдвинуты относительно друг друга на угол 180^o и в общем случае не равны (они могут иметь равную длину при замыкании не землю в средней точке обмотки).

Этим различным трехфазным система ЭДС соответствуют различные по амплитудам и начальным фазам составляющие тока утечки первой гармоники, протекающие по ограничительным сопротивлениям и по шунту.

Таким образом, по амплитудам (или связанным с ними интегральным значениям) и начальным фазовым сдвигам первых гармонических составляющих тока в ограничительных сопротивлениях или в шунте можно оценить сопротивление изоляции сети относительно земли и определить поврежденный элемент сети и место повреждения.

Действия, предусмотренные предлагаемым способом, реализуются в устройстве в следующей последовательности.

С помощью коммутатора 3 одновременно выбирают фазы с наибольшим и наименьшим напряжением относительно земли. Для этого используются свойства диодных ключей 13 - 18 пропускать так в одном направлении (от анода к катоду), когда потенциал анода выше потенциала катода. С помощью диодных ключей выбранные фазы соединяют с землей через отдельные сопротивления. Следовательно в любой момент времени две фазы сети из трех оказываются соединенными с землей через сопротивления 5, 6 и 7.

В электрических цепях, соединяющих сеть с землей, под действием ЭДС протекают тока. Ток утечки, протекающий по шунту 7, создает падение напряжения на нем, которое используется в качестве входного сигнала для боков 8 и 10.

В блоке 8 устройства с помощью интегратора 19 и блока 20 измерения ЭДС сети определяют, соответственно, среднее значение тока утечки и амплитудное значение синусоидальной ЭДС сети. Сигналы, пропорциональные этим величинам, подают на входы делителя 21, где по их отношению определяют сопротивление изоляции сети относительно земли.

В блоке 9 сопротивление изоляции (в виде соответствующего сигнала), полученное на выходе блока 8, сравнивают с предельно допустимым значением. Если сопротивление изоляции становится меньше допустимого, то формируют соответствующие управляющий и информационный сигналы.

Первую гармоническую составляющую тока утечки выделяют с помощью полосового фильтра 10, который на частоте ЭДС сети имеет определенный максимальный коэффициент передачи (например, равный 1) и не изменяет фазовый сдвиг сигнала.

С помощью блока 11 определяют амплитудное значение первой гармонической составляющей тока утечки и по ней вычисляют расстояние от места повреждения до фазного вывода обмотки.

С помощью блока 12 измеряют начальный фазовый сдвиг составляющей первой гармоники тока утечки относительно ЭДС сети (например, относительно фазной ЭДС E_A) и по нему определяют поврежденный элемент сети и место повреждения.

Применение предлагаемого способа защиты позволяет существенно расширить функциональные возможности технических средств, выявляющих однофазные замыкания на землю в проводниках и обмотках сети с изолированной нейтралью. Этот способ дает возможность осуществлять непрерывно текущий контроль изоляции сети без зон нечувствительности и определять место повреждения в случае возникновения дефекта изоляции. Благодаря этим новым свойствам сокращается продолжительность вынужденных отключений защищаемой сети для ремонта, снижаются ремонтно-эксплуатационные расходы, повышается надежность работы сети в целом и снижается вероятность возникновения аварий с катастрофическими последствиями.

Список литературы:
1. Авторское свидетельство СССР N 129714, кл. 21 с. 68/50, 1960.

2. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ.-М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 103 - 107.

3. Минин Г.П. Несинусоидальные токи и их измерение. -М.: Энергия, 1979, 112 с.

Формула изобретения

1. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, в соответствии с которым соединяют фазу с наибольшим значением напряжения относительно земли с землей через первое сопротивление, измеряют ток утечки на землю, фазные напряжения и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют сигнал на отключение поврежденного элемента сети, отличающийся тем, что одновременно соединяют фазу с наименьшим значением напряжения относительно земли с землей через второе сопротивление, выделяют первую гармоническую составляющую тока утечки, измеряют ее параметры и по ним определяют место повреждения изоляции и формируют информационный сигнал о месте повреждения изоляции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве параметра первой гармонической составляющей используют ее фазовый сдвиг относительно напряжения сети и по этому сдвигу определяют поврежденный элемент защищаемой сети.

3. Способ защиты по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве параметра первый гармонической составляющей используют ее амплитуду и по ней вычисляют расстояние от фазного вывода поврежденной обмотки до места повреждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6