Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих защит от замыканий на землю в сетях напряжением 3-35 KB 9
1.1. Однофазные замыкания при различных режимах заземления нейтрали сетей напряжением 3-35 кВ и требования, предъявляемые к защитам от таких повреждений 9
1.2. Принципы выполнения защит от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью 15
1.3. Принципы выполнения защит от однофазных замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока 25
1.4. Выводы 40
2. Разработка защиты от однофазных замыканий, реагирующей на активную составляющую тока нулевой последовательности 42
2.1. Однофазные замыкания в сети с компенсированной нейтралью.42
2.2. Принцип построения защиты, реагирующей на активную составляющую тока замыкания 58
2.3. Оценка чувствительности и выбор параметров защиты 61
2.4. Исследование работы защиты на экспериментальной установке сети с компенсированной нейтралью 67
2.5. Выводы 76
3. Обеспечение селективности разработанной защиты при феррорезонансных процессах 77
3.1. Феррорезонансные процессы и их моделирование на экспериментальной установке 77
3.2. Влияние феррорезонансных процессов на работу защит от замыкания на землю 89
3.3. Разработка устройства блокировки защиты при феррорезонансных процессах 94
3.4. Выводы , 101
Заключение 102
Список использованных источников
- Принципы выполнения защит от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью
- Принцип построения защиты, реагирующей на активную составляющую тока замыкания
- Исследование работы защиты на экспериментальной установке сети с компенсированной нейтралью
- Влияние феррорезонансных процессов на работу защит от замыкания на землю
Введение к работе
Актуальность работы. Сети напряжением 3-35 кВ, в странах СНГ
работают с изолированной или компенсированной нейтралью. Известно, что первопричиной тяжелых аварий в этих сетях часто являются неправильные действия релейной защиты при однофазных замыканиях на землю, составляющих до 90 % от общего числа электрических повреждений. Возникающие при этом, даже кратковременно, перерывы в электроснабжении могут приводить к длительным нарушениям технологических процессов на предприятиях. В некоторых случаях причиной аварий являются одиночные и групповые ложные срабатывания устройств релейной защиты при феррорезонансных процессах. К значительным перерывам электроснабжения и ущербам также может привести несрабатывание релейной защиты из-за недостаточной чувствительности к однофазному замыканию, когда оно переходит в многофазное короткое замыкание. Поэтому в настоящее время считается необходимым оборудовать сети 6-35 кВ защитами от замыканий на землю, обладающими достаточной селективностью и чувствительностью к устойчивым замыканиям, в том числе и через перемежающуюся дугу, повторностью действия и способностью фиксировать единичные самоустраняющиеся пробои изоляции.
В решение проблем, стоящих перед разработчиками защит от замыканий на землю значительный вклад внесли Бухтаяров В.Ф., Дударев Л.Е., Кискачи В.М., Лихачев ФА, Цапенко Е.Ф., Шуин В.Л., Щуцкий В.И., Ягудаев Б.М., и др. Ими создано большое количество защит в той или иной мере обладающих теми или другими из перечисленных свойств. Однако многочисленные попытки создания селективной защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока, удовлетворяющей большинству требований, предъявляемым к ее свойствам, пока не привели к получению соответствующего устройства. В некоторых случаях не удовлетворяют им и защиты в сетях с изолированной нейтралью (например, при феррорезонансных процессах).
Поэтому разработка защиты от однофазных замыканий на землю, более совершенной, чем существующие, способной удовлетворять всем предъявляемым требованиям как в сетях с изолированной нейтралью, так и в сетях заземленных через дугогасящий реактор остается актуальной.
Цель работы заключается в разработке защиты от замыканий на землю в сетях с компенсированной и изолированной нейтралями, селективной при металлических замыканиях и замыканиях через перемежающуюся дугу, а также фиксирующей единичные пробои изоляции.
Научная новизна заключается в развитии теоретических основ построения защит от однофазного замыкания на землю:
и>с национальна»»
разработан алгоритм реле, реагирующего на активную составляющую тока нулевой последовательности, получены аналитические выражения для оценки чувствительности, доказано, что защита обладает достаточной чувствительностью и селективностью;
обоснована возможность использования выпускаемых серийно трансформаторов тока нулевой последовательности для получения информации об активной составляющей тока;
предложено выявлять феррорезонанс по разности частот линейного напряжения и напряжения нулевой последовательности.
Практическая ценность работы:
разработанное устройство защиты от замыканий на землю обладает селективностью в сетях с изолированной и компенсированной нейтралями, способно фиксировать устойчивые замыкания, замыкания через перемежающуюся дугу и единичные пробои изоляции;
предложенная цифровая блокировка срабатывания защит от замыканий на землю при возникновении феррорезонансных процессов в сети не критична к изменению температуры, несинусоидальности входных сигналов и изменению частоты системы электроснабжения;
разработанная централизованная селективная сигнализация от однофазных замыканий на землю, оснащенная диагностикой, экономична и обладает высокой надежностью;
созданы экспериментальные установки сетей с изолированной и компенсированной нейтралями, которые могут использоваться для исследования вновь создаваемых защит.
К защите представляются:
алгоритм защиты, реагирующей на активную составляющую тока нулевой последовательности;
аналитические выражения для оценки чувствительности защиты;
обоснование возможности использования выпускаемых серийно трансформаторов тока нулевой последовательности для получения информации об активной составляющей тока;
- способ выявления феррорезонанса по разности частот линейного на
пряжения и напряжения нулевой последовательности.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: грамотным использованием фундаментальных законов естественных наук и основ теории электрических цепей; удовлетворительным совпадением качественных характеристик результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальных сетях и на экспериментальных установках, достаточным объемом и результатами экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы.
Разработанная цифровая блокировка от феррорезонансных процессов установлена на направленную защиту от замыканий на землю типа НЗЗИ-бм, которая внедрена в сетях Экибастузского разреза "Восточный" в количестве 5 комплектов. Централизованная селективная сигнализация от однофазных замыканий на землю внедрена на трех секциях собственных нужд Павлодарской ТЭЦ-3. Создан опытный образец устройства защиты от замыканий на землю, реагирующего на активную составляющую тока замыкания. Результаты работы используются организацией "Павлодартехэнерго" (для создания промышленных образцов устройств защиты) и Павлодарским государственным университетом (в учебном процессе по специальности "Автоматическое управление энергетическими системами" в курсе "Специальные вопросы релейной защиты").
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана", Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова (г. Павлодар 1996 г.); на 4 Международной конференции "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", Московский энергетический институт (технический университете), (г. Москва, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими" Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), (г. Новочеркасск, 2001 г.), на расширенном заседании кафедры "Электрические станции и автоматизация энергосистем" Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (г. Павлодар, 2001 г.)
Публикации. Содержание диссертации нашло отражение в 14 работах, в том числе 5 патентах на изобретение Республики Казахстан.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста и иллюстрируется 37 рисунками и 2 таблицами, списка литературы из 112 наименований и приложения на 5 страницах, содержащего материалы, относящиеся к практической реализации и внедрению результатов работы.
Автор выражает признательность к.т.н. ААСафарбакову за помощь в работе над диссертацией.
Принципы выполнения защит от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью
Распределительные сети напряжением 3 - 35 кВ работают с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор /11/. Согласно /11/, сети работающие с изолированной нейтралью, должны иметь емкостные токи замыкания на землю не более 20 А при напряжении 10 кВ и 30 А при напряжении 6 кв. При больших емкостных токах, они переводятся в режим компенсации емкостной составляющей тока замыкания.
Рассматриваемые сети, по требованиям, предъявляемым к защитам от замыканий на землю, можно разделить /12/ на: допускающие работу при наличии однофазного замыкания в течение времени, необходимого для выявления места повреждения, и требующих его немедленного отключения по условиям техники безопасности. Первые имеют емкостные токи более 5 А, иногда менее (например, собственные нужды электростанций). В сетях второй группы питающих торфопредприятия, карьеры, рудники, замыкания на землю по условиям техники безопасности должны отключаться автоматически с минимальной выдержкой времени. Здесь к устройствам релейной защиты предъявляются более жесткие требования, так как от их надежной работы зависит жизнь людей.
В настоящее время в сетях 3 — 10 кВ, собственных нужд электростанций /13/, в карьерных распределительных сетях /14, 15/, в сетях угольных разрезов находит применение заземление нейтрали через высокоомный или низкоомный резистор /16 ч- 19/.
При высокоомном заземлении нейтрали сопротивление резистора RN выбирают примерно равным емкостному сопротивлению сети /8/: Rn=-coC0, (активная составляющая тока замыкания 1а равна емкостной составляющей 1с).
Во втором случае параметры резистора выбираются такими, чтобы: 1а 3,5 1с. При заземлении через высокоомный резистор работа сети невозможна в течении длительного времени, если полный ток замыкания на землю превышает предельно допустимые величины по условиям гашения дуги. Поэтому такое заземление может оказаться наиболее эффективным для сетей с емкостными токами менее 5-10 А и наиболее целесообразно в сетях с повышенными требованиями к безопасности /20, 21/.
Использование низкоомного заземления дает возможность получить токи в месте замыкания порядка десятка и даже тысяч ампер. Это обеспечивает устойчивость функционирования простейших устройств релейной защиты, ведет к снижению перенапряжений при дуговых замыканиях на землю за счет полного разряда емкости сети за полупериод промышленной частоты; исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов, приводящих к повреждениям трансформаторов напряжения, практически исчезает возможность ложного срабатывания защит неповрежденных присоединений при ликвидации однофазного замыкания на землю. Однако, организация низкоомного заземления ведет к увеличению полного тока замыкания в месте повреждения изоляции (в нарушение одного из основных требований /11/). Кроме того, увеличивается число неоправданных отключений вследствие перехода самоустраняющихся повреждений в устойчивые; низкоомные резисторы термически неустойчивы и имеют значительные габариты. Поэтому такой способ заземления в некоторых случаях нашел применение только на электростанциях.
Возникновение и существование однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью непосредственно на работу потребителей не влияет, так как треугольник векторов междуфазных напряжений остается неизменным. Поэтому допускается работа с однофазным замыканием в течение некоторого времени (до 2-х часов /12/). Однако, чем быстрее оно будет ликвидировано, тем меньше вероятность его перехода в опасное многофазное короткое замыкание (КЗ). Учитывая это, а также несовершенство способов отыскания места повреждения путем поочередного отключения элементов сети, в настоящее время рассматриваемые сети оснащаются защитными устройствами, действующими обычно на сигнал. Их использование существенно сокращает время ликвидации повреждения. Исключение составляют сети 6-10 кВ, питающие торфяные предприятия, передвижные строительные механизмы и другие аналогичные установки. В таких сетях возникновение двойных замыканий опасно из-за появления "напряжения прикосновения" и "шаговых напряжений".
Для оценки уровня тока однофазного замыкания 13(1) (А) воздушных и кабельных линий, соответственно, можно использовать упрощенные формулы /18/: то)= ш. (»=ш п 1} Із 350 1з 10 U ; где U - линейное напряжение, кВ, L - длина сети, км. При замыкании на землю через место повреждения проходит ток 13(1), обусловленный не только емкостью поврежденной ЛИНИИ Сд, но и емкостями неповрежденных ЛИНИЙ Св и Сс /22/.
Распределение токов нулевой последовательности в системе таково (рисунок 1.1), что при условном направлении тока 13 к месту повреждения, токи нулевой последовательности неповрежденных линий 1ов и 1ос, проходят через емкости фаз линий Св и Сс, направляются к шинам подстанции и далее по поврежденной линии от шин к месту замыкания К. Таким образом, от шин по поврежденной линии направляется ток нулевой последовательности 10экв, определяемый емкостью всех неповрежденных линий /23/.
При неустойчивом контакте в месте замыкания возникает дуговое однофазное замыкание на землю. При этом электрическая дуга в месте замыкания может гаснуть и зажигаться вновь десятки раз в секунду (так называемая перемежающаяся дуга). Это создает непрерывно следующие друг за другом переходные процессы, сопровождающие перераспределение зарядов между емкостями фаз сети. При изолированной нейтрали емкость нулевой последовательности сети может разряжаться на землю только через обмотки высокого напряжения трансформатора напряжения, нейтраль которого заземлена.
Перемежающиеся дуговые замыкания на землю являются одной из основных причин повреждения трансформаторов напряжения (ТН). Например, в /24/ отмечается , что броски тока в ТН НТМИ-10 после гашения дуги достигают 5 - 6 А, а при зажигании около З А или до 6 — 8 А, если зажигание дуги произошло раньше, чем затухает переходный процесс после ее предыдущего гашения. Если дуга зажигается и гаснет чаще, чем один раз в период, то ни тот, ни другой переходный процесс развиться не успевает. Если она загорается один раз в период и реже, ТН может повредиться меньше чем за 5 минут. В /25/ отмечается, что наиболее опасный для ТН режим возникает, если зажигание дуги происходит в полуволну напряжения одной полярности (так называемая однополярная дуга).
Феррорезонансные процессы являются другой часто упоминаемой причиной ложной работы направленных защит нулевой последовательности, а также повреждения трансформаторов напряжения /26 31/. Для феррорезонансных процессов в нормальном режиме работы сети характерно взаимодействие нелинейной индуктивности ТН и емкости сети.
Принцип построения защиты, реагирующей на активную составляющую тока замыкания
Основное достоинство состоит в том, что на защиту не влияют амплитудные и фазовые погрешности в цепях фильтров напряжения и тока нулевой последовательности. На данном принципе также разработана комплексная защита от однофазных замыканий типа КЗЗП /59/. Защита содержит токовую цепь и цепь напряжения, каждая из которых имеет по два разнополярных пороговых элемента, устройство возврата, реле времени, электронный ключ и блок питания.
Отстроенность защиты от коммутационных и индуктированных помех достигнута благодаря наличию амплитудного порога срабатывания измерительного органа, ограничению диапазона рабочих частот (300 - 3000 Гц) и загрублению защиты к частотам вне этого диапазона, оптимальному времени возврата измерительного органа в исходное состояние, наличию логики обязательного совпадения полярностей сигналов в цепях тока и напряжения.
Недостатки защит, использующих в качестве информационного параметра переходные процессы: - необходимость и сложность отстройки реагирующих органов от коммутационных и других высокочастотных помех, помех в сети, особенно в момент однофазного замыкания; - не достаточная чувствительность при металлическом замыкании в момент перехода напряжения поврежденной фазы через нуль; - влияние фазовых искажений трансформатора тока и напряжения нулевой последовательности; - относительно сложная логическая часть, поскольку необходимо принять меры к исключению влияния второй и последующих полуволн тока и напряжения нулевой последовательности с обратным знаком; - влияние феррорезонансных процессов; - однократность действия. Устройства, использующие активную составляющую тока замыкания на землю
Наиболее стабильный характер при замыкании на землю имеет активная составляющая тока нулевой последовательности, т.к. одна ее компонента, обусловленная потерями в ДГК, практически неизменна, а вторая, определяется активными потерями через изоляцию, и пропорциональна общей протяженности сети. Это обстоятельство в сочетании с высокочувствительными измерительными органами позволяет создать защиту, которая лишена многих недостатков, присущих выше описанным принципам /60 -ь 62/.
Одно из возможных решений создания селективной защиты на данном принципе - это использование индуктивного параметрона /63/. Применение которого иллюстрируется на рисунке 1.15.
Работа такого устройства основана на следующем. Фаза колебаний Иг, возникающих в параметрически возбуждаемом контуре, образованном емкостью С и индуктивностью вторичной обмотки W2, принимает какое-либо одно из двух возможных значений. Эта фаза может быть предопределена, если до возникновения параметрических колебаний ввести в колебательный контур ток (сигнал) небольшой величины с некоторой "управляющей" фазой.
Так как колебательный контур является параметрическим, наличие в контуре сигнала, ортогонального сигналу с управляющей фазой, не оказывает влияния на процесс управления фазой параметрических колебаний, т.е. параметрон обладает избирательностью к ортогональным управляющим сигналам. Если настроить систему так, чтобы фаза активной составляющей тока замыкания на землю (активного сигнала) совпадала с управляющей фазой, то фаза возникающих параметрических колебаний U2 будет предопределяться фазой активной составляющей. Реактивная составляющая тока замыкания на землю (реактивный сигнал) влияния на процесс управления фазой оказывать не будет.
Сравнивая фазу напряжений с фазой некоторого опорного напряжения, например, напряжения нулевой последовательности, можно выявить поврежденный фидер. Положенный в основу действия предлагаемой защиты принцип фиксирования активной составляющей в токе замыкания на землю позволяет осуществить защиту не только радиальных, но и кольцевых кабельных сетей.
В последнем случае необходимо устанавливать индуктивные параметроны на обоих концах каждого защищаемого участка сети и обеспечить обмен информацией между ними. Функциональная схема устройства защиты на индуктивном параметроне
Таким образом, со многими достоинствами параметрона (выходное напряжение параметрона не зависит от величины тока замыкания на землю, т.е. защита является равночувствительной; работа устройства не зависит от режима компенсации сети; по принципу действия устройство обладает повторностью действия и
ДР-) Но, наряду со многими достоинствами параметрона, существуют и значительные недостатки: использование устройства требует установки специального трансформатора тока нулевой последовательности на каждом присоединении в радиальных сетях и на обоих концах защищаемого участка в кольцевых сетях; сложность настройки и обслуживания; низкая надежность; не чувствительность к одиночным пробоям изоляции, к замыканиям сопровождаемых появлением перемежающейся дуги.
Анализ известных принципов построения защиты от однофазных замыканий в сетях с компенсацией емкостного тока показал, что наибольшими преимуществами должны обладать защиты, реагирующие на направление активной составляющей тока замыкания. Они смогут фиксировать кратковременные самоустраняющиеся замыкания на землю, повторно срабатывать при переходе кратковременных пробоев изоляции в устойчивое металлическое замыкание, сохранять работоспособность при переходе сети в режим недокомпенсации и могут применяться в сетях с изолированной и заземленной через резистор нейтралью.
На основе исследования процессов в сетях с изолированной и заземленной через резистор нейтралями и устройств защиты от однофазных замыканий выяснено, что для исключения их ложной работы при возникновении феррорезонансных процессов, они должны быть оснащены соответствующей блокировкой.
Широкое применение централизованных защит, как правило, способных удовлетворить большинству предъявляемых требований, сдерживается тем, что подобные устройства обладают, наряду с низкой надежностью (из-за наличия большого количества соединительных проводов и контактов), недостаточной чувствительностью вследствие отстройки от помех в линиях связи и малой мощности отдаваемой трансформатором тока нулевой последовательности.
В связи с предполагаемыми преимуществами защит, реагирующих на активную составляющую тока замыкания, их разработка является актуальной. Актуальным является и совершенствование защит, построенных на других принципах, из - за указанных в п. 3 v 6 недостатков.
Исследование работы защиты на экспериментальной установке сети с компенсированной нейтралью
Для определения характеристик защиты, оно было испытано на экспериментальной установке сети с компенсированной нейтралью изображенной на рисунке 24. Токовая цепь защиты подключена к ТТНП типа ТЗЛМ, а цепь напряжения подключена к промежуточному однофазному трансформатору, первичная обмотка которого подключена между землей и нейтралью сети. Коэффициент трансформации выбран таким, чтобы на выходных цепях защиты в режиме однофазного металлического замыкания было 100 В. Для создания активной составляющей равной 0,6 А сопротивления R4, R5 и R6 выбираем из условия R= — -3 = 1149 Ом. При этом реактивная составляющая тока замыкания для кабельных линий должна составлять 10 А и более /4/ Тогда емкости С4, С5 и С6 будут равны: С=1/((230 314)/10)/3=46 мкФ; параметры элементов линии имитирующей поврежденное присоединения выбираем на порядок меньше, чем параметры системы, Rl, R2 и R3 равны 10149 Ом, а СІ, С2 и СЗ равны 4,6 мкФ. Компенсацию емкостной составляющей тока замыкания осуществляем с помощью катушки индуктивности ДГК. Степень расстройки компенсации определяется по амперметрам А1 и А2.
Для проверки чувствительности защиты в режиме металлического замыкания, сеть настраиваем в режим перекомпенсации со степенью расстройки от 0 до 10 % (по требованиям /11/). Время срабатывания защиты определяем с помощью измерителя параметров реле типа Ф291. Многократные опыты показали, что время срабатывания защиты (вместе с tcp выходного реле) составляет 0,065 - 0,08 с, то есть является допустимым по требованиям быстродействия срабатывания защиты, осциллограммы приведены на рисунке 27. Отказов в срабатывании реле на экспериментальной установке в режимах расстройки компенсации от 0 до 10 % не наблюдалось. При снижении активной составляющей менее 0,5 А реле становиться нечувствительным к металлическим замыканиям В режиме перекомпенсации более 40 %, срабатывание реле становиться неустойчивым, наблюдается дрожание контактов выходного реле. Это связано с погрешностью работы блока коррекции и сумматора. При испытании реле на неповрежденном присоединении, ложных срабатываний реле не наблюдалось при различных настройках компенсации, в том числе и при перекомпенсации более 40 %.
С помощью экспериментальной установки защита была испытана в режиме дугового замыкания. Для исключения залипання контактов искрового промежутка, возникающего из-за малого расстояния между ними и значительного тока протекающего в момент пробоя изоляции, они были выполнены из металлокерамики. Было установлено, что в режиме дугового замыкания уменьшение величины активной проводимости изоляции не влияет на селективность и чувствительность защиты. Это объясняется тем, что в момент пробоя изоляции компенсированную сеть можно рассматривать как эквивалентный конденсатор включаемый на постоянное напряжение через практически активное сопротивление проводов и земли. При этом частота тока переходного процесса на несколько порядков выше промышленной частоты (1000 - 10000 Гц) и поэтому влиянием компенсирующей катушки можно пренебречь. На рисунке 26 приведены осциллограммы при дуговом замыкании в сети с компенсированной нейтралью. Время срабатывания защиты в данном режиме зависит от степени расстройки компенсации. Чем точнее настройка, тем больше время восстанавливающегося напряжения и тем соответственно больше время срабатывания защиты, так как для ее срабатывания необходимо как минимум три пробоя изоляции. Этим исключается ложное срабатывание защиты от одиночных самовосстанавливающихся пробоев.
Рассмотрим работу устройства при металлическом замыкании на землю на защищаемом присоединении. В нормальном режиме работы сети напряжения и ток нулевой последовательности (НП) практически отсутствуют, поэтому равен нулю и ток коррекции на выходе блока ФКС, получаемый из сигнала от напряжения НП путем автоматического усиления его до величины тока НП. При возникновении замыкания ток коррекции появляется не сразу, а с некоторой задержкой (0,02 с), обусловленной принципом работы автоматического усилителя. Поэтому в первый момент замыкания ток и напряжение НП попадают на вход ФСС практически без изменений. Если ток НП имеет активный характер (например, при точной компенсации), то его вектор сразу попадает в зону срабатывания реле. Если же в токе НП преобладает реактивная составляющая, то вектор тока на выходе сумматора смещается в зону срабатывания по мере приближения величины тока коррекции к величине измеряемого тока в результате автоматического усиления.
При возникновении перемежающегося дугового замыкания ток нулевой последовательности представляет собой высокочастотные импульсы, возникающие в момент пробоя изоляции. При этом ФКС не успевает формировать корректирующий сигнал вследствие своей инертности. Поскольку импульсы тока НП имеют активный характер, то ФСС формирует разрешающие импульсы, скважность которых определяется индуктивностью ДГК и напряжением пробоя изоляции. Блок ИО настраивается таким образом, чтобы исключить срабатывание устройства при одиночных пробоях изоляции.
Принципиальная схема устройства реализована с применением цифровых интегральных микросхем /80/. Работа ФСС основана на использовании времяимпульсного принципа. Время срабатывания устройства при металлическом замыкании на землю не превышает 0,08 с. Осциллограммы тока и напряжения нулевой последовательности, а также реакция устройства в контрольных точках в режиме металлического замыкания на землю при испытании защиты на модели сети
1. Разработана защита, реагирующая на активную составляющую тока замыкания на землю, способная фиксировать кратковременные пробои изоляции, так и селективно работать при металлических замыканиях и через перемежающуюся дугу, в сетях с компенсированной нейтралью.
2. Защита сохраняет работоспособность при переходе сети в режим недокомпенсации и даже при полной потере компенсации. Это достигается благодаря созданию соответствующей характеристики срабатывания.
3. Обосновано подключение защиты к серийно выпускаемым трансформаторам тока нулевой последовательности.
4. Доказано теоретически и подтверждено испытаниями на экспериментальной установке, что она имеет достаточную чувствительность и селективность.
5. Для оценки возможности применения разработанной защиты в сетях с изолированной нейтралью, необходимы дополнительные исследования которым, посвящена следующая глава.
Для исследования режимов и условий существования колебательных процессов в сетях напряжением 3-10 кВ, выявления информационного параметра, с помощью которого однозначно можно отличить возникновение колебательных переходных процессов в системе электроснабжения от однофазного замыкания на землю, необходимо моделирование процессов протекающих в таких сетях.
Для решения этой задачи целесообразно использовать реальные процессы полученные на экспериментальных установках. Это позволяет исследовать поведение разработанных образцов устройств в условиях приближенных к реальным.
Схема замещения сети в режиме однофазного замыкания представлена на рисунке 3.1. Выведем систему уравнений для данной схемы замещения, используя относительные единицы. Допуская, что: все элементы сети симметричны; емкости обмоток трансформаторов сети по отношению к земле равны нулю; сумма ЭДС трех фаз источника энергии системы равна нулю; неповрежденные линии замещаются схемой, состоящей только из емкостей фаз по отношению к земле.
В качестве базисных приняты следующие величины: амплитуда основной составляющей суммарного емкостного тока сети - Im.cs; амплитуда основной составляющей фазного номинального напряжения сети - Um; промышленная частота - f; o =2nf. При этом по /23/
Влияние феррорезонансных процессов на работу защит от замыкания на землю
Для повышения надёжности срабатывания реле необходимо было выявить информационный параметр, свидетельствующий о наличии в сети феррорезонансного процесса. При исследовании на модели подобных процессов было выявлено, что появление феррорезонансного процесса в сочетании с появлением однофазного замыкания не влияет на частоту линейного напряжения. Таким образом, можно построить реагирующий орган, использующий для выявления факта появления феррорезонансных колебаний, частоту линейного напряжения и частоту напряжения нулевой последовательности. Одним из дополнительных преимуществ данного информационного параметра является то, что при непосредственном измерении частоты напряжения нулевой последовательности результат измерений может оказаться недостоверным из-за аварийного снижения частоты в энергосистеме. Такое снижение частоты в системе автоматически приведет к снижению частоты нулевой последовательности.
Для реализации данного принципа предлагается схема блокировки, основанная на сравнении частоты напряжения нулевой последовательности и линейного напряжения, которое не изменяется ни при однофазных замыканиях на землю, ни при феррорезонансных процессах. При замыканиях на землю длины полуволн указанных напряжений будут практически совпадать, а при феррорезонансных процессах, влияющих на работу защит, отличаться.
Структурная схема блокировки приведена на рисунке 3.8. Вход блокировки содержит два канала, один из которых состоит из выпрямителя 1 и усилителя ограничителя напряжения нулевой последовательности 2, другой - из выпрямителя 3 и усилителя ограничителя линейного напряжения 4. Усилители ограничители этих каналов служат для преобразования входных сигналов в прямоугольные импульсы одной полярности, длительность которых равна длительности соответствующих полуволн входных напряжений. С выходов усилителей ограничителей обоих каналов прямоугольные импульсы поступают на вход блока переключения режимов счета 5, функция которого заключается в следующем. При поступлении первого положительного фронта прямоугольных импульсов по каналу напряжения нулевой последовательности он запускает счет импульсов от высокочастотного генератора 6 реверсивным счетчиком
По отрицательному фронту этого же прямоугольного импульса работа счетчика останавливается и полученная сумма сохраняется до прихода на второй вход блока переключения режимов счета ближайшего положительного фронта прямоугольных импульсов по каналу линейного напряжения. С этого момента запускается счет импульсов на вычитание показаний счетчика до прихода отрицательного фронта импульса. Затем показания счетчика фиксируются и подаются на вход блока формирования разрешающего сигнала 8, а блок переключения режимов счета устанавливается в режим ожидания следующего ближайшего положительного фронта импульса по каналу напряжения нулевой последовательности, обнулив показание счетчика. Если зафиксированное показание счетчика мало, значит частота линейного напряжения практически равна частоте напряжения нулевой последовательности. При увеличении длительности полуволны напряжения нулевой последовательности показания счетчика резко увеличиваются. Таким образом, реверсивный счетчик импульсов используется в качестве измерительного органа, реагирующего на снижение частоты напряжения нулевой последовательности. Если частота напряжения нулевой последовательности лежит в диапазоне от 40 до 60 Гц, то на выходе блока формирования разрешающего сигнала появляется импульс. Длительность последнего определяется наименьшим временем срабатывания измерительной части защиты для исключения ложного срабатывания после отключения замыкания на землю. При одновременном поступлении разрешающего сигнала и сигнала от измерительной части защиты на выходе схемы И 9 появляется сигнал, обеспечивающий срабатывание исполнительного органа защиты. Для сохранения выходного сигнала на выходе схемы И при исчезновении разрешающего импульса с выхода блока 8 и существовании сигнала от измерительной части защиты выполнена обратная связь от выходного сигнала.
При возникновении замыкания длительность первого полупериода напряжения нулевой последовательности не равна длительности полупериода линейного напряжения, поэтому после первого измерения показания счетчика разрешающий сигнал на выходе блока 8 не появляется. После второго и третьего измерений во время замыкания разрешающие сигналы появляются, так как частоты измеряемых напряжений практически равны. После отключения ОЗЗ длительность полупериодов напряжения нулевой последовательности начинает увеличиваться и блокировка больше не выдает разрешающие сигналы на срабатывание защиты.
Существование третьего разрешающего сигнала после отключения замыкания не приведет к ложному срабатыванию, так как его длительность меньше времени срабатывания измерительной части защиты.
Момент отключения 033 Рисунок 3.9 Предлагаемая схема блокировки обладает следующими преимуществами: температурная стабильность, поскольку несущественное изменение параметров элементов генератора тактовых импульсов не влечет за собой ложной работы блокировки, так как счетчиком производится дифференцирование количества импульсов измененной частоты; не критичность к не синусоидальности входных сигналов при перемежающихся дуговых замыканиях; изменение соотношений параметров схемы блокировки с течением времени не влияют на ее работу; разработанная блокировка выполнена в виде отдельного модульного блока, что позволяет использовать ее как дополнение к направленным защитам от замыканий на землю, которые уже находятся в эксплуатации /81, 82/.
На рисунке 3.11 приведена принципиальная схема направленной защиты типа НЗЗИ-6. Токовый вход защиты подключается к трансформатору тока НП типа ТЗЛМ, а канал напряжения к трансформатору напряжения нулевой последовательности типа НТМИ-6, установленных на экспериментальной установке сети. Блокировка от феррорезонансных процессов, принципиальная схема которой, изображенная на рисунке 3.12 устанавливается в разрыв между выходным органом защиты, обозначенным на схеме "а и Ь" и исполнительным органом. При проведении испытаний подтвердилось, что блокировка не влияет на общее быстродействие защиты при замыкании в зоне ее действия. Был измерен порог срабатывания блокировки, который составил 40 Гц. Осциллограммы измеренные в контрольных точках блокировки при отключении неповрежденного присоединения изображены на рисунке 3.10.
