Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для релейной защиты в электрических сетях напряжением 6-35 кВ, работающих с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) через переходные сопротивления.

Известно устройство токовой защиты от ОЗЗ электрических сетей с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и связанный с ним по входу релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание. Токовая защита основана на увеличении тока замыкания на землю путем искусственного заземления нейтрали через резистор [Евдокунин Г.А. и др. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. - Ж. «Электричество», №12, 1998]. Ток замыкания возрастает за счет активной составляющей тока резистора. Величину сопротивления резистора R_З предлагается подбирать по условиям одновременного снижения перенапряжений в сети при ОЗЗ и улучшения работоспособности токовой защиты.

Устройство содержит на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и связанный с ним по входу релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, а в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, на первый вход которого поступает сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты.

К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится снижение чувствительности и даже полная неработоспособность при неполных замыканиях на землю (через переходное сопротивление R_П>0 в точке ОЗЗ), вследствие того, что величины емкостных токов линий и тока через резистор, как одинаково зависящие от напряжения нулевой последовательности, будут меньшими, чем их величины, используемые в расчете и выборе уставок защит. Кроме того, известное устройство имеет ограниченную область применения - в основном только в режимах глухого «металлического» замыкания на землю.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство токовой защиты электрических сетей, и это устройство - прототип [Патент на изобретение РФ 2422964, устройство токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю, МПК G01R 31/08, 27.06.2011].

Устройство содержит на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, кроме того, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, на первый вход которого поступает сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, а выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является недостаточная достоверность срабатывания устройств релейной защиты при аварийных режимах, ввиду того, что не учитывается влияние различных внешних факторов, таких как влажность земли и атмосферы, температура внешней среды, состояние почвы, рельеф местности и т.д.

Техническим результатом заявленного устройства интеллектуальной токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю является повышение точности срабатывания защиты при коротком замыкании, а также уменьшение количества произвольных срабатываний защиты за счет более обоснованного выбора значения тока уставки.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство интеллектуальной токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и связанный с ним по входу релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, функциональный модуль вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, а в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, на первый вход которого поступает сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, а выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты, причем к модулю автоматической адаптивной коррекции тока уставки подключен блок автоматической коррекции тока уставки, содержащий набор датчиков контроля параметров внешней среды, подключенных к первому микроконтроллеру, определяющему первичные параметры длинной линии и фазовую скорость распространения импульса по линии, выход которого соединен с рефлектометром, определяющим расстояние до места аварии, выход которого соединен со вторым микроконтроллером, на вход которого поступают также значения первичных параметров линии, а выход второго микроконтроллера соединен с модулем для автоматической адаптивной коррекции величины тока уставки.

Указанное отличие позволяет осуществлять коррекцию тока уставки. Коррекция выполняется автоматически по функциональным зависимостям параметров длинной линии, которые входят в выражение тока уставки, от внешних климатических факторов. Климатические факторы измеряются датчиками температуры провода, температуры воздуха, диэлектрической проницаемости воздуха и удельной проводимости земли. Функциональные зависимости получены аналитически или экспериментально на основе обработки статистической информации. Управление скоростью импульса рефлектометра осуществляется через блок задания коэффициента укорочения рефлектометра. Техническим результатом этого устройства является более точное определение тока уставки и соответственно срабатывания защиты при коротком замыкании.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Защищаемая электрическая сеть содержит секцию шин 1 с группой присоединенных линий 2. Устройство токовой защиты электрических цепей от ОЗЗ содержит на каждой линии 2 датчик тока 3 нулевой последовательности в виде трансформатора или фильтра тока нулевой последовательности, блок защиты 4, включающий релейный орган 5 с двумя входами и с выходом, действующим на отключение поврежденной линии или «на сигнал». В блок защиты 4 каждой линии 2 дополнительно введен модуль 6 для автоматической адаптивной коррекции величины тока уставки. Модуль 7 вычисления показателя неполноты замыкания на землю реализует операцию деления величины напряжения U₀ на величину фазного напряжения, на первый вход модуля 7 вычисления показателя неполноты замыкания на землю с измерительного трансформатора 8 напряжения подается напряжение смещения нейтрали в сети U₀, а на второй его вход - линейное напряжение U_Л. Выход модуля 7 вычисления показателя неполноты замыкания на землю связан со вторыми входами всех модулей 6 автоматической адаптивной коррекции тока уставки в блоках защиты 4 линий 2. Блок 9 автоматической коррекции тока уставки, которое вычисляет значение сопротивления цепи короткого замыкания линии 2, содержит первый микроконтроллер (МК)10, который осуществляет обработку информации, поступающей через аналоговые входы от датчиков температуры провода 11, температуры воздуха 12, диэлектрической проницаемости воздуха 13 и удельной проводимости земли 14. Выход первого МК 10 соединен с входом рефлектометра 15, определяющим расстоянии линии 2 до места аварии, выход которого соединен со вторым МК 16, на вход которого поступают значения первичных параметров линии 2 с первого МК 10, а выход второго МК 16 соединен с входом модуля 6 автоматической адаптивной коррекции тока уставки.

Устройство работает следующим образом.

На вход первого МК 10 блока 9 автоматической коррекции тока уставки поступают сигналы с датчиков температуры провода 11, температуры воздуха 12, диэлектрической проницаемости воздуха 13 и удельной проводимости земли 14 и с помощью функциональных зависимостей вычисляются первичные параметры линии R₀, L₀, С₀, G₀, фазовая скорость V_ф и коэффициент укорочения K_ук. Сигналы с первого МК 10 поступают на рефлектометр 15 и вводят автоматическую коррекцию на измеренное расстояние до места аварии от влияния внешних факторов. Информационный сигнал о расстоянии до аварии с рефлектометра 15 поступает на второй МК 16, на вход которого поступают информационные сигналы о первичных параметрах линии. Второй МК 16 вычисляет значение сопротивление цепи короткого замыкания линии и по этой величине корректирует ток уставки. А коррекция на ток уставки с учетом влияния внешних факторов и расстояния до места аварии поступает на модуль 6 автоматической адаптивной коррекции тока уставки.

Фазовая скорость определяется соответственно с помощью выражения:

где ω - угловая частота, рад/с; β - коэффициент фазы длинной линии, рад/м, который определяется по формуле:

где С₀ - поперечная емкость между прямыми и обратными проводами; Ф; L₀ - индуктивность петли, образованной прямыми обратным проводами, Гн; R₀ - продольное активное сопротивление прямого и обратного проводов, Ом; G₀ - поперечная активная проводимость утечки изоляции между прямым и обратным проводами, См [Патент на изобретение РФ 2017129315, Устройство для измерения расстояния до места повреждения линий электропередачи, МПК G01R 31/11, 23.05.2018].

Отклонения параметров линии R₀, L₀, С₀, G₀, обусловленные влиянием климатических факторов, вызывают отклонение коэффициента фазы и соответственно фазовой скорости

Зависимость активного сопротивления от температуры провода определяется [Марголин Н.Ф. Сопротивление воздушных линий передачи / Н.Ф. Марголин - М.: Мособлполиграф, 1937. - 61 с.]:

где R₀₂₀ - табличное значение удельного сопротивления при температуре провода 20°С, Ом⋅м; α - температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/град; t_пр - температура провода, °С.

Полное сопротивление провода определяется выражениями [Марголин Н.Ф. Сопротивление воздушных линий передачи / Н.Ф. Марголин - М.: Мособлполиграф, 1937. - 61 с.]:

где R_пр - активное сопротивление линии, Ом; X_L - реактивное сопротивление линии, Ом; ƒ - частота сети, Гц; r_пр - радиус провода, м; γ - удельная проводимость земли, См/м.

Величина относительной диэлектрической проницаемости газов ε зависит от температуры при постоянном давлении. Для сухого воздуха ε в интервале температур от -60 до +60°С можно считать постоянным и приблизительно равным - 2⋅10^-6 С^-1. Однако дождь и снег оказывают значительное влияние удельную емкость линии. Кроме того, влажность и температура воздуха оказывают влияние на токи утечки.

Первый МК 10 вычисляет сложные операции, которым нужно больше времени для выполнения и обработки по сравнению с операциями второго МК 16, от работы которого зависит быстродействие всей системы. Поэтому использование двух микроконтроллеров позволяет повысить скорость срабатывания токовой защиты.

Таким образом, конструкция заявленного устройства позволяет значительно повысить точность срабатывания токовой защиты за счет автоматической коррекции величины тока уставки, зависящей от внешних факторов, по измеренным с помощью соответствующих датчиков величинам внешних факторов и вычисленными с помощью микроконтроллеров сигналами коррекции.